浅谈不排水下沉法在沉井施工中的应用

１浅谈不排水下沉法在沉井施工中的应用蔡伟军随着我国国民经济的高速增长，城市基础设施建设飞速发展，沉井在城市污水处理配套管网中的应用日益增多。采用不排水下沉法，避免在城市基础设施建设中因降水施工沉井而导致周边建（构）筑物和道路的不均匀下沉。★工程概况★漳州市污水处理厂配套管网工程是2002年福建省重点国债建设项目。期间，铺设管道61.60km，设置大小沉井25个，其中4个采用不排水下沉法。在沉井施工过程中，根据不同的地质条件、现有场地的排水现状及对邻近建筑物的安全保护等方面综合因素，既有采用排水下沉法，亦有采用不排水下沉法。漳州市几十年来均采用排水下沉法进行沉井施工，积累了不少实际操作经验，而不排水下沉法可谓首次付诸实施。★不排水下沉法的适用条件★采用不排水下沉法施工沉井，应考虑以下几方面的施工条件。1、当沉井在下沉的深度范围内有地下水，降水施工可能引起沉井周边建（构）筑物地基基础和道路的不均匀沉陷，从而导致建（构）筑物上部主体的倾斜。2、在沉井下沉深度范围内，土层中存在着承压水隔水层，沉井下沉破坏隔水层，从而导致涌土、涌砂、冒水、位移、倾斜以及沉井在终沉阶段下蹿较快，继而可能越过设计标高，应向井内灌水。3、沉井下沉系数及稳定系数是衡量是否采用不排水下沉法的两项考核指标。沉井下沉系数：２K0=————（1）式中Gk—井体自重标准值（KN）Fk—下沉过程中地下水浮力标准值（KN）Tf—井壁总摩阻力（KN）K0—下沉系数，一般取值范围宜在1.05~1.25。沉井稳定性系数：K0’=————（2）式中R—沉井刃脚、隔墙和横梁下地基土反力之和（KN）K0’—稳定系数，一般取值范围宜在0.80~0.90。若下沉系数超过1.30，稳定系数小于0.80，宜采用不排水下沉法。4、施工场地应满足机械取土、吸取泥浆、泥浆外运的作业要求；吸泥机械吸取的大量泥浆需要现场有较宽敞的场地设置泥浆沉淀，晒干后外运，这就要求市区周边有适当的卸浆地点，否则必将造成人为的环境污染。一般来讲，沉井内排出的泥浆，可弃于沉井附近低洼之处或填浜造田，亦可经排泥管路或沟槽排至较远的地方。只有当沉井在深水处下沉而水流甚急时，或沉井位于河滩地段时，方能在沉井附近排弃泥浆。此时，最好排弃于沉井下游一侧。5、施工场地周边拥有充足的供水点，以保证高压水枪的用水来源。有时，沉井下沉施工地点距离水源较远，但又要求水力机械具有很高的水压力。这时，常采用水泵串联的方法来解决，前级用压力较低的水泵设在水边，通过供水管路向设在沉井上（内）的后级高压水泵供水。★不排水下沉法的沉井施工要领和质量控制★不排水下沉方法沉井施工主要有冲抓锥（或抓斗）在水中取土下fkkTFGRTFGfkk３沉和水力机械冲土下沉两种。1、冲抓锥（或抓斗）挖土对于小型单孔沉井，在沉井锅底均匀抓土，沉井便可下沉。沉井若由多个井孔组成时，每个井孔宜配备一台冲抓锥（或抓斗）。如用一台冲抓锥（或抓斗）抓土时，应对称逐孔轮流进行，使其均匀下沉，各井孔内土顶面高差应不大于0.50m。当抓土设备数量有限时，可用一套设备逐孔轮流抓土，抓土次序视沉井倾斜和土质情况而定。在井面上搭架放置冲抓锥或用吊车配合抓斗先挖掘井内中央部分的土体，沿沉井刃脚四周保留土堤，使沉井挤土下沉，再续挖刃脚周边的土堤，如此往复，最终使沉井底面形成锅底。我们在实施中认识到，在砂或砾石类土中，一般当锅底比刃脚低1~1.5m时，沉井即可靠自重下沉。在粘质土或中粗砂层中，刃脚下土体不会向中央塌落，则应配以射水管松土。同时，沉井用抓土斗抓土下沉时，抓土机具的生产率随下沉深度增加而降低，这不仅因为抓土斗升降时间增长，还因沉井下沉很深时，抓土斗的钢丝绳互相绞缠，影响抓土效率。此外，地层土层的性质对抓土生产率也有影响，一般砂质土抓土后坑壁即会向坑底坍塌。而泥质土不易坍塌，往往形成深坑，使抓泥斗不易落正，抓土往往不能满斗，影响抓土的生产率。因此，要求施工人员在操作时十分注意。有时，为了使抓土斗能在井孔靠边的位置上抓土，如图1所示，可在井孔顶部周围预埋几根钢筋挂钩。偏抓时，当抓土斗落至井底后，将抓斗张口用的钢丝绳挂在钢筋钩上，并将抓土斗提起后突然松下，抓土斗即偏向井壁落下，再收紧闭口用的钢丝绳，如此即可达到偏抓的目的。另外，当抓淤泥时，抓土斗将近被淤泥吸住，当提抓斗时，须注意不要用力过猛，并要考虑抓土机具适当的超载安全图1挂钩偏抓示意图４系数，抓铲需加足够的配重，以防机具倾覆。采用冲抓锥（或吊车配合抓斗）取土不排水下沉施工，在水下作业环境中不利于挖土均匀，下沉至淤泥层时，易造成下沉速度过快及扭斜等质量事故。由于冲抓锥在漳州市水利枢纽工程、防洪排涝工程中得到普遍应用，因此在沉井周边缺乏充足的供水点或不具备水力机械冲土设备的条件下，适合采用冲抓锥进行不排水作业。2、水力机械冲土原理在沉井下沉施工中，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。这种施工方法，设备简单，效果显著，采用这种方法进行沉井下沉，可以达到加快施工进度的目的。（1）运行机理主要是利用高压水泵将高压水流通过进水管分别流进沉井内的高压水枪和水力吸泥机，利用高压水枪射出的高压水流冲刷土层，使其形成一定稠度的泥浆汇流至集泥坑，然后用水力吸泥机（或空气吸泥机）将泥浆吸出，从排泥管排出井外。特别强调的是，冲粘性土时应使喷嘴接近90o角冲刷立面，将立面底部冲成缺口使之塌落。沉井水力机械除土的主要特点是利用高压射水来代替人工进行沉井下沉的全部作业，它包括土的切割、冲刷、搅动及所形成泥浆的排除，如图2所示。沉井下沉所使用的水力机械设备主要由水泵、进水管路、水力冲泥机、水力吸泥机以及排泥管路等组成。一般情况下，每套6英寸水５图2沉井水力机械施工示意图力机械包括：一台6DA型水泵、水力冲泥机（水枪）1～2台、水力吸泥机（直径150mm）1台及相应的管路。高压射水是由高压水泵供给的，水力冲泥机及水力吸泥机可由同一高压水泵供水，也可以由两台高压水泵分别供水。（2）取土顺序和泥浆平衡取土顺序为先中央后四周，并沿刃脚留土台，最后对称分层冲挖，不断冲空刃脚踏面下的土层。施工时，应使高压水枪冲入井底的泥浆量和渗入的水量与水力吸泥机吸出的泥浆量保持平衡。在使用高压水枪冲刷井内土层的作业中，应将各种土调制成为适宜的稠度，其泥浆密度的掌握指标为：砂土类为1.08~1.18；粘性土为1.09~1.20。当水力机械系统正常工作时，各部分水量应符合下列平衡条件：Q泵=Q冲+Q吸机Q总=Q吸机+Q泥６Q泥=Q冲+Q土+Q渗式中Q泵—水泵出水量（米3/小时）；Q冲—水力冲泥机的耗水量（m3/h）；Q吸机—水力吸泥机的耗水量（m3/h）；Q总—水力吸泥机总排水量（（m3/h）；Q泥—水力吸泥机吸入的泥浆量（m3/h）；Q土—由沉井内排出土的数量（m3/h）；Q渗—渗入沉井内的水量（m3/h）。由水泵站供给水力吸泥机、水力冲泥机的高压水与渗进沉井内的水量之和，应与水力吸泥机的排水量平衡。（3）水力冲泥机的应用凡水力机械化除土法，普遍采用水力冲泥机（水枪）。使用水力冲泥机时，不仅利用其射流来冲刷切割土层，而且还利用射流来搅动土层，使之形成泥浆。因此，须以高压（10～15kg/cm2以上）的水流供给水力冲泥机，当高压水流通过喷嘴时，具有很大的速度，能产生相当大的破坏力。如图3所示。水力冲泥机的作用是将土冲成泥浆使之流向集泥坑，但在冲除颗粒较大或较坚硬的土层时，一部分大颗粒土块可能沉淀，流不到集泥图（3）水力冲泥机７坑中。在这种情况下，须用水力冲泥机将已沉淀的土块冲至集泥坑，以便用水力吸泥机将这些土块及泥浆排到井外。实际影响水力冲泥机效能的因素有：a.地质构造及土的性质，粘性小的土较易冲刷，所需的水压较小，水量也少；b.射流水柱和冲刷面之间的相互关系，如减少至冲刷面的距离及增加水柱和冲刷面的交角，则冲刷强度就增大。c.喷嘴处的水压力、水力冲泥机的射水量以及射流的性能，如有高水压及大量的水，就能得到大的冲击力。另外，尚需说明的是由于考虑水力冲泥机在沉井内移动方便，常用高压橡皮管向水力冲泥机供应高压水。若水压过大时橡皮管的刚性也大，这时不但操作困难，还往往容易发生橡皮管弹伤人，所以应将水力冲泥机固定。（4）水力吸泥机的应用水力吸泥机的作用是将沉井内所冲成的泥浆排到井外，使沉井下沉。水力吸泥机由喷嘴、混合管、喉管及扩散管等组成。这些部件对水力吸泥机的工作效率影响很大。施工经验证明，工作水流和吸入泥浆水流，仅在混合管至喉管这段范围（混合室）内混合，在扩散管内工作水流的动能转变为泥浆水流的位能，这样才能将泥浆排到井外。水力吸泥机的优点是：构造简单、本身没有运动部件因而不易损坏，同时易于加工制造、装拆简便。定型的Ф150mm水力泥机的构造如图4所示。一般来说，在水力吸泥机的应用方面，若每小时压入水量100m3，图4水力吸泥机８可吸出泥浆量约为5~10m3，扬泥高度35~40m，喷射速度约为3~4m/s。吸入泥浆所需的高压水流量，约与吸入泥浆量相等；吸入的泥浆和高压水混合以后所形成的稀释泥浆，在管路内的适当流速应不超过2~3m/s。喷嘴处的高压水流速一般应控制在30~40m/s。吸泥器配备数量视沉井大小及土质而定，一般为2~6套。水力机械冲土时不受水深限制，但其出土率则随水压、流量的增加而提高，必要时应向井内注水，以加高井内水位。在淤泥或浮土中使用水力吸泥机时，应保持沉井内水位高出井外水位1~2m。3、水力机械化施工主要方法沉井下沉使用的水力机械，由水力冲泥机和水力吸泥机，以及相应的高压供水管路和排泥管路组成。沉井的每个井孔（格）最好使用一套水力机械。水力机械在沉井内除土时的操作方法，主要有三个要点。作业过程如图5所示。（1）冲泥时，可先在水力吸泥机的吸泥龙头下方（一般均选在锅底中央），冲挖出一个直径约为2.0～2.5m的集泥坑。然后用水力冲泥机开拓各个方向通向集泥坑的水沟2～4条，沟的纵向坡度3～5%。此后，即可向四周开挖锅底①，为了防止沉井突然下沉，引起很大的偏差，以及减少井外土的拢动坍塌等情况，可在沉井四周刃脚旁保留宽0.5～1.0m的土堤。待锅底开挖完毕后，再逐步均匀地冲挖土堤，第一步先冲除四角处的土堤②，第二步再冲除四周土堤③，最后冲除定位点处土堤，使沉井下沉。（2）对于多孔（格）沉井的施工，亦可参照上述顺序进行开挖，各井孔之间，在沉井偏斜不大时，应力争同时冲挖。如果沉井偏斜较图5井内水力除土示意图９大时，井孔之间的开挖情况应根据偏斜情况加以调整。（3）对于离集泥坑较远的井孔（格），当冲沉井四角②和井壁处③土堤时，泥浆从那里流到集泥坑有时是很困难的，为了不使集泥坑和集泥水沟之泥砂沉淀，经常用一个水力冲泥机反复冲刷和搅动。一方面用它将沉井最远处的泥砂冲至集泥坑；另一方面还可以把集泥坑冲深，搅动泥浆，并清除堵塞在吸泥龙头网罩上的杂物。利用上述方法能够提高水力吸泥机的排泥量，尤其是在沉井的下沉初期，泥浆中常混杂着建筑垃圾，如石块、碎木块等，采用上述措施亦属必要。根据工程中实测情况，当水压为15～20kg/cm2时，水力冲泥机的有效冲刷半径约为6～8m，在此范围内的泥浆一般均可流至集泥坑内。水力吸泥机的吸泥龙头的网罩应低于泥浆面约5～10cm，这样可吸入较多的泥浆。当吸泥龙头的网罩或吸泥管内被杂物堵塞时，亦可用反冲法来清除吸泥管或吸泥龙头的堵塞物。其方法是关闭水力吸泥机的进水阀门，这时排泥管内的水体便倒流入井内，把吸泥龙头及吸泥管中的杂物冲出来，有时上述的方法尚需重复数次，始能将堵塞物清除干净。4、沉井封底不排水封底即在水下进行封底。封底前，井内水位不应低于井外的地下水位。潜水员应潜入井内水下，使用高压水枪按设计要求将井底面整理成锅形，并将井底浮泥清除干净，新老混凝土接触面应用水冲刷干净。封底混凝土采用水下不分散混凝土，水泥用量宜为350~400Kg/m3，砂率为45~50%，宜采用中、粗砂，水灰比不宜大于0.60，骨料粒径以5~40mm为宜。封底混凝土应在沉井全部底面积上连续均匀浇注，不得留有施工缝，底板与井壁接缝处的防水措