水下大深度沉井穿越坚硬难以破除的土层的施工方法与流程

本发明涉及一种市政沉井施工工艺，特别是一种水下大深度沉井穿越坚硬难以破除的土层的施工方法。

背景技术：

沉井是地下结构物和深基础的一种型式。一般现在地表制作成一个井筒状的结构物，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。沉井广泛应用于桥梁、烟囱、水塔的施工基础中，也可以用作水泵房、地下油库、水池竖井等深井构筑物和盾构或顶管的工作井，技术上比较稳妥可靠，挖土量少，对邻近建筑物的影响比较小。

沉井下沉通常采用水力机械下沉、冲抓下沉、空气吸泥机吸泥下沉等施工方法，但对于特殊土层条件下的沉井，比如水下大深度坚硬难以破除的土层中下沉沉井，上述施工方法均存在较大难度：硬土层极为坚硬，又在大深度水下，常用喷射水流压力有限，抓斗自重和抓取力有限难以对土层形成有效破碎和抓取，且土体具备高黏性，破碎成浆后若未及时抽离井底，将很快沉积并具备高强度。

下面以镇江市大港水厂一期取水工程为例进行说明。

1、设计的地质条件：

沉井为圆形钢筋砼结构，外径17.6m，井顶标高+8.2m，刃脚底标高-33.0m，分为6次接高3次下沉，沉井采用十字底梁，全程采用不排水下沉工艺。

沉井穿越土层自上而下各土层的工程特性简介如下：

①层杂填土：灰黄色，湿，松散，局部为素填土，成分以粉质粘土为主，含较多碎砖、瓦砾等近期堆填的建筑垃圾，径0.8～100cm，场区局部表层分布。

③-1层淤泥质粉质粘土：褐灰色，流塑，摇振反应无，稍有光滑，韧性及干强度较高，含腐植质，夹0.1～0.2cm粉砂薄层。属正常固结土，灵敏度根据经验属中等。

④-1层粉砂：灰色，饱和，松散～稍密，局部中密，颗粒级配差，夹薄层粉质粘土，单层厚0.1～0.3cm。

④-2-2层粉质粘土：灰色、局部灰黄色，软塑，局部流塑，摇振反应无，稍有光滑，干强度及韧性中等，土质不均匀，局部夹粉砂、粉土薄层层。

⑤层粉质粘土：灰蓝色，硬塑～坚硬，局部可塑，摇振反应无，稍有光滑，韧性及干强度较高，含铁锰质浸染，偶见钙质结核，径2～3cmm，见砾石，砾径1～3cm，该层场区钻孔均有揭露。

表1各土层力学指标统计表

2、现场取样发现的地质条件：

现场在沉井附近具备代表性区域进行钻孔取样，发现实地土样⑤层粉质粘土极为坚硬，铁锰质结核含量较高，用常用水枪完全无法冲刷破碎，用机械搅碎成浆，静置一段时间后，土样较快沉淀，重新固结的土体同样具备较高强度。

3、镇江市大港水厂一期取水工程沉井下沉将面临以下难点：

①随着下沉深度的增加，取土速度迅速降低，水土流动“时空效应”的影响会大幅降低有效取土下沉的效率；

②沉井终沉阶段需穿越⑤层粉质粘土层，其土层特点是承载力较大，摩阻力较高，尤其是⑤层粉质粘土层，其承载力特征值高达230kpa，在不排水情况下，高水压使得破碎土体能力进一步降低；另一方面，由于不能深入破碎土体，使得底梁及刃脚下方的土体难以破碎清除到必要的深度，即底梁和刃脚踏面被高硬度的粘土“裹住”，产生了强大的支撑力阻止沉井下沉。

③由于沉井全程采用水下沉施工，终沉阶段穿越坚硬土层时井内水深已接近40m，大深度水下若采用抓斗施工，抓斗在水压下抓取能力减弱，且由于长距离下抓斗和视线受水面阻碍无法观察井底情况，抓斗较难操作。沉井底部有十字底梁和较高刃脚踏面，受垂直投影关系影响，面对坚硬、自立性极好的土层，抓斗无法对底梁和刃脚踏面下方土体进行有效抓取，导致井底被高硬度粘土握裹，阻碍沉井下沉，采用抓斗难以进行沉井内取土下沉施工。

④若采用常用的空气吸泥设备，由高压进水管、进气管和排泥管组成，其进水管路破碎喷射压力通常为3mpa左右，在40m水深条件下，喷嘴射流压力受较大影响，且土层极为坚硬，该喷射压力破碎效果极其微弱，土体难以被破碎吸出井外，常用的空气吸泥设备也不适用于水下大深度沉井穿越坚硬难以破除的土层施工。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，而提供一种水下大深度沉井穿越坚硬难以破除的土层的施工方法，该方法采用沉井内水面安置工作平台，对井下土体先高压破碎后取泥，逐层下沉的方法，破碎取泥效果较好，使沉井安全顺利穿越坚硬难以破除的土层，保证沉井下沉的质量安全。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种水下大深度沉井穿越坚硬难以破除的土层的施工方法，包括以下步骤：

第一步：水上设置作业平台

沉井全程采用不排水下沉工艺，在沉井内水面上设置作业平台；水上作业平台上安置高压破碎设备和水下取泥设备，并将高压破碎设备的钻杆、喷嘴，以及水下取泥设备的管路下放至井底；

第二步：高压破碎设备破碎硬土

作业平台安置完成后，根据硬土层土质情况和破碎设备的破碎能力，将需穿越的硬土层分为n层，采用高压破碎设备逐层进行破碎，高压破碎设备的钻杆钻进至硬土层内指定深度，通过高压破碎设备的喷嘴喷射超高压水流切割土体，将土体破碎成浆；

第三步：水下取泥设备取除泥浆

在高压破碎设备将坚硬土体充分、有效破碎完成后，采用水下取泥设备，利用空气吸泥原理，将土体破碎后形成的泥浆通过取泥设备中的排泥管路取离井内。

进一步，所述水上作业平台可沿着沉井内壁旋转，确保施工高压破碎设备3和水下取泥设备能够对井内任何一个点位进行针对性破碎取土，确保任意挖土面的有效破土及吸泥。

进一步，所述作业平台载重量应大于作业平台上所有设备重量。

进一步，所述高压破碎设备能在0.4mpa水压条件下对坚硬难以破除的土层进行作业。

进一步，为保证高压水流破碎范围能够扫到刃脚土层和沉井底梁踏面，钻井破碎区间按孔位直径搭接700mm布置，确定平面布置上所有对应破碎扫除点位，并依次由内向外施工。

进一步，根据土质情况和高压破碎设备破碎能力，将需穿越的坚硬难以破除的土层合理规划为若干层，每一层先破碎，后取泥，在下沉，依次循环此过程，直至沉井完全穿越坚硬难以破除的土层。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1本发明采用井内水面安置工作平台，对井下土体先高压破碎后取泥，逐层下沉的方法，能够在0.4mpa水压条件下对坚硬难以破除的土层作业，使沉井安全顺利极硬土层，保证沉井下沉的质量安全，能够克服在深水中抓斗重量及抓取能力不足，水力机械喷射能力不足的缺陷，解决沉井下沉过程中穿越高黏性结合硬土层破碎能力不足、取泥效果不佳的问题。

2本发明采用水下取泥设备紧随高压破碎设备破除土体后施工，破碎和取泥装置同步，能够保证坚硬土体被破碎后尽快吸取出井外，避免松散土体和泥浆重新沉积固结，提高了取土效率。

3在水上设置可控作业平台，平台上设置施工槽并能以沉井中心绕井壁旋转，确保施工机械能够对井内任何一个点位进行针对性破碎取土，确保任意挖土面的有效破土及吸泥。

4采用先破碎后取泥，逐层破碎下沉的工艺，沉井底部始终保持有一定土塞高度，既解决了沉井穿越坚硬土层的困难，又避免了靠过度挖深锅底下沉，导致周边坍方的问题。

5本发明使用的水上平台、高压破碎设备及水下取泥设备均具有泛用性，可应用于多类型硬土施工，适应性强。

附图说明

图1是本发明的操作示意图；

图2是本发明的施工工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图与实施实例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明的水下大深度沉井穿越坚硬难以破除的土层的施工方法，利用水上作业平台2、高压破碎设备3和水下取泥设备4来完成沉井1穿越坚硬难以破除的土层的作业，沉井1采用不排水工艺，沉井仓内水位与外界地下水位等高，水上作业平台2置于沉井内水面上，高压破碎设备3和水下取泥设备4安置于水上作业平台2上，利用作业平台2自身旋转能力和工作槽对井底土体进行破碎冲吸。

如图2所示，本发明实施实例提供一种水下大深度沉井穿越坚硬难以破除的土层的施工方法，包括以下步骤：

s1:水上设置作业平台

将水上作业平台置于沉井内水面上，为后续高压破碎设备和水下取泥设备提供设备操作平台，水上作业平台能绕井中心，沿着沉井内壁旋转，作业平台上设置有工作槽供各类设备钻杆、管路下放至井底，作业平台载重量应大于预计平台上所有设备重量。

s2：高压破碎设备破碎硬土

作业平台安置完成后，将高压破碎设备投入使用，高压破碎设备在坚硬难以破除的土层中，有充分的下钻能力，并足够高压力水流切割破碎土体的能力，确定每个破碎孔位能够形成的半径。

对沉井1内壁与刃脚土层6之间隔仓空间进行合理排布，为尽量保证高压水流破碎范围能够扫到刃脚和底梁踏面，钻井破碎区间按孔位直径搭接700mm布置，确定平面布置上所有对应破碎扫除点位，依据规划点位依次由内向外施工。

根据硬土层土质情况和破碎设备的破碎能力，将需穿越的硬土层分为n层，逐层进行破碎；高压破碎设备钻进至硬土层内指定深度，通过喷嘴喷射超高压水流切割土体，将土体破碎成浆。

s3：水下取泥设备取除泥浆

在高压破碎设备将坚硬土体充分、有效破碎完成后，投入水下取泥设备，利用空气吸泥原理，将土体破碎后形成的泥浆通过取泥设备中的排泥管路取离井内。

水下取泥设备应与破碎设备配对，在同一个区域施工，确保破碎土体成浆后能尽快通过取泥设备排离井底。

水下取泥设备应具备在水上作业平台工作槽中自动化、机械化作业的能力，并能充分利用空气吸泥原理，取除破碎后的黏性土泥浆。

在对规划的每一层取泥施工完成后，根据沉井下沉穿越情况，按序对下一层的土体作业。每一层先破碎，后取泥，在下沉，依次循环此过程，直至沉井完全穿越坚硬难以破除的土层。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明包含这些改动和变型在内。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。