淺析不排水下沉法在沉井施工中的應(yīng)用

1、 淺談不排水下沉法在沉井施工中的應(yīng)用蔡偉軍隨著我國國民經(jīng)濟的高速增長，城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)飛速發(fā)展，沉井在城市污水處理配套管網(wǎng)中的應(yīng)用日益增多。采用不排水下沉法，避免在城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中因降水施工沉井而導(dǎo)致周邊建（構(gòu)）筑物和道路的不均勻下沉。工程概況某市污水處理廠配套管網(wǎng)工程是2002年某省重點國債建設(shè)項目。期間，鋪設(shè)管道61.60km，設(shè)置大小沉井25個，其中4個采用不排水下沉法。在沉井施工過程中，根據(jù)不同的地質(zhì)條件、現(xiàn)有場地的排水現(xiàn)狀及對鄰近建筑物的安全保護等方面綜合因素，既有采用排水下沉法，亦有采用不排水下沉法。某市幾十年來均采用排水下沉法進行沉井施工，積累了不少實際操作經(jīng)驗，而不排水下沉法

2、可謂首次付諸實施。不排水下沉法的適用條件采用不排水下沉法施工沉井，應(yīng)考慮以下幾方面的施工條件。1、當(dāng)沉井在下沉的深度X圍內(nèi)有地下水，降水施工可能引起沉井周邊建 （構(gòu)）筑物地基基礎(chǔ)和道路的不均勻沉陷，從而導(dǎo)致建（構(gòu)）筑物上部主體的傾斜。2、在沉井下沉深度X圍內(nèi)，土層中存在著承壓水隔水層，沉井下沉破壞隔水層，從而導(dǎo)致涌土、涌砂、冒水、位移、傾斜以及沉井在終沉階段下躥較快，繼而可能越過設(shè)計標(biāo)高，應(yīng)向井內(nèi)灌水。3、沉井下沉系數(shù)及穩(wěn)定系數(shù)是衡量是否采用不排水下沉法的兩項考核指標(biāo)。沉井下沉系數(shù)：K0=（1）式中Gk井體自重標(biāo)準(zhǔn)值（KN）Fk下沉過程中地下水浮力標(biāo)準(zhǔn)值（KN）Tf井壁總摩阻力（KN）K0下沉

3、系數(shù)，一般取值X圍宜在1.051.25。沉井穩(wěn)定性系數(shù)：K0=（2）式中R沉井刃腳、隔墻和橫梁下地基土反力之和（KN）K0穩(wěn)定系數(shù)，一般取值X圍宜在0.800.90。若下沉系數(shù)超過1.30，穩(wěn)定系數(shù)小于0.80，宜采用不排水下沉法。4、施工場地應(yīng)滿足機械取土、吸取泥漿、泥漿外運的作業(yè)要求；吸泥機械吸取的大量泥漿需要現(xiàn)場有較寬敞的場地設(shè)置泥漿沉淀，曬干后外運，這就要求市區(qū)周邊有適當(dāng)?shù)男稘{地點，否則必將造成人為的環(huán)境污染。一般來講，沉井內(nèi)排出的泥漿，可棄于沉井附近低洼之處或填浜造田，亦可經(jīng)排泥管路或溝槽排至較遠(yuǎn)的地方。只有當(dāng)沉井在深水處下沉而水流甚急時，或沉井位于河灘地段時，方能在沉井附近排棄泥漿

4、。此時，最好排棄于沉井下游一側(cè)。5、施工場地周邊擁有充足的供水點，以保證高壓水槍的用水來源。有時，沉井下沉施工地點距離水源較遠(yuǎn)，但又要求水力機械具有很高的水壓力。這時，常采用水泵串聯(lián)的方法來解決，前級用壓力較低的水泵設(shè)在水邊，通過供水管路向設(shè)在沉井上（內(nèi)）的后級高壓水泵供水。不排水下沉法的沉井施工要領(lǐng)和質(zhì)量控制不排水下沉方法沉井施工主要有沖抓錐（或抓斗）在水中取土下沉和水力機械沖土下沉兩種。1、沖抓錐（或抓斗）挖土對于小型單孔沉井，在沉井鍋底均勻抓土，沉井便可下沉。沉井若由多個井孔組成時，每個井孔宜配備一臺沖抓錐（或抓斗）。如用一臺沖抓錐（或抓斗）抓土?xí)r，應(yīng)對稱逐孔輪流進行，使其均勻下沉，各井

5、孔內(nèi)土頂面高差應(yīng)不大于0.50m。當(dāng)抓土設(shè)備數(shù)量有限時，可用一套設(shè)備逐孔輪流抓土，抓土次序視沉井傾斜和土質(zhì)情況而定。在井面上搭架放置沖抓錐或用吊車配合抓斗先挖掘井內(nèi)中央部分的土體，沿沉井刃腳四周保留土堤，使沉井?dāng)D土下沉，再續(xù)挖刃腳周邊的土堤，如此往復(fù)，最終使沉井底面形成鍋底。我們在實施中認(rèn)識到，在砂或礫石類土中，一般當(dāng)鍋底比刃腳低11.5m時，沉井即可靠自重下沉。在粘質(zhì)土或中粗砂層中，刃腳下土體不會向中央塌落，則應(yīng)配以射水管松土。同時，沉井用抓土斗抓土下沉?xí)r，抓土機具的生產(chǎn)率隨下沉深度增加而降低，這不僅因為抓土斗升降時間增長，還因沉井下沉很深時，抓土斗的鋼絲繩互相絞纏，影響抓土效率。此外，地層

6、土層的性質(zhì)對抓土生產(chǎn)率也有影響，一般砂質(zhì)土抓土后坑壁即會向坑底坍塌。而泥質(zhì)土不易坍塌，往往形成深坑，使抓泥斗不易落正，抓土往往不能滿斗，影響抓土的生產(chǎn)率。因此，要求施工人員在操作時十分注意。圖1掛鉤偏抓示意圖有時，為了使抓土斗能在井孔靠邊的位置上抓土，如圖1所示，可在井孔頂部周圍預(yù)埋幾根鋼筋掛鉤。偏抓時，當(dāng)抓土斗落至井底后，將抓斗X口用的鋼絲繩掛在鋼筋鉤上，并將抓土斗提起后突然松下，抓土斗即偏向井壁落下，再收緊閉口用的鋼絲繩，如此即可達到偏抓的目的。另外，當(dāng)抓淤泥時，抓土斗將近被淤泥吸住，當(dāng)提抓斗時，須注意不要用力過猛，并要考慮抓土機具適當(dāng)?shù)某d安全系數(shù)，抓鏟需加足夠的配重，以防機具傾覆。采用

7、沖抓錐（或吊車配合抓斗）取土不排水下沉施工，在水下作業(yè)環(huán)境中不利于挖土均勻，下沉至淤泥層時，易造成下沉速度過快及扭斜等質(zhì)量事故。由于沖抓錐在某市水利樞紐工程、防洪排澇工程中得到普遍應(yīng)用，因此在沉井周邊缺乏充足的供水點或不具備水力機械沖土設(shè)備的條件下，適合采用沖抓錐進行不排水作業(yè)。2、水力機械沖土原理在沉井下沉施工中，實現(xiàn)水力機械化，即用高壓射水沖碎土層后，用水力吸泥機將泥漿及土的碎塊排到井外，使沉井下沉。這種施工方法，設(shè)備簡單，效果顯著，采用這種方法進行沉井下沉，可以達到加快施工進度的目的。（1）運行機理主要是利用高壓水泵將高壓水流通過進水管分別流進沉井內(nèi)的高壓水槍和水力吸泥機，利用高壓水槍射

8、出的高壓水流沖刷土層，使其形成一定稠度的泥漿匯流至集泥坑，然后用水力吸泥機（或空氣吸泥機）將泥漿吸出，從排泥管排出井外。特別強調(diào)的是，沖粘性土?xí)r應(yīng)使噴嘴接近90o 角沖刷立面，將立面底部沖成缺口使之塌落。沉井水力機械除土的主要特點是利用高壓射水來代替人工進行沉井下沉的全部作業(yè)，它包括土的切割、沖刷、攪動及所形成泥漿的排除，如圖2所示。沉井下沉所使用的水力機械設(shè)備主要由水泵、進水管路、水力沖泥機、水力吸泥機以及排泥管路等組成。一般情況下，每套6英寸水圖2沉井水力機械施工示意圖力機械包括：一臺6DA型水泵、水力沖泥機（水槍）12臺、水力吸泥機（直徑150mm）1臺及相應(yīng)的管路。高壓射水是由高壓水泵

9、供給的，水力沖泥機及水力吸泥機可由同一高壓水泵供水，也可以由兩臺高壓水泵分別供水。（2）取土順序和泥漿平衡取土順序為先中央后四周，并沿刃腳留土臺，最后對稱分層沖挖，不斷沖空刃腳踏面下的土層。施工時，應(yīng)使高壓水槍沖入井底的泥漿量和滲入的水量與水力吸泥機吸出的泥漿量保持平衡。在使用高壓水槍沖刷井內(nèi)土層的作業(yè)中，應(yīng)將各種土調(diào)制成為適宜的稠度，其泥漿密度的掌握指標(biāo)為：砂土類為1.081.18；粘性土為1.091.20。當(dāng)水力機械系統(tǒng)正常工作時，各部分水量應(yīng)符合下列平衡條件：Q泵=Q沖+Q吸機Q總=Q吸機+Q泥Q泥=Q沖+ Q土+Q滲式中Q泵水泵出水量（米3/小時）；Q沖水力沖泥機的耗水量（m3/h）；

10、Q吸機水力吸泥機的耗水量（m 3/h）；Q總水力吸泥機總排水量（m 3/h）；Q泥水力吸泥機吸入的泥漿量（m 3/h）；Q土由沉井內(nèi)排出土的數(shù)量（m 3/h）；Q滲滲入沉井內(nèi)的水量（m 3/h）。由水泵站供給水力吸泥機、水力沖泥機的高壓水與滲進沉井內(nèi)的水量之和，應(yīng)與水力吸泥機的排水量平衡。（3）水力沖泥機的應(yīng)用圖（3）水力沖泥機凡水力機械化除土法，普遍采用水力沖泥機（水槍）。使用水力沖泥機時，不僅利用其射流來沖刷切割土層，而且還利用射流來攪動土層，使之形成泥漿。因此，須以高壓（1015kg/cm2以上）的水流供給水力沖泥機，當(dāng)高壓水流通過噴嘴時，具有很大的速度，能產(chǎn)生相當(dāng)大的破壞力。如圖3所示

11、。水力沖泥機的作用是將土沖成泥漿使之流向集泥坑，但在沖除顆粒較大或較堅硬的土層時，一部分大顆粒土塊可能沉淀，流不到集泥坑中。在這種情況下，須用水力沖泥機將已沉淀的土塊沖至集泥坑，以便用水力吸泥機將這些土塊及泥漿排到井外。實際影響水力沖泥機效能的因素有：a. 地質(zhì)構(gòu)造及土的性質(zhì)，粘性小的土較易沖刷，所需的水壓較小，水量也少；b. 射流水柱和沖刷面之間的相互關(guān)系，如減少至沖刷面的距離及增加水柱和沖刷面的交角，則沖刷強度就增大。c. 噴嘴處的水壓力、水力沖泥機的射水量以及射流的性能，如有高水壓及大量的水，就能得到大的沖擊力。另外，尚需說明的是由于考慮水力沖泥機在沉井內(nèi)移動方便，常用高壓橡皮管向水力沖

12、泥機供應(yīng)高壓水。若水壓過大時橡皮管的剛性也大，這時不但操作困難，還往往容易發(fā)生橡皮管彈傷人，所以應(yīng)將水力沖泥機固定。（4）水力吸泥機的應(yīng)用水力吸泥機的作用是將沉井內(nèi)所沖成的泥漿排到井外，使沉井下沉。水力吸泥機由噴嘴、混合管、喉管及擴散管等組成。這些部件對水力吸泥機的工作效率影響很大。施工經(jīng)驗證明，工作水流和吸入泥漿水流，僅在混合管至喉管這段X圍（混合室）內(nèi)混合，在擴散管內(nèi)工作水流的動能轉(zhuǎn)變?yōu)槟酀{水流的位能，這樣才能將泥漿排到井外。圖4水力吸泥機水力吸泥機的優(yōu)點是：構(gòu)造簡單、本身沒有運動部件因而不易損壞，同時易于加工制造、裝拆簡便。定型的150mm水力泥機的構(gòu)造如圖4所示。一般來說，在水力吸泥機

13、的應(yīng)用方面，若每小時壓入水量100m3，可吸出泥漿量約為510m3，揚泥高度3540m，噴射速度約為34m/s。吸入泥漿所需的高壓水流量，約與吸入泥漿量相等；吸入的泥漿和高壓水混合以后所形成的稀釋泥漿，在管路內(nèi)的適當(dāng)流速應(yīng)不超過23m/s。噴嘴處的高壓水流速一般應(yīng)控制在3040m/s。吸泥器配備數(shù)量視沉井大小及土質(zhì)而定，一般為26套。水力機械沖土?xí)r不受水深限制，但其出土率則隨水壓、流量的增加而提高，必要時應(yīng)向井內(nèi)注水，以加高井內(nèi)水位。在淤泥或浮土中使用水力吸泥機時，應(yīng)保持沉井內(nèi)水位高出井外水位12m。3、水力機械化施工主要方法圖5井內(nèi)水力除土示意圖沉井下沉使用的水力機械，由水力沖泥機和水力吸泥

14、機，以及相應(yīng)的高壓供水管路和排泥管路組成。沉井的每個井孔（格）最好使用一套水力機械。水力機械在沉井內(nèi)除土?xí)r的操作方法，主要有三個要點。作業(yè)過程如圖5所示。（1）沖泥時，可先在水力吸泥機的吸泥龍頭下方 （一般均選在鍋底中央），沖挖出一個直徑約為2.02.5m的集泥坑。然后用水力沖泥機開拓各個方向通向集泥坑的水溝24條，溝的縱向坡度35%。此后，即可向四周開挖鍋底，為了防止沉井突然下沉，引起很大的偏差，以及減少井外土的攏動坍塌等情況，可在沉井四周刃腳旁保留寬0.51.0m的土堤。待鍋底開挖完畢后，再逐步均勻地沖挖土堤，第一步先沖除四角處的土堤，第二步再沖除四周土堤，最后沖除定位點處土堤，使沉井下沉

15、。（2）對于多孔（格）沉井的施工，亦可參照上述順序進行開挖，各井孔之間，在沉井偏斜不大時，應(yīng)力爭同時沖挖。如果沉井偏斜較大時，井孔之間的開挖情況應(yīng)根據(jù)偏斜情況加以調(diào)整。（3）對于離集泥坑較遠(yuǎn)的井孔（格），當(dāng)沖沉井四角和井壁處土堤時，泥漿從那里流到集泥坑有時是很困難的，為了不使集泥坑和集泥水溝之泥砂沉淀，經(jīng)常用一個水力沖泥機反復(fù)沖刷和攪動。一方面用它將沉井最遠(yuǎn)處的泥砂沖至集泥坑；另一方面還可以把集泥坑沖深，攪動泥漿，并清除堵塞在吸泥龍頭網(wǎng)罩上的雜物。利用上述方法能夠提高水力吸泥機的排泥量，尤其是在沉井的下沉初期，泥漿中?；祀s著建筑垃圾，如石塊、碎木塊等，采用上述措施亦屬必要。根據(jù)工程中實測情況，

16、當(dāng)水壓為1520kg/cm2時，水力沖泥機的有效沖刷半徑約為68m，在此X圍內(nèi)的泥漿一般均可流至集泥坑內(nèi)。水力吸泥機的吸泥龍頭的網(wǎng)罩應(yīng)低于泥漿面約510cm，這樣可吸入較多的泥漿。當(dāng)吸泥龍頭的網(wǎng)罩或吸泥管內(nèi)被雜物堵塞時，亦可用反沖法來清除吸泥管或吸泥龍頭的堵塞物。其方法是關(guān)閉水力吸泥機的進水閥門，這時排泥管內(nèi)的水體便倒流入井內(nèi)，把吸泥龍頭及吸泥管中的雜物沖出來，有時上述的方法尚需重復(fù)數(shù)次，始能將堵塞物清除干凈。4、沉井封底不排水封底即在水下進行封底。封底前，井內(nèi)水位不應(yīng)低于井外的地下水位。潛水員應(yīng)潛入井內(nèi)水下，使用高壓水槍按設(shè)計要求將井底面整理成鍋形，并將井底浮泥清除干凈，新老混凝土接觸面應(yīng)用水沖刷干凈。封底混凝土采用水下不分散混凝土，水泥用量宜為350400Kg/m3，砂率為4550%，宜采用中、粗砂，水灰比不宜大于