沉井排水和不排水相结合下沉及水下封底新技术

沉井排水和不排水相结合下沉及水下封底新技术
摘要：以乾溪新村排水系统新建工程项目为例。

该兼具建设周期短、工期要求紧、施工环境复杂、场地狭小等施工特点，常规深基坑开挖施工方法无法满足需求，所以本工程关键节点中重中之重的进水闸门井采用沉井施工，沉井过程中通
过采用排水和不排水相结合法下沉及水下封底施工技术，保质保量地完成施工任务，该施工技术值得在同类工程中进行借鉴和推广。

关键词：沉井纠偏水下封底排水下沉不排水下沉
1 工程概述
1.1 项目概况
本工程位于上海市宝山区南陈路305弄12号。

进水闸门井结构形式为钢筋混凝土结构，抗震设防烈度为7度，抗震等级为三级。

建筑平面尺寸15.6x11.3m和15.2x10.9m，深度为22.1m，两次下沉，第一次下沉高度为14.15m，第二次下沉高度为6.95m，待沉井下沉至设
计标高，且井内结构施工完成后，进行上部1m井壁及顶板的施工。

进水闸门井结构混凝土
强度等级为C35，抗渗等级S8。

1.2 地质、水文情况
沉井场址紧邻盛家宅河，地基土为第四纪全新世Q4和晚更新世沉积的粘性土、淤泥质
土及粉性土组成。

在勘探深度内共划分为7个工程地质层：①杂填土，层顶标高4.27～
2.77m；②褐黄?灰黄色粉质黏土，层顶标高2.77～1.47m；③灰色淤泥质粉质粘土，层顶标
高1..47～-4.03m；③夹灰色砂质粉土，层顶标高0.57～-1.03m；④灰色淤泥质粘土，层顶
标高-4.03～-11.33m；⑥暗绿色~草黄色粉质粘土，层顶标高-11.33～-16.43m；⑦1草黄色砂
质粉土，层顶标高-16.43～-19.2 m；⑦2草灰色砂质粉土，层顶标高-19.23～-25.9m；⑧灰
色粉质粘土，未钻穿，深度未知。

地层与沉井下沉相关的各层土质的特征见下（见表1）所示：
表1 地层与沉井下沉相关的各层土质的特征
拟建场地地下水稳定水位埋深一般为0.9m?1.30m。

承压水主要在第⑦承压含水层中，
最浅埋深在20.7m。

本工程进水闸门井埋深约为21.1m，故本工程沉井施工需同时考虑潜水
及承压水的影响。

2 施工方案及工艺流程
2.1 方案选择
原设计本工程进水闸门井采用灌注桩围护结构、三轴水泥土搅拌桩止水帷幕，基坑开挖
施工。

为加快本工程进水闸门井施工，并结合拟建场地的土层特征、地下水位及施工条件的
综合分析后决定进水闸门井采用沉井施工。

第一节（三次制作）排水下沉、第二节不排水下
沉和水下封底的综合施工方法。

该方法使第一节（三次制作）可以在干燥的条件施工，挖土方便，容易控制均衡下沉，
土层中的障碍物便于发现和清除，下沉时一旦发生倾斜也容易纠正，而且封底的质量也可得
到保证。

2.2 工艺流程
场地整平→定位、放线→基坑开挖至起沉标高→沉井刃脚垫层和垫架支设→第一节沉井（三次）制作→砼养护、拆模→第一次下沉→第二节沉井制作→砼养护、拆模→第二次下沉→沉井稳定观测→沉井封底→井内结构施工与安装→沉井工程质量检验。

2.3 沉井下沉计算
2.3.1 沉井第一节下沉计算
沉井下沉前，应对其在自重条件下能否下沉进行必要的验算。

沉井下沉稳定系数的验算公式为：
式中：k0——下沉稳定系数，宜在1.05~1.25范围内选取，位于淤泥质土层中可取大值，位于其他土层中可取小值G——沉井自重及附加荷载（kN）B——被井壁排出的水量（kN），
即沉井下沉过程中受到的地下水的浮力。

如采取排水下沉法时，B=0Tf——沉井井壁与土间的
总摩阻力（kN），U——沉井周长（m）H——沉井全高（m） f——井壁与土间的摩阻力（KPa）由地质资料提供本工程沉井第一次下沉的验算的条件为：
沉井的第一节自重：G1=21650KN
本工程沉井起沉标高为3.3m，沉井第一节下沉的高度为13.15m（考虑第二次沉井的制作，地面上预留1m），沉井在下沉过程中各层土中的参数（见表2）如下：表2 沉井在下沉过程中各层土中的参数
平均单位摩阻力=138.55/13.15=10.5 kPa
井壁与土层间的摩阻力计算，通常的方法是：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。

沉井井壁与土间的总摩阻力：
Tf=U x（H-2.5）f=53.8*10.5*[5.2+（13.15-5.2-2.5）*0.7]=5092.57KN
下沉系数 k0=（G-B）/Tf=21650/5092.57=4.25＞1.25，满足下沉要求。

因沉井下沉系数较大，在施工时必须慎重，特别要控制好初沉，尽量在深度不深的情况
下纠偏，符合要求后方可下沉。

下沉初始阶段是沉井易发生偏差的时候，同时也是较易纠正，这时应以纠偏为主，次数可增加，以使沉井形成一个良好的下沉轨道。

下沉过程中，应做到
均匀，对称挖土，严格控制泥面高差，当出现平面位置和四角差出现偏差时应及时纠正，纠
偏时不可大起大落，避免沉井纠离轴线，同时注意纠偏幅度不宜过大，频率不宜过高。

2.3.2 沉井第二节下沉计算
本工程沉井的验算的条件为：沉井的自重：G=G1+G2=21650+7265=28915KN
沉井在下沉过程中各层土中的参数（见表3）如下：
表3 沉井在下沉过程中各层土中的参数
平均单位摩阻力=295.1/20.3=14.5 kPa
沉井井壁与土间的总摩阻力：Tf=U x（H-2.5）f=53.8*14.5*[5.2+（20.3-5.2-2.5）*0.7]= 10937KN
水下井体体积=（28915/25）*（3.3-（-17））/（4.1-（-17））=1112.7 m3
水下井体浮力B=1112.7*10=11127KN
下沉系数k0=（G-B）/Tf=（28915-11127）/10937=1.626＞1.25，满足下沉要求。

因下沉系数大于1.5，在下沉过程中可能发生突沉，考虑到地层的不均匀性，利用井内
已有的隔墙或横梁等作为防突沉措施，计算下沉稳定系数。

K’0=（G-B）/Tf+R1+R2 R1——沉井刃脚踏面及斜面下土的极限承载力（kN）
R1 =U0（b 十n/2）Rd Rd——地基承载力极限值（kpa），由地质资料提供
U0——井壁中心周长 b——刃脚踏面宽度 n——刃脚斜面水平投影。

R1 =U（b 十n/2）Rd=47.4x（0.6+（1.2+0.35-0.6）/2）x180=9171.9 KN
R2——隔墙和底梁下土的极限承载力（kN）。

R2=Ax Rd A——隔墙和底梁支撑面积 R2=Ax Rd=（0.8x8.5）x180=1224KN 下沉系数K’0=（G-B）/Tf+R1+R2=（28915-11127）/（10937+9171.9+1224）=0.834∈[0.8，0.9]，满足要求。

2.4 沉井制作
2.4.1 刃脚制作
刃脚支设采用垫架法。

根据已放好的开槽边线开挖一个深0.5m的基坑，放宽1.5m形成
沉井施工的制作坑。

在刃脚及隔墙下部开挖沟槽。

先铺设厚1.5m、宽2.8m的砂垫层，分层铺设厚度为250mm；再浇筑厚20cm、宽2.8m
的C20砼垫层，沉井刃脚支设示意图。

经计算，地基承载力满足要求。

2.4.2 沉井制作
沉井总高度为21.1m。

沉井第一节（三次制作）高度为14.15m，第二节为6.95m。

制作
顺序：钢筋绑扎→模板支设→混凝土浇筑→混凝土养护→拆模。

沉井混凝土分层对称浇筑，
每层厚50cm，塌落度控制在l4～16cm。

第1次混凝土浇至-11.800m标高。

第2次混凝土浇
至-7.350m标高。

第3次混凝土浇至-2.850m标高，第4次混凝土浇至4.100m标高。

上下节
井壁的接缝应设置钢板止水带。

混凝土养护强度达到设计强度的100%时，可拆除刃脚斜面的支撑及模板。

2.5 降水方案
沉井第一节采用排水下沉的施工方法，主要是利用井外真空深井泵与井内明排水，使降
水效果满足排水下沉的技术要求。

第二节下沉充分利用紧邻盛家宅河场址优势采用不排水下
沉的施工方法，采用井外真空深井泵（降压井）与井内明排水相结合的降水方法。

有效防止
砂质粉土层可能发生的流砂或管涌等不良现象发生，以此保证沉井施工的安全和顺利进行。

2.6 沉井下沉
2.6.1 刃脚支架以及砼垫层的拆除
拆除除刃脚下的支架及砼垫层应分区、分组、依次、对称、同步进行。

加强观测，注意
下沉是否均匀，以指导拆除砼垫层的施工。

2.6.2 沉井下沉挖土
第一节沉井内的分层挖土和土方吊运采用人工和机械相配合的方法。

挖土应根据沉井中
心划分工作面，挖土应分层、均匀、对称地进行。

挖土要点是：先从沉井中间开始逐渐挖向
四周，每层挖土厚度为0.4?0.5m，沿刃脚周围保留0.5?1.5m的土堤，然后再沿沉井井壁每
2?3m一段向刃脚方向逐层全面、对称、均匀地削薄土层，每次削5?10cm，当土层经不住刃
脚的挤压而破裂时，沉井便在自重的作用下挤土下沉。

第二节沉井采用水力机械冲土，施工
按“先中后边、分层对称破土、先高后低、及时纠偏”的原则进行操作。

在泥浆泵吸水头处先
冲出集泥坑，泥坑深0.5m左右，然后用水枪在各个方向冲土形成漏斗形土坑。

使泥浆水不
断汇集到集泥坑吸排出井外。

沉井外刃脚边保留lm宽左右的士堤，使沉井在刃脚处挤土下沉，以减少对井周土体的扰动程度。

2.6.3 沉井监测
下沉过程中，通过测量沉井顶面四周标高及轴线位置，控制沉井的下沉量及位移偏差，
及时指导纠偏下沉施工。

下沉分3个阶段：即首沉3m，中沉，最后下沉2.5m。

首沉阶段，必须每30min观测一次并记录数据，将速度严格控制在0.2?0.5m/d，刃脚高
差20cm以内；中沉阶段，进入正常下沉，正常下沉时，可每2 h测量一次；最后下沉阶段
必须增加观测频率，一般为30min左右观测一次。

在距离设计标高还有2.5m时，速度在
0.2?0.5m/d，当下沉至设计标高还有2m时，停止下沉24小时，观测出预留沉降量后继续下
沉至距设计标高还有50cm，再停止下沉观测24小时，根据连续观测得出沉降量，严格控制
沉井下沉标高，使沉井终沉达到设计要求。

2.6.4 沉井的助沉及纠偏
沉井助沉措施：用泥浆泵在沉井壁外侧注入触变泥浆，减小井壁与土体之间的摩擦阻力。

采用膨润土制作自凝触变泥浆，但在泥浆中掺入固化剂和缓凝剂，沉井下沉达到设计高程后，使泥浆在一段时间后自行凝固，保持沉井的稳定，减少沉井附近地面沉降。

也可利用振动机
作用在井壁上，振动促使沉井下沉。

本工程尝试采用适当减小井内外水压差的方法助沉，取
得实效。

沉井纠偏措施：沉井下沉过程中发生位移、倾斜、偏转时，应根据产生原因及时纠偏。

当沉井人土较浅纠正倾斜时，可采取在沉井刃脚高的一侧进行挖土，以减少刃脚下的正面阻力，增加在沉井低的一侧的阻力，使偏差在下沉过程中逐步纠正。

也可在沉井倾斜高一侧压
重使该侧刃脚应力增大，从而达到纠偏的作用。

如沉井位置发生扭转，在沉井的两对角除土，另外两对角填土，借助刃脚下不相符的土压力所形成的扭矩，使沉井在下沉进程中逐步纠正
到位。

所有偏差在下沉到距设计标高2m以上时，基本纠正好，然后谨慎下沉，在沉井刃脚
接近设计标高50cm以内时，不允许再有超出允许范围的偏差。

2.6.5 沉井水下封底
当沉井下沉至设计标高，经观测8h沉降量不大于 10mm进行水下封底。

水下封底时应
保持井内水位不低于井外水位，清理井底浮泥，超吸部分先用30cm左右的碎石垫平后，再
按设计要求浇筑C30水下混凝土。

采用导管法灌注水下混凝土时，需保证一次连续浇筑完毕，同时注意在浇筑中应持续不断地向管内加入混凝土，混凝土浇筑完毕后进行拔管应做到均速
慢拔。

当水下封底混凝土达到设计强度70 %并满足设计要求后方可抽出沉井内的水。

井内的水
抽出后，应检查封底混凝土是否有渗漏水处，如有应及时修补，然后将混凝土表面的松散清
除整平。

3 结束语
乾溪新村排水系统新建工程进水闸门井沉井，采用排水与不排水下沉施工技术相结合的
施工办法，各项指标均符合规范和设计要求。

在保证工程质量的同时，大大提升了工程进度，且沉井周边地表沉降量小。

本项目中涉及的若干措施与方案，可为同类工程提供借鉴与参考。