张郁钦 中交四航局第三工程有限公司
广西液化天然气(LNG)项目取水口及海水泵房工程包含取水泵房和进水管两部分。取水泵房布置在后方陆域,为沉井结构,平面尺寸为45.2×37.4m(长×宽)、高17.7m;主要包括前池、滤网间及泵房三段,三段整体现浇成一箱涵结构,由边墙及中间隔墙、刃脚等组成,在沉井底部3.7m范围,由内外墙刃脚及底梁将沉井格分为56个格仓,格仓主要平面净尺寸为3.5m×5.2m、3.5m×4.5m、3.5m×5.9m、3.5m×5m,沉井周边土质主要为中粗砂及黏土。经过反复研究与充分讨论,采用土体置换联合钢板桩止水排水法下沉沉井施工技术进行施工。
(1)施工安全,效率高。在沉井基础下沉时,采用机械设备实施水下开挖作业,解决坚硬土层取土困难的问题,安全高效取土,并回填中粗砂,完成土体置换。接着开展沉井预制作业,在井内配合水力施工设备进行取土,采用排水法进行下沉作业,保证施工质量,提升施工效率。
(2)便于控制沉井下沉施工质量。沉井下沉作业中,置换的土体为中粗砂,这种砂土具有土质单一和承载力均匀的特点,便于控制沉井下沉的施工质量,控制原坚硬土体对沉井下沉的影响,避免损害沉井的刃脚,预防因土体土质不均匀而导致沉井下沉局部质量问题。
(3)施工安全性高。该施工技术土体置换联合钢板桩止水排水法,并配合水位观测井,动态跟踪沉井周边水位变化情况,测量沉井内外水头差,达到保证施工安全的效果,为沉井下沉施工提供干燥良好的施工环境,避免出现流沙和管涌等不良现象的出现。
(4)降低施工成本。土体置换联合钢板桩止水排水法所需要的施工设备较少,也不需要特殊的机械设备,操作简单,取土安全,效率较高,并且能够控制工程造价,达到降低施工成本的目的。
土体置换联合钢板桩止水排水法下沉沉井施工工艺原理见图1。为了保证沉井作业顺利进行,先采用机械设备穿过沉井下沉作业范围的坚硬土层,挖除坚硬土体,并回填中粗砂,振冲密实后再进行沉井预制作业。采用钢板桩作为止水措施。在布置钢板桩时,按照沉井施工的实际情况进行调整,将钢板桩布置在沉井周边,注意在沉井下沉过程中密切关注钢板桩的沉降位移,避免钢板桩出现变形、损坏等质量问题。
图1 施工工艺原理图
以沉井施工图纸为参考,科学布置施工基线和水准点,同时,为了便利测设作业的进行,在通视条件良好、安全稳定性较高的地方布置基点,完成整个施工范围的基点布置作业,保证基点覆盖的有效性。配合GPS定位技术智能化控制、精细化管理,完成测量放样作业,并在原地面位置醒目标记沉井施工的具体位置。
①坚硬土体的主要组成成分有孤石、卵石等,坚硬土体开挖作业选择应用挖掘机、挖泥船等施工设备,按照阶梯放坡法的方式完成水下开挖作业。根据施工现场土质的实际情况设计坡率和坡高,参考类似工程的施工经验,并且对开挖边坡的稳定性进行计算,以确保施工的安全性。
②根据沉井刃脚底部的实际标高调整采土测量,若沉井刃脚底部的设计标高<坚硬土层的底部标高,则挖除沉井刃脚底部设计标高以上的所有坚硬土层;若沉井刃脚底部的设计标高≥坚硬土层的底部标高,则只需要将沉井中部的坚硬土层开挖至刃脚设计底标高位置,但在沉井周边位置预留出2~3m厚的坚硬土层,这样不仅能够保证沉井终沉质量,同时对预防地下水渗透也有积极作用。
取土完成后,采用中粗砂进行回填置换,中粗砂回填面顶部标高预留出50cm的沉降量。综合考虑施工现场情况、类似工程经验及规范,采用振动水冲法的方式进行加固密实,科学设置施工参数,规范布置振冲点,按照梅花形布置,控制各个振冲点的间距,振冲点间距控制在2.5m。回填振冲砂的加固密实度达到沉井预制作业的要求,地基承载力满足沉井预制的要求。
钢板桩布置在沉井周围,适宜搭设土体滑动破裂面之外的位置,钢板桩的施工打入能够极大提升止水效果。另外,钢板桩打设施工时控制钢板桩的打入深度,钢板桩的底部充分进入不透水层,深度保持在2m以上,同时控制钢板桩距离沉井的距离,保证止水效果。钢板桩距离沉井外壁的距离按下式计算:
式中:d为钢板桩距沉井外壁的距离(m);H为沉井下沉的总高度(m);φ为土体的内摩擦角(°)。
先采用起吊设备将钢板桩吊起,接着采用屏风式打入法将钢板桩打入不透水土层,最后在外露钢板桩的四周增设支撑,避免钢板桩出现变形现象,影响止水效果。
布置水位观测井的主要目的是观测水位,水位观测井采用直径为10cm的PVC管,并在PVC管管壁均匀钻孔,最后将PVC管插入钢板桩内侧的钻孔内,完成水位观测井的布置,同时为了避免其他施工工序和施工人员破坏已布置好的观测井,在观测井附近架设警示标志牌,做好保护措施。
沉井预制按照分层的原则来进行预制,并且为了控制沉井刃脚及底梁对置换完毕的回填砂面造成影响,产生超出安全允许范围内的压应力,在沉井刃脚及底梁下设置素混凝土垫层。素混凝土垫层的厚度可按下式计算:
式中:h 为素混凝土垫层厚度(m);G为沉井第一节每延米长度的重量(kN/m);R为砂层地基承载力特征值(kPa),为减小沉井预制时的沉降,一般取松散状态砂层的承载力特征值,其值为100kPa;b为沉井刃脚踏面的宽度(m)。
排水取土以水力机械为主,先采用高压水枪对土体进行破碎处理,使得砂土转变为流动的泥浆,再通过泥浆泵将流动泥浆排出井外。在实际的排水取土下沉作业中,根据沉井的具体尺寸大小和下沉施工实际情况调整水力机械的数量,保证排水取土效率,避免出现浪费。排水取土下沉施工方法具体见图2。
图2 水力机械取土下沉沉井施工示意图
为了保证沉井下沉作业的安全性,在沉井下沉之前布置沉降位移观测点,观测沉井下沉施工的土体状态变化,分析土体的沉降位移量。若出现土体变形沉降量过大的情况,则采取相应的解决办法,及时回填,保证钢板桩内外土体高度基本一致,确保钢板桩的稳定性。
为确保沉井施工的安全与质量,在施工过程中,做好各项监测方案及措施,主要监测内容见表1。
表1 土体置换联合钢板桩止水沉井下沉施工监测项目
沉井下沉偏差主要有倾斜偏差和位移偏差两种,在实际的下沉作业中根据不同的偏差类型,分析产生偏差的原因,并采取针对性的纠偏策略。
①偏出土纠偏.如果是在沉井入土深度较浅的时候出现倾斜偏差,可选择应用偏出土的方式进行纠偏,沉井刃脚较高一侧多挖土,另外一侧少挖土或者适当回填砂,但偏出土的过程中切忌过急过快操作,应逐步扩大挖土量,匀速稳定地完成纠偏工作。
②井外射水、井内偏出土相结合纠偏。如果是沉井入土深度较深的时候出现偏差,受到井内约束力的限制,这个时候单纯靠偏出土的方式已经无法完成纠偏工作,则需要调整纠偏策略,采取井外射水与井内偏出土相结合的方式完成纠偏,具体的工作原理为采用水力机械设备在刃脚较高的一侧取土,而在适当回填刃脚较低的一层,并配合高压射水管,在刃脚较高一层沉井井壁的外侧喷射高压水,冲击破坏原土层结构,逐渐完成纠偏。
③增加偏土压或偏心压重纠偏。在沉井入土深度较深时,还可以采用增加偏土压或偏心压重纠偏的方式进行纠偏,在倾斜一侧的沉井刃脚位置回填中粗砂,改变沉井两侧的土压,也可以利用压重调整沉井高的一侧,通过施压的方式提升高侧的下沉速度,以达到理想的纠偏效果。
按照沉井下沉施工规范进行下沉作业,直到沉井距离设计标高3m时,先中止排水取土下沉作业,查验沉井的自沉量,并根据观测结果调整排水取土的速度,逐渐完成沉井的纠偏,最后预留出一定的距离,由沉井自沉至设计位置。
查验沉井自沉量,若沉井8h内的自沉量不超出1cm,即可判断沉井到底设计标高位置,可以进入下一道施工工序,开展沉井封底作业。计算沉井需要抵抗的水压力,确定沉井封底混凝土厚度。沉井封底厚度设计为2.5m,采用C30混凝土进行封闭,遵循“先带水后抽干”的施工原则完成沉井封底作业。在沉井东、西、北侧的2仓格放入2根直径为200~300mm的钢制导管,采用垂直导管法进行不排水封底,钢制导管由操作手操作汽车吊吊装至仓格浇筑仓,再将漏斗放置在钢制导管顶部,由漏斗向浇筑仓泵送混凝土,完成第一次封底作业。7d后,采用抽水泵排出沉井内的水,抽干之后进行混凝土现浇作业,在沉井东西两侧分别布置1台52m汽车泵,保证混凝土浇筑效率和质量。
综上所述,沉井下沉施工会受到诸多因素的影响,根据不同的地质条件,采用适合的施工方法,同时,加强沉井下沉施工质量控制具有重要现实意义,有利于预防沉井倾斜和偏差,保证沉井下沉的施工安全、进度、质量及控制施工成本。本文依托广西液化天然气项目取水口及海水泵房工程,对土体置换联合钢板桩止水排水法下沉沉井施工技术进行了探讨,希望所提内容能够为类似工程提供参考。