某污水处理厂粗格栅沉井工程降水设计优化与分析

某污水处理厂粗格栅沉井工程降水设计优化与分析
导言
沉井基础广泛应用于桥梁基础、水塔基座等的建筑工程以及水泵房、地下油库、污水池竖井等深井构筑物和盾构或顶管施工的工作井等，具有不需要桩板围护，技术上安全可靠，操作简便等优点。

该法比敞口明挖施工占地小，挖土量少，地表仅有很小的沉降和位移，对邻近建筑物的影响较小。

沉井基础埋置较深，稳定性好，能支承较大的上部荷载。

沉井内排水是关系沉井干封底成败的主要因素，在灌注素混凝土垫层前，井孔底格的最下方需加设的集水井，其深度要确保水泵的吸水龙头从井内抽水过程中有充分的水深，且不能与刃脚很近，以免卷走刃脚下的泥砂而拉高沉井倾斜值。

项目概况
本工程为某污水处理工程粗格栅提升泵井工程，场地地貌单元属渭河一级阶地，沿线场地地形开阔，地势比较平缓。

场地地形西高东低，地面高差最大约5.0m，地面高程介于375.07~380.08m之间，厂区周边存在鼓风机房、组合池及石油管道，且距离均较近，施工区域地层以黄土状土、中砂、圆砾、粉质粘土和粗砂为主，其场地属粘性土和松散砂砾层交替地层，地层中含水量大，地下水补给充沛，因此施工难度大、危险系数高（图1）。

图1 沉井同周边建构筑物位置相对关系
拟建沉井采用排水下沉工艺，降水方案疏干沉井下沉段地下水，稳定开挖面土体，促使沉井干挖下沉。

钢筋混凝土沉井直径14000mm。

-4.1m以上壁厚为800mm；-11.0~-4.1m壁厚1000mm；-18.0~-11.0m壁厚1200mm，采取逆作法施工，为保证沉井下沉安全，确定采用6次浇筑，3次下沉方案。

工程地质及水文地质条件
1.地层分布
根据工程勘察报告提交资料，勘察深度范围内出露地层，共划分为7个工程地质层，从上到下依次为第四系全新统人工填土、冲积黄土状土、冲积中砂、圆砾、粉质粘土和上更新统冲积粉质粘土、粗砂。

（1）第四系全新统人工填土（Q42m l）：为建筑垃圾，主要为砖块、混凝土块混合堆积物；下部为填土，主要为粘性土夹杂砖块、瓦砾、生活垃圾等，土质不均。

该土层厚度0.40~2.60m，层底标高388.400~392.280m。

（2）第四系全新统冲积黄土状土（Q41a l）：该土层场地内均有分布，地层岩性为灰黄色黄土状土，可塑~硬塑，结构松散，局部夹有薄层细砂层，夹层厚度最大为1.5m。

该土层厚度1.20~8.50m，层底标高382.690~390.520m。

（3）第四系全新统冲积中砂（Q41a l）：该砂层场地内均有分布，地层岩性为灰黄色中砂，中密，主要成分为石英、云母，砂质不纯，含有粘土质，颗粒均匀，颗粒粒径0.25~0.5mm。

局部夹有薄层粉质粘土层，夹层厚度最大为2.7m。

该土层厚度4.0~12.2m，层底标高376.830~379.540m。

（4）第四系全新统冲积中粗砂（Q41a l）：该砂层场地内均有分布，地层岩性为灰黄色中粗砂，密实，主要成分为石英、云母，砂质纯净，颗粒均匀，颗粒粒径1.0~5.0mm，粗砂含量约20%，含少量砾砂。

该土层厚度1.70~3.30m，层
底标高374.330~377.520m。

（5）第四系全新统冲积圆砾（Q41a l）：该砂层场地内均有分布，地层岩性为灰黄色圆砾，密实，主要成分为石英、云母，砂质纯净，颗粒均匀，颗粒粒径1.0~5.0mm，圆砾含量约60%，粗砂充填，含少量卵石。

该土层厚度9.90~16.70m，层底标高359.910~365.810m。

（6）第四系全新统冲积粉质粘土（Q41a l）：该土层场地内均有分布，地层岩性为灰色~灰褐色粉质粘土，软塑~可塑，结构松散，含有灰黑色铁质、锰质斑点。

局部夹有薄层中砂，夹层厚度最大为1.0m。

该土层厚度3.50~7.20m，层底标高354.230~358.520m。

（7）第四系全新统冲积粗砂（Q41a l）：该砂层场地内均有分布，地层岩性为灰粗砂，密实，主要成分为石英、云母，砂质较纯，颗粒均匀，颗粒粒径0.2~0.5mm，含少量砾砂，局部夹有薄层粉质粘土层，夹层厚度最大为1.20m。

该土层在勘探深度范围内未揭穿，揭露厚度最大为6.8m。

2.水文地质
据勘察报告显示，在勘探深度内实测地下水稳定水位深度为5.1~9.8m，对应高程为369.68~370.88m，年变幅1.5m，属潜水类型，主要受大气降水和渭河水位升降影响。

经二次现场实勘，地下水位标高为370.000m。

其中粗格栅处地面标高为376.000m。

因沉井结构埋深加大，由于沉井施工采用排水下沉，施工降水深度最深约达12m。

3种不同的沉井支护降水设计方案
1.不支护仅工程降水开挖方案
沉井工程采用明挖法，开挖深度约0~18.5m，水位埋深5.10~9.80m，施
工过程中需要降低地下水位，沉井底板埋深16.5m，水位降深达沉井底口下1.0m 时，降深约12m。

经计算，总涌水量为9961.1m³/d，所需降水井为11口。

2.支护桩帷幕和降水组合设计方案
为防止降水造成周边鼓风机房、组合池及石油管道等构筑物不均匀沉降，根据地质、周边环境条件，在距离沉井外壁1.5m距离设置钢筋混凝土灌注桩围护+高压旋喷桩止水帷幕+管井降水。

其中钻孔灌注桩桩径700mm，桩间距1400mm，桩长21m，直径D20000mm圆周布置；高压旋喷桩桩径500mm，桩间距350mm，桩长27m，灌注桩桩间双层布置；降水采取管井降水，井径700mm，井深23m（图2）。

图2 沉井周边止水帷幕桩位布置示意
沉井工程开挖采用明挖方法不变，支护桩和止水帷幕底部嵌入第⑥层冲积粉质粘土层中，阻挡了沉井侧壁渗流地下水，虽然粉质粘土层相对隔水，但因其层位分布不均匀，且局部夹有薄层中砂，夹层厚度最大为1.0m，故施工过程中仍需要降低地下水位，沉井底板埋深16.5m，水位降深达沉井底口下1.0m时，降深约12m。

按JGJ120—2012《建筑基坑支护技术规程》，经计算，总涌水量为3759.3m³/d，单井出水能力为998.42m³/d，所需降水井为5口。

3.支护桩帷幕和注浆封底设计方案
在设计方案（2）的基础上增加沉井底部注浆封底的设计方案，即在距离沉井外壁1.5m距离设置钢筋混凝土灌注桩围护+高压旋喷桩止水帷幕+井底注浆封底，彻底封阻来自沉井底部渗流地下水（图3）。

图3 沉井井底封底注浆孔布置示意
设计方案对比
1.施工可行性
方案（1）设计降水井数量11口，按沉井周边1.5m范围均布，平均5.2m 设置一口井，沉井周边管井分布密度过大，且本案施工场地狭窄，后续工程降水管线纵横交错，势必影响其他工序和开挖的总体施工进度。

方案（2）和（3）中涉及高压旋喷桩工序，因施工场地分布2.6m厚不均匀的建筑垃圾，混凝土块等杂填土，会造成一定程度的施工困难。

2.经济性
从支护降水工程造价对比分析。

方案（1）仅降水井施工和开挖降水两项，造价约22万元。

方案（2）包含支护部分和降水部分两大项，支护部分造价：钻孔灌注桩造
价约56万元，高压旋喷桩造价约146万元，小计202万元；降水部分造价约15万元。

工程造价合计217万元。

方案（3）包含支护部分和注浆封底部分两大项，支护部分造价同方案（2）：钻孔灌注桩+高压旋喷桩造价约202万元；注浆封底部分造价约25万元。

工程造价合计227万元。

3.质量安全可靠性
方案（1）仅是工程降水，且降水井数量多，水位降深大，沉井外围未设计有效的围护结构，且本案周边分布有对沉降敏感的动力设备厂房，降水会对周边建构筑物造成不良影响。

方案（2）采取了有效的围护结构，可将工程降水对沉降敏感的动力设备厂房造成的不良影响降到最底。

方案（3）不采取降水，仅在开挖过程中局部采取明排的方法，在质量安全方面最为可靠。

4.对比结果分析
在本案中限于周边建构筑物对沉降敏感，方案（1）不可行。

从工程造价来看，方案（2）和（3）差别不大，由于施工场地遍布混凝土块，给注浆封底施工带来不利影响，本案最终选择方案（2），支护同降水相结合的设计方案。

从最终施工开挖及降水过程中沉降观测来看，在沉井下沉施工过程中所采取的围护桩和止水帷幕效果十分明显，沉井下沉到位后，帷幕外与帷幕内水位差保持在10m左右，同时帷幕外的观测井水位下降约50cm，同时对鼓风机房和组合池的沉降观测来看，累计最大沉降值不大于3mm。

结束语
降水井的设置对于沉井施工至关重要，由于沉井下沉施工采取逆作法进行，因此对于沉井内部设置降水井的数量有一定的限制，但施工挖土过程中一定要注意对中间井的保护，从施工过程以及降水的要求来看，中间井对于沉井下沉施工降水的作用很大。

同时在沉井下沉挖土过程中要注意对周围井的保护，由于沉井是变径下沉，沉井周边土会受到扰动破坏，会对沉井周边外围降水井造成拉裂破坏，从而使降水井报废，因此在沉井外壁与帷幕桩之间的降水井建议采用钢滤管形成整体结构，不可采用混凝土滤料管进行降水。

在地下水较为丰富的情况下，施工降水对沉井下沉起着至关重要的作用。

因此在沉井下沉过程中一定要注意对降水井的保护，同时在沉井取土下沉过程中要注意对高差进行控制，加强监测频率，确保沉井均匀下沉。

在沉井下沉快到设计标高时，减少下沉量及取土量，使沉井缓慢达到设计标高。