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沿海城市软土地层中沉井施工控制措施研究与应用

2025-03-27 45 上传者：管理员

摘要：随着沿海城市的发展，污水量急剧增加，净化水厂建设的需求随之剧增。但沿海地区的单体构筑物常因软弱地基发生不均匀沉降，且净化水厂池体构筑物众多、施工场地狭小，因此，沉井技术的应用不可或缺。通过研究宁波市北仑区新建春晓净化水厂工程的难特点，以数据分析结合施工经验，探讨创新卸载和平衡高差来消除土体自重对沉井结构产生的位移，并以加撑、暗梁等措施，使沉井施工顺利、高效、高品质地完成，节约了工期，保护了环境，可为今后类似的软土地层沉井工程提供参考。

关键词：
下沉控制
净化水厂
地基承载力
沉井施工
软土地层
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沉井施工技术具有广泛的应用[1-6],国外应用规模较大､研究内容更加多样化,近些年,国内在该施工技术方面也取得了显著成就｡其中,欧松松等[7]研究了高效沉淀池大型沉井在深厚软土及复杂环境工况下的成功应用,在深厚软土地区采用“石灰桩或水泥搅拌桩加固软土”的处理措施,有效提高软土的地基承载力,确保沉井平稳下沉,不出现“超沉､突沉”等现象｡

随着沿海城市的发展,污水产生量急剧增加,净化水厂建设的需求随之剧增[8-10]｡尤其是近年来,随着经济的高速发展,各级政府对环境保护也十分重视,在此背景下,污水工程基础设施建设显著加快｡但沿海地区单体构筑物多因软弱地基多发生不均匀沉降,且净化水厂池体构筑物众多､施工场地狭小,十分适合沉井施工｡因此,本文通过研究净化水厂沉井施工难特点,经过数据分析及设计创意暗梁等措施,减少建设周期,让沉井施工更加安全､高效､高品质地完成｡

1、工程概况

新建春晓净化水厂工程位于宁波市北仑区春晓街道,沿海中线以东､西直河路以南､永年塘河以西地块｡本工程的排水有1座进水泵房,设计采用沉井,沉井尺寸22.5m×12m,沉井高度10.2m,刃脚高度4.15m,底板厚度0.6m,底板下设置厚1000~1500mm的C20素混凝土封底,井壁厚度0.6m,顶板厚度0.2m｡沉井内设有底梁及隔墙,底部宽0.6m,呈倒梯形状｡沉井内设有4道2层框架梁,梁截面尺寸为600mm×1000mm｡沉井外边2500mm处周边设置2排⌀800mm@600mm高压旋喷桩止水帷幕,桩长13m,桩顶标高为1.50m,桩底标高为-11.50m｡

本工程场地属第四系全新统滨海相沉积平原地貌单元,现状场地标高1.04~6.06m,内有农田､河道､池塘､建筑垃圾､部分绿化及植被,河道和池塘周围表层为芦苇､杂草植被层,含大量淤泥,厂区下伏地质多为软弱土层,稍受外力作用就会发生扰动､变形,且强度显著下降,易发生软土过量沉降及不均匀沉降等问题｡

根据地勘资料揭露,本工程沉井所处位置现状场地标高为2.50m,地层自上而下分别为:①1层素填土(Mlq4):主要由碎石､块石组成,含少量砂､黏性土和建筑垃圾,土质不均匀,层厚0.3~0.5m;①2层粉质黏土(Al+Lq43):局部含铁锰质氧化物,土质不均匀,高压缩性,无摇振反应,可塑､局部软塑,层厚0.30~2.80m;②1层粉质黏土(Mq43):具层理构造,层面夹薄层粉砂,土质不均匀,软塑,层厚0.60~4.50m｡②2层淤泥质粉质黏土(Mq42):含贝壳碎片及少量腐植物,土质较均匀,流塑,层厚5.50~16.80m｡地下水位相应标高为1.15m左右,地下水位受降水影响较大,年变化幅度0.5m左右｡

2、沉井下沉施工

沉井施工采用分层制作､分节挖土下沉､浇筑封底混凝土､施工钢筋混凝土底板､洞口止水处理的顺序[11]｡共分3节次下沉:第1次浇筑高度为4.3m,刃脚+0.15井壁,第1次沉井下沉,预留0.2m不沉;第2次浇筑2.4m(一层框架梁顶),第2次沉井下沉,预留0.2m不沉;第3次浇筑3.5m(二层框架梁顶),第3次沉井下沉,预留0.2m不沉;第3次沉井下沉封底完成后,第4次浇筑2m(二层框架梁顶),井壁与顶板一起浇筑｡沉井剖面如图1所示｡

图1沉井剖面示意

沉井下沉时,要对沉井倾斜度及刃脚踏面高程进行观测｡刃脚入土深度小于沉井高度1/3时,着重观察沉井井筒倾斜度;沉井刃脚踏面高程沉至离设计高程2m左右时,应加强对踏高程和沉陷量观测｡下沉观测要求:初沉为2次/h,连续观察,及时纠正;终沉为1次/h;8h累计沉降≤10mm时,准备封底｡

3、软土地层中沉井施工难特点分析及改进措施

3.1软弱土层沉井施工易产生倾斜､偏移现象

本工程沉井所处位置原貌为农田､河道,农田原标高1.13m,河底标高-0.50m,淤泥厚约50cm｡根据本工程所处区域土质､水文及以往北仑地区的施工经验判断,沉井在浇筑过程中或下沉前､中､后期,结构可能发生倾斜或偏移,使井体中心线与刃脚中心线不重合,结构产生水平或沉降位移,沉井垂直度超过允许偏差｡

难点分析:

1)基坑土质软弱垫层设置不合理,或受水浸泡导致地基承载力不够,使沉井在浇筑过程中或下沉前就产生不均匀沉降,从而发生倾斜[12]｡

2)沉井刃脚下的土质软硬不均,土体承载力和摩擦力存在较大差异｡

3)挖土不均匀,会使井内土面高差悬殊｡

4)因场地局限,若存在井外弃土或堆物过近､井上附加荷重分布不均,造成对井壁一侧产生偏差｡

改进措施:

1)严格按方案确定的宽度､厚度设置垫层,砂垫层拍平振实,混凝土垫层表面平整｡

2)沉井浇筑时,在土质较软的一侧设置木桩斜撑,或在土质较软一侧的刃脚两侧堆砌砂袋或土袋｡

3)在刃脚高的一侧加强取土､低的一侧少挖或不挖土,待正位后,再均匀分层取士｡

4)清理干净障碍物,并在刃脚较低的一侧适当回填砂石或石块,以延缓下沉速度｡在井外深挖倾斜反面的土方,回填到倾斜一面,以增加倾斜面的摩阻力[13]｡

沉井分节高度计算如表1所示｡

表1沉井分节高度计算

3.2施工场地局限性大､作业难度大

难点分析:本工程沉井北侧距离细格栅最近4.99m､南侧距离调节池最近15.43m,同时,粗格栅调节池存在工艺管线;西侧距离污泥调理池最近16m､东侧距离生物反应池结构最近12.15m,沉井施工场地狭小､局限性大､施工难度大[14]｡

改进措施:

1)通过验算,沉井分节制作｡

2)沉井基坑的开挖和沉井的下沉须由挖掘机和人工协同完成｡挖掘机规划停在沉井短边位置,距沉井井壁不少于3m,以减少沉井水平向载荷,且应两侧对称停放､对称开挖､交替工作､人机协作､科学执行[15]｡

3)井壁内侧和框架两侧附近渣土尽可能用人工挖掘,避免机械与沉井结构碰触,确保安全;沉井中渣土则多使用机械挖掘,合理控制施工速度｡

4)挖土时,一定要严格按以上要求操作,并安排技术人员､现场跟班及指导､测量人员跟进测量,严禁随便挖或非对称地挖｡

5)做好现场水平､沉降的位移监测,防止长臂挖机､运土车等重机械动荷载影响,造成偏移｡

3.3周边工艺管线开挖及堆土可能引起结构位移

难点分析:

1)由于施工场地有限,且管线施工开挖土方量小,边挖边运会使运土车辆等候时间较长,而且新挖出软土含水量较高,极易从运土车中渗漏出泥水浆液,滴洒至行车沿线的路面上,从而污染环境影响市容｡

2)本工程沉井南侧,粗格栅-调节池工艺管线直径1m,全长20m,现道路标高3.20m,管底标高为-3.70m,开挖深度6.9m;沉井所处位置土质属淤泥质土,流动性较大[16]｡南侧工艺管线开挖卸载扰动,同时,西侧堆载使得粗格栅沉井结构产生位移｡

改进措施:

1)处理工艺管线｡①管沟两侧打长度为12m的拉森钢板桩和围檩进行支护,由于管沟深度较深､近期雨水又较多,钢板桩两侧用围檩支护时,整根管道无法放入管沟,因此在施工作业时,采用放坡开挖+钢板桩支护方式对管沟进行支护,考虑垫层基础的强度,在征得设计人员的同意后,加大垫层混凝土标号,并添加早强剂;②管线上､下､左､右4个面采用20#工字钢进行加固,软接头处加固工字钢采用交叉错位形式,确保软接头在允许范围内移动,然后沿加固工字钢外侧打设长度为10m的32#槽钢,槽钢顶部与管线底部加固工字钢齐平,槽钢与将管线四面的加固工字钢固定焊接,软接头位置加固槽钢打设长度为2m,中间过路段槽钢打设长度为8m;③为确保过路段管线的运行安全,对过路段管线加固焊接后,浇筑C30混凝土进行包管,为Dn1200雨水管提供足够承载力,防止其后期不均匀下沉时管道开裂｡具体加固方法如图2所示｡

2)将沉井西侧堆土卸载至沉井标高平衡高差,消除土体自重对沉井结构产生的位移｡

3)结构加支撑及暗梁｡①本工因沉井西侧有管线施工,因此,可以在现地面标高处(2.8m),利用Aao生物反应池池壁和粗格栅池壁间设置299mm×10mm钢管对撑,钢管对撑长度16.85m,围檩采用500mm×300mm×11mm×18mm钢围檩,围檩长度22.2m,如图3所示;②待沉井西侧管线施工钢管支撑拆除完成后,在钢管支撑位置(顶标高2.80m)设置钢筋混凝土暗梁对撑,暗梁底部设100mm厚C20素混凝土垫层,防止后期粗格栅的水平位移,暗梁界面尺寸及配筋参照Aao生物反应池冠梁结构,即截面尺寸1000mm×600mm,混凝土标号C30,钢筋保护层厚度40mm,暗梁长度16.85m,如图4所示｡

图3加撑示意

图4暗梁示意

参考Gb/T51130—2016《沉井与气压沉箱施工规范》[17]中表6.3.1-1,沉井终沉复测坐标与设计定位坐标允许偏差在规范范围内｡具体为:本工程沉井长度22.5m;粗格栅沉井下沉深度10.2m;沉井四角高差最大值为164.8mm(观测值),小于1.5%×22.5m=337.5mm;中心位移偏移允许偏差为120.3mm(观测值),小于1.5%×10.2m=153mm｡因此,钢支撑和暗梁的结合,有效将沉井的位置偏移控制在允许范围内｡

4、结语

在当今城镇化快速建设中需保护好生态的背景下,净化水厂和污水处理水厂的新建､扩建将成为未来的必然趋势｡净化水厂往往池体构筑物众多､施工场地狭小,为避免对周边产生过多影响､占用较大建设用地及施工区域,沉井技术的应用不可或缺｡而在沿海城市软土地层中进行沉井施工,是本项目的难特点所在｡因此,应该重视沉井施工前､中､后期控制,运用数据分析,创新卸载和平衡高差来中和土体自重对沉井结构产生的位移效应,并以加撑､暗梁等措施,确保在不良地质条件下顺利､高效､高品质地完成项目,同时也为类似工程提供参考｡完全隔断坑内外承压水联系,则抽降承压水期间隧道的变形影响以收敛为主,主要原因为坑内降水导致坑内被动区水压力损失,引起围护结构侧向变形,进而导致隧道收敛发展,如无法完全隔断坑内外承压水联系,则抽降承压水对隧道的变形影响既有沉降又有收敛｡

3)基坑开挖阶段,相邻地铁隧道的变形有沉降,也有收敛,且变形绝对值较大｡分析表明:①对于距离隧道较远但面积较大的大坑,开挖卸荷阶段隧道出现沉降变形,主要是由于基坑坑内土体隆起导致的深层土体滑移,隧道出现收敛变形的主要原因是围护结构侧向变形导致隧道周边土体产生水平向卸荷;②对于距离隧道较近但面积较小的条坑而言,因为条坑的宽度较窄,开挖阶段没有形成深层滑移带,导致隧道沉降和收敛的主要原因则是围护结构的侧向变形｡

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