一种沉井施工方法与流程

本发明属于地下工程施工技术领域，主要涉及一种适用于在承压水层中超深沉井下沉施工的方法。

背景技术：

沉井作为顶管的始发井和接收井。沉井施工是先在地表制作成一个井筒状的结构物(沉井)，然后在井壁的围护下通过从井内不断挖土，使沉井在自重作用下逐渐下沉，达到预定设计标高后，再进行封底，构筑内部结构。广泛应用于桥梁、烟囱、水塔的基础、或顶管的工作井。

沉井施工作为建造地下构筑物或深基础的一种方法，在市政工程中广泛应用，现有沉井下沉的方法有如下两种：

1)降水下沉(也叫排水下沉)

当地下水位不高，或是虽有地下水，但周边的土层为不透水层或者是弱透水层，涌入的水量不大且降水不困难时可采用降水下沉法。

2)不降水下沉

在下沉深度范围内存在粉土、砂土或者强透水层降水下沉有可能造成流砂，或者沉井周边有重要建/构筑物保护时采用不降水下沉。

降水下沉的缺点是容易对周边环境造成影响，且对于水层较浅的地方降水要求高，不降水下沉的缺点是井内封底时间长，且容易造成封底不实，产生井内突涌。

在实际的沉井施工过程中往往遇到各种复杂环境、复杂地层，单纯的采用降水下沉或不降水下沉的方法都无法满足施工要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种沉井施工方法，以解决沉井在降水下沉时，对周边环境的影响。

为解决上述技术问题，本发明提供一种沉井施工方法，包括以下步骤：

至少制作沉井的一部分；

待沉井达到预定结构强度后，实施沉井的第一次下沉施工；

在沉井周围实施降水措施，并实施沉井的第二次下沉施工，直至沉井达到预定深度；

实施沉井底板施工；

其中，在沉井周围实施降水措施前还包括，在沉井周围搭建止水帷幕，所述降水措施在所述止水帷幕和沉井之间实施。

可选的，采用trd工法在沉井周围搭建止水帷幕。

可选的，所述降水措施为在止水帷幕和沉井之间打设若干降水井，在每个降水井中设置水泵，并利用水泵将降水井内的水排出。

可选的，所述降水井的深度大于沉井的下沉深度。

可选的，在实施沉井的第一次下沉施工和实施沉井的第二次下沉施工期间还包括至少一次沉井的接高施工。

可选的，在沉井第一次下沉施工结束后，在沉井的第二次下沉施工之前，实施沉井的第一次接高施工，且沉井的第一次接高施工和在沉井周围搭建止水帷幕同时进行。

可选的，当沉井内遇到地下水时，停止实施沉井的第一次下沉施工。

可选的，采用触变泥浆辅助下沉的方法实施沉井的第二次下沉施工。

可选的，在触变泥浆辅助下沉的方法中所使用的泥浆包括膨润土、石碱和水，所述石碱和膨润土的配重比为1：3～1：5，所述石碱和水的配重比为1：14～1：16。

可选的，还包括测量沉井的下沉量，所述测量沉井的下沉量的方法为在沉井侧壁的顶端等间距设置若干个测量点，测量每个测量点到沉井底部的高度，计算所有测量点到沉井底部的高度的平均值作为沉井的下沉量。

可选的，统计所有测量点到沉井底部的高度的最大值和最小值，当测量点到沉井底部的高度的最大值和最小值之差大于预设值时，对沉井纠偏。

可选的，沉井纠偏的方法为在测量点到沉井底部的高度较小的一侧增大挖土量，在测量点到沉井底部的高度较大的一侧减小挖土量。

在本发明提供的沉井施工方法中，在采用止水帷幕做保护的前提下进行降水下沉，有效的减小了沉井在降水下沉施工时对周边环境的影响；而且，采用trd工法搭建的止水帷幕，大大降低了工程成本，与施工地下连续墙围护相比，采用trd工法搭建的止水帷幕连续性好，止水效果好，且工艺简单；另一方面，与不降水下沉相比，既保证安全又节约工期。

附图说明

图1是本发明实施的沉井施工方法流程图；

图2是本发明实施的沉井接高的结构示意图；

图3是本发明实施的沉井降水施工的结构示意图；

图中：1-止水帷幕；2-降水井；3-沉井；4-底板；5-砼垫层；6-脚手架。

具体实施方式

本发明的核心思想在于在沉井降水施工前，在沉井周围土方中搭建止水帷幕，从而减小降水施工过程中对周边环境的影响。

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的沉井施工方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

参阅图1，其示出的是本实施例中沉井施工的流程图，包括以下步骤：

至少制作沉井的一部分；

待沉井达到预定结构强度后，实施沉井的第一次下沉施工；

在沉井周围搭建止水幛幕，并在止水幛幕和沉井之间实施降水措施；

在降水措施的前提下实施沉井的第二次下沉施工，直至沉井达到预定深度；

实施沉井底板施工。

其中，沉井底板施工包括先在沉井底部浇筑素砼封底，待素砼稳定后再板扎钢筋制作底板4。

止水帷幕的作用是隔断沉井周围土方中的地下含水层，使得在沉井3施工和沉井封底是切断井内和地下含水层的水力联系，保证了工程施工的可靠度。止水帷幕也可以在制作沉井前提前进行施工，只要在降水施工前搭建好即可，具体可根据工程实践实施状况来调整搭建止水帷幕的时间。

其中，止水帷幕的搭建有两种方法，一种是施工地下连续墙的方法来搭建止水帷幕，另一种是采用trd工法(trenchcuttingre-mixingdeepwallmethod)搭建止水帷幕。

参阅图3，其示出了沉井3采用搭建止水帷幕1并进行降水下沉的示意图。其中，施工地下连续墙的方法来搭建止水帷幕包括：在土层浅部采用液压抓斗掘土，深度选用液压铣槽机成槽，然后浇筑混凝土成墙。

trd工法搭建止水帷幕1包括以下步骤：

(1)测量放线

施工前，先根据设计图纸和业主提供的坐标基准点，精确计算出围护墙中心线角点坐标，利用测量仪器进行放样，并进行坐标数据复核，同时做好护桩。并通知相关单位进行放线复核。

(2)开挖沟槽

根据trd工法设备重量，围护墙中心线放样后，对施工场地进行铺设钢板等加固处理措施，确保施工场地满足机械设备对地基承载力的要求，确保桩机的稳定性。用挖掘机沿围护墙中心线平行方向开挖工作沟槽，槽宽约1.2m，沟槽深度约1.0m。

(3)吊放预埋箱

用挖掘机开挖深度约3m、长度约2m、宽度约1m的预埋穴，利用吊车并将预埋箱吊放入预埋穴内。

(4)桩机就位

由当班班长统一指挥桩机就位，移动前看清上、下、左、右各方面的情况，发现有障碍物应及时清除，移动结束后检查定位情况并及时纠正，桩机应平稳、平正。

(5)切割箱与主机连接

用指定的履带式吊车将切割箱逐段吊放入预埋穴，利用支撑台固定；trd主机移动至预埋穴位置连接切割箱，主机再返回预定施工位置进行切割箱自行打入挖掘工序。

(6)安装测斜仪

切割箱自行打入到设计深度后，安装测斜仪。通过安装在切割箱内部的多段式测斜仪，可进行墙体的垂直精度管理，通常可确保1/250以内的精度。

(7)trd工法成墙

测斜仪安装完毕后，主机与切割箱连接。在切割箱底部注入挖掘液预先切割土层一段距离，再回撤挖掘至原处，开始固化液使其与原位土体强制混合搅拌，形成等厚水泥土的止水幛幕。

(8)置换土处理

将等厚度水泥土搅拌墙施工过程中产生的废弃泥浆统一堆放，集中处理。

(9)拔出切割箱

一段工作面施工结束后，利用trd主机将切割箱分段拔出。

其中，降水措施为在止水帷幕1和沉井3之间打设若干降水井2，在每个降水井2中设置水泵，利用水泵将降水井2内的水排出。

具体的，为了保证降水要求，打设降水井2的深度大于沉井3的下沉深度，较佳的，降水井2深度在沉井刃脚以下2m～3m。

其中，沉井3分段制作，在实施沉井3的第一次下沉施工和/或实施沉井的第二次下沉施工的过程中还包括至少一次沉井的接高施工。较佳的，可在第一次下沉施工结束，待沉井稳定后进行第一次接高施工。

参阅图2，其示出了对沉井3接高的示意图，沉井3接高施工包括在沉井3内浇筑砼垫层5，并在砼垫层5上搭设脚手架6；同时在沉井3外侧搭设脚手架6，在内外脚手架6上同时对沉井3进行接高。

为了缩短工期，沉井3的第一次接高施工和在沉井3周围搭建止水帷幕1可同时进行。

较佳的，沉井3的第一次下沉施工以遇到地下水为停工界限。当沉井3内遇到地下水时，停止实施沉井3的第一次下沉施工。

随着沉井3的下沉，沉井3所受到的阻力逐渐增大，沉井3下沉后期下沉系数较小，为了保证沉井3在下沉后期正常的下沉，可采用触变泥浆辅助下沉的方法实施沉井3的第二次下沉施工。触变泥浆助沉法是较好的助沉减阻方法，且在施工时能在较大程度降低沉井3对周围土体扰动影响。触变泥浆主要靠两种因素维持土体稳定，其一是靠触变泥浆对土体的静力作用，基本上按三角形分布，其二是触变泥浆的凝胶状态，即触变泥浆的分子排列形成一定的网状结构骨架，其值和触变泥浆的静切力及一定压力有关。所以，触变泥浆在沉井3下沉中起着减少摩擦力和维护土壁稳定的作用。具体包括以下四个步骤：

(1)施工布置

根据现场情况布置泥浆箱，拌浆机1台，压浆泵2台，输浆管道用φ75的胶管和钢管，压浆管布设采用井内外管法施工，管材为φ25钢管。为防止压浆时泥浆直接冲射土壁和减少压浆出口处的堵塞，在射口处设角钢l100×100×8长度为20cm组成射口围圈。为防止地面土层坍塌而破坏泥浆套，设地表围圈。地表围圈采用钢板、角钢焊接，安装高度顶口高出地面50cm，围圈外侧用粘性土回填分层夯实。

(2)泥浆制备

泥浆采用优质膨润土、石碱和水调制而成，其中，石碱和膨润土的配重比为1：3～1：5，石碱和水的配重比为1：14～1：16，较佳的，三者的配重比按重量比可为4：1：15，土质变化处稍微做了调整。施工中对以下泥浆指标进行了严格的控制。①比重：采用比重计测定，控制在1.10～1.3之间；②粘度：采用粘度计装入700cm³泥浆，测定500cm³流出的时间不小于100s；③胶体率：要求达到100％；④ph值：采用ph试纸测试，其值控制在6～8之间。对失水量及泥皮厚、静切力、含沙量按常规控制。

(3)压浆

压浆采用压浆泵，正常压注压力为100～800kpa，启动时压力稍高，压浆采用一个孔一个孔的压注，并随沉井3下沉不断补浆，使泥浆面始终保持在地面以上0.3m左右。压浆时泥浆流动半径约为5m，流动坡度约为5％～10％。

(4)灌浆

沉井3下沉完毕后，应对沉井3外侧的环带进行灌浆以置换膨润土泥浆。灌浆应从底向上穿过井壁上的灌浆孔。水泥浆由普通硅酸盐水泥和水灰比不超0.45的水泥浆组成。灌浆应是水泥和水的均匀混合物，它们的稠度应有足够的流动性但不能过度，以保证灌浆在中等压力下填满所有间隙部分时能流动通畅。

采用触变泥浆助沉法还有以下两方面的好处。(1)可以利用空气幕的不均衡压气减阻来达到纠偏下沉的目的；(2)沉井3下沉到标高后，为防止沉井3超沉，可通过空气幕管路进行侧壁压浆，来达到阻沉、稳定沉井3的目的。

为了便于控制下沉量，在沉井3下沉的同时还包括实时测量沉井3的下沉量，具体测量方法为在沉井侧壁的顶端上等间距设置若干个测量点，统计每个测量点到沉井底部的高度，计算所有测量点到沉井底部的高度的平均值作为沉井的下沉量。统计所有测量点到沉井底部的高度的最大值和最小值，当测量点到沉井底部的高度的最大值和最小值之差大于预设值时，对沉井3纠偏。理想的下沉过程是所有测量点的值均相同，由于沉井下沉过程中可能会偏，所以各个测量点所测量的数据会存在不同。

造成沉井3产生倾斜偏转的常见原因包括：(1)沉井刃脚下土层软硬不均匀；(2)没有均匀除土下沉，使井孔内土面高低相差很多；(3)刃脚下掏空过多，沉井3突然下沉，易于产生倾斜；(4)刃脚一角或一侧被障碍物搁住，没有及时发现和处理；(5)由于井外弃土或其他原因造成对沉井井壁的偏压。

具体的，沉井3纠偏方法包括以下四种：

(1)侧边出土纠偏

沉井3入土较浅时，容易产生倾斜，但也比较容易纠正。在测量点到沉井底部的高度较小的一侧增大挖土量，在测量点到沉井底部的高度较大的一侧减小挖土量。由于挖土量的不同，随着沉井3的下沉，在沉井3较高的一侧减少了刃脚下正面阻力，在沉井较低的一侧增加了刃脚下的正面阻力，使沉井3的偏差在下沉过程逐渐纠正，这种方法简单，效果较好。

纠偏位移时，可以预先使沉井3向偏位方向倾斜。然后沿倾斜方向下沉，直至沉井3底面中轴线与设计中轴线的位置相重合或接近时，再将倾斜纠正或纠至稍微向相反方向倾斜一些，最后调正至使倾斜和位移都在容许范围以内为止。

(2)破坏单向摩阻

当沉井3入土深度逐渐增大，沉井3四周土层对井壁的约束力亦相应增加，这样给沉井3纠偏工作带来很大的困难。因此，当沉井3下沉深度较大时，若纠正沉井3的偏斜，关键在于破坏土层的土压力。

在测量点到沉井底部的高度较小的一侧的沉井外壁与土体之间注泥浆润滑减阻，从而减小井壁与土体间的摩阻力，使土层的被动土压力大为降低。这时再采用井内偏除土方法，可使沉井3的倾斜逐步得到纠正。在有条件时，还可以在沉井3顶部加偏压重的方法来纠正沉井3的倾斜。

(3)压重纠偏

在沉井较高的一侧压重，最好使用钢锭或生铁块，这时沉井高的一侧刃脚下土的应力大于低的一侧刃脚下土的应力，使沉井高的一侧下沉量大些，亦可起到纠正沉井3倾斜的作用。这种纠偏方法可根据现场条件进行选用。

(4)沉井位置扭转时的纠正

沉井位置如发生扭转，可在沉井偏位的二角偏出土，借助于刃脚下不相等的土压力所形成的扭矩，使下沉过程中逐步纠正其位置。

沉井3下沉主要是通过从井孔内取土，消除刃脚下面的阻力及井壁摩擦阻力后，依靠沉井3自重下沉。沉井3下沉初期下沉深度较浅，井壁摩擦阻力小，可采用吊车在井内抓土下沉；后期采取降水下沉时，由于下沉系数较小，可采取助沉方式辅助下沉。下沉到位后采用干封底。

下沉前准备。

沉井3分节制作，所要沉入土中的沉井部分的强度应达到设计强度100％，其余部分达到设计强度70％方可凿除用于防止沉井3下沉的混凝土垫层。下沉前先凿除刃脚素砼垫层和砖胎模，垫层拆除应先内后外对称进行，并用吊车抓斗将井内碎砖清理干净。在沉井3四周井壁上画出测量标尺寸、并设立水平指示尺。

沉井下沉。

当素砼垫层敲拆后，沉井3重心偏高，井壁的四周无摩擦力，沉井3的下沉系数较大，掏挖刃脚下的砖土若不均匀，将会使沉井3产生很大的倾斜，因此在沉井3挖土前，沉井3的刃脚先采用人工全面同时分层掏挖，挖除的土方先集中在各仓底中央，让沉井3逐渐下沉，使沉井刃脚埋在土层中，降低沉井3重心。

施工中，在沉井壁上设4个观测点，实时跟踪测量。测量结果的整理是以4个点下沉量的平均值作为沉井3每次的下沉量，以下沉量最大的一点为基准与其他各点的下沉量相减作为各点的高差，来指导纠偏下沉施工。

沉井3初期下沉的取土方式，采用吊车抓斗挖掘井底的土，使之形成锅底下沉。施工机械主要选用50t履带车抓土下沉，配0.75m³容积抓斗，已考虑了在施工时适当的超载安全系数。吊车下部铺垫路基箱，扩大支承面，以减少吊机施工时对基坑的影响。

吊车抓斗取土，应对称进行，使其均匀下沉，仓内土面高差不宜超过50cm。吊车抓土时，锅底深度不得深于1.0m。沉井3锅底应均匀出土，下沉过程中应根据测量资料进行纠偏，当沉井3偏移达到允许偏差值1/4时必须纠偏。为了使抓斗能在井孔靠边的位置上抓土，可在井孔顶部周围预埋几根钢筋挂钩。偏抓时，当抓土斗落至井底后，将抓土斗张口用的钢丝绳挂在钢筋钩上，并将抓土斗提起后突然松下，抓土斗即偏向井壁落下，再收紧闭口用的钢丝绳，即可达到偏抓的目的。

沉井下沉控制。

根据下沉过程中质量控制的重点，随着沉井下沉的深度应做不同的调整，具体的：

(1)第一次下沉施工

①首先将素砼垫层先内后外对称凿除。测量要在此期间加强观察，当沉井3发生倾斜时，应调整凿除位置，尽量使沉井3平稳的切入土中。

②素砼垫层凿除后，采用吊车抓斗将砂取出。第一次下沉施工取砂应从井内中部开始向四边均匀对称地扩展。开挖过程中在井外壁刃脚内侧保留1m宽的土堤，土堤高度一般为0.1～0.3m，随沉井3进尺量增加而适当减少。

③初沉时，沉井3下沉系数较大，重心高，稳定性差；出现波动，乃属正常现象，但是当沉井3四个方向(东、南、西、北)高差值偏大时，就应该及时纠偏。纠偏的方法主要采用选择挖土区域，一般由沉井3四角处不均匀对称地挖土；利用不同的挖土深度，对沉井3顶标高大处多挖土，对顶标高小处少挖土，调整井内刃脚踏面的土反力分布状况，使得沉井3改变倾斜状态，逐步过渡到竖直方向下沉。

④当沉井3下沉偏差超限时，应及时向挖土人员发出指令，调整取土仓号或取土部位，但要控制好每仓之间的取土深度，一般取土底面高差不宜大于50cm～100cm。当测量报单四方向高差较好时，要控制好锅底的深度，一般限制挖土锅底深度不宜超过1m，以防止沉井3突然发生突沉事故，确实做到均挖、勤测、勤纠抓土均匀，控制好高差。

⑤初沉阶段对沉井3下沉的阻力极大，多数来自井底刃脚踏面和底梁底面的土反力，并且伴随着下沉量的增加，井外侧向摩擦力增加。上述的土反力亦会相应减小，其合理的分布将变为踏面土反力不变或少变，底面的土反力则明显减小。在施工中采用调整锅底挖土的方式、形状来改变上述土反力的分布状况。

(2)第二次下沉施工

①第二次下沉施工时沉井3的深度已增大，如沉井3的各项技术指标良好，可增加沉井3锅底深度，一般锅底深度控制在1.2m左右，可加快挖土速度，减少土反力，从而降低下沉时的阻力，提高施工进度。

②若沉井3的四个方向控制点高差仍然很大，则按纠偏要求进行调整，使沉井3恢复正常的施工状况。在第二次下沉施工的过程中，四方向控制点的高差大于30cm时，应立即进行纠偏，纠偏时仓与仓之间的高差以10cm左右为宜，不得过大，控制好外墙刃脚下的土体，如该处土体被破坏则极易差生涌土现象。

③沉井3下沉时，井内应对称挖土，均匀下沉，井内土面高差不得大于1.0m。施工时应随时观测下沉情况，每6小时观测一次四角高差，若发现倾斜，及时采取纠偏措施，严禁出现刃脚中部被局部搁置等现象。施工中作好沉井3下沉的记录工作，画出下沉的速度图，为终沉施工提供可靠的数据依据。

④当沉井3的下沉到最后2m时即进入终沉阶段。挖土锅底形状由“凹”面逐步过渡到“凸”形反锅底，并且适当放慢取土速度和数量，严格按照均匀对称的原则布置取土范围，当沉井3四周控制点高差大于20mm时，应及时纠偏，纠偏方法以调整挖土深度为主，外刃脚土塞部分土体易涌进，不准冲挖。第二次下沉施工的临近结束时的施工是沉井3的关键时刻，故一定要加强观测，测量在最后阶段应每次不超过1小时，提供一份测量报告，严格控制沉井3的下沉速率。

⑤一旦沉井刃脚踏面标高达到设计要求的标高，座落于刃脚加固土时，立即停止取土，用大石块抛填刃脚，测量密切注意观测，24小时内沉井3下沉不大于10mm。沉井3施工到位后，要求每4～6小时观测一次四角方向高差。

结合上述描述，本实施例提供一种优选的沉井施工方法，具体包括以下步骤：

步骤一：至少制作沉井的一部分，并对所制作的沉井进行养护；

步骤二：待所制作的沉井达到预定的结构强度后，实施沉井的第一次下沉施工，并在沉井中遇到地下水时停止第一次下沉施工。

步骤三：井内土体回填，并浇筑砼垫层，为沉井的接高施工做准备；在沉井外部和沉井内部的砼垫层上搭建脚手架进行沉井的接高施工。在沉井的接高施工的同时在沉井周围采用trd工法搭建止水幛幕，并且止水幛幕的深度大于沉井下沉的深度。

步骤四：在止水幛幕和沉井之间进行降水施工，这时沉井进行第二次下沉施工，直至沉井下沉到指定深度。

步骤五：对沉井进行封底以及沉井底板的施工。

综上，本申请提供的沉井施工方法，在采用止水帷幕做保护的前提下进行降水下沉，有效的减小了沉井在降水下沉施工时对周边环境的影响；另一方面，与不降水下沉相比，工期大大缩短，降低了工程成本。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。