沉井刃脚结构、沉井下沉智能控制系统及施工方法与流程

本发明涉及沉井工程，尤其涉及一种用于沉井下沉智能控制系统及施工方法。

背景技术：

1、沉井是井筒状的结构物，沉井下沉过程中，下沉阻力一般由底部地基反力以及井壁与土之间的摩阻力组成。当沉井下沉深度较深时，侧摩阻力有可能成为阻碍沉井顺利下沉的重要因素。

2、砂卵石地层为一种典型的力学性质不稳定地层，结构松散、孔隙度大、渗透性强、黏聚力小。在砂砾层地质条件下进行沉井施工，侧摩阻力的存在还导致沉井下沉过程带动周边土体下沉，引起周边土体的沉降，增大井壁与土之间的摩阻力，极易出现沉井下沉缓慢甚至不沉的问题。

3、在地下水位较高的砂卵石地层地质条件下，当采用不排水下沉（水下挖土）法进行下沉作业时，技术难点是下沉过程中容易发生倾斜，纠偏比较困难；当采用排水下沉（疏干地下水后挖土）法进行下沉作业时，需要降水和增设水泥搅拌桩等止水帷幕，工期长，成本高。

4、目前技术采用的助沉措施主要包括气幕、水幕、泥浆套等。气幕、水幕等助沉措施在富水砂卵石地层工况下，有可能出现土体坍塌等现象，造成卡阻井壁，导致沉井下沉缓慢甚至不沉；当采用泥浆套助沉措施出浆口直接冲击土体，易造成减阻泥浆流失，不但助沉效果差，而且易造成地下水资源污染。具体地，泥浆套助沉措施，是使沉井的刃脚的外径略大于沉井主体井壁的外径，这样下沉过程中，沉井外壁与土体（砂卵石地层）之间就会存在一个环形间隙，对此环形间隙注浆，形成泥浆套，从而通过泥浆套大幅降低沉井侧壁与土体之间的摩擦力。由于砂卵石地层的松散特点，注浆管中的泥浆在冲击在砂卵石地层上时，泥浆很容易进入砂卵石地层中，一方面不容易形成泥浆套（形成泥浆套需要相比普通地层大很多的泥浆量），另一方面泥浆大量进入砂卵石地层中，污染地下水资源。

5、沉井结构的水平位移和竖向位移是沉井施工的主要控制参数，目前监测方法需要多人操作，易矫枉过正，造成人为失误。

6、上述现有技术中的问题主要出现在地下水位较高的砂卵石地层地质条件的沉井作业中。本发明的研发目标，总体是要针对地下水位较高的砂卵石地层地质条件，解决沉井在富水砂卵石地层的顺利下沉问题，具体地，要解决沉井下沉过程中的降阻和纠偏问题，同时解决出浆口直接冲击砂卵石地层造成助沉效果差、污染地下水资源的问题。

技术实现思路

1、本发明要解决的问题是针对地下水位较高的砂卵石地层地质条件，提供一种沉井刃脚结构，既便于形成润滑泥浆层，又能够在周上均匀间隔形成砂卵石地层直接与沉井的井壁相接触的定位导向部，并且防止出浆口直接冲击砂卵石地层造成助沉效果差、污染地下水资源的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种沉井刃脚结构，用于沉井，连接在沉井的井壁下端，包括径向外环壁、径向内环壁和连接在径向外环壁和径向内环壁的底端之间的底壁，径向内环壁呈上小下大的喇叭形；

3、包括有泥套刃脚扇环段和无泥套刃脚扇环段，有泥套刃脚扇环段和无泥套刃脚扇环段在周向方向上交替焊接形成沉井刃脚结构；

4、有泥套刃脚扇环段和无泥套刃脚扇环段均包括径向外环段、径向内环段和连接在径向外环段和径向内环段的底壁之间的底扇环段；各径向外环段焊接后形成径向外环壁，各径向内环段焊接后形成径向内环壁，各底扇环段焊接后形成底壁；

5、无泥套刃脚扇环段的径向外环段的外表面与沉井的井壁外表面相平齐；

6、有泥套刃脚扇环段的径向外环段为开口向上的集泥槽，集泥槽的径向外壁凸出沉井的井壁外表面；

7、各有泥套刃脚扇环段的径向内环段的周向长度之和为l1，

8、各无泥套刃脚扇环段的径向内环段的周向长度之和为l2；

9、l1：l2≥4：1；各有泥套刃脚扇环段的集泥槽的径向内表面分别设有注浆孔，注浆孔用于与预埋在沉井井壁内的注浆管相连通；所述有泥套刃脚扇环段设有3至5个；

10、集泥槽径向内壁的顶端向外延伸设有檐板，檐板外径与沉井的井壁外径相同；檐板与集泥槽径向外壁的顶端之间围成出泥口。

11、本发明还提供了一种沉井下沉智能控制系统，沉井包括井壁，井壁下端连接有所述沉井刃脚结构，所述有泥套刃脚扇环段和无泥套刃脚扇环段各设有四个；

12、包括注浆机构、传感机构和电控装置；

13、注浆机构包括预埋在沉井的井壁中的注浆管，注浆管与有泥套刃脚扇环段一一对应设有四个；

14、注浆管底端与相应的有泥套刃脚扇环段的注浆孔相连接并用于向相应的集泥槽中注浆；

15、注浆管顶端伸出沉井的井壁并与设于地面的注浆泵的出口管路相连接，注浆泵的进口管路与浆液容器相连接；各注浆管顶部分别串联有一个调压电磁阀；

16、沉井的内侧井壁底部预埋设有传感器接线槽，将东、东南、南、西南、西、西北、北和东北称为8个方向；传感器接线槽对应沉井的8个方向中相邻的任意4个方向设有四个；

17、传感器机构包括有压力传感器、四个倾角传感器、所述传感器接线槽和穿线管，各传感器接线槽内分别设有一套倾角传感器；压力传感器设有一个，压力传感器位于任意一个传感器接线槽内，在出泥口和压力传感器之间连接有一根测压管，测压管用于压力传感器监测出泥口泥浆压力；

18、沉井的井壁内预埋有四个穿线管，穿线管与传感器接线槽一一对应连通，各穿线管的上端均伸出沉井的井壁顶端；压力传感器和倾角传感器的线路穿过对应的穿线管伸至地面并与电控装置相连接；

19、电控装置位于地面并连接有显示屏，电控装置连接所述注浆泵、调压电磁阀、压力传感器和倾角传感器。

20、电控装置具有壳体，壳体沿周向设有8个指示灯，分别对应并用于指示东、东南、南、西南、西、西北、北和东北8个方向；

21、沉井在下沉过程中，沉井发生倾斜时，沉井的一侧为抬高端且相对侧为陷落端；电控装置控制沉井的抬高端对应方向的指示灯亮起。

22、本发明还提供了上述沉井下沉智能控制系统的施工方法，用于在地下水位较高的砂卵石地层地质条件进行沉井施工，按以下步骤进行：

23、第一步骤是预设参数；

24、将注浆泵的注浆压力设定为p1，压力传感器读数p随着沉井沉入深度而增大，电控装置在施工过程中根据压力传感器读数p实时确定最新的注浆压力p1，p1＝r×p，r值是无量纲参数，由工作人员确定其具体取值，其取值范围是1.1≤r≤1.5；

25、每个调压电磁阀的初始开启度均为50%，在沉井的井壁恰好竖向时每个倾角传感器的读数均为0；沉井的井壁与竖向平面的夹角为α，-0.1度≤α≤0.1度时，不进行倾角调控动作，否则进行倾角调控动作；

26、8个指示灯亮灭的规则为：

27、当一个有泥套刃脚扇环段对应的倾角传感器的测量值β偏离竖向的值大于±0.1度时，电控装置根据β的正负特性判断该倾角传感器所在位置为沉井的抬高端还是陷落端，如果倾角传感器所在位置位于沉井的陷落端，则该倾角传感器所在位置正对面的沉井部位为沉井的抬高端；电控装置控制沉井的抬高端对应的指示灯亮起；

28、当有两个倾角传感器所在位置均位于沉井的抬高端时，则电控装置控制该两个倾角传感器所在位置对应的指示灯同时亮起；如果两个亮起的指示灯之间如果还有指示灯，则两个亮起的指示灯之间的指示灯也亮起；

29、第二步骤是制作首段沉井；

30、在预定的沉井位置，制作安装沉井刃脚结构，预埋传感器接线槽，在传感器接线槽中安装倾角传感器和压力传感器，预先定位注浆管和穿线管，纸拼装或现浇首段混凝土沉井的井壁；

31、第三步骤是同步进行开挖作业和自动注泥浆助沉作业，实现边挖边沉，直到沉井下沉至设计深度；

32、第四步骤是泥浆置换；当沉井达到设计深度后，利用注浆管注入水泥浆，进行泥浆置换，将沉井的井壁周边的注浆液替换为水泥浆，以确保沉井周围土体密实度，把原来的起润滑作用的浆液压排出地面避免污染地下水。

33、第三步骤中的开挖作业具体是：使用长臂挖机对沉井内的土体进行开挖；开挖到地下水位时，换用水下挖掘机继续开挖，直到挖至预定深度；

34、第三步骤中的自动注泥浆助沉作业具体是：

35、沉井的井壁及沉井刃脚结构在下沉时，有泥套刃脚扇环段挤压周边砂卵石地层，在砂卵石地层和有泥套刃脚扇环段上方的沉井的井壁之间形成环段状间隙；

36、启动注浆泵，泥浆浆液通过注浆管进入各有泥套刃脚扇环段的集泥槽，并由各集泥槽顶部的出泥口向上进入各环段状间隙，在砂卵石地层和各有泥套刃脚扇环段上方的沉井的井壁之间形成泥浆润滑层，降低沉井的井壁与砂卵石地层之间的摩擦力，形成助沉作用；在注浆过程中，电控装置控制注浆泵按照注浆压力公式实时更新注浆压力。

37、在第三步骤进行当中，电控装置根据各倾角传感器的信号进行纠偏作业；纠偏作业是：

38、四个倾角传感器分别对应沉井的8个方向中相邻的任意4个方向；

39、无泥套刃脚扇环段对应东、南、西和北四个方向，沉井的井壁在此四个方向上与周边砂卵石地层直接接触，砂卵石地层在此四个方向上对沉井的井壁起到定位和导向作用；

40、在沉井的井壁下沉过程中，当一个或两个以上有泥套刃脚扇环段对应的倾角传感器的测量值β偏离竖向的值大于±0.1度时，进行倾角调控动作；

41、倾角调控动作是：

42、电控装置控制沉井的抬高端对应的有泥套刃脚扇环段的注浆管上的调压电磁阀的开启度增大至100%，同时控制沉井的陷落端对应的有泥套刃脚扇环段的注浆管上的调压电磁阀关闭，使得沉井的抬高端外侧的泥浆润滑层的压力高于沉井的陷落端外侧的泥浆润滑层的压力，从而在压差的作用下使沉井的井壁向竖直状态恢复；当所有倾角传感器的测量值β偏离竖向的值均小于等于0.1度且至少一个倾角传感器的测量值β为零时，电控装置将所有调压电磁阀的开启度调节至50%，完成倾角调节作业。

43、本发明具有如下的优点：

44、本发明的沉井刃脚结构打破了现有技术中为了形成泥浆套，刃脚结构的周向外表面整体凸出沉井井壁的成规。本发明中沉井刃脚结构中，无泥套刃脚扇环段不凸出沉井的井壁措施，不参与形成泥浆套，相应带来的优点是无泥套刃脚扇环段对应的井壁直接与土体（砂卵石地层）相接触。在沉井下沉过程中，土体（砂卵石地层）得以通过无泥套扇环段对沉井起到限位、导向和防偏的作用，使得沉井下沉时更不容易发生偏斜现象。

45、与此同时，以往沉井周边的泥浆套在周向上是贯通的，其内部压力是相同的（如果某个位置压力高，则因内部贯通而使得泥浆套周向各处压力很快平均下来），无法对泥浆套不同部位施加不同压力来进行纠偏。采用本发明的沉井刃脚结构，泥浆套在周向上被与土体（砂卵石地层）相接触的井壁部位分隔成若干段，从而为对泥浆套不同部位施加不同压力来进行纠偏提供结构基础。由于l1：l2≥4：1，因此无泥套刃脚扇环段对应的井壁在周向上占比小于四分之一，增加的土体摩擦力有限。

46、总结沉井刃脚结构的优点：1、打破刃脚结构的周向外表面整体凸出沉井井壁的成规。2、无泥套刃脚扇环段对应的井壁对沉井起到定位、导向和防偏的作用。3、为对泥浆套不同部位施加不同压力来进行纠偏提供结构基础。4、集泥槽提供了注浆不冲击砂卵石地层的结构保护，将注浆时水平冲向砂卵石地层的浆液流变为向上冲向沉井的井壁与砂卵石地层之间的间隙，既有利于泥浆润滑层快速形成（浆液不再冲击入砂卵石地层，因而更快填充沉井井壁与砂卵石地层之间的间隙），也防止泥浆冲击砂卵石地层、大量进入砂卵石地层而污染地下水。

47、由于注浆浆液不再大量冲入砂卵石地层，因而不仅避免污染地下水，而且大幅减少了浆液使用量，加快泥浆润滑层的形成。

48、本发明的沉井下沉智能控制系统通过压力传感器检测出泥口泥浆压力，通过倾角传感器检测沉井在下沉中是否发生偏斜，通过电控装置自动调节注浆压力并实现纠偏功能，相比现有技术，沉井在富水砂卵石地层中下沉过程更加稳定可靠，下沉效率较高，能够有效避免发生沉井偏斜现象，也避免注浆液（泥浆）大量进入砂卵石地层造成地下水污染。

49、8个指示灯亮灭的规则，使得在采用四个倾角传感器的情况下，可以指示8个方位的倾斜状况。电控装置在施工过程中按压力传感器的监测值实时确定最新的注浆压力，使得浆液刚好能够达到地面位置，既满足在沉井的井壁周边形成泥浆润滑作用的同时，又避免压力过高造成浆液进入砂卵石地层过多或者由地面流失过多。

50、本发明的施工方法步骤简便，沉井的井壁是否倾斜具有明确的指示，泥浆置换并凝固后，沉井的井壁周围的土体更牢固，沉井结构更安全。

51、通过纠偏作业及其倾角调控动作，在沉井的下沉过程中发生倾斜时，本发明能够自动校正沉井的状态使其恢复竖直，纠偏及时，无须人力参与，提高了纠偏及时性及纠偏质量，避免人为失误，减少人工需求，提高沉井施工质量。

52、在纠偏过程中，电控装置根据指示灯亮灭的规则，控制沉井抬高端对应方向的指示灯亮起，可以提醒工作人员监控沉井下沉姿态，指导作业人员适时、精准地采取其他纠偏措施，清除刃脚下的障碍物。