大截面超深度矩形结构水下沉井法施工

大截面超深度矩形结构水下沉井法施工

于达 李晓霖 李海风

华电重工股份有限公司 北京市 100000

摘要：沉井施工主要应用于水利水电施工，广泛应用于桥梁、水利大坝基础、隧道工程、水泵房、地下油库、水池竖井等深井构筑物和盾构或顶管的工作井。沉井结构整体刚度大，整体性好，抗震性好；沉井施工地质适用范围广，对周围环境影响小，适用于对土体变形敏感的地区。创新采用“对称分层开挖及增加摩阻力方法”、“不排水的湿式沉井法”、“对角线两角除、填土法”等进行翻车机室沉井施工，总结形成了《翻车机室超重大型单箱沉井施工技术》，已经在天津华电南港热电工程项目中成功应用，经济和社会效益显著。
关键词：沉井施工；湿式沉井法；填土法

1前言

目前就国内外项目，沉井施工主要应用于水利水电施工，沉井施工地质适用范围广，对周围环境影响小，适用于对土体变形敏感的地区；沉井结构本身兼做围护结构，不需另加设支撑和防水措施，但在火电厂建设中的应用还较少。在当前安全成本高、工期紧张、施工场地紧凑的情况下，沉井施工技术可以减轻施工工作量，缩短施工工期，降低施工安全风险。

翻车机室地下基础为沉井结构，外轮廓尺寸为31.9米（长）×28.9米（宽），刃脚底标高为-23.05米，沉井下沉总深度为22.6米，结构总重约15489.715吨。因该沉井体积庞大，大截面超深度矩形结构施工工艺复杂，施工难度大。在施工中存在突沉现象，涌水涌砂现象，沉井扭转和高差难控制等施工难题。

针对以上施工难题，华电重工股份有限公司成立了“翻车机室大截面超深度矩形结构沉井施工”技术研究攻关组，创新的采用了“对称分层开挖及增加摩阻力方法”、“不排水的湿式沉井法”、“对角线两角除、填土法”等进行翻车机室沉井施工，总结形成了《翻车机室超重大型单箱沉井施工技术》，已经在天津华电南港热电工程项目中成功应用，经济和社会效益显著。

2 施工特点

2.0.1使用“对称分层开挖及增加摩阻力方法”进行沉井下沉施工，解决了沉井突沉的问题，提高了对沉井下沉过程中控制，确保沉井过程中安全。

2.0.2优化使用“不排水的湿式沉井法”，解决了涌水涌砂对沉井的影响的问题，避免流砂涌入，沉井出土施工，沉井顺利下沉。

2.0.3创新性使用 “对角线两角除、填土法”，解决了矩形沉井下沉时扭转和高差不易控制的难题，提高了沉井精确度。

3 适用范围

适用于对土体变形敏感的地区的大截面超深度矩形结构水下沉井法施工。

4 工艺原理

4.1 对称分层开挖及增加摩阻力方法

突沉：挖土时锅底挖得太深，会使沉井暂时被外壁摩阻力和刃脚托住，使处于相对稳定状态，当继续挖土时，土壁摩阻力达极限值，井壁阻力因土的触变性而突然下降。

突沉控制方法为：施工过程中应严格按照开挖次序及要求进行，在四周刃脚和隔梁旁保留0.5~1m宽的土埂；在粘土层中严格控制挖土深度(一般为40cm)不能太多，不使挖土超过刃脚，避免出现深的锅底将刃脚掏空；粘土层下有砂层时，防止把砂层吸空；在沉井外壁空隙填粗糙材料增加摩阻力；或用枕木在定位垫架处给以支撑，重新调整挖土。

4.2不排水的湿式沉井法

沉井井内出现流砂的原因：由于井内锅底开挖过深，井外松散土涌人井内；井内表面排水后，井外地下水动水压力把土压人井内;爆破处理障碍物，井外土受振进人井内；挖土深超过地下水位0. 5m以上。

采用不排水法下沉沉井，保持井内水位高于井外水位，以避免流砂涌入，潜水员水下使用水力机械，泥浆泵出土沉井。

4.3 对角线两角除、填土法

现场施工主要通过井内挖土、降低局部侧壁摩阻力、井外单侧挖土、对角线两角除、填土等方式进行纠偏标高。

图4.3-1偏除土纠偏原理图

沉井位置扭转纠正:沉井位置如发生扭转，如图所示。可在沉井的A、C二角偏除土，B、D二角偏填土，借助刃脚下不相等的土压力所形成的扭矩，使沉井在下沉过程中逐步纠正其位置。

图4.3-2扭转纠偏原理图

5 工艺流程及操作要点

5.1.1 基坑开挖

在基坑开挖前,预先按照测量控制点对基坑进行测量定位,定出基坑的开挖范围。在基坑开挖过程中，注意控制基坑的深度及边坡，边施工边检查，保持基坑平整，基坑底采用明沟和大口井相结合的方法排水.

5.1.2 沉井制作

1刃脚模板

刃脚的模板采用木模板，内满堂支撑体系。

2池壁模板

在井壁周围搭设双排脚手架，井内侧搭设满堂脚手架。

3沉井钢筋制作及安装

根据施工图设计要求，钢筋工长预先编制钢筋翻样单。所有钢筋均须按翻样单进行下料加工成型。钢筋绑扎须严格按图施工，钢筋的规格、尺寸、数量及间距必须核对准确。井壁内的竖向钢筋应上下垂直，绑扎牢固，其位置应按轴线尺寸校核。

4砼浇筑

布料应按均匀、分层的原则进行施工，池壁混凝土浇筑时分层循环进行，每层高度宜控制在50cm内，并连续振捣密实，在砼浇筑施工过程中要注意模板位移、跑模及爆模，避免造成地基不均匀下沉或产生倾斜。每一节段砼应一次连续浇筑完成，在下一节段砼达到设计75﹪以后方可浇筑上一节段。

5沉井监测

沉井下沉时高程的控制点设在沉井四角，具体作法是：在沉井四角池壁上划出刻度线，在沉井四角各设置一个观测台作为一个水准点，测得四个水准点在同一水平标高上，并在观测台用脚手管和钢筋焊接指针，指针起始位置指向池壁上刻度线的同一位置，以便观测沉井下沉速度。

5.1.3沉井下沉

本工程的沉井采取二次制作，二次下沉施工方案进行施工。根据施工图以及提供的地质报告，采用不排水下沉的方法进行施工。

5.1.4胎膜及垫层拆除

沉井混凝土达到设计强度的100%后方可拆除砼垫层，拆除时分区、分组、依次、对称、同步进行，先拆除主体内部底梁的砖模及砼垫层，由内向外拆除；然后分组对称地拆除沉井刃角部位砖模及砼垫层，由中间向两边；最后拆除池壁外侧混凝土垫层。利用人工及机具将相应垫层拆除。每拆除一块砼垫层后，立即用砂、卵石或砾石将空隙填实，以免沉井开裂、移动或倾斜。

第一阶段: 从重心位置开始对称拆除A区域。

第二阶段：开始对称拆除B区域。

第三阶段: 此阶段拆除刃角砖胎，为防止沉井突沉，拆除过程必须全面、对称、均匀进行。

砖胎及垫层拆除平面示意图

5.2.5沉井内土方开挖

根据施工图及提供的地质报告，采用不排水下沉的方法进行施工。施工过程中泥浆泵抽泥，吊车配合施工。

第一阶段: 首先分层对称清运Cc、Dd、Ee、Ff、Gg、Hh12个方格的土方。

第二阶段：Cc、Dd、Ee、Ff、Gg、Hh12个方格封底完成后进行Aa、Bb区域土方清运。

每格挖土方法为按顺序分层逐渐往刃脚方向削薄土层，每次削5～15cm，当土垅挡不住刃脚的挤压而破裂时，沉井便在自重作用下破土下沉。

图4.13-开挖平面分区示意图

沉井开始下沉时，主要采用高压水枪水力冲土，由160管道，通过泥浆泵输出清水池东侧的泥浆池。在开始5米以内下沉时，要特别注意保持平面位置与垂直度正确，以免发生移位，继续下沉时不易调整。

5.2.6封底

1当沉井下沉到距设计标高1m时，应停止井内挖土,在混凝土支撑梁下选择4个支撑点，在基坑内砌筑片石支撑平台，支撑平台上表面抹20厚水泥砂浆，随后将支撑台的槽填平。支撑平台施工完成后继续进行沉井挖土下沉，当沉井的混凝土支撑梁底标高到达支撑平台时，沉井完成下沉，进行封底施工。沉井下沉至设计标高以后，对沉井结构进行封底，现采用水下封。

2水下封底施工顺序：

施工预备→将沉井内的水位补到正常地下水位→搭设潜水平台→安装水下抽泥机械设备→接通电源→调试机械→潜水员下潜到指定位置→潜水员进行水下清淤→清淤到指定的标高→潜水员到位观测→潜水员水下封底→潜水员水下验收。

5.2.7回填

沉井外围基坑回填采用人工分层回填机械夯实的方法进行施工。在回填土分层夯实施工中，每层土松散厚度控制在20~25CM，以每层厚度不得超过25CM为原则进行控制。

6 效益分析

6.1经济效益

以天津华电南港热电项目工程项目为例，翻车机室施工采用了大截面超深度矩形结构水下沉井法施工工法，在保质保量的基础上大大提升了施工效率，明显缩短施工工期。

产生的经济效益：材料、人工及机械费用投入降低约40%；废弃物产生量减少60%；对施工区域及周围环境影响降低80%；节省施工用地60%；共节约230万元。

6.2 社会效益

大截面超深度矩形结构水下沉井法工法成功应用，安全经济效益明显，必将提高大截面超深度矩形结构的施工效率，改善施工质量，推动行业技术进步。

7 应用实例

7.1天津华电南港热电项目工程项目

本工法应用于天津华电南港热电项目工程项目，翻车机室地下基础为沉井结构，外轮廓尺寸为31.9米（长）×28.9米（宽），刃脚底标高为-23.05米，沉井下沉总深度为22.6米，结构总重约15489.715吨。自2020年1月至2020年8月沉井施工完成，精确控制了沉井中心位移和高差，中心位移小于1%、高差小于1.5%，均低于规范允许偏差值50%，得到业主单位和监理单位的充分肯定和高度评价。

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