浅谈水利工程沉井施工技术及质量控制

王霜　汪洋　韩硕

【摘要】沉井施工技术是水利工程中常见的深基础构筑物施工方法之一，具有整体性强、稳定性好、土方开挖量少、对临近建筑物影响性较小等特点。既是基础又是施工时的挡土挡水结构物，本文结合实际工程案例，对水利工程沉井施工技术措施进行分析， 为类似工程提供借鉴。

【关键词】沉井；施工技术

1、工程概况

某水利顶管工程两端设有2座沉井，其中下游顶管工作井平面尺寸为13m*18m，刃脚底高程为▽-19.1m，沉井顶标高▽7.0m，沉井壁厚为1000mm～1500mm，底板厚1500mm；上游顶管接收井平面尺寸为8.9*17.2m，刃脚底高程为▽-19.1m，沉井顶标高▽7.0m，沉井壁厚为1000mm～1200mm，底板厚1500mm。

1.1 地质，建筑物地基土体工程地质特征及岩土层分布特征自上而下分别描述如下：

1层：填土（Q4ml）。以灰黄色粘性土为主，夹植物根茎，局部含少量的碎石和螺壳。层厚1.00～6.00m，层底标高为-1.66～2.66m。

2层：粉质粘土（Q3al）。灰黄色，暗黄色，可塑～硬塑状，含氧化铁，混铁锰结核和礓结石（含量10-20%），有光泽，无摇震反应，干强度及韧性高。层厚1.50～4.60m，层底标高为-3.76～-1.98m。

3层：重粉质壤土（Q3al）。暗黄色，黄色，可塑状，局部稍软，含氧化铁，混铁锰结核和礓结石（含量5-15%），稍有光泽，无摇震反应，干强度及韧性高。层厚2.40～6.10m，层底标高为-9.65～-5.05m。

4层：粉质粘土（Q3al）。灰黄色，暗黄色，可塑～硬塑状，含氧化铁，混铁锰结核和礓结石（含量10-30%），有光泽，无摇震反应，干强度及韧性高。层厚7.20～11.40m，层底标高为-18.65～-16.03m。

5层：重粉质壤土夹砂壤土薄层（Q3al）。暗黄色，黄色，可塑状，含氧化铁，混铁锰结核和礓结石（含量5-10%），稍有光泽，无摇震反应，干强度及韧性高。层厚2.20～5.30m，层底标高为-21.33～-19.36m。

6层：重粘土或粘土（Q3al）。暗黄色，黄色，硬塑状，含氧化铁，混铁锰结核和礓结石（含量20-40%），有光泽，无摇震反应，干强度及韧性高。最大孔深40.5m未揭穿该层。

沉井基础位于5层重粉质壤土，压缩性较低，无软弱下卧层，为本工程良好的天然地基持力层。

1.2 地下水

本工程勘察深度内，沉井处的地下水主要类型为潜水和微承压水，钻探期间的潜水水位为1.5m。潜水主要接受大气降水、农田灌溉及附近河流侧渗补给，主要排泄于自然蒸发，微承压水主要赋存于5层重粉質壤土中，承压水位一般不超过潜水位。

2、沉井施工流程

沉井的施工主要包括沉井结构制作与井体沉放两部分。本工程工作井及接收井均采用二次制作、一次下沉、一次接高（盖板顶梁）的施工工艺。

2.1 沉井制作分层

第一节从-19.1m到-8.1m，制作高度为11m；

第二节从-8.1m到2.8m，制作高度为10.9m；

第三节从2.8m到7.0m，接高为4.2m；

一次下沉至设计刃脚标高，下沉深度为22m。

2.2 沉井刃脚制作高程确定：

根据地质钻探成果，工作井部位土层为填土、粉质粘土和粘土，该土质工程力学强度高，满足地基承载力要求，综合考虑各层土的埋深和地基允许承载力，计划在土方挖至▽0.0m处，回填2m厚砂垫层后，再浇筑20cm厚C20混凝土垫层后开始制作，其中刃脚踏面高程▽2.2m。

本工程作为沉井制作的下卧层的②层土，夯实后工程力学强度较高，经计算，能够满足工作井沉井制作稳定的要求。

3、主要施工技术

3.1 沉井砂垫层及砖胎模

3.1.1 沉井砂垫层厚度确定

沉井计划分两节制作，一次下沉，一次接高。

根据计算，沉井第一节重2560吨，第二节重1736吨，两节总重4296吨。

刃脚踏面为满足扩散应力要求采用混凝土垫层扩大刃脚踏面。沉井井壁、隔墙下刃脚下设20cm厚C20混凝土垫层，其中外井壁刃脚下混凝土垫层宽2.6m，中隔墙下混凝土垫层宽2.8m。

3.1.2 砂垫层厚度验算如下：

根据地质报告，砂垫层底部土质为②层粘土，按经验允许承载力不小于18t/m2，砂垫层厚度铺设2m。为保证安全，扣除砂垫层和基底土体交界面软弱层10cm，砂垫层按190cm厚计算校核为宜。本工程采用考虑砂垫层本身附加力的重力的公式计算。

计算公式：P=G/（L+2h*tgθ）+γh；校核条件：P≤f

P—沉井井壁单位长度自重和砂垫层对下卧层的压力（t）

G—工作井高度为21.9m，每延米重量G=72.6t/m（考虑安全系数1.15）

L—素混凝土垫层的宽度

h—砂垫层厚度，厚度按2m计算。

θ—砂垫层扩散角，一般在40°（偏安全）。

f-下卧层承载力。在制作沉井时，采用极限承载力值。根据地质报告，砂垫层底部土质为②层，f=18t/m2。

γ—砂重度取2t/m3。

P=72.6÷（2.6+2×1.9×tg40°）+2×2.0≈16.54t/m2<18t/m2

根据计算：砂垫层取2m厚满足第一节及第二节沉井制作要求。

3.1.3 沉井砂垫层宽度计算

采用下式进行砂垫层宽度的计算

B≥L+2hstanα

式中：b—沉井刃脚踏面的宽度（m），

B—砂垫层底面的宽度（m），

L—混凝土垫的宽度（m）。

B≥2.6+2*2*tan40°=5.96m

故砂垫层的宽度为6m。

3.1.4 沉井砂垫层及胎模施工

砂垫层施工采用中粗砂、分段分层振实，待垫层槽内水基本抽干后马上回填黄砂，每回填30cm厚黄砂振实一次，用振捣器拖振，振捣时要求重叠区域为1/3，并可适当洒水，已密实的砂垫层干容重控制在1.65g/cm3以上。现场砂垫层密实度用钎探法普查，即用长196cm、ф16mm圆钢，在距砂面约50cm的垂直高度上自由下落，钢钎头部沉入砂面层深度≤7cm者为合格。

井下部为刃脚，其支设方式取决于沉井重量、施工荷载和地基承载力。本工程土质较好，采用M5.0水泥砂浆砌MU10预制混凝土砌块。

C20素混凝土垫层总宽度2.6m，厚20cm，混凝土砌块胎模顶面宽10cm。根据有关规范要求立模、振捣、养护，素混凝土地坪标高必须准确，由测量找平、复测，相对高差值不大于±5mm。

4、沉井钢筋混凝土施工

沉井的钢筋混凝土施工和一般建筑物施工相类似， 本文不再赘述。

5、沉井下沉

5.1 沉井方案

根据沉井方式的不同，沉井下沉有排水沉井和不排水沉井两种。本工程根据设计要求及实际情况，采取排水下沉措施。采用排水下沉，土方挖掘容易，封底时亦在干燥状态下实现，能夠有效地直观地保证工期及混凝土的浇捣质量。

排水下沉是指在沉井井体结构下沉过程中，不断将井体内的土体通过水力机械或土方挖掘机挖掘至井外，坑底的土体稳定靠自身的强度实现。在沉井下沉施工时，实现水力机械化，即用高压射水冲碎土层后，用水力吸泥机将泥浆及土的碎块排到井外，使沉井下沉。该施工方法的设备简单，效果显著，并且已经积累了不少施工经验。工作井及接收井均采用该方法进行沉井下沉，以达到加快施工进度的目的。

5.2 沉井下沉设备配备

沉井下沉时所需的水力机械的套数由沉井的大小及土方量来定，通常一台15KW的高压泵配1台22KW泥浆泵24小时出土量按100～200立方米计算。泥浆泵的配备可按沉井内的井格布置安排，本工程每座沉井内可配3台套泥浆泵冲吸土。

5.3 水力冲吸泥施工方法

冲泥时，可先在沉井中，冲挖出一个直径约为2.0～2.5米的集泥坑。然后用高压水枪开拓各个方向通向集泥坑的水沟2～4条。此后，即可向四周开挖锅底，为了防止沉井突然下沉，引起很大的偏差，以及减少井外土的扰动坍塌等情况，可在沉井四周刃脚旁保留宽0.5～1.0米的土堤。待锅底开挖完毕后，再逐步均匀地冲挖土堤，第一步先冲洗四角处的土堤，第二步再冲除四周土堤，最后冲除定位点处土堤，使沉井下沉。

根据工程中实测情况，当水压为6～8公斤/cm2时，高压水枪冲刷半径约为6～8米，在此范围内的泥浆一般均可流至集泥坑内。

泥浆泵源头的网罩应低于泥浆面约5～10厘米，这样可以吸入较多的泥浆。

5.4 沉井下沉系数验算（以工作井为例）

5.4.1 初沉时的下沉系数验算：

沉井两次制作后，初沉时，沉井制作重4296吨。

式中：K—下沉系数

G—沉井自重

W—水的浮托力，排水下沉初期W=0

R1—井壁下混凝土垫层正投影面积×砂垫层极限承载力极限承载力=138m2×40t/m2=5520t

R2—井壁隔墙下混凝土垫层正投影面积×砂垫层极限承载力极限承载力=41.4m2×40t/m2=1656t

F—井壁与土的磨阻力初期F=0

K=4296/（5520+1656）=0.599

初沉下沉系数较小，沉井稳定，根据以往施工经验，为了确保沉井下沉速度，沉井下沉时正常下沉系数，一般应大于1.10-1.25为好，混凝土垫层及砖胎膜采用人工拆除，拆除时遵循平面对称的原则。拆除时要加强沉降观测，防止突沉和不均匀沉降。

5.4.2 拆除沉井刃脚下混凝土垫层及砖胎模时下沉系数验算：

R1—井壁刃脚正投影面积×砂垫层极限承载力=84.5m2×40t/m2=3380t

R2—隔墙刃脚正投影面积×砂垫层极限承载力=10.5m2×40t/m2=420t

K=4296/（3380+420）=1.13>1

沉井可掏空砂垫层稳步下沉。

5.4.3 沉井下沉到位时稳定验算

沉井下沉到位后，此时刃脚已进入第⑤层土，地基允许承载力30t/m2

K—下沉系数

G—第一、二节沉井自重4296T

W—水的浮托力 排水下沉W=0

R1—井壁刃脚正投影面积×土的容许承载力=84.5m2×30t/m2=2535t

R2—隔墙刃脚正投影面积×土的容许承载力=10.5m2×30t/m2=315t

F—井外壁磨擦阻力=（18*11*2+13*11*2）*1.8+（17*8.1*2+12*8.1*2）*1.0=1833.8t。

根据类似工程地质资料，下节沉井外壁与土体间的单位摩阻力取18Kpa，上节沉井因井壁内收，单位摩阻力取10Kpa，本沉井终沉时，

K=4296/（2535+315+1833.8）=0.91<1

K小于1.0，终沉可以稳定，注意沉井终沉阶段，应逐渐减小锅底深度，甚至采用反锅底，确保沉井最终稳定。

5.4.4 纠偏

下沉过程就是一个不断纠偏的过程，发生偏位后采用偏除土的方法进行纠偏。采取勤测量勤纠，控制不发生较大的偏位。

5.4.5 终沉

在距终沉50 cm时放慢下沉速度，调整沉井状态使其基本水平，减少每层取土厚度，加强观测，使沉井缓慢平衡逐步到位。8小时内累计沉降量不超过10mm时即可安排封底混凝土施工。

5.4.6 沉井下沉采取的助沉措施

在下沉过程中，若沉井下沉困难，可在沉井外侧采用触壁泥浆或空气膜等方式助沉。触壁泥浆材料主要采用钠基彭润土，纯碱等。

5.4.7 下沉过程监测

下沉过程中，要进行以下方面的监测工作：沉井本体监测（下沉速度、下沉不均匀、整体位移）沉井四周土体监测（下沉、位移）

5.4.7.1 沉井本体监测

在沉井井壁四周布置下沉观测点及观测轴线，每天观测井体轴线位移情况，并做好记录，发现累计位移超过50mm，要立即采取纠偏措施。

在沉井下沉过程中要做到，刃脚标高每班至少测量三次，轴线位移每天测一次，当沉井每次下沉稳定后进行高差和中心位移测量。沉井初沉阶段每小时至少测量一次，必要时连续观测，及时纠偏，终沉阶段每小时至少测量一次，当沉井接近设计标高时增加观测密度。

5.4.7.2 沉井四周土体监测

对沉井四周土体定时观测，发现裂缝、坍方要及时汇报，立即采取防护措施。每天观测四周土体沉降、位移情况，并做好记录，定时监测，及时对测量数据进行分析。

5.4.7.3 沉井终沉后检查

a.刃脚平均高程偏差：+0～-20mm；

b.刃脚中心线位移，小于1%H（下沉总深度）

c.四角中任何两角的顶面高差，小于1%L（两角距离）且不大于30cm。

6、结语

沉井施工的核心是将沉井顺利下沉到位，在这一过程中需充分考虑影响沉井下沉的各种因素，在下沉阶段应做好控制、纠偏、监测、重视沉井封底施工，确保沉井施工质量，为后续顶管施工提供保障。

参考文献：

[1] 邱拥军.大型沉井施工技术[J].山西建筑， 2008， （8）：162-163.