神马文学网人工沉井法施工技术初探（姬文红）
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时间： 2009-09-24 15:29:00
来源：《北京水利》2005年第1期
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沉井法施工是较古老的施工方法, 但由于这类方法工艺简单, 造价较低, 目前仍在许多工程中被采用。尤其是场地狭小, 机械作业有困难时经常采用。笔者结合在沉井施工中遇到的问题进行探讨。
1 背景资料
某学校雨洪利用工程中设计1座辐射井, 以充分利用浅层地下水, 降低地下水位(学校宿舍楼设置有地下室, 大部分时间受水浸泡, 无法使用), 实现天然降水的有效利用。
1.1 设计资料
(1)辐射井直径2600mm, 井壁厚200mm, 井深15m。
(2)井身为预制混凝土管, 每节1m长, 最底节带底。接缝处水泥砂浆抹带。
(3)土层构成自上而卞依次为：杂填土厚2.3m、砂质粉土2m、细砂2.2m、黏质粉土1.8m、粉质黏土3.7m、砂质粉土2.1m, 以下为细砂。
1.2 施工过程
开工前与各方协商, 辐射井采用预制管厂的定型产品,直径2600mm、井壁厚245mm、每节3.13m长, 井管下沉采用人工挖土沉井方式完成。于2003年7月4日正式开始施工。首先利用挖掘机在辐射井位置开挖2.5m深基坑, 吊放混凝土管。吊放第2根管之前管西侧比东侧高1.7cm, 第2根管就位后, 管子突沉49cm,造成东西高差扩大到8.5cm。决定下沉慢的一侧加快挖土速度, 次日高差扩大到9.1cm, 第3日高差扩大到14cm。调整挖土方法,在下沉快的一侧设置垫木, 并且在此段缩小挖土范围, 不把管底的土都挖除, 下沉慢的一侧扩大挖土范围, 扩挖至管外, 然后用挖掘机加压促沉, 设法让管底移位。结果在一边刃脚下有土时, 不能下沉。两边刃脚下的土都掏空后加压下沉了12cm, 但是高差扩大到14.8cm。第4日高差扩大到15.9cm, 将两管联成一整体, 然后在管底东侧用方木支垫, 在西侧掏土悬空, 上方用挖掘机对管西壁加压, 多次努力后, 纠偏效果仍然不明显。下沉基本停止。第5日对管西侧进行开挖, 将管西侧土方开挖后在西侧管壁上加压, 沉管重新扶正。扶正后沉管继续下沉, 沉管顶面到达地面以下1.3m时不再下沉。吊第3根管时, 由于管底已掏空, 第3节管就位后突沉55cm, 造成新的偏差。第3节管顶面下沉到与地面平时, 南北偏差10cm, 又将管南侧开挖到地面以下6m, 将管扶正。第4节管的下沉比较困难, 在余0.5m时管底开始出现涌土现象, 涌土从0.1m逐渐上升到1.0m。第4节管顶面下沉到与地面平时, 为了加快第4节管下沉, 将第5节管压上(17t), 并且用挖掘机助沉。最终第4节管顶面沉到地面以下1m时, 因为管外周围坍塌严重, 施工影响范围扩大, 造成附近学生宿舍楼散水出现裂缝, 停止下沉。井筒内补水, 浇筑水下混凝土封底。钻孔灌浆加固地基。
1.3 出现的问题
(1)施工时下沉困难。
(2)沉管下沉时易发生倾斜。
(3)在11.5m处提前出现粉细砂, 流沙涌入井内。沉管下沉速度缓慢, 但管外周围坍塌施工影响范围扩大, 造成附近学生宿舍楼散水出现裂缝。
2 采取的应对措施
(1)压重。先后采用0.8m3和1.5m3挖掘机利用抓斗配合压重促使沉井下沉。挖掘机的自重分别为20t、30t。能够作用于管顶的压力分别为11t、17t。
(2)多种纠偏措施。①先在下沉慢的一侧加快挖土速度, 效果不好。②改进开挖技术, 在下沉多的一侧多挖土,在下沉少的一侧压配重, 并用钢丝绳从横向给沉井一个水平拉力, 以纠正沉井倾斜。③局部压重;下沉慢的一侧局部开挖后, 再加压。
(3)井底隆起(流沙影响)停止施工, 井中回灌水, 平衡水压。
(4)混凝土封底, 计划中的干封底不能实现, 改用浇注水下混凝土封底, 底板也从0.3m加厚到0.5m。
(5)灌浆, 防止因地面沉降进一步发展而影响附近建筑物的安全。从2003年8月16日-2003年8月28日进行地基的注浆加固。钻孔深度12m, 孔距1.5m。采用P.O32.5水泥浆液, 浆液配比设计为1:0.5-1:1。采用预埋花管2次注浆方法。先期为渗透注浆, 浆液配比1:0.5,注浆压力为0-0.3MPa。后期为高压注浆, 浆液配比1:1, 注浆压力控制在2.1MPa范围内。由于砂质粉土和粉砂土层已被破坏, 注浆量可能不均匀, 按充盈系数大于1的标准控制注浆结束不易掌握, 按每个钻孔的注浆量不超过5t、地表冒浆或注浆压力超过2.0MPa为注浆结束标志。布置钻孔90个,进尺1117m。注浆量46.8t水泥。
(6)沉降观测。对于施工区附近的宿舍楼和图书馆楼进行沉降观测, 以监测工程施工对这栋楼房造成的变形影响。经过30d的观测, 变形点累计沉降分别为1.9mm、2.8mm、0.8mm。从观测成果看此期间建筑物无明显变化。
3 原因分析
首先对沉管下沉比较困难做一简单分析, 然后对于井底涌土做探讨。
3.1 沉管力计算
采用的是预制管分节下沉, 下沉力计算采用分节计算,因为第1节管基本是开挖下管, 不做下沉验算。计算参数(摩阻力系数)：细沙f=12kPa;粉土f=18kPa;黏土f=25kPa。
3.1.1 第1种计算方法
验算采用第1种计算方法为假定摩阻力随土深而加大,并且在5m深时达到最大值, 5m以下时保持常值。见图1。
计算公式：Rf=U(h-2.5)f
式中：f=(f1h1+f2h2+…fnhn)/(h1+h2+…+hn)
U—沉井的周长/m;
f—单位面积摩阻力的加权平均值;
h—沉井的入土深度/m;
h1…h2—各土层厚度/m;
f1…fn—相应各层土摩阻系数。
计算结果见表1。
3.1.2 第2种计算方法
第2种计算方法为假定摩阻力随土深而加大, 并且刃脚处达到最大值。计算公式Rf=Uhf/2, 各参数同计算1。结果见表1。
通常认为下沉力与下沉阻力之比为1-1.25时沉管下沉比较顺利。通过以上计算可以看出, 第1种计算表明第3、4节管下沉力不足, 无法下沉。第2种计算方法下沉力稍小于计算摩阻力。笔者参与施工时采用挖掘机助沉, 这2根管下沉的速度比较慢, 但最终管顶沉人地面以下1m处。
第3节管下沉后期为纠偏将地面以下6m开挖,使第1层土变为软土, 实际的摩阻力可能更小一些。另外开挖引起的地面坍落对下沉也是有利因素。考虑这些因素的影响第2种计算方式基本符合此次下沉过程。
3.2 流沙影响
3.2.1 临界水力梯度
计算公式：ic=(Gs-1)/(1+e)
式中：ic—临界水力梯度;
Gs—土颗粒的密度;
e—土的空隙比。
因为没有现场试验数据, 假定Gs=2.66,e=0.5-0.85,
试算ic=0.9-1.11
3.2.2 实际水头压力下的水力梯度
计算公式：i=△H/H
式中：△H—井内外水头差;
H—渗透路径。
因为此次施工时, 采用排水下沉的方式, 并且下沉力不足, 管底基本处于悬空状态, 即井内外的水头差和渗透路径基本是等值的,i=△H/H≈1。处于临界破坏状态。碰到粉土、粉沙类土质将发生流土流沙。施工中穿第1个沙层时未产生流沙, 到第4根管穿越第2个沙层时管底出现了涌土现象。因为沉管的下沉力不足, 下沉慢, 开挖时间长, 井外砂层的细砂随水流不断涌入井内, 造成井外地层缺失、塌陷。
4 结语
(1)此次施工设计深度为15m, 实际沉管深度为13m。由于提前出现沙层, 对下沉困难谁备不足, 征求设计者、业主意见后施工提前结束。后期工程使用情况来看, 降低地下水的目的达到了(宿舍楼地下室没有水了),基本满足了设计要求。
(2)下沉力2种计算公式的结果表明：计算的结果比实际情况偏大, 计算2更加接近实际情况。当然以上的计算只是个案, 何种计算方法更加适用, 需要在以后的施工中验证。
(3)制定沉井方案时要充分考虑下沉力(自重和加重措施)。因为定型混凝土管φ900-3000混凝土管的壁厚为7.5-27cm。此次施工核算结果表明, 这样壁厚的沉管下沉力不足。可以考虑在现场制作, 将壁加厚到30-50cm。另外加压助沉也是比较实际的考虑(直接加重或通过地锚做反力架反向施压)。泥浆助沉技术能有效降低下沉力要求, 减小壁厚。方案的选择应经过技术和经济比较后确定。
(4)沉井法施工应增设1m左右凸出井筒外壁的台阶,壁宽度为5-10cm, 使开挖导向得到更好的控制。下沉时形成的空隙回灌摩阻力较小的细砂或助沉泥浆降低摩阻力。也减小对周围地层的影响。因为沉管在纠偏时要克服土的被动土压力。管壁与土层之间有一定的空间, 那么纠偏时要克服的被动土压力就比较小, 有利于动态纠偏的实现。上文提到的第2、3节管的纠偏过程均采用了开挖纠偏, 在现场分析认为第2节管下沉比较顺利, 属挤土下沉, 工人掏土时没有把掏土范围扩大到管外, 管壁与土层紧贴, 导致纠偏时无法克服巨大的被动土压力而失败, 造成开挖的局面。
(5)采用人工沉井法施工时应充分考虑对于临近建筑物的影响。遇到粉土和细砂层土质时, 应选择不排水下沉。如果只是夹层土, 土层比较薄, 可以选择排水下沉但要慎重。加强施工观测, 避免对临近建筑物的不利影响。
(6)沉井法施工应加强监侧, 一旦出现倾斜, 调整挖土方法, 在下沉快的一侧设置垫木, 并且在此段缩小挖土范围, 不把管底的土都挖除, 下沉慢的一侧扩大挖土范围, 扩挖至管外, 然后在下沉慢侧加压促沉, 设法让管底移回至中线位置。
时间： 2009-09-24 15:29:00
来源：《北京水利》2005年第1期
放大缩小打印沉井法施工是较古老的施工方法, 但由于这类方法工艺简单, 造价较低, 目前仍在许多工程中被采用。尤其是场地狭小, 机械作业有困难时经常采用。笔者结合在沉井施工中遇到的问题进行探讨。
1 背景资料
某学校雨洪利用工程中设计1座辐射井, 以充分利用浅层地下水, 降低地下水位(学校宿舍楼设置有地下室, 大部分时间受水浸泡, 无法使用), 实现天然降水的有效利用。
1.1 设计资料
(1)辐射井直径2600mm, 井壁厚200mm, 井深15m。
(2)井身为预制混凝土管, 每节1m长, 最底节带底。接缝处水泥砂浆抹带。
(3)土层构成自上而卞依次为：杂填土厚2.3m、砂质粉土2m、细砂2.2m、黏质粉土1.8m、粉质黏土3.7m、砂质粉土2.1m, 以下为细砂。
1.2 施工过程
开工前与各方协商, 辐射井采用预制管厂的定型产品,直径2600mm、井壁厚245mm、每节3.13m长, 井管下沉采用人工挖土沉井方式完成。于2003年7月4日正式开始施工。首先利用挖掘机在辐射井位置开挖2.5m深基坑, 吊放混凝土管。吊放第2根管之前管西侧比东侧高1.7cm, 第2根管就位后, 管子突沉49cm,造成东西高差扩大到8.5cm。决定下沉慢的一侧加快挖土速度, 次日高差扩大到9.1cm, 第3日高差扩大到14cm。调整挖土方法,在下沉快的一侧设置垫木, 并且在此段缩小挖土范围, 不把管底的土都挖除, 下沉慢的一侧扩大挖土范围, 扩挖至管外, 然后用挖掘机加压促沉, 设法让管底移位。结果在一边刃脚下有土时, 不能下沉。两边刃脚下的土都掏空后加压下沉了12cm, 但是高差扩大到14.8cm。第4日高差扩大到15.9cm, 将两管联成一整体, 然后在管底东侧用方木支垫, 在西侧掏土悬空, 上方用挖掘机对管西壁加压, 多次努力后, 纠偏效果仍然不明显。下沉基本停止。第5日对管西侧进行开挖, 将管西侧土方开挖后在西侧管壁上加压, 沉管重新扶正。扶正后沉管继续下沉, 沉管顶面到达地面以下1.3m时不再下沉。吊第3根管时, 由于管底已掏空, 第3节管就位后突沉55cm, 造成新的偏差。第3节管顶面下沉到与地面平时, 南北偏差10cm, 又将管南侧开挖到地面以下6m, 将管扶正。第4节管的下沉比较困难, 在余0.5m时管底开始出现涌土现象, 涌土从0.1m逐渐上升到1.0m。第4节管顶面下沉到与地面平时, 为了加快第4节管下沉, 将第5节管压上(17t), 并且用挖掘机助沉。最终第4节管顶面沉到地面以下1m时, 因为管外周围坍塌严重, 施工影响范围扩大, 造成附近学生宿舍楼散水出现裂缝, 停止下沉。井筒内补水, 浇筑水下混凝土封底。钻孔灌浆加固地基。
1.3 出现的问题
(1)施工时下沉困难。
(2)沉管下沉时易发生倾斜。
(3)在11.5m处提前出现粉细砂, 流沙涌入井内。沉管下沉速度缓慢, 但管外周围坍塌施工影响范围扩大, 造成附近学生宿舍楼散水出现裂缝。
2 采取的应对措施
(1)压重。先后采用0.8m3和1.5m3挖掘机利用抓斗配合压重促使沉井下沉。挖掘机的自重分别为20t、30t。能够作用于管顶的压力分别为11t、17t。
(2)多种纠偏措施。①先在下沉慢的一侧加快挖土速度, 效果不好。②改进开挖技术, 在下沉多的一侧多挖土,在下沉少的一侧压配重, 并用钢丝绳从横向给沉井一个水平拉力, 以纠正沉井倾斜。③局部压重;下沉慢的一侧局部开挖后, 再加压。
(3)井底隆起(流沙影响)停止施工, 井中回灌水, 平衡水压。
(4)混凝土封底, 计划中的干封底不能实现, 改用浇注水下混凝土封底, 底板也从0.3m加厚到0.5m。
(5)灌浆, 防止因地面沉降进一步发展而影响附近建筑物的安全。从2003年8月16日-2003年8月28日进行地基的注浆加固。钻孔深度12m, 孔距1.5m。采用P.O32.5水泥浆液, 浆液配比设计为1:0.5-1:1。采用预埋花管2次注浆方法。先期为渗透注浆, 浆液配比1:0.5,注浆压力为0-0.3MPa。后期为高压注浆, 浆液配比1:1, 注浆压力控制在2.1MPa范围内。由于砂质粉土和粉砂土层已被破坏, 注浆量可能不均匀, 按充盈系数大于1的标准控制注浆结束不易掌握, 按每个钻孔的注浆量不超过5t、地表冒浆或注浆压力超过2.0MPa为注浆结束标志。布置钻孔90个,进尺1117m。注浆量46.8t水泥。
(6)沉降观测。对于施工区附近的宿舍楼和图书馆楼进行沉降观测, 以监测工程施工对这栋楼房造成的变形影响。经过30d的观测, 变形点累计沉降分别为1.9mm、2.8mm、0.8mm。从观测成果看此期间建筑物无明显变化。
3 原因分析
首先对沉管下沉比较困难做一简单分析, 然后对于井底涌土做探讨。
3.1 沉管力计算
采用的是预制管分节下沉, 下沉力计算采用分节计算,因为第1节管基本是开挖下管, 不做下沉验算。计算参数(摩阻力系数)：细沙f=12kPa;粉土f=18kPa;黏土f=25kPa。
3.1.1 第1种计算方法
验算采用第1种计算方法为假定摩阻力随土深而加大,并且在5m深时达到最大值, 5m以下时保持常值。见图1。
计算公式：Rf=U(h-2.5)f
式中：f=(f1h1+f2h2+…fnhn)/(h1+h2+…+hn)
U—沉井的周长/m;
f—单位面积摩阻力的加权平均值;
h—沉井的入土深度/m;
h1…h2—各土层厚度/m;
f1…fn—相应各层土摩阻系数。
计算结果见表1。
3.1.2 第2种计算方法
第2种计算方法为假定摩阻力随土深而加大, 并且刃脚处达到最大值。计算公式Rf=Uhf/2, 各参数同计算1。结果见表1。
通常认为下沉力与下沉阻力之比为1-1.25时沉管下沉比较顺利。通过以上计算可以看出, 第1种计算表明第3、4节管下沉力不足, 无法下沉。第2种计算方法下沉力稍小于计算摩阻力。笔者参与施工时采用挖掘机助沉, 这2根管下沉的速度比较慢, 但最终管顶沉人地面以下1m处。
第3节管下沉后期为纠偏将地面以下6m开挖,使第1层土变为软土, 实际的摩阻力可能更小一些。另外开挖引起的地面坍落对下沉也是有利因素。考虑这些因素的影响第2种计算方式基本符合此次下沉过程。
3.2 流沙影响
3.2.1 临界水力梯度
计算公式：ic=(Gs-1)/(1+e)
式中：ic—临界水力梯度;
Gs—土颗粒的密度;
e—土的空隙比。
因为没有现场试验数据, 假定Gs=2.66,e=0.5-0.85,
试算ic=0.9-1.11
3.2.2 实际水头压力下的水力梯度
计算公式：i=△H/H
式中：△H—井内外水头差;
H—渗透路径。
因为此次施工时, 采用排水下沉的方式, 并且下沉力不足, 管底基本处于悬空状态, 即井内外的水头差和渗透路径基本是等值的,i=△H/H≈1。处于临界破坏状态。碰到粉土、粉沙类土质将发生流土流沙。施工中穿第1个沙层时未产生流沙, 到第4根管穿越第2个沙层时管底出现了涌土现象。因为沉管的下沉力不足, 下沉慢, 开挖时间长, 井外砂层的细砂随水流不断涌入井内, 造成井外地层缺失、塌陷。
4 结语
(1)此次施工设计深度为15m, 实际沉管深度为13m。由于提前出现沙层, 对下沉困难谁备不足, 征求设计者、业主意见后施工提前结束。后期工程使用情况来看, 降低地下水的目的达到了(宿舍楼地下室没有水了),基本满足了设计要求。
(2)下沉力2种计算公式的结果表明：计算的结果比实际情况偏大, 计算2更加接近实际情况。当然以上的计算只是个案, 何种计算方法更加适用, 需要在以后的施工中验证。
(3)制定沉井方案时要充分考虑下沉力(自重和加重措施)。因为定型混凝土管φ900-3000混凝土管的壁厚为7.5-27cm。此次施工核算结果表明, 这样壁厚的沉管下沉力不足。可以考虑在现场制作, 将壁加厚到30-50cm。另外加压助沉也是比较实际的考虑(直接加重或通过地锚做反力架反向施压)。泥浆助沉技术能有效降低下沉力要求, 减小壁厚。方案的选择应经过技术和经济比较后确定。
(4)沉井法施工应增设1m左右凸出井筒外壁的台阶,壁宽度为5-10cm, 使开挖导向得到更好的控制。下沉时形成的空隙回灌摩阻力较小的细砂或助沉泥浆降低摩阻力。也减小对周围地层的影响。因为沉管在纠偏时要克服土的被动土压力。管壁与土层之间有一定的空间, 那么纠偏时要克服的被动土压力就比较小, 有利于动态纠偏的实现。上文提到的第2、3节管的纠偏过程均采用了开挖纠偏, 在现场分析认为第2节管下沉比较顺利, 属挤土下沉, 工人掏土时没有把掏土范围扩大到管外, 管壁与土层紧贴, 导致纠偏时无法克服巨大的被动土压力而失败, 造成开挖的局面。
(5)采用人工沉井法施工时应充分考虑对于临近建筑物的影响。遇到粉土和细砂层土质时, 应选择不排水下沉。如果只是夹层土, 土层比较薄, 可以选择排水下沉但要慎重。加强施工观测, 避免对临近建筑物的不利影响。
(6)沉井法施工应加强监侧, 一旦出现倾斜, 调整挖土方法, 在下沉快的一侧设置垫木, 并且在此段缩小挖土范围, 不把管底的土都挖除, 下沉慢的一侧扩大挖土范围, 扩挖至管外, 然后在下沉慢侧加压促沉, 设法让管底移回至中线位置。