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(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。工程概況某市污水處理廠配套管網(wǎng)工程是2002年某省重點(diǎn)國債建設(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。某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)際操作經(jīng)驗(yàn)，而不排水下沉法

2、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(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)：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(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(shí)，或沉井位于河灘地段時(shí)，方能在沉井附近排棄泥漿

4、。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

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(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。此外，地層

6、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。圖1掛鉤偏抓示意圖有時(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(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

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(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(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

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(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

9、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)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(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=Q沖+Q吸機(jī)Q總=Q吸機(jī)+Q泥Q泥=Q沖+ Q土+Q滲式中Q泵水泵出水量（米3/小時(shí)）；Q沖水力沖泥機(jī)的耗水量（m3/h）；

10、Q吸機(jī)水力吸泥機(jī)的耗水量（m 3/h）；Q總水力吸泥機(jī)總排水量（m 3/h）；Q泥水力吸泥機(jī)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(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)與水力吸泥機(jī)的排水量平衡。（3）水力沖泥機(jī)的應(yīng)用圖（3）水力沖泥機(jī)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

11、。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)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

12、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X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)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(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)

13、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。3、水力機(jī)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(jī)械，由水力沖泥機(jī)和水力吸泥

14、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(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

15、。（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，泥漿中常混雜著建筑垃圾，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，

16、當(dāng)水壓為1520kg/cm2時(shí)，水力沖泥機(jī)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(jī)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(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/m3，砂率為4550%，宜采用中、粗砂，水灰比不宜大于