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(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)，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。工程概況漳州市污水處理廠配套管網(wǎng)工程是 2002年福建省重點(diǎn)國(guó)債建設(shè) 項(xiàng)目。期間，鋪設(shè)管道61.60km ,設(shè)置大小沉井25個(gè)，其中4個(gè)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(chǎng) 地的排水現(xiàn)狀及對(duì)鄰近建筑物的安全保護(hù)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。漳州市幾十年來均采用排水下 沉法進(jìn)行沉井施工，積累了不少實(shí)際操

2、作經(jīng)驗(yàn)，而不排水下沉法可謂 首次付諸實(shí)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)沉井在下沉的深度范圍內(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、在沉井下沉深度范圍內(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(jì)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(xiàng)考核指標(biāo)。沉井下沉系數(shù)：Ko= Gk-Fk （ 1）Tf式中Gk一井體自重標(biāo)準(zhǔn)值（KN）Fk一下沉過程中

3、地下水浮力標(biāo)準(zhǔn)值（KN）Tf一井壁總摩阻力（KN）K0一下沉系數(shù)，一般取值范圍宜在 1.051.25 沉井穩(wěn)定性系數(shù)：Ko =Gk - FkTfR(2)式中R一沉井刃腳、隔墻和橫梁下地基土反力之和（KN） ' 一、 一 >Ko一穩(wěn)定系數(shù)，一般取值范圍宜在 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(chǎng)地應(yīng)滿足機(jī)械取土、吸取泥漿、泥漿外運(yùn)的作業(yè)要求； 吸泥機(jī)械吸取的大量泥漿需要現(xiàn)場(chǎng)有較寬敞的場(chǎng)地設(shè)置泥漿沉淀，曬干后外運(yùn)，這就要求市區(qū)周邊有適當(dāng)?shù)男稘{地點(diǎn)， 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

4、 處或填浜造田，亦可經(jīng)排泥管路或溝梢排至較遠(yuǎn)的地方。 只有當(dāng)沉井 在深水處下沉而水流甚急時(shí)，或沉井位于河灘地段時(shí)，方能在沉井附 近排棄泥漿。此時(shí)，最好排棄于沉井下游一側(cè)。5、施工場(chǎng)地周邊擁有充足的供水點(diǎn)，以保證高壓水槍的用水來 源。有時(shí)，沉井下沉施工地點(diǎn)距離水源較遠(yuǎn)，但又要求水力機(jī)械具有 很高的水壓力。這時(shí)，常采用水泵串聯(lián)的方法來解決，前級(jí)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(jí)高壓水 泵供水。不排水下沉法的沉井施工要領(lǐng)和質(zhì)量控制支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(jī)械沖土下沉兩種。1、沖抓錐（或抓斗）挖土對(duì)于小型單孔沉井，在沉井鍋底均勻

5、抓土，沉井便可下沉。沉井 若由多個(gè)井孔組成時(shí)，每個(gè)井孔宜配備一臺(tái)沖抓錐（或抓斗）。如用一臺(tái)沖抓錐（或抓斗）抓土?xí)r，應(yīng)對(duì)稱逐孔輪流進(jìn)行，使其均勻下沉， 各井孔內(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(shí)，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?cè)趯?shí)施中認(rèn) 識(shí)到，在砂或礫石類土中，一般當(dāng)鍋底比刃腳低 11.5m時(shí)，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(huì)向中央塌落， 則應(yīng)配以射水管松

6、土。同時(shí)，沉井用抓土斗抓土下沉?xí)r，抓土機(jī)具的生產(chǎn)率隨下沉深度 增加而降低，這不僅因?yàn)樽ネ炼飞禃r(shí)間增長(zhǎng)，還因沉井下沉很深時(shí)， 抓土斗的鋼絲繩互相絞纏，影響抓土效率。止匕外，地層土層的性質(zhì)對(duì) 抓土生產(chǎn)率也有影響，一般砂質(zhì)土抓土后坑壁即會(huì)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(shí)十分注意。有時(shí)，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(shí)，當(dāng)抓土斗落至井底后， 將抓斗張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

7、絲繩，如此即可達(dá)到偏抓的目的。另外，當(dāng)抓淤泥時(shí)，抓土斗將近被淤泥 吸住，當(dāng)提抓斗時(shí)，須注意不要用力過猛，并要考慮抓土機(jī)具適當(dāng)?shù)某d安全系數(shù)，抓鏟需加足夠的配重， 以防機(jī)具傾覆。采用沖抓錐（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(shí)，易造成下沉速度過快及 扭斜等質(zhì)量事故。由于沖抓錐在漳州市水利樞紐工程、 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(diǎn)或不具備水力機(jī)械沖土設(shè)備的 條件下，適合采用沖抓錐進(jìn)行不排水作業(yè)。2、水力機(jī)械沖土原理在沉井下沉施工中，實(shí)現(xiàn)水力機(jī)械化，即用高壓射水沖碎土層后， 用水力吸泥機(jī)將泥漿及土的碎塊排到井外， 使沉井下

8、沉。這種施工方 法，設(shè)備簡(jiǎn)單，效果顯著，采用這種方法進(jìn)行沉井下沉，可以達(dá)到加 快施工進(jìn)度的目的。（1）運(yùn)行機(jī)理主要是利用高壓水泵將高壓水流通過進(jìn)水管分別流進(jìn)沉井內(nèi)的高壓水槍和水力吸泥機(jī)，利用高壓水槍射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(jī)（或空氣吸 泥機(jī)）將泥漿吸出，從排泥管排出井外。特別強(qiáng)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(jī)械除土的主要特點(diǎn)是利用高壓射水來代替人工進(jìn)行 沉井下沉的全部作業(yè)，它包括土的切割、沖刷、攪動(dòng)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(jī)械設(shè)備主要由水泵、進(jìn)水管路、水

9、力沖泥機(jī)、水力吸泥機(jī)以及排泥管路等組成。 一般情況下，每套6英寸水楮泥怩腳翩壁 井一墻 隔%Z yKraK-l相架睡高壓水案椎架底梁水搶井墻.閾門圖2沉井水力機(jī)械施工示意圖力機(jī)械包括：一臺(tái)6DA型水泵、水力沖泥機(jī)（水槍）12臺(tái)、 水力吸泥機(jī)（直徑150mm） 1臺(tái)及相應(yīng)的管路。高壓射水是由高壓 水泵供給的，水力沖泥機(jī)及水力吸泥機(jī)可由同一高壓水泵供水，也可以由兩臺(tái)高壓水泵分別供水。（2）取土順序和泥漿平衡取土順序?yàn)橄戎醒牒笏闹?，并沿刃腳留土臺(tái)，最后對(duì)稱分層沖挖， 不斷沖空刃腳踏面下的土層。施工時(shí)，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(jī)吸出的泥漿量保持平衡。在使用高壓水 槍沖刷井內(nèi)

10、土層的作業(yè)中，應(yīng)將各種土調(diào)制成為適宜的稠度，具泥漿 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(jī)械系統(tǒng)正常工作時(shí)，各部分水量應(yīng)符合下列平衡條件：Q泵=、沖+Q吸機(jī)Q-Q吸機(jī)+Q泥Q泥=Q沖+ Q 土+Q滲式中Q泵一水泵出水量（米3/小時(shí)）；Q沖一水力沖泥機(jī)的耗水量（m 3/h）;Q吸機(jī)一水力吸泥機(jī)的耗水量（m 3/h）;Q總一水力吸泥機(jī)總排水量（m 3/h）;Q泥一水力吸泥機(jī)吸入的泥漿量（m 3/h）;Q 土一由沉井內(nèi)排出土的數(shù)量（m 3/h）;Q滲一滲入沉井內(nèi)的水量（m 3/h）。由水泵站供給水力吸泥機(jī)、水力沖泥機(jī)的高壓水與滲進(jìn)沉井內(nèi)的 水量之和，應(yīng)與水力

11、吸泥機(jī)的排水量平衡。（3）水力沖泥機(jī)的應(yīng)用凡水力機(jī)械化除土法，普遍采用水力沖泥機(jī)（水槍）。使用水力沖 泥機(jī)時(shí)，不僅利用其射流來沖刷切割土層， 而且還利用射流來攪動(dòng)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(jī)，當(dāng)高壓水流通過噴嘴時(shí)，具有很大的速度，能產(chǎn)生相當(dāng)大的破壞力。如圖3所示圖（3）水力沖泥機(jī)水力沖泥機(jī)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(jiān)硬的土層時(shí)，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(jī)將已沉淀的土塊沖至集泥坑， 以便用水力吸泥機(jī)將這些土塊及泥漿排到井外。實(shí)際影響水力沖泥機(jī)效能的因素有：a.地質(zhì)

12、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(qiáng)度就增大。c.噴嘴處的水壓力、水力沖泥機(jī)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(jī)在沉井內(nèi)移動(dòng)方便，常用高壓橡皮管向水力沖泥機(jī)供應(yīng)高壓水。 若水壓過大時(shí)橡皮管的剛性 也大，這時(shí)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(jī)固定。(4)水力吸泥機(jī)的應(yīng)用水力吸泥機(jī)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(jī) 由噴嘴、混合管、喉管及擴(kuò)散管等組成。這 些部

13、件對(duì)水力吸泥機(jī)的工作效率影響很大。施工經(jīng)驗(yàn)證明，工作水流和吸入泥漿水 流，僅在混合管至喉管這段范圍(混合室) 內(nèi)混合，在擴(kuò)散管內(nèi)工作水流的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)?泥漿水流的位能，這樣才能將泥漿排到井 外。圖4水力吸泥機(jī)水力吸泥機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：構(gòu)造簡(jiǎn)單、本身 沒有運(yùn)動(dòng)部件因而不易損壞，同時(shí)易于加工 制造、裝拆簡(jiǎn)便。定型的小150mm水力泥機(jī)的構(gòu)造如圖4所示一般來說，在水力吸泥機(jī)的應(yīng)用方面，若每小時(shí)壓入水量100m3, 可吸出泥漿量約為510m3,揚(yáng)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

14、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(jī)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(shí)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(jī)時(shí)，應(yīng)保持沉井內(nèi)水位高出井外 水位12m。圖5井內(nèi)水力除土示意圖3、水力機(jī)械化施工主要方法 沉井下沉使用的水力機(jī)械，由水 力沖泥機(jī)和水力吸泥機(jī)，以及相應(yīng)的 高壓供水管路和排泥管路組成。沉井 的每個(gè)井孔（格）最好使用一套水力 機(jī)械。水力機(jī)械在沉井內(nèi)除土?xí)r的操 作方法，主要有三個(gè)要點(diǎn)。作業(yè)過程 如圖5所示。（1）沖泥時(shí)，可先在水力吸泥機(jī)的吸泥龍頭下方（一

15、般均選在鍋底中央），沖挖出一個(gè)直徑約為2.02.5m的集泥坑。然后用水力 沖泥機(jī)開拓各個(gè)方向通向集泥坑的水溝 24條，溝的縱向坡度3- 5%。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(dòng)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?zèng)_除四周土堤，最 后沖除定位點(diǎn)處土堤，使沉井下沉。（2）對(duì)于多孔（格）沉井的施工，亦可參照上述順序進(jìn)行開挖，各井孔之間，在沉井偏斜不大時(shí)，應(yīng)力爭(zhēng)同時(shí)沖挖。如果沉井偏斜較 大時(shí)，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(duì)于離集泥

16、坑較遠(yuǎn)的井孔(格)，當(dāng)沖沉井四角和井壁處 土堤時(shí)，泥漿從那里流到集泥坑有時(shí)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(gè)水力沖泥機(jī)反復(fù)沖刷和攪動(dòng)。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(dòng)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(jī)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(shí)測(cè)情況，當(dāng)水壓為1520kg/ cm 2時(shí)，水力沖泥機(jī) 的有效沖刷半徑約為 68m ,在此范圍內(nèi)的泥漿一般均可流至集泥 坑內(nèi)。水力吸泥機(jī)的吸泥龍頭的網(wǎng)罩應(yīng)低于泥漿面約510cm

17、,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(shí)， 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(jī)的進(jìn)水閥 門，這時(shí)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(shí)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(jìn)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(jì)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/m 3,砂率為4550% ,宜采用中、粗砂，水灰比不宜大 于0.6