取水泵房沉井施工技术及质量控制措施

韩宝祥 徐红兵

（江苏省水利建设工程有限公司，江苏 扬州 225002）

1 工程概况

扬州市廖家沟水源地达标建设取水口迁建工程位于扬州市湾头镇万福村境内。取水泵房采用钢筋混凝土沉井，平面尺寸为45 m×29.6 m，底板面高程为▽-6.7 m，刃脚底面高程均为▽-11.1 m，顶部高程为▽7.8 m。本沉井紧邻中沟河，距离廖家沟河也很近，地下水补给丰富。

取水泵房四周防渗止水帷幕采用双排Φ800 高压旋喷桩876 根，间距500 mm，搭接300 mm，桩长23.8 m（顶高程▽7.5 m，底高程▽-16.3 m）。

在止水帷幕封闭圈内设置了16口降水井，降水井距离止水帷幕1.5 m，井深30 m。在取水泵房北侧止水帷幕外侧设置了2 口回灌井，回灌井距离止水帷幕8 m，井深15 m。在取水泵房中心设置了一口观测井，井底高程为▽-13.0 m。

沉井施工主要包括沉井钢筋混凝土结构制作与井体沉放两部分。沉井制作前，应确定分节制作的次数及相应的结构高度。根据地质资料，本工程所处位置地基下③层的允许承载力为150 kPa。沉井的设计制作高度为18.9 m，平面尺寸为45 m×29.6 m，体量较大，为二次制作、一次下沉、一次接高（盖板顶梁）；沉井底板、顶板、水泵基础、管道镇墩、柱壁、传力支墩均在后期浇筑。

沉井制作分层：

第一节从▽-11.1 m 到▽-6.7 m，制作高度为4.4 m（其中外井壁浇筑至▽-6.5 m）；第二节从▽-6.7 m 到▽3.8 m，制作高度为10.5 m；一次下沉至设计刃脚标高；第三节接高从▽3.8 m 到▽7.8 m，制作高度4 m。

井刃脚制作高程确定：

根据扬州市廖家沟水源地达标建设取水口迁建工程岩土工程勘察报告，取水泵房部位②层粉土土层较稳定，③、④层粉土工程力学强度为一般～较高，是沉井基础较好的持力层。其中，②层土地基允许承载力为120 kPa，③层土地基允许承载力为150 kPa，④层土地基允许承载力为200 kPa。综合考虑各层土的埋深和地基允许承载力，计划在外井壁处挖至▽2.3 m（挖深约4.8 m），回填60 cm 厚砂垫层，再浇筑20 cm 厚C20 混凝土垫层后开始制作刃脚。其中，刃脚踏面高程▽3.1 m，下沉至▽-11.1 m，深度为14.2 m。

本工程作为沉井制作的下卧层③层土地基允许承载力为150 kPa，工程力学强度较高。经计算，外井壁设置60 cm 厚，在KJ-1/2 下设置110 cm 厚砂垫层的情况下，能够满足取水泵房沉井制作稳定的要求。取水泵房平面布置见图1。

图1 取水泵房平面布置图

2 沉井下沉施工技术及控制措施

2.1 沉井下沉施工技术

首先布置坐标控制点和水准控制点，控制点需布置在施工影响范围之外。在施工过程中应对控制点加以保护，并定期检查和复测。在沉井中心轴线位置设置混凝土观测桩，用于控制沉井制作和下沉定位。

本工程沉井采取的是排水下沉。先在沉井区域做好降水试验，分析该位置的降水情况，并设置观测井，以确保地下水位降到底板以下，做到排水下沉到设计标高时，具备干封底条件。

排水下沉是在泵房井体结构下沉过程中不断将井体内的土体通过水力机械冲排或挖掘机挖掘到井外，井底的土体稳定主要靠其自身稳定性实现。

2.1.1 沉井下沉前准备

（1）沉井下沉时，第一节井体混凝土须满足设计强度要求，第二节井体混凝土须达到设计强度的70%以上。根据计算和实际效果，沉井下沉前7 d 开始降水，下沉前检查所有降水井，保证降水井抽排水正常。

（2）检查沉井下沉施工的弃土场，以做好各项准备。清理沉井内各类杂物。主要用水直接从中沟河或廖家沟河道中抽取，可确保水量充足。

（3）选用9 台TSW50-7 级水泵，八用一备。每小时提供压力为10～14 kg/cm2的水源约500 m3，以满足井下最多8 个区域的高压泵用水。

（4）沉井之前，应对各个井格内已安装好的井水管路、泥浆泵管路、高压泵及水枪进行运行检查。清理沉井结构上的物件，嵌补好对拉螺栓留下的凹口。

（5）沉井内外应留置通道，保证施工人员进出安全。同时，在井壁上口应设置栏杆，保证技术人员进行施工监测的安全。根据高程控制点，在沉井井壁外侧四角用油漆涂刷水准尺，在井体上设置位移观测点。

（6）对沉井外井壁上的迎土面孔洞进行封堵，沉井顶管进洞穿墙套管内要用钢板加设支撑封堵，并在管内中心处设一水平支撑，以防止工字钢弯曲变形拔不出来，沉井下沉到位后，在顶管出洞时依次拔除工字钢。

（7）沉井下沉前需对施工人员进行施工技术和安全技术交底，排好施工值班表，施工、技术环节均需专人值班。

（8）沉井下沉需要连续作业，不能中断，夜间作业时必须保证供电正常。如遇到特殊原因需要停电，一定要提前通知，以便做好稳定沉井的相关安全、质量措施，并应在井下作业人员撤离作业面后才能断电，断电期间需加强观测。突然停电不仅可能导致沉井失稳，而且更可能危及井下作业人员的生命安全。

2.1.2 沉井排水下沉

在沉井下沉施工时，采用高压水泵供给高压水，通过高压射水冲刷土层并搅动形成泥浆，再用泥浆泵将泥浆排到井外，使沉井下沉。这种施工方法，设备简单，效果显著，且已经积累了不少施工经验。

（1）水力机械出土的基本原理。沉井水力机械出土就是利用高压射水对土层进行切割、冲刷、搅动，再将所形成的泥浆排除的全部过程。其中，高压泵供给高压射水，泥浆泵抽排泥浆。

（2）水力机械设备。沉井下沉所使用的水力机械设备主要为高压水枪、进水管路、高压水泵、泥浆泵、排泥管等。沉井下沉时所需的水力机械的套数根据沉井的大小及土方量而定，通常一台17 kW 的高压泵配1 台15 kW 泥浆泵24 h 出土量可按100～200 m3计算。

（3）水力冲吸取土施工技术。冲土时，先在沉井中央冲挖出一个直径约为2 m、深度大于1 m 的圆形集水坑，再用高压水枪以集水坑为中心向四周冲出4条左右的水沟，水沟的纵向坡度约5%，然后向四周开挖锅底。为了防止沉井突沉、偏位、倾斜，以及减少对井外土层的扰动，应在沉井刃脚旁保留宽1 m 左右的土埂。待锅底开挖完成后，再逐步均匀地冲挖土埂，先超挖四角，再冲挖四周，最后冲挖定点处，使沉井平稳下沉。

对于远离集水坑的井格，当冲挖四角和井壁土埂时，为了保证泥浆向集水坑流淌顺畅，减少泥浆在水沟内的泥砂沉淀，应采用高压水枪反复冲刷和搅动。这样既可以保证水沟内泥浆流淌顺畅，又可使集水坑内泥浆便于搅动和抽排，同时还能保证集水坑的深度和泥浆泵网罩的清洁。

上述方法有助于提高泥浆泵的排泥量，在沉井的初沉阶段也有利于清除泥浆中混杂的建筑垃圾，如：混凝土块、模板碎片等。

根据工程中的实际情况，当水压为20 kg/cm2左右时，高压水枪冲刷半径约为6 m，在此范围内的泥浆一般均可顺畅地流到集水坑内。泥浆泵源头的网罩应低于泥浆面约10 cm，这样可以吸入更多的泥浆。

2.1.3 排水沉井的优缺点

（1）优点：不仅土方挖掘容易，而且封底时亦在干燥状态下实现，能够直观有效地保证混凝土的浇捣质量，确保工期。

（2）缺点：井底土体容易出现失稳现象，特别是在底部遇有富水砂性地层时，极易引发管涌流砂事故，对周边环境的影响亦较大。

2.2 沉井下沉的质量控制

沉井分为初沉、正常下沉和终沉3 个阶段，最后实施封底。沉井下沉过程中穿越了③层粉土，终沉座落于④层粉土层中。

2.2.1 初沉阶段的质量控制

（1）沉井下沉深度在0～3 m 范围内为初沉阶段。下沉前需凿除井壁素混凝土垫层，在凿除混凝土时应对称施工，并由专人负责观测，如发生倾斜，要及时调整，使沉井平稳地切入土中。

（2）素混凝土垫层凿除后，用水力机械挖土，应从中间向四周对称进行。开挖过程中在井外壁刃脚内侧保留1 m 宽的土埂，土埂高度一般为1.0 m，并随沉井进尺量增加而适当减少。

（3）沉井初沉阶段下沉系数较大，应以纠偏为主，下沉为辅，此时必须跟踪监测，控制各井格区域内的出土量，及时分析监测数据，控制下沉速度，减少不均匀沉降。初沉阶段，每天下沉量不宜超过0.5 m；沉井进入轨道后，在确保平稳的前提下，每天的下沉量应控制在1 m 左右。

（4）沉井下沉过程中如发现下沉系数增大而失控，应立即在沉井外侧回填碎石和粗砂增大侧壁摩阻力。

为防止刃脚取土不平衡产生不均匀沉降，需加强下沉过程中的测量控制，及时调整各区域取土量，以保证沉井平稳、均匀下沉。

2.2.2 正常下沉阶段的质量控制

（1）如初沉阶段一直保持平稳、均匀下沉，可增加沉井锅底深度，将锅底深度控制在2 m 以内，并加快土层冲排速度，减少地基反力，从而降低下沉时的阻力，提高施工速度。

（2）沉井下沉时，应均衡挖土，均匀下沉，先冲排中央部位的土体，再冲排刃脚下土层，井内土面高差不得大于1.0 m。施工时跟踪监测，如发生异常，应及时纠偏，严禁出现沉井局部被搁置的现象。做好施工记录，画出下沉时间、下沉深度曲线图。沉井下沉时密切关注突沉和超沉情况，做好应急预案。

2.2.3 终沉阶段的质量控制

（1）当沉井下沉到最后2 m 时即进入终沉阶段。冲挖土层时应使“凹”形锅底逐步过渡到“凸”形反锅底，适当放慢出土数量与速度，且必须均匀对称布置挖土范围。当沉井四周控制点高差大于20 cm 时，要及时纠偏，可采取调整各井格挖土深度的纠偏措施。终沉阶段是沉井的关键阶段，故一定要加强监测，应每隔1 h 提供一份监测分析报告，以此来控制沉井下沉。

（2）终沉确定刃脚踏面抛高10 cm左右，此时要求沉井底隔梁必须全部搁置在土面上并有适当的涌土高度。一旦沉井刃脚踏面高程达到设计要求并上抛10 cm 后，应立即停止挖土，向井格内抛填石块压重、镇脚，并密切注意观测，24 h 内沉井下沉不大于1 cm，应立即组织进行混凝土封底。沉井下沉到位后，每隔4 h 观测一次沉井四角的高程。

2.2.4 沉井下沉完毕后的允许偏差

刃脚平均高程偏差：+0～-20 cm（终沉抛高只能留0～10 cm）；刃脚中心线位移：小于1%H（下沉总深度）；四角中任何两角的顶面高差：小于1%（两角距离），且不大于30 cm。

2.3 沉井下沉偏移分析及纠偏措施

2.3.1 沉井下沉偏移分析

沉井下沉的过程就是不断纠偏的过程，保证沉井下沉质量的关键就是做好下沉阶段的纠偏工作。沉井下沉产生高差、位移的原因主要有：①基土层软硬不均，或有块石等障碍；②沉井挖土不匀称，井格间土层高差较大；③下沉系数偏小，底梁和刃脚被掏空时发生突沉；④沉井内产生流砂管涌，破坏了沉井的稳定状态；⑤沉井四刃脚高差较大导致沉井产生轴线偏移或较大的扭转；⑥沉井四周土体不对称或土质不均匀，使沉井四周井壁受力不一致。

2.3.2 纠偏措施

（1）下沉过程中，发现有障碍物，必须及时清除。

（2）各井格内以及井格之间应均衡出土。一般土层高差应控制在1 m以内，终沉阶段土层高差不得超过0.5 m。

（3）发生流砂管涌的主要原因是地下水位高于取土深度，须及时压住水头，决不能在流砂的状态下继续进行下沉施工。

（4）及时回填沉井外侧四周坍陷区域，保持沉井外四周土体稳定。

（5）下沉过程中沉井发生倾斜、偏转时，要及时分析原因，并通过以下方法进行纠偏，确保将沉井偏差控制在允许的范围内。

偏除土纠偏：沉井在初沉阶段比较容易发生倾斜，也比较容易纠正。一般可在刃脚高的一侧除土，使沉井高的一侧刃脚下正面阻力降低，沉井低的一侧刃脚下的正面阻力增加，下沉过程中逐渐纠正沉井偏差。

井外射水、井内偏出土纠偏：正常下沉阶段，因沉井四周土层对井外壁的摩阻力增大，故沉井纠偏工作比较困难。此时若需要纠正沉井的偏斜，就必须破坏土层的被动土压力。即用高压射水冲刷沉井高的一侧井壁外的土层，破坏其土层结构，降低土层的被动土压力，以此逐步纠正沉井的倾斜。另外，采用在沉井顶部加偏压重的方法，也可以使沉井的倾斜得到纠正。

重纠偏：对沉井高的一侧加压，即使用重物进行压重，使沉井高的一侧下沉量大于沉井低的一侧，从而起到纠正沉井倾斜的作用。

沉井位置扭转时的纠正：沉井位置如发生扭转，可在沉井偏位的二角偏出土，另外二角偏填土，借助于刃脚下土压力差所形成的扭矩，在下沉过程中使偏位沉井逐步得到纠正。

以上所述沉井的倾斜、位移、扭转，应在沉井下沉到距设计标高1 m以上时基本纠正好，纠偏一定要缓慢，纠正后应匀速、稳定下沉。在沉井刃脚接近设计标高0.3 m 以内时，不得再有超出允许范围的偏差，因为此时纠偏异常困难。

2.4 下沉过程的监测

下沉过程中，要做好以下几方面的监测工作：沉井本体监测、沉井四周土体监测、深井降水监测、周边建筑物监测。

2.4.1 沉井本体监测

在沉井井壁四周布置位移观测点、沉降观测点及观测轴线，每天观测沉井轴线位移情况，并做好记录，发现位移累计超过50 mm，要采取纠偏措施。

在沉井下沉过程中应做到，刃脚高程每班至少观测三次，轴线位移每天观测一次，当沉井每次下沉稳定后测量四角高差和中心位移。

沉井初沉阶段每小时至少观测一次，必要时应连续观测，及时纠偏；终沉阶段每小时至少观测一次，当沉井下沉接近设计标高时须增加观测密度。

2.4.2 深井降水监测

对降水井进行编号，定时观测井内水位、井体位移、破坏情况并做好记录。

2.4.3 沉井四周土体监测

对沉井四周土体应定时观察，发现裂缝、坍塌必须及时汇报，立即采取防护措施。施工过程中，每天观测四周土体、路堤的沉降及位移情况，并做好记录，特别要加强对沉井北侧土体的监测，可在临近民居的开阔地带设置观测点，定时监测，及时对测量数据进行分析。

2.4.4 排泥场监测

沉井下沉过程中应指定专人巡查排泥场，出现异常情况需及时处理，可采用加大围堰断面、加固围堰、增加退水口等措施保证排泥场能安全使用。

2.5 沉井施工应急措施

2.5.1 下沉困难

原因分析：井外壁与土层之间摩阻力过大；沉井自重较小，下沉系数较小；遇到障碍物。

预防措施及应急处理方法：在井顶均匀增加负重；挖除刃脚下的土；在井外壁采用高压水冲刷，减小摩阻力；在井外壁与土之间灌入触变泥浆，降低摩阻力；清除障碍物。

2.5.2 突沉

原因分析：未控制挖土量，将锅底挖得太大太深，沉井外壁与土体之间的摩阻力暂时处于相对稳定状态，当继续挖土时，外壁摩阻力达到峰值，井壁摩阻力因土的触变性而急剧下降，发生突沉；大量井外流砂涌入井内。

预防措施及应急处理方法：控制出土量，控制锅底大小及深度，避免过多掏空刃脚下土方；采用降水方法控制流砂现象的发生。

2.5.3 遇障碍物

原因分析：沉井下沉过程中可能遇到砂礓盘、孤石，造成沉井搁置、悬挂，难以下沉。

预防措施及应急处理方法：遇到较小孤石，可将四周土掏空后取出；遇到较大孤石或砂礓盘等，可用风镐将其破碎成小石块后清理出来。

2.5.4 沉井周边土体掏空，破坏止水帷幕及降水井

原因分析：沉井排水下沉冲土过程中，沉井周边止水帷幕内的粉质土体可能会随井底土方流出，掏空情况严重时会破坏止水帷幕及降水井。

预防措施及应急处理方法：在排泥场东侧准备一定数量的土方；2 节沉井制作完成后，在冲沉前回填沉井周边土体，可回填至高程5.0 m 左右；沉井下沉期间，安排专人值班，并备好土方施工机械，发现止水帷幕内的土体沉陷时，及时补土回填。

3 结语

沉井下沉前应根据地质勘察情况制定下沉方案，包括降水方案，设置防渗帷幕、降水井等。提前做好各类应急预案，并跟踪监测，及时分析，及时纠偏。沉井下沉过程中要控制下沉速度，纠偏须缓慢进行。