天津某污水处理厂沉井施工方案.doc

天津 污水处理厂是为改善投资环境而建立的环保基础设施工程，其污水泵房建在原为被称做盐汪子的海水沉淀池上，地表下2m左右为垫填素土，再下均为多年沉积的流塑状淤泥。泵房的地下泵池埋深13m，呈凸字型，由于附近布置有变电站和脱水机房、泥饼堆放库，不可能采用明挖基坑或深基维护结构，设计为一多边形沉井结构。在流塑状淤泥中做沉井下沉，极易产生突沉、偏沉滑移，井内涌水、涌泥和超沉不止，沉井下沉的速度和方向极难控制，这是至今尚未很好解决的施工难题。承建该项工程的中铁十八局三处，根据设计意图，采用在沉井刃脚下预打粉喷桩，形成联排桩式的地下连续墙，对于沉井井壁形成具有一定强度的承拖和支撑墙体，将沉井在淤泥中下沉的过程成为一个可控的工艺，成功地解决了这一施工难题。
1 施工准备
　　1.1开挖填土，降低初沉标高
　　根据沉井部位的地质状况，为保证沉井初沉阶段的均衡下沉，将人工填土层挖除，把沉井预制及初沉标高设为0.48m，这样可创造两个有利条件：其一由于初沉地层为淤泥，其含水量及承载力均匀，便于初沉平稳；其二，沉井总下沉量降低2.5m，上部第三节0.5m厚沉井可不作为沉井施工，而在沉井封底后浇筑，这样既减轻了沉井自重(仍能满足下沉重量要求)，又缩短了下沉深度，一举两得。
　　1.2粉喷桩施工
　　打粉喷桩，加固沉井刃脚下软土，使沉井在连打粉喷桩形成的水泥连续墙的承托下下沉。粉
喷桩施工应注意以下几点：
　　①位置要准确，桩外沿与井壁外边线相切，不得外露，以免沉井下沉时水泥土挤至井壁以外，失去支撑作用。
　　②桩底应深入沉井刃脚设计标高以下16m。
　　③外圈桩底刃脚下以及桩顶1.0m范围喷水泥量10%(按桩体重量计)，其余桩身7%。
　　④内圈桩喷水泥量均为10%。
　　⑤内外两排桩间距10cm，以保证开挖内侧桩体时不伤及外侧桩。
2 沉井预制

2.1预制场地平面布置
　　由于沉井井壁即为合建泵房泵池池壁，因此选择泵池位置为沉井预制位置。为便于施工，并考虑沉井支撑墙混凝土浇注的需要，场地软土表层用15cm、8%灰土压实，支撑墙底另做10灰土平台。
　　2.2预制方式
　　原设计沉井为三节，表层填土挖除后，地面标高正好为第二节沉井顶面标高，因此第三节沉井不再视作沉井结构，而待两节沉井下沉到位封底后再接打。为减少第一次浇注混凝土的重量，避免下沉过大及不均匀沉降造成混凝土开裂，将第一节混凝土浇注分两次完成，先浇注刃脚(高1.0m)，待混凝土强度达到设计强度70%以上时再浇注剩余部分，并依次施工第二节。两节沉井混凝土全部完成后，一次下沉就位。
　　2.3刃脚底模及支撑墙底模

　　按初步设计，刃脚下打两排粉喷桩加固软土层。原地面为淤泥质亚粘土，容许承载力80kPa，粉喷桩桩顶水泥量10%，水泥土7d无侧限抗压强度可达600kPa，28d抗压强度可达800～1000kPa。沉井混凝土总量为444m3，按容量2.5t/m3计，总重为3610t。沉井刃脚底面积为44.88m2。因而，单以刃脚底面作支撑面时，承受荷载为804kPa。
　　按以上计算，并考虑粉喷桩施工的误差，则沉井刃脚置于粉喷桩顶，承载力尚不能完全满足
要求，而在沉井的预制过程中，刃脚侧面尚未承载，因此在支撑墙底增加支撑底模，以分担部分沉井的重量。
3 沉井下沉
3.1
准备工作
　　沉井必须在混凝土强度达到设计强度后才能开始下沉，下沉前作好以下准备工作：
　　①井壁外画观测标志，在沉井四角设水准观测点，观测下沉量及平衡情况；在中轴线处设垂直线，观测沉井位移及平衡。
　　②拆除模块。
　　③挖除表层灰土
　　支撑墙底模拆除后，沉井稍有下沉，但刃脚侧面随即承力，沉井止沉。
　　3.2
下沉系数计算
　　下沉系数公式：
　　K＝Q/(f·h·L)＞1
(1)
　　式中Q——沉井自重重力
　　　　f——摩擦系数，软土取9.8～11.76
kN/m2
　　　　　h——最大下沉深度
　　　　　L——沉井外壁周长
　　摩擦系数取软土的最大值，一般结构沉井自重力下沉系数尚可达到3.0，何况淤泥之中，绝无滞沉问题。存在的问题是下沉深度达到要求时仍会下沉不止，故必须采取控制措施。
　　3.3粉喷桩连续墙控制下沉的机理
　　①导向和防止突沉、涌土
　　根据初步设计构想，在井壁密度范围内、刃脚之下，预打两排粉喷桩加固地层是防止沉井突
沉、沉降速度过快和涌土的综合性措施，其作用原理如下：其一，粉喷桩形成了水泥土地的连续墙，对于沉井来说是一个封闭夹在淤泥之中的承载墙体，整个沉井的下沉过程也就是
这一承载墙的挖除过程，这样沉井的下沉速度和平稳程度完全可以由人工挖除粉喷桩的方法来控制。其二，在淤泥质软土中实施沉井，在挖土下沉过程中易发
生涌土现象，即井壁外的流塑状淤泥因井内外土面高差较大时失稳而产生滑动，滑动弧面刃脚下挤入井内，使井内只出土但土体标高不降，而井外土体标高下沉，极易产生不均衡的
土压力，致使沉井倾斜。刃脚下预先施打两圈粉喷桩，形成了1.2m厚的水泥土墙，阻止了井壁外土体形成的滑动面向井壁内滑动涌入。
　　②控制沉井下沉的设计深度
　　沉井下沉至设计标高，刃脚底面之下土层仍为淤泥时，由下沉系数可知，淤泥土承载能力远
远不够，将会下沉不止，现采取刃脚下预打粉喷桩地下连续墙，能够使沉井刃脚底面下沉至设计标高时，落在粉喷桩地下连续墙的桩顶面上，解决了控制沉井下沉深度问题。当需要沉
井下沉时，只需凿除桩头，沉井可凭自重克服土体的摩擦力和支撑力而下沉，一旦刃脚实至桩头即可止沉。根据以上推论，在沉井即将到达设计标高(以相差50～70cm为宜)时，预先在设计标高处将粉喷桩凿断，即可控制沉井准确就位、止沉。
　　3.4 开挖方法
　　表层灰土硬壳采用人工挖土，其余淤泥采用高压水枪冲泥，每50cm为一层，逐层冲剥下降
。为防止支撑墙及地梁承受弯矩及汇水抽泥的需要，将土层冲成锅底型(中间低，四周高)。沉井刃脚下粉喷桩每暴露一层，先将内圈粉喷桩沿同标高挖断清出，外圈粉喷桩间隔挖断，以使剩余粉喷桩被沉井压碎，人工清除。
　　3.5沉井纠偏
　　由于粉喷桩的导向作用，沉井一般不会有较大偏斜，为保证沉井就位误差在规范允许范围内
，采取以下控制措施：
　　a.随沉井下沉进行水平和中轴线监测，随时调整挖降粉喷桩的部位和高度。
　　b.沉井下沉接近到位时停止凿桩，挖土24
h，观测沉降，若无明显沉降，可一次沉到位，不再采取其他止沉措施；若有明显沉降，则应查清原因，并增加止沉措施。
　　c.沉井接近就位时，若轴线位移或倾斜超过允许范围，可采用单侧压实填土、单侧挖土减载、配重等手段予以纠正。
　　4 沉井封底
　　沉井下沉完毕，其偏差应符合规范规定：
　　①轴线位移不大于井深1%；
　　②高程： 40mm，-60mm；
　　③倾斜度≯井深0.7%。
　　沉井就位2～3d后，刃脚已稳定落在粉喷桩顶，即可进行沉井封底。为避免地下水汇
集形成
较大浮力，顶裂封底混凝土，可在底板上均匀布置渗水井2～3个，井内埋渗水管，并以渗水管为中心向四周做辐射状碎石育沟引水，待泵池结构全部完成后封堵井口
　　5 结论
　　在流塑状淤泥地层中实施沉井，由于地层承载能力差、摩擦系数小等特性，极易在沉井下沉过程中出现突沉、涌土，沉速过快和超沉位移及倾斜过大等现象，难以控制。本次沉井的设计和施工，充分利用了水泥土的特性，在沉井刃脚下预先打两排粉喷桩，在软土层中形成一道强度适宜的连续承载墙壁体，在沉井下沉过程中就像形成了一道可靠导轨。通过分节，分部位凿除粉喷桩桩头来调节支撑力，准确控制沉井姿态和下沉速度、深度。
　　通过前述施工过程可以看出，在相似土层的沉井设计和施工中，可以通过改变刃脚面积和粉喷桩长度、直径、强度(通过调整喷粉量实现)等诸多手段调整承载力，方法多样、工艺简便、成本低廉，是一种成功的施工工艺。

.1. 沉井施工

总高度为15.4m，面积12×8m2净空尺寸10×6m2。为钢筋混凝土井墙，井壁厚度80/100cm，封底砼厚200cm。鉴于施工场地狭窄，采用沉井法开挖，沉井分三节制作、三次下沉。其中，首节沉井高6m，二节高4.5m，三节高4.9m。具体施工工艺为：
基坑开挖→铺筑垫层→首节沉井立内模、绑扎钢筋、立外模、浇筑混凝土及养护→抽垫、挖土下沉→第二节沉井立模、扎筋、捣砼、下沉→第三节……→井底清理→铺筑碎石垫层→混凝土封底
2、 基坑开挖
为减少沉井开挖量，兼顾少占地的原则，采用挖掘机在工作坑上部先开挖一个深3m的浅坑，坑底尺寸沿结构边线放宽0.5m，四周边坡坡比1:0.75，作为沉井施工的先导坑。基坑采用挖掘机开挖，人工整平坑底，并设大功率潜水泵抽水进行降低地下水位。
3、 垫层铺设沉井制作
在人工整平坑底后，沿井墙中线铺筑一层200mm厚碎石、其上再铺100mm厚沙的垫层，由人工机具平整夯实，垫层宽度2.0m（比刃脚宽度两侧各放宽0.8m）。在沙垫层上沿刃脚四周再浇筑C10素混凝土垫层带，厚度100mm，宽度1.4m，用以增加坑底的承载能力，保证沉井的制作质量。同时，沿混凝土垫层带间隔1.0m放置木条，供立模和绑扎钢筋之用。
1.1.3. 首节沉井制作
1) 、立模及扎筋
先在垫层上铺设油毛毡隔离层，然后在井者搭立满堂红脚手架，安装沉井内模，校正内模后绑扎钢筋，再立外脚手架和外模，并安装倒虹管的预留口，模板一次安装完成。
2)混凝土浇筑
混凝土采用分层浇筑，每层浇筑厚度50cm，间隔时间少于以小时。浇筑时采用混凝土搅拌车运输混凝土到浇筑现场，通过混凝土泵进仓。经顶四周每隔约4m左右设置一个进料漏斗，并确保沉井的四角均布置有进料漏斗，以保证混凝土均匀上升。施工人员进入井墙之中进行平仓，并使用振动泵将混凝土振捣密实，拆模后养护14天以上。
c 、拆模、养护、下沉
\混凝土强度达到设计强度的７５%以上时，拆除内外脚手架和模板。为提高混凝土早期强度，减少等强，在混凝土拌和物中添加早强剂（或早强性减水剂）。
沉井混凝土的养护以洒水养护为主，视天气情况安排洒水频率，保持混凝土表面湿润。在气温较高时，使用麻包覆盖井壁，淋水保湿，一般养护时间为14天以上。

当混凝土强度达到设计强度时，在沉井外壁涂抹沥青油，减少井壁与土体之间的摩擦力，在挖土下沉。
d、 二节沉井制作
在首节沉井下沉至基坑底部标高并稳定后，进行第二节沉井制作。重新在井内搭设脚手架，沿首节沉井预埋的拉杆螺丝立模和架设工作平台，按照首节沉井的施工方法完成混凝土浇筑和下沉（必要时对井外进行人工降土）。
　e、. 三节沉井的制作
与上两节沉井的流程和工艺相同。
5)沉井制作时的稳定性验算
进行稳定性计算的目的，是防止沉井在制作过程中发生不均匀沉陷，影响混凝土浇筑质量。查工具手册知：
沙垫层的允许承载力 3.5kg/cm2，即350kpa
碎石垫层的允许承载力 6.0kg/cm2，即600kPa
浇筑首节沉井时荷载 P1＝r×V/A＝24.5kN/m3×195.8m3/15.36m2＝312kPa
P1均小于沙碎石的允许承载力，首节沉井浇筑后，将稳定不下沉。当浇筑二节沉井时，荷载将达到：P2＝24.5kN/m3×499.7m3/15.36m2＝797kPa，超过了垫层的允许承载力，但由于二节沉井是浇筑在首节沉井之上，已达到设计强度的首节沉井将起到框架梁结构作用，整个沉井在此作用下将均匀受力，允许沉降，因此不会影响二节沉井的制作质量。故开挖5m深的基坑、铺筑铺筑一层300mm厚碎石、其上再铺200mm厚沙的垫层的沉井制作方案是安全可行的。
1.1.6. 下沉施工
下沉前，先用钢板将倒虹管预留口外端封闭，防止下沉过程中井壁外的土体流入，代沉井结束后再将封口钢板割除。
采用在地面上布置一台15t履带吊抓土，人工配合在井中陶土，实现沉井下沉。在均匀掏除沙碎石垫层后，失去垫层承托的沉井将慢慢下沉。下沉的步骤如下：
先挖除井底中央部分（窝底）→窝底扩挖→沉井依靠自重下沉→人工挖除刃脚处土体→沉井加速下沉→窝底土体隆起→沉井稳定→重复上述步骤，直至沉井下沉到设计高程（沉井的下沉示意图见附图？）。
井内挖出的土体由吊机起吊吊罐，装运出井外，再由自卸汽车运走。
1.1.7. 封底

沉井下沉到设计标高以上2m左右时，适当放缓下沉速度。下沉到设计高程后，观察沉井的稳定性。当实测沉井在8小时内的下沉量少于10mm时，即可认为沉井基本稳定，可以进行沉井封底。封底时利用15t履带吊和吊罐将碎石吊入井底斜下，由人工分层摊平和夯实，铺筑层厚40cm。如在铺筑垫层时井底渗水量大，则在铺筑前先浇筑一层10cm厚快干素混凝土。在完成碎石垫层铺填后，安装止水条，绑扎钢筋，并用同样的方法运送混凝土入井，由人工平仓、手持式振动棒振捣密实，完成底板混凝土的浇筑，封底完成。 按每m２范围，设竖向φ１２插筋一根，插入深度不小于１m，上端伸到底版顶面。
1.1.8. 技术措施
1)沉井偏斜的预防及纠偏措施
①沉井挖土下沉时，要注意同步、对称挖土，保持井底水