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1、顶管与沉井施工 1 沉井施工 一 概述沉井是修筑深基础和地下构筑物的一种施工工艺 施工时先在地面或基坑内制作开口的钢筋混凝土井身 待其达到规定强度后 在井身内部分层挖土运出 随着挖土和土面的降低 沉井井身藉其自重或在其他措施协助下克服与土壁间的摩阻力和刃脚反力 不断下沉 直至设计标高就位 然后进行封底 沉井施工工艺的优点是 可在场地狭窄情况下施工较深 可达50余米 的地下工程 且对周围环境影响较小 可在地质 水文条件复杂地区施工 施工不需复杂的机具设备 与大开挖相比 可减少挖 运和回填的土方量 其缺点是施工工序较多 技术要求高 质量控制难 沉井工艺一般适用于工业建筑的深坑 料坑 铁皮坑 翻车机
2、室等 设备基础 水泵房 桥墩 顶管的工作井 深地下室 取水口等工程施工 2 二 沉井类型沉井类型很多 按材料分 有混凝土 钢筋混凝土 砖石等 但应用最多的还是钢筋混凝土沉井 按平面形状分 有圆形 方形 矩形 多边形 多孔形等 主要取决于其用途 由于圆形沉井受力性能好 易于控制下沉 应用最多 沉井的剖面 有圆筒形 锥形 阶梯形等 为减少下沉摩阻力 井壁在刃脚外缘处常缩进20 30mm 呈圆柱带台阶形 井壁表面呈1 1000的坡度 3 图2 1沉井平面及剖面形式 a 平面形式 b 竖剖面形式1 圆形 2 方形 3 矩形 4 多边形 5 多孔形 6 圆柱形 7 圆柱带台阶形 8 圆锥形 9 阶梯形
3、4 三 沉井制作与下沉1 施工准备工作沉井施工前的准备工作 除去常规的场地平整 修建临时设施 水 电 风等动力供应外 着重作好下述工作 1 地质勘察在沉井施工处需进行钻探 钻孔设在井外 距外井壁距离宜大于2m 需有一定数量和深度的钻孔 以提供土层变化 地下水位 地下障碍物及有无承压水等情况 对各土层要提供详细的物理力学指标 为制订施工方案提供技术依据 2 编制施工方案施工方案是指导沉井施工的核心技术文件 要根据沉井结构特点 地质水文条件 已有的施工设备和过去的施工经验 经过详细的技术 经济比较 编制出技术上先进 经济上合理的切实可行的施工方案 在方案中要重点解决沉井制作 下沉 封底等技术措施及
4、保证质量的技术措施 对可能遇到的间题和解决措施要做到心中有数 3 布设测量控制网事先要设置测量控制网和水准基点 用于定位放线 沉井制作和下沉的依据 如附近存在建 构 筑物等 要设沉降观测点 以便施工沉井时定期进行沉降观测 5 2 沉井制作沉井的施工程序为 平整场地 测量放线 开挖基坑 铺砂垫层和垫木或砌刃脚砖座 沉井浇筑 布设降水井点或挖排水沟 集水井 抽出垫木 沉井下沉封底 浇筑底板混凝土 施工内隔墙 梁 板 顶板及辅助设施 1 刃脚支设沉井下部为刃脚 其支设方式取决于沉井重量 施工荷载和地基承载力 常用的方法有垫架法 砖砌垫座和土模 在软弱地基上浇筑较重的沉井 常用垫架法 图3 1a 垫架
5、的作用是将上部沉井重量均匀传给地基 使沉井井身浇筑过程中不会产生过大不均匀沉降 使刃脚和井身产生裂缝而破坏 使井身保持垂直 便于拆除模板和支撑 采用垫架法施工时 应计算井身一次浇筑高度 使其不超过地耐力 其下砂垫层厚度亦需计算确定 直径 或边长 不超过8m的较小的沉井 土质较好时可采用砖垫座 图3 1b 砖垫座沿周长分成6 8段 中间留20mm空隙 以便拆除 砖垫座内壁用水泥砂浆抹面 对重量轻的小型沉井 土质较好时 甚至可用土胎模 图3 1c 土胎模内壁亦用水泥砂浆抹面 刃脚支设用得较多的是垫架法 采用垫架法时 先在刃脚处铺设砂垫层 再在其上铺枕木和垫架 枕木常用断面16cm 22cm 垫架数
6、量根据第一节沉井的重量和地基 或砂垫层 的容许承载力计算确定 间距一般为0 5 1 0m 垫架应对称 一般先设8组定位垫架 每组由2 3个垫架组成 矩形沉井多设4组定位垫架 其位置在距长边两端0 15L处 L为长边边长 在其中间支设一般垫架 垫架应垂直井壁 圆形沉井垫架应沿刃脚圆弧对准圆心铺设 在枕木上支设刃脚和井壁模板 枕木应使顶面在同一水平面上 用水准仪找平 高差宜不超过10mm 在枕木间用砂填实 枕心中心应与刃脚中心线重合 如地基承载力较低 经计算垫架需要量较多时 应在枕木下设砂垫层 将沉井重量扩散到更大面积上 6 图3 1沉井刃脚支设 a 垫架法 b 砖垫座法 c 土胎模法1 刃脚 2
7、 砂垫层 3 枕木 4 垫架 5 模板 6 砖垫座 7 水泥砂浆抹面 8 刷隔离层 9 土胎模 7 2 井壁制作沉井制作可在修建构筑物的地面上进行 亦可在基坑中进行 如在水中施工还可在人工筑岛上进行 应用较多的是在基坑中制作 沉井施工有下列几种方式 一次制作 一次下沉 分节制作 一次下沉 分节制作 分节下沉 制作与下沉交替进行 如沉井过高 下沉时易倾斜 宜分节制作 分节下沉 沉井分节制作的高度 应保证其稳定性并能使其顺利下沉 采用分节制作 一次下沉时 制作高度不宜大于沉井短边或直径 总高度超过12m时 需有可靠的计算依据和采取确保稳定的措施 分节下沉的沉井接高前 应进行稳定性计算 如不符合要求
8、 可根据计算结果采取井内留土 填砂 土 灌水等稳定措施 井壁模板可用组合式定型模板 图3 2 高度大的沉井亦可用滑模浇筑 分节制作时 水平接缝需做成凸凹型 以利防水 如沉井内有隔墙 隔墙底面比刃脚高 与井壁同时浇筑时需在隔墙下立排架或用砂堤支设隔墙底模 隔墙 横梁底面与刃脚底面的距离以500mm左右为宜 钢筋由人工绑扎 亦可在沉井近处地面上预制成钢筋骨架或网片 用起重机进行大块安装 混凝土浇筑可用塔式起重机或履带式起重机吊运混凝土吊斗 沿沉井周围均匀 分层浇筑 亦可用混凝土泵车分层浇筑 每层厚不超过300mm 沉井浇筑宜对称 均匀地分层浇筑 避免造成不均匀沉降使沉井倾斜 每节沉井应一次连续浇筑
9、完成 下节沉井的混凝土强度达到70 后才允许浇筑上节沉井的混凝土 8 图3 2沉井井壁钢模板支设1 下一节沉井 2 预埋悬挑钢脚手铁件 3 组合式定型钢模板 4 2 8钢楞 5 对立螺栓 6 100 3止水片 7 木垫块 8 顶撑木 9 钢管脚手架 9 3 沉井下沉 1 下沉验算沉井下沉前应进行混凝土强度检查 外观检查 并根据规范要求 对各种形式的沉井在施工阶段应进行结构强度计算 下沉验算和抗浮验算 沉井下沉时 第一节混凝土强度达到设计强度 其余各节应达到设计强度的70 沉井下沉 其自重必须克服井壁与土间的摩阻力和刃脚 隔墙 横梁下的反力 采取不排水下沉时尚需克服水的浮力 因此 为使沉井能顺利
10、下沉 应进行分阶段下沉系数的计算 作为确定下沉施工方法和采取技术措施的依据 10 下沉系数 图3 3 按下式计算 图3 3沉井下沉系数计算简图 a 下沉时力系平衡图 b 下沉摩阻力计算简图k0 G B Tf式中G 井体自重 B 下沉过程中地下水的浮力 Tf 井壁总摩阻力 k0 下沉系数 宜为1 05 1 25 位于淤泥质土中的沉井取小值 位于其他土层中取大值 井壁摩阻力可参考表2 1 11 井壁摩阻力表2 1 12 当下沉系数较大 或在软弱土层中下沉 沉井有可能发生突沉时 除在挖土时采取措施外 宜在沉井中加设或利用已有的隔墙或横梁等作防止突沉的措施 并按下式验算下沉稳定性 式中R 沉井刃脚 隔
11、墙和横梁下地基土反力之和 k 0 沉井下沉过程中的下沉稳定系数 取0 8 0 9 当下沉系数不能满足要求时 可在基坑中制作 减少下沉深度 或在井壁顶部堆放钢 铁 砂石等材料以增加附加荷重 或在井壁与土壁间注入触变泥浆 以减少下沉摩阻力等措施 13 2 垫架 排架拆除大型沉井应待混凝土达到设计强度的100 始可拆除垫架 枕木 砖垫座 拆除时应分组 依次 对称 同步地进行 抽除次序是 圆形沉井先抽除一般承垫架 后拆除定位垫架 矩形沉井先抽除内隔墙下垫架 再分组对称抽除外墙两短边下的垫架 然后抽除长边下一般垫架 最后同时抽除定位垫架 抽除时先将枕木底部的土挖去 利用绞磨或推土机的牵引将枕木抽出 每抽
12、出一根枕木 刃脚下应立即用砂填实 抽除时应加强观测 注意沉井下沉是否均匀 隔墙下排架拆除后的空穴部分用草袋装砂回填 14 3 井壁孔洞处理沉井壁上有时留有与地下通道 地沟 进水口 管道等连接的孔洞 为避免沉井下沉时地下水和泥土涌入 也为避免沉井各处重量不均 使重心偏移 易造成沉井下沉时倾斜 所以在下沉前必须进行处理 对较大孔洞 在沉井制作时在洞口预埋钢框 螺栓 用钢板 方木封闭 中填与空洞混凝土重量相等的砂石或铁块配重 图2 4a b 对进水窗则采取一次做好 内侧用钢板封闭 图2 4c 沉井封底后拆除封闭钢板 挡木等 15 图2 4沉井井壁堵孔构造 a 大廊道口堵孔 b 管道孔洞堵孔 c 进水
13、窗堵孔1 沉井井壁 2 50mm厚木板 3 枕木 4 槽钢内夹枕木 5 螺栓 6 配重 7 10mm厚钢板 8 槽钢 9 100mm 100mm方木 10 50mm 100mm方木 11 橡皮垫 12 砂砾 13 钢筋箅子 14 5mm孔钢丝网 15 钢百叶窗 16 15mm孔钢丝网 17 砂 18 5 10mm粒径砂卵石 19 15 60mm粒径卵石 16 4 沉井下沉施工常遇问题和预防处理方法a 下沉困难 沉井被搁置或悬挂 下沉极慢或不下沉 1 井壁与土壁间的摩阻力过大 2 沉井自重不够 下沉系数过小 3 遇有地下管道 树根等障碍物 4 遇流砂 管涌 1 继续浇筑混凝土增加重量 在井顶均匀
14、加铁块或其他荷重 2 挖除刃脚下的土 或在井内继续进行第二层碗形破土 用小型药包爆破振动 但刃脚下挖空宜小 药量不宜大于0 1kg 刃脚应用草垫等防护 3 不排水下沉改为排水下沉 以减少浮力 4 在井外壁装置射水管冲刷井周围土 减少摩阻力 射水管亦可埋于井壁混凝土内 此法仅适用于砂及砂类土 5 在井壁与土间灌入触变泥浆或黄土 降低摩阻力 泥浆槽距刃脚高度不宜小于3m6 清除障碍物 控制流砂 管涌 17 b 下沉过快 沉井下沉速度超过挖土速度 出现异常情况 1 遇软弱土层 土的耐压强度小 使下沉速度超过挖土速度 2 长期抽水或因砂的流动 使井壁与土间摩阻力减小 3 沉井外部土体液化 1 可用木垛
15、在定位垫架处给以支承 并重新调整挖土 在刃脚下不挖或部分不挖土 2 将排水法下沉改为不排水法下沉 增加浮力 3 在沉井外壁间填粗糙材料 或将井筒外的土夯实 加大摩阻力 如沉井外部的土液化发生虚坑时 可填碎石处理 4 减少每一节筒身高度 减轻沉井重量 18 c 突沉 沉井下沉失去控制 出现突然下沉的现象 1 挖土不注意 将锅底挖得太深 沉井暂时被外壁摩阻力和刃脚托住 使处于相对稳定状态 当继续挖土时 土壁摩阻力达极限值 井壁阻力因土的触变性而突然下降 发生突沉 2 流砂大量涌入井内 1 适当加大下沉系数 可沿并壁注一定的水 减少与井壁的摩阻力 2 控制挖土 锅底不要挖太深 刃脚下避免掏空过多 3
16、 在沉井梁中设置一定数量的支撑 以承受一部分土反力 4 控制流砂现象发生 19 d 倾斜 沉井垂直度出现歪斜 超过允许限度 1 沉井刃脚下的土软 硬不均 2 没有对称地抽除垫木或没有及时回填夯实 井外四周的回填土夯实不均 3 没有均匀挖土 使井内土面高差悬殊 4 刃脚下掏空过多 沉井突然下沉 易于产生倾斜 5 刃脚一侧被障碍物搁住 未及时发现和处理 6 排水开挖时 井内一侧涌砂 7 井外弃土或堆物 井上附加荷重分布不均 造成对井壁的偏压 1 加强沉井过程中的观测和资料分析 发现倾斜要及时纠正 2 分区 依次 对称 同步地抽除垫木 及时用砂或砂砾填夯实 3 在刃脚高的一侧加强取土 低的一侧少挖土或不挖土 待正位后再均匀分层取土 4 在刃脚较低的一侧适当回填砂石或石块 延缓下沉速度 5 在井外深挖倾斜反面的土方 回填到倾斜一面 增加倾斜面的摩阻力 6 不排水下沉 在靠近刃脚低的一侧适当回填砂石 在井外射水或开挖 增加偏心压载 以及施加水平外力等措施 20 e 偏移 沉井轴线与设计轴线不重合 产生一定的位移 1 大多由于倾斜引起的 当发生倾斜和纠正倾斜时 井身常向倾斜一侧下部产生一个较大的压
