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3主要施工方法和技术措施
3.1沉井结构施工
3.1.1沉井砂垫层厚度计算
沉井在制作前须先开挖基坑,铺筑砂垫层,以确保沉井在制作时的稳定。
砂垫层厚度应根据沉井制作的重量和地基承载力通过计算确定。
砂垫层采用分层铺筑水密实法施工,先假定砂垫层厚度hs=2.5m,进行验算:
(1)第一节沉井制作时砂垫层和下卧层承载力验算:
第一节制作高度6m时,砂垫层厚度需确保沉井在制作时砂垫层及下卧层满足承载力要求,以保证沉井制作时的安全;
设计砂垫层厚度为2.5米。
1)砂垫层承载力校核:
δ=G/S≤[δ]
G—第一节沉井总自重G=3900(t)
S—刃脚及底梁下砼垫层面积,刃脚下面积为215m2
底梁下垫层面积取317m2(偏安全)计S=215+317=532m2
δ=3900/532=7.33T/m2<[δ]=16t/m2(砂垫层允许承载力)
砂垫层安全
2)下卧层承载校核
δ下=G/[L1(B1+2tgψ·
H)+L2(B2+2tgψ·
H)]+r砂·
H<[δ下]
式中:
G—第一节沉井自重G=3900t
L1—刃脚下素砼中心线周长L1=120m
L2—底梁下素砼中心线长L2=223m
B1—刃脚下素砼宽度B1=2.4m
B2—底梁下素砼宽度B2=1.4m
tgψ—砂垫层内磨擦角正切位,中粗砂取tgψ=0.6
H—砂垫层厚度,取2.5m
r砂—砂容重取1.80t/m3
[δ下]—下卧层的允许承载力[δ下]=7.5t/m2
δ下=3900/[120×
(2.4+2×
0.6×
2.5)+223×
(1.4+2×
2.5)]+1.80×
2.5
=7.19t/m2<[δ下]=7.5t/m2下卧层土安全
(2)第三节沉井制作时砂垫层和下卧层承载力验算:
沉井第三节制作结束,沉井总高度21米,沉井总重为16500t
[δ]取砂垫层极限承载力40t/m2(极限承载力取允许承载力的2.5倍)
δ=G/S≤[δ]
δ=16500/532=31.02t/m2<40t/m2安全
2)下卧层承载力校核
δ下=16500/[120×
=15.93t/m2<δ极=18.75t/m2安全(δ极取允许承载力的2.5倍=2.5×
7.5=18.75t/m2)
(3)砼垫层厚度验算
砼垫层宽度=1.40m,应力扩散系数=0.60,沉井每米自重约16t,
pz=16÷
(1.40+0.2×
2.5)=9.412t/m2<δ极=20t/m2垫层厚度满足要求。
3.1.2沉井砂垫层施工
本工程沉井基坑开挖深度拟订为5.0m,以便清除表面素填土,使砂垫层可座落在原状土上,基坑按1:
1放坡。
沉井基坑底面设0.3×
0.3m碎石盲沟,泵房沉井区域设10个集水井。
沉井制作阶段连续抽水保持砂垫层始终处于干燥态。
砂垫层施工采用中粗砂、分段分层振实,厚度为2.0米,待垫层槽内水基本抽干后马上回填黄砂,每回填30cm厚黄砂振实一次,用平板振捣器拖振,振捣时要求重叠区域为1/3,并可适当洒水,使得砂层含水量达到20%左右,密实度达到92%左右。
现场砂垫层密实度可用钎探法抽查,即用长196cm,ф16mm圆钢,在距砂面约50cm的垂直高度上自由下落,钢钎头部沉入砂面层深度≤7cm者为合格。
砂垫层完成后,即进行隔墙下砂堤制作,砂堤顶宽1.4m,底宽1.8m,高0.8m,用编织袋灌砂,中间填砂仍采用分层水密法施工。
砂垫层施工完后,浇注素混凝土垫层。
素混凝土垫层宽度取井壁外20cm,砖胎模顶面宽20cm,则垫层总宽度为2.1米,素混凝土垫层厚20cm,垫层混凝土标号为C20。
根据有关规范要求立模、振捣、养护,素混凝土地坪标高必须准确,由测量找平、复测,相对高差值不大于±
5mm。
3.1.3沉井结构制作
沉井结构垂直运输采用塔吊。
沉井制作全部采用18厚双面覆膜竹胶板模板组装而成与φ48扣件式脚手管配套使用,模板使用前需涂脱模剂两道。
第一次沉井制作的模板外侧支承在砼垫层上,内侧支承在砖胎模顶面,第二次和第三次沉井制作的模板自重均依靠老混凝土墙身上保留的M16拉条螺拴抗剪来支承上述荷载。
沉井钢筋用塔吊垂直吊装就位,用人工绑扎,竖筋可一次绑好,水平筋分段绑扎,与前一节井壁连接处伸出的插筋采用搭接焊接连接方法,接头错开1/4,以保证钢筋位置和保护层正确。
沉井在闸门、清污机、格栅等部位设有大量的预埋件,必须根据图纸设计要求认真安装,确保位置正确,表面平整。
沉井砼采用汽车泵浇灌。
砼浇筑时浇筑的自由高度不应大于2m,砼浇筑时应对称平衡进行,采用分层平铺法,分层厚度控制在50cm以内,振捣时防止漏振和过振现象,以确保砼的质量,具体见沉井结构制作示意图:
附图1:
3.2沉井下沉
循环水泵房下部结构沉井下沉前,应做好水泥土搅拌桩防渗墙和深井降水的施工,这是确保沉井结构一次能整体下沉得重要条件,本文不作赘述。
3.2.1沉井终沉稳定初步验算
(1)初沉时的下沉系数验算:
沉井采用三次制作,一次下沉,总重约为16500t
式中:
K—下沉系数
G—沉井自重16500t
W—水的浮托力下沉前W=0
R1—刃脚正投影面积×
砂垫层极限承载力=215m2×
40t/m2=8600t
R2—砼垫层正投影面积×
砂垫层极限承载力=317m2×
40t/m2=12680t
F—井壁磨擦阻力,沉井未下K沉时=0
K=(16500-0)/(8600+12680)=0.774
K=0.774小于1,表示沉井处于平衡状态,只要沉井掏空底梁下的砂堤,沉井就可以下沉。
底梁下的砂堤采用人工挖除,挖除时遵循平面对称的原则。
挖除时要加强沉降观测,防止突沉和不均匀沉降。
(2)沉井下沉至砂垫层底时下沉系数验算:
R1—刃脚正投影面积×
下卧层土极限承载力=215m2×
22.5t/m2=4838t
R2—底梁正投影面积×
砂层极限承载力(刃脚到砂垫层底时,底梁仍支撑在砂垫层上)=230m2×
40t/m2=9200t
F—井壁磨擦阻力=151.4×
2.0×
5=1514t(沉井初沉时,井壁外侧砂垫层已扰动,摩阻力取5.0t/m2。
)
K=(16500-0)/(4838+9200+1514)=1.06
沉井平稳下沉。
(3)沉井刃脚入土,底梁接触土层时下沉系数验算。
下卧层土极限承载力=230m2×
22.5t/m2=5175t
3.0×
8+151.4×
1.5×
3=4315t(沉井壁外侧回填1.0米砂经压实后,摩阻力取8.0t/m2。
K=(16500-0)/(4838+5175+4315)=1.15
K略大于1.0,沉井平稳下沉。
(4)终沉时的下沉系数验算:
(沉井终沉于⑤号土层,该土层容许承载力为13t/m2)
K—下沉系数
G—沉井自重16500t
W—水的浮托力排水下沉W=0
刃脚下土的承载力=215m2×
25t/m2=5375t
R2—底隔梁正投影面积×
底隔梁下土的承载力=230m2×
25t/m2=5750t
F—井壁磨擦阻力=
=3×
151.4×
21.5=9765t(侧壁平均摩阻力为3t/m2)
K=(16500-0)/(5375+5750+9765)=0.79
K=0.79说明沉井如干沉到底,沉井后期不沉。
如要下沉,终沉前必需挖空部分底隔梁。
因此,在沉井终沉阶段,要将底梁搁置在土体上缓慢就位,一旦达到设计标高,立即将底梁和刃脚垫实,沉井即可稳定。
为了确保沉井下沉速度,沉井下沉时正常下沉系数,一般应大于1.3为好,在一般情况下,为便于控制最终标高和沉井封底,沉井的终沉时下沉系数宜稍大于1。
根据计算,循泵房沉井下沉系数适中,但终沉时底梁必须全部搁在土面上,并且刃脚和隔梁下要留适当的涌土塞,防止超沉。
3.2.2.初沉阶段
(1)沉井下沉深度在0~3米范围内为初沉阶段。
首先凿除井壁外圈的素混凝土垫层,然后再凿除内圈砖胎模及砼垫层。
注意在凿除混凝土时应该对称施工,在凿除时原则上由周边向中心施工,凿除时由专人负责,测量要求在此期间加强观察,当沉井发生倾斜时,应及时调整凿除位置,尽可能使沉井平稳的切入土中。
(2)素混凝土垫层凿除后,初沉阶段挖砂应从井内中部开始向四边均匀对称地扩展。
砂垫层挖除后,改用水力机械破土,亦同上进行。
开挖过程中在井外壁刃脚内侧保留1m宽的土堤,土堤高度一般为0.5~1.0m,随沉井进尺量增加而适当减少。
3.2.3正常下沉阶段
(1)在初沉阶段的末期,如沉井的各项技术指标良好,可增加沉井锅底深度,一般锅底深度控制在1~2m左右,并可加快挖土速度,减少土反力,从而降低下沉时的阻力,提高施工进度。
(2)沉井下沉时,应对称挖土,均匀下沉,先掏挖中央部位的土体,再掏挖刃脚下土,井内土面高差不得大于1.0米。
施工时应随时观测下沉情况,若发现倾斜,及时采取纠偏措施,严禁出现井内刃脚中部被局部搁置等现象。
施工中作好沉井下沉的记录工作,画出下沉的速度图,为终沉施工提供可靠的数据依据。
由于沉井自重大,土质状况较差,沉井下沉时须特别注意突沉和超沉。
(3)沉井下沉时,必须保证自备发电机一直保持良好状态,沉井出现下沉速度过快或管涌时,应暂停下沉,密切观察,分析原因,特殊情况下采取回灌水、抛石压底、井外履土(砂)等非常措施;
沉井纠偏时,在沉井刃脚高的一侧取土,在刃脚低的一侧,保留较宽较厚的土堤,或适当回填砂以及在在刃脚低的一侧沉井井壁外填土(砂),并进行夯实,以增加此侧的土压力;
沉井扭转时,可在对角的两刃脚除土,借助于刃脚下不相等的土压力所形成的扭矩,使沉井在下沉过程中逐步纠正位置。
(4)沉井纠偏时,在沉井刃脚高的一侧取土,在刃脚低的一侧,保留较宽较厚的土堤,或适当回填砂以及在刃脚低的一侧沉井井壁外填土(砂),并进行夯实,以增加此侧的土压力;
(5)沉井万一发生突沉时,严禁施工人员直接奔向井壁爬梯逃生,因为突沉时,沉井外围土方沿刃脚向井内翻卷,极易将施工人员和机械卷入土中,正确的方法是爬上井中间的隔梁,来不及时,跑向井格中央。
3.2.4终沉阶段
(1)终沉确定刃脚踏面为警示标高,暂定比设计高程抛高200mm,(实际抛高量也可根据终沉情况而定)。
当沉井的进尺到最后2m时即进入终沉阶段。
挖土锅底形状由“凹”面逐步过渡到“凸”形反锅底,并且适当放慢取土速度和数量,严格按照均匀对称的原则布置挖土范围,当沉井四周控制点高差大于20mm时,应及时纠偏,纠偏方法以调整各仓挖土深度为主,外刃脚土塞部分土体易涌进,不准冲挖。
终沉阶段是沉井的关键时刻,故一定要加强观测,测量在最后阶段应每隔1小时,提供一份测量报告,严格控制沉井的下沉速率。
(2)一旦沉井刃脚踏面标高达到设计要求的标高并上抛20cm后,应立即停止取土,用大石块抛填在刃脚下,测量密切注意观测,24小时内沉井下沉不大于10mm,即为刹车成功,沉井施工到位后,测量要求每隔4~6小时观测一次四方向高差。
(3)沉井下沉完毕后允许偏差:
刃脚底面平均标高偏差:
+100mm
水平位移不超过下沉总深度的1%
任何两角刃脚底面高差:
不大于该两角水平距离的0.5%、且不超过100mm。
3.2.5沉井封底及底板施工
(1)将新老混凝土接触面冲刷干净或打毛,对井底进行修整使之成锅底形,设置集水井,可用φ600~800mm四周带孔眼的钢管或混凝土管,或钢筋笼外缠绕12号铁丝,间隙3~5cm,外包二层尼龙窗纱,四周填以卵石,使井底的水流汇集在井中用潜水泵排出。
(2)封底一般铺一层200mm厚碎石层,再在其上浇捣混凝土封底,在刃脚上切实填严,振捣密实,以保证沉井的最后稳定。
素混凝土强度达到要求后,在垫层上绑扎钢筋,两端伸入刃脚或凹槽内,浇灌上层底板混凝土。
(3)封底混凝土与老混凝土接触面应凿毛并冲刷干净。
底板浇筑应在整个沉井面积上分层,同时不间断地进行,由四周向中央推进,每层厚30cm,并用振捣器捣实。
(4)混凝土采用自然养护,养护期间应继续抽水。
待底板混凝土强度达到70%后,对集水井逐个停止抽水,逐个封堵。
集水井的封堵方法:
将滤水井中水抽干,在套管内迅速用干硬性的高强度混凝土进行堵塞并捣实,然后上法兰盘用螺栓拧紧或四周焊接封闭,上部用混凝土垫实捣平。
3.2.6沉井基底压密注浆
(1)、根据地质报告,沉井刃脚均位于该土层地基承载力满足循泵站对地基土的承载力要求。
故当采用水下封底时,不再进行地基处理。
而当采用干封底时,为消除刃脚高度范围内扰动土体的不均匀沉降,需在沉井底板上预埋注浆管,待底板混凝土达设计强度后,对底板下约4m高的土体进行静压注浆。
(2)、压密注浆技术措施
a.在沉井每格底板上各预埋6根D89×
4钢管(均匀布置),管顶高出底板顶面约0.5m,管底应穿透混凝土垫层;
b.在底板浇筑达设计强度、底板下降、排水设施停运前,进行静压注浆。
c.水灰比0.6,注浆压力,初始为1Mpa,稳定后控制在0.2-0.3Map。
水泥为普硅32.5。
施工参数可视实际情况调整。
注浆采用水泥和水玻璃混合液注浆方法
浆液配合比为:
水泥:
水:
水玻璃=1:
0.6:
0.02
d.注浆范围为沉井4m高度内土体,水泥用量为单位土体100kg/m3。
e.注浆结束后,将管头切割到-9.20m标高,管口用钢板焊死,以便管口隐蔽在底板上找平层以内。
沉井下沉施工示意图
3.2.7沉井排水下沉应急预案
如施工时井内出现管涌、流砂或井外出现较大坍方时转换为不排水下沉。
取土方式改为用3台空气吸泥机出土下沉,同时配备潜水员6名水下冲泥、吊车抓斗4台抓土。
冲吸设备装置包括:
进气管路、空气吸泥器,排泥管路、高压射水装置等,以及供水、供气、吸泥、起重等大量的配套设备,是沉井施工进程中投入设备最大的项目。
空气吸泥器包括约500mm×
600mm的圆柱状空气箱、φ200mm吸泥管、φ50mm的高压射水管经过,在空气吸泥器上打设直径为φ5mm小眼孔,其中孔眼总截面积为进气管截面积的1.2~1.4倍。
当空气吸泥装置工作时,压缩空气沿气管进和空气箱以后,通过内管壁上的一排排向上倾斜的小孔眼进入混合物,当送入的压缩空气
足够充足,空气箱在水面以下又有相当的深度时,混合管内的混合物在管外水气压力的作用下,使顺着排泥管上升而排出井外。
沉井下沉过程中应对称、均匀出土,严格控制锅底高差,防止相邻井格泥面高差过大引起土体窜流致使桩基位移。
施工中为减少对周边土体的扰动,并且由于沉井后期不排水下沉时下沉系数较小,沉井下沉施工应结合空气幕减阻下沉。
沉井周围土方出现坍塌时,表层一定范围土体采用较好粘土换填,换填土按堤防防渗要求回填。
沉井到位后采取水下封底,导管底距井底土面30~40cm,在导管顶部布置1.5m3左右的漏斗,以确保浇筑时的下料需要。
在漏斗的颈部安放球塞,并用绳索或粗铁丝系牢。
球塞安放时球塞中心应在水面以上,在球塞上部先铺一层稠水泥砂浆,使球塞润滑后,再浇砼。
漏斗先盛满坍落度较大的砼,然后将球塞慢慢下放一段距离。
浇筑时割断绳索或粗铁丝,同时迅速不断向漏斗内灌入混凝土,此时导管内和球塞,空气和水受混凝土重力挤压由管底排出,砼在管底周围堆成圆锥状,将导管下端埋入砼内。
为了达到要求的砼扩散半径,砼坍落度一般为20~22cm,在开始浇筑时,为了保证导管底部立即被砼堆包围埋住,坍落度可适当减少。
在水下砼浇筑过程中,导管的提升也是一个关键问题,做到慢提快落,并严防将导管拔出混凝土外的事故发生,导管插入砼内深度一般控制在1m以上为宜,当漏斗已达到最大高度不能再提升时,可拆卸上部的短管,以缩短导管的长度。
为此,当导管内的砼下降到预备拆卸的管节下口时,应迅速降低导管,使砼停止从导管内流出,然后进行拆除工作。
拆除短管的时间应控制在20~30分钟。
待漏斗内继续装漏砼后,方可将导管提高恢复浇筑工作。
在浇筑工作快要结束时,可采用流动性较大的砼,但不应改变水灰比,并适当增加导管埋在砼内的深度。
砼表面标高已达到设计标高,并多浇筑10~20cm,然后将导管从砼内拔出,并冲洗干净。
在水下砼浇筑过程中,应经常不断测量水下砼面的上升情况,以及扩散半径和施工进度,并根据测量资料控制导管的埋入深度。
4沉井下沉质量要求
(1)、下沉过程中质量要求
凿除砼垫层:
必须先内后外对称凿除,不漏除,空隙处填实;
初沉阶段:
沉井偏斜严禁超过允许值的1/4;
中沉阶段:
必须下沉稳定,沉井结构无损坏,不影响运行使用;
终沉阶段:
沉井自沉8小时≤10mm
(2)、就位后井体允许误差
检测项目
刃脚平均标高
刃脚平面中心线位移
沉井整体转角
刃脚面高差
允许偏差(mm)
<100
<H/100=140
<1度
≤300
注:
H为下沉总深度
结语
沉井的下沉是一项工艺复杂、技术难度较大的工作。
应有正确合理的计算分析、严格的质量控制、合理的施工措施方可保证沉井下沉的顺利进行。
文中对其原理和施工要素进行了分析和阐述,该实例可供类似工程参考。
参考文献:
1陈载赋.钢筋混凝土建筑结构与特种结构手册[M].成都:
四川科学技术出版社,1991.
2.建筑工程施工手册(第四版)
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