【摘要】沉井是软土地基中深基础施工方法之一,在工程用地与环境条件受到限制或埋深较大的地下构筑物工程中被广泛应用。本文通过位于上海长江口沿海滩涂的上海浦东机场西围场河及市政配套道路的工程2#污水泵站沉井顺利下沉的施工实践,简述沉井工程在施工中的一些体会、心得及工程经验的积累,供同行参考。
【关键词】沉井软土地基保护措施裂缝
一、概述
软土地基具有含水量高、压缩性高、强度低、透水性差及地下水位高等特点,所以在软土地基中的深基础常常会选择沉井法施工。沉井施工与基坑放坡施工相比,具有占地面积小,不需要围护结构,技术上比较稳妥可靠,与大开挖相比挖土量少,对邻近建构筑物影响比较小,无需特殊的专业设备,而且操作简便等优点,在各类地下构筑物中沉井结构又可作为地下构筑物的围护结构,沉井内部空间亦可得到充分利用。沉井一般采用钢筋混凝土结构,对于较小的圆形沉井也可采用混凝土结构、钢沉井结构、砖结构或者钢筋砖结构。
二、工程概况
上海浦东机场西围场河及市政配套道路的工程2#污水泵站位于上海浦东机场西货运区，断面较小（7.2×11米）,总高度11.1米,设底、中、顶三层框架，采取一次制作（三次浇梁），一次下沉，起沉标高为2.5米，沉井底标高为-6.3米，总沉高度为8.8米，采用排水干挖法施工。其施工简单方便，质量可靠，从沉井制作到下沉完成，总共花费18天，平均每天下沉0.5米。沉井采用钢筋混凝土结构。
三、地质情况及对策
根据业主提供的地勘资料，上海浦东机场西围场河及市政配套道路的工程2#污水泵站沉井制作起沉标高位于2-1层粉质粘土，土质均匀，承载力为0.82MPA，为改善沉井刃脚的应力分布，我们将黄砂垫层改为混凝土垫层来增加地基承载力的方法，比在四周刃脚增放垫木方案更为安全可靠。同时垫木在施工阶段也难以拔除，而影响沉井的均匀下沉。
四、沉井结构的施工特点
沉井施工包括制作和下沉两个主要部分,根据不同的情况和条件,可采用分节制作一次下沉,一次制作一次下沉,或制作与下沉交替进行。一般情况下,沉井的施工程序分为：下沉前的准备、沉井下沉、接长井壁、沉井封底四个阶段。
1、施工方法
沉井的下沉施工方法与沉井设计计算有直接关系,设计时应根据工程地质、水文气象等资料与施工条件等合理选择。沉井下沉施工方法一般有以下几种:①排水下沉;②不排水下沉;③一次或分段下沉;④配重下沉;⑤浮运沉井。根据地质情况，上海浦东机场西围场河及市政配套道路的工程2#污水泵站沉井采用一次制作分节浇筑一次下沉。
2、注意事项
沉井下沉过程中应注意以下两个问题：一是下沉观测，二是防止突沉。在上海浦东机场西围场河及市政配套道路的工程2#污水泵站沉井实施中，加强了变形观测，做到在每次下沉后进行检查,如发现倾斜、位移时,随时纠正。为防止突沉,施工时控制均匀挖土,做到分层均匀、对称，先挖中部，后边部，中间向两端伸展，开挖形成“锅底形”，确保在挖土时“四脚稳定”，在井壁四周靠近刃脚处挖土时,不掏挖过深。
3、沉井降水工作
在2#污水泵站沉井施沉前，必须制作好井点排水工作，确保在施沉过程中，地下水位处于刃脚以下0.5~1.0米。防止砂质粉土液化，发生流沙涌入井内。在沉井到位封底时，也要保证地下水位于封底以下0.5米，才能保证干封底浇筑底板混凝土。
4、沉井制作
在上海浦东机场西围场河及市政配套道路的工程2#污水泵站沉井制作时，所有内外模对拉螺栓设置双向止水钢片，并留出凹槽，以便于割出钢筋头后用高标号砂浆嵌封密实。同时分节制作施工缝处理采用凸（或凹）槽，在浇筑混凝土前，凿毛清洗干净，铺一层高标号砂浆后，方可分层均匀上升浇筑混凝土。
5、沉井结构的容许偏差
（1）沉井制作的容许偏差：平面尺寸:长、宽为±0.5%，并不得>100mm;曲线部分半径为±0.5%并不得>50mm;两对角线的差异为1%对角线长。井壁厚度为±15mm。
（2）沉井下沉后的容许偏差：刃脚平均标高与设计标高的偏差不得超过100mm。刃脚平面中心线的水平位移,不得超过下沉总深度的1%;下沉总深度<10m时,水平位移可为100mm。沉井四角中任何两角的刃脚面高差,不得超过该两角间水平距离的1%,且最大不得超过300mm;如两角间水平距离<10m时,其刃脚底面高差可为100mm。
6、排水下沉
施工中沉井下沉必然对周边土体及刃脚下土体产生一定程度的扰动,沉井如采用不排水下沉,因为潜水作业费用高,所以下沉出土的费用也高,施工设备较复杂,施工周期较长;所以在上海浦东机场西围场河及市政配套道路的工程2#污水泵站沉井中采用排水下沉及干封底的施工方案。
7、控制下沉速率
施工扰动土体的范围与沉井下沉速率有密切关系,尤其在达到设计标高前的最后5m的下沉速率对基底土体的扰动较大,所以施工时必须严格控制下沉速率。
五、施工对周围土体影响的分析
1、影响范围
沉井下沉时,会对沉井四周土体产生破坏,土的破坏棱体范围的大小可按土坡稳定的计算方法,即L=Htan45°-2。土的破坏棱体范围除与沉井的下沉深度成正比外,与地质情况、施工方法以及沉井的平面形状有关,一般矩形沉井土的破坏棱体范围,短边较长边小,井的四角又较短边小。当沉井下沉深度较大时,由于土拱作用,矩形沉井影响范围大于边长的一半,圆形沉井圆形范围大于直径的一半时,上述公式的计算值已不适合,故土的破坏棱体角度将随下沉深度的增加而逐渐减少。
2、原因分析
(1)沉井下沉时,对粘性土来说,主要由于井内、外土面的高差,使井外土柱自重压力和下沉时摩擦力的影响,造成井周的土体产生侧向变形,以致井外的土体沿刃脚底部不断被挤入井内。
(2)在沉井下沉时,除了上述应力的作用外,主要是由于地下水的渗流作用,使土大量随水涌入井内,对于粉细砂而言,还会产生流砂现象（所以一般采用排水下沉）。
(3)沉井在下沉过程中,由于倾斜、位移和多次纠偏,使井外土体松动,以及一些沉井结构为了减少井壁与土之间的摩擦力,立面形状设计为下大上小等情况,这些原因都促成了沉井周围土体破坏和坍塌。
(4)沉井下沉后期,由于下沉系数减少,下沉力接近于摩擦力,这时须用人工或潜水员掏挖刃脚才能使沉井下沉,因为刃脚不再埋入土层中,所以增加了井外泥砂涌入井内的数量,这也是造成周围地面坍陷的原因之一。（采用排水下沉、降低地下水位可防止井外泥砂涌入井内）。
(5)位于软土地基上的沉井结构,软土地基土的内摩擦角很小,所以土的破坏棱体范围与下沉深度的比例,多数接近1∶1。
六、保护周围建构筑物的措施
沉井下沉对四周土体的破坏不可能完全避免,但可采取如下措施尽量减少坍陷范围：(1)最大沉井的下沉系数,在软土中下沉沉井时,可使沉井刃脚埋入土中1.5~3.0m,以阻碍土体从井外向井内涌入,这样对稳定井外的土体有利。(2)在粉、细砂土层中下沉沉井时,为避免产生管涌现象和流砂大量流入井内,关键在于降低沉井四周地下水位，上海浦东机场西围场河及市政配套道路的工程2#污水泵站沉井的主要措施是井管降水，从根本上截断井内地下水位的补给来源，所以十分强调在施沉中地下水位必须降到刃脚以下0.5米，在封底时地下水位要降到0.5~1米才能保证干封底浇筑混凝土，同时插入导管法施工。(3)在沉井四周如坍陷严重时,应及时进行回填,特别对四周不均匀坍陷更应注意,以免由于沉井四周土压力不均匀,而引起沉井发生过大的倾斜。(4)下沉坍陷范围内不允许堆载,如果有堆载会加剧坍陷。
七、沉井结构在施工中的裂缝控制
影响温度应力和产生变形裂缝的因素既多又复杂,一般分为七个方面：温差、材料的弹性模量、线膨胀系数、混凝土的拉伸能力、墙板厚度或墙板高度、结构长度、混凝土的徐变及约束等。因此,只要减少某些因素的影响,增强某些因素的潜力,就能达到防止或减少变形裂缝的目的。在实际工程中我们可以采取“放”和“抗”两种有效措施。所谓“放”:即将超长沉井分成两个小沉井,以缩小沉井结构体的平面尺寸,减小约束体与被约束体之间的相互制约。所谓“抗”:即增加沉井结构的配筋率,提高混凝土的极限拉伸能力,采取可靠、有效的施工措施,以保证抵抗温度应力和变形。所以为防止或减少沉井结构体的裂缝,必须从设计、施工中采取措施。在此，仅从上海浦东机场西围场河及市政配套道路的工程2#污水泵站沉井实施的角度，阐述施工时应采取的措施：
(1)混凝土的标号可适当提高,宜采用C30。
(2)水泥采用500号中低热硅酸盐水泥,用量为300~340kg/m3。
(3)水灰比控制在0.50~0.55的范围内。为改善混凝土的和易性,宜在混凝土中掺加有鉴定合格的减水剂。
(4)骨料应级配良好,含泥量应严格控制小于1%;黄砂应符合有关规定,含泥量小于2%。骨料要新鲜、无风化。
(5)冬、夏季施工应有特殊要求:冬季施工除遵循冬季施工的规定外,还应在沉井周围搭建防风棚等防御措施;夏季施工时,应严格控制混凝土的入模温度。搅拌混凝土所用的骨料不得直接曝晒,搅拌时要用深井水或冰水或其他降温措施的水。结构体应避免曝晒、温湿的急骤变化，加强覆盖，洒水养护。
(6)选择施工季节。以减少先后二次浇灌混凝土的相对温差,使二者之间的相对变形减少,一般相对温差控制在7~8℃以下。
(7)混凝土的浇灌和振捣。浇灌应连续进行,宜先低处后高处,先中部后二端,避免出现冷缝;振捣应确保有足够的时间,使混凝土中多余的气体和水分排出,对混凝土表面出现的泌水应及时排干。
(8)设置临时封堵。沉井下沉前,在横向墙体上设置临时封堵,待沉井底板达到设计要求后,方可拆除,以防止纵向墙体产生挠曲。
(9)沉井下沉时必须达到100%的设计强度。
(10)控制下沉速率及选择有成熟经验和良好综合素质的施工单位,也是控制沉井裂缝的重要因素。
【结束语】沉井结构是在地面制作、井内取土下沉至预定标高的构筑物,其施工要求应根据不同的地质条件、不同的周围环境及水文气象进行调整,合理的设计方案、施工方案是确保工程质量安全及提高工效的前提。沉井施工法作为软土地基中深基础施工方法之一,近年来随着施工技术和施工机械的不断革新,在国内外均得到了更加广泛的应用和发展,前景乐观。
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