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沉井施工工艺工法
沉井施工工艺工法
1简介
1.1工艺工法概况
沉井是修筑深基础和地下构筑物的一种施工工艺。
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。
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。
沉井的下沉工艺主要有排水下沉和不排水下沉两种。
本工艺针对圆形沉井分节制作一次下沉、不排水下沉法进行阐述。
1.2工艺原理
不排水下沉法即保持井内水位比地下水位高出1.0m以上,启动高压水泵,潜水员下潜到水底,手持高压水枪对井底土、砂进行冲扫,使土、砂和水搅和成一定浓度的浆液后,启动吸泥机,吸排出井外至泥浆中转池。
当潜水在一定范围内冲吸到要求深度时,再移动冲枪和吸泥管。
吸泥管的升降多少由潜水员通知浮排上操作人员,开启升降葫芦,调整吸泥管的深度,移至下一工作面,循环作业。
2工艺工法特点
沉井施工工艺的优点是可在场地狭窄的情况下施工较深的地下工程,且对周围环境影响较小,可在地质、水文复杂地区施工,施工不需复杂的机具设备,与大开挖相比,可减少挖、运、回填的土方量,减少深基坑的支护施工和高空作业的危险程度;缺点是施工工序较多,技术要求高,质量控制难。
3适用范围
沉井工艺一般适用于工业建筑的深坑、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。
4主要引用标准
《建筑地基基础工程施工质量验收规范》(GB50202)、《基坑工程设计规程》、《建筑施工手册》。
5沉井施工方法
沉井施工一般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,采取高压水枪配合吸泥机进行取土,沉井井身借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。
6工艺流程及操作要点
6.1沉井施工工艺流程(见图1)
图1沉井施工工艺流程图
6.2操作要点
6.2.1沉井砂垫层及刃脚制作
1放样定位、开挖基坑
1)根据设计图纸上沉井坐标,定出沉井中心桩位和纵横轴线控制桩。
2)基坑开挖
①考虑到坑内排水,沿基坑四周开挖盲沟,并设置集水井,总共4口,以便能及时排除坑内积水,确保砂垫层的稳定。
②土方开挖采用挖掘机施工,人工配合进行边坡修整和基底土修整。
2砂垫层施工
1)按照要求采用全断面开挖,开挖后及时分层回填,井壁刃脚处砂垫层与底梁处砂垫层标高不等,回填时须合理布置并安排各工序施工。
2)砂垫层施工采用中粗砂、分段分层振实,要求密实度达到95%以上。
现场砂垫层密实度可用土工法普查,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。
3刃脚胎膜砌筑
刃脚斜坡段采用砖砌胎膜,采用M5水泥砂浆进行砌筑,砌筑时要求接缝严密,竖向不能有通缝现象。
具体见图2。
图2刃脚砖模砌筑图
4素混凝土制作
素砼垫层宽度为刃脚踏面宽度两边各增加20cm,素砼垫层厚20cm,垫层砼标号为C20,根据有关规范要求立模、振捣、养护,素砼地坪标高必须准确,由测量找平、复测,相对高差值不大于±3mm。
6.2.2沉井结构制作
1沉井制作分下沉和接高两节进行施工,下沉段主要包括底梁、刃脚和墙身接高段主要是墙身段,待下沉段下沉稳定后进行接高,然后封底及底板施工。
2沉井采用木模板,竖向采用方木加固,横向采用钢管加固,横向间距为500mm,竖向间距为500mm,相互用扣件扣牢。
3浇注混凝土采用Ø70振动棒,钢筋间距过密处配置部分Ø50的振动棒,振动间距不大于500mm,并辅以附着式振动棒振捣。
4混凝土下料时要求沿井壁周围均匀进行,不得在某一处的井壁内集中下料,分层平铺厚度控制在30cm左右。
5砼浇筑时浇筑的自由高度不应大于2m,如超过2m应加串筒浇筑。
砼浇筑时应对称平衡进行,,振捣时防止漏振和过振现象,以确保砼的质量。
6在沉井上、下节井壁间设置施工缝,施工缝表面砼凿除松散部分,并用水冲清,充分湿润,更不得有积水,在井壁设置施工缝进行凿毛冲洗干净,使骨料外露。
用同标号水泥浆接浆,厚10-15mm。
在施工缝处设热镀锌止钢板,止水片用300×1.5mm钢板。
图3井壁水平施工缝
6.2.3沉井下沉
沉井采用不排水下沉法,水力机械吸泥下沉,潜水员配合,沉井分为初沉阶段、正常下沉阶段和终沉阶段三个阶段,最后沉井实施水下封底。
水力机械吸泥下沉施工工艺流程如图4:
图4水力机械吸泥下沉施工工艺流程图
1初沉阶段(干下沉)
沉井下沉深度在0~4m范围内为初沉阶段,下沉时采用履带吊抓斗干挖下沉,并进行24昼夜施工。
1)施工步骤如下:
挖去刃脚底斜面30cm以上的覆盖层,同时拆除该部分内侧支垫→拆去刃脚外侧高度平均为1m左右的砖模,用砂、卵石及时回填→挖除刃脚踏面土层及内侧砖模,直至显出砖底模→用跳槽法挖取砖底模。
2)刃脚挖土顺序如下:
由中央向四周挖,每层挖土厚0.4-0.5m,在刃脚处留1-1.5m台阶;
沿井壁,每2-3m一段向刃脚方向逐层全面对称、均匀地削落台阶,每次削5-10cm;
当土层经不住刃脚的挤压破裂,沉井便在自重作用下均匀破土下沉。
挖土顺序如图5所示:
图5沉井底挖土顺序
3)井内挖土下沉时,以井壁和底梁交接形成一个施工仓格进行挖土。
为保证沉井平稳下沉,各施工仓格同步均匀对称进行挖土,高差不超过500mm,
4)先挖底梁下部土,再挖中间部分,后刃脚部分。
5)挖土时,井内打入许多小竹板桩作挖土标高的控制点,每2×2m左右各设一根,用水平仪测量,以确保挖土标高。
6)初沉阶段每2小时测量一次,必要时连续观测。
2正常下沉阶段(不排水下沉)
挖土下沉见水后采用水力吸泥法不排水下沉,潜水员配合。
用高压水泵将高压水通过进水管分别送进高压水枪和水力吸泥机,利用高压水枪射出的水流冲切土体,使其形成一定稠度的泥浆汇流至水力吸泥机处,由水力吸泥机将泥浆排出井外。
图6沉井水力排土法下沉施工示意图
3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。
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不少于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。
4潜水作业要求及注意事项
1)潜水作业前对潜水工具逐一进行检查,特别是铜帽头顶阀、电话及线路、供气软管及接头等重要部位均需仔细检查,不可马虎。
2)水深10~20m时,,当天可进行两次潜水,但两次潜水时间间隔不得少于2小时。
3)潜水员作业时,潜水组的水面上的工作人员随时掌握输气管与腰绳,并专人负责空气压缩机的工作。
4)潜水员水下作业时,在同一孔内,禁止水面以上的重叠作业。
5监测
沉井现场施工监测系统包括沉井自身状态监测系统,及施工对附近构筑物影响的监测系统两部分。
沉井自身状态监测系统包括:
井身自身位置(深度、中心偏离)监测系统、姿态(倾斜)监测系统及井身受力状况的监测系统。
对周围环境影响的监测系统包括:
地层沉降的监测系统;周围构筑物水平位移及沉降监测系统;
6沉井接高
沉井下沉稳定后,在采取止沉措施后,方可进行上部井筒的接高施工。
井筒接高施工方法与下部井筒施工方法相同。
7沉井封底及底板施工
1)沉井不排水封底
当沉井下沉至设计标高后,观测8h,总下沉量不超过10mm即可进行封底施工。
表1水下混凝土封底的要点
序号
项目
技术要点
1
准备工作
1清理基底浮泥及其他杂物,超挖及软土基础应铺以碎石垫层
2
导管要求
1导管内壁光滑,管段接头密封良好并便于拆装
2当采用球塞时,导管下端距井底的距离比球塞直径大5~10cm
3
导管数量
1每根导管混凝土的扩散半径为3~4m,其布置使各导管的浇注面积互相交叉;
4
浇注
1每根导管浇注前,准备足够的混凝土量,使开始浇注时,能一次将导管底埋住;
2每根导管的混凝土要连续浇注,且导管埋入混凝土的深度不宜小于1.0m
3各导管间混凝土浇注面的平均上升速度不小于0.25m/h,坡度不小于1:
5,相邻导管间混凝土上升速度相近,终浇时混凝土面高于设计高程0.2~1m。
2)抽水
封底后混凝土强度达到设计强度,且沉井能满足抗浮要求时(见上抗浮验算),开始进行抽水。
抽水之前,要对封底混凝土的强度进行试验,达到要求后,方可以抽水。
3)底板施工
图7底板集水井设置图
抽完水后,开始进行底板施工。
先将预埋在井壁上的接驳器凿得露出井壁,然后开始绑扎钢筋。
在浇注混凝土之前,底板上预埋带法兰的钢管,见图所示。
底板混凝土浇注完毕后达到设计强度后,将集水井用混凝土进行最后封堵。
7劳动力组织
沉井工程工艺交叉较多,不同阶段所需劳动力有很大差别,但最低应保证表2配置方可满足24小时循环作业:
表2人员配备计划表
序号
工种
最低保证作业人数
1
测工及技术
6
2
机械工
4
3
电焊工
10
4
机械司机
24
5
电工
4
6
起重工
6
7
架子工
25
8
混凝土工
20
9
钢筋工
20
10
木工
6
11
瓦工
4
12
管道工
3
13
潜水员
4
14
普工
27
合计
合计
163
8主要机具设备
本工艺工法所采用的主要机具设备见表3:
表3机械设备表
序号
设备名称
规格
数量
单位
1
自卸汽车
CQ30-290
6
辆
2
挖掘机
Wy32
3
台
3
汽车吊
QY-25
2
台
4
发电机组
330KW
2
组
5
自升式门架
SSE
1
台
6
高压清水泵
150TSW×5
14
台
7
水枪
kc558c/698c
24
支
8
泥浆泵
SNB
14
台
9
振动除砂机
1
台
10
抓铲机
W1-100
2
台
11
潜水设备
4
套
12
钢筋切断机
GJ40
3
台
13
钢筋弯曲机
Gj40
3
台
14
钢筋调直机
GT8
3
台
15
闪光对焊机
UN1-100
4
台
16
交流电焊机
BX1-60
4
台
17
电渣压力焊机
HSS-630
4
台
18
砂浆搅拌机
JS-500
1
台
19
混凝土输送泵
HBT60
2
台
20
平板振动器
ZB11
10
台
21
插入式振动器
ZG50
10
台
23
附着式振动器
10
台
24
普通车床
C618
2
台
25
木工圆盘锯
MJ104
2
台
26
木工刨床
MB1043
2
台
9质量控制
9.1易出现的质量问题
9.1.1沉井底部出现流砂现象
9.1.2沉井下沉过快
9.1.3沉井倾斜
9.1.4沉井偏移
9.1.5沉井被搁置或悬挂,下沉极慢或不下沉
9.2保证措施
9.2.1采用不排水法下沉沉井,要及时向井内补水,保持井内水位高于井外水位,以避免流砂涌入。
9.2.2针对沉井下沉过快可用木垛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;在沉井外壁间填粗糙材料或将井身外的土夯实,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。
9.2.3加强沉井过程中的观测和资料分析,发现倾斜及时纠正;分区依次对称同步地抽出垫木,及时用砂或砂砾填夯实;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;在刃脚较低的一侧适当回填砂石或石块,放缓下沉速度;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。
9.2.4对初沉的偏斜可用在高侧多挖土,低侧少挖土的办法纠正;终沉或其他阶段的偏斜,可用井外射水或喷气破坏高一侧土层进行纠偏;有意使沉井向偏移的相反方向倾斜,当几次倾斜纠正后,即可恢复到正确位置,或有意使沉井向偏位的一方倾斜,然后沿倾斜方向下沉,直至刃脚处中心线与设计中线位置相吻合或接近时,再将倾斜纠正;加强测量的检查复核工作。
9.2.5对于沉井下沉慢或不下沉可采用增大开挖范围及深度,提高井身或加载助沉;在井顶均匀加铁块或其他荷重;挖除刃脚下的土在井内继续进行第二层锅形坡土;不排水下沉改为排水下沉,以减少浮力;在井壁外设置射水管冲刷井周围土,减少阻力,射水管亦可埋于井壁混凝土内,此法仅适用砂及砂类土;修复泥浆套,空气帘等减阻设施或辅以射水,射风下沉等,在井壁与土层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3m;清除障碍物。
10安全措施
10.1主要安全风险分析
沉井下沉、封底虽然属于在深基坑内作业,但是它有不同于常规的深基坑作业施工方法,因为沉井下沉、封底施工时是以沉井结构本身作为支护,沉井周边的土压力、地下水压力由沉井井壁和底粱来承担,沉井四周的土体不存在坍塌和滑坡现象。
因此,人员和设备在沉井结构本身保护下是安全的,但还应注意井内取土和水面及潜水作业施工安全。
10.2保证措施
10.2.1井内取土
1取土施工前,应对施工区域内存在的各种障碍物,如建筑物、道路、旧基础、树木等,凡影响施工的均应拆除、清理或迁移,并在施工前妥善处理,确保施工安全。
2井内取土,施工前要详细了解整个施工区域和施工场地内的工程地质和水文资料、施工环境及气候条件等,编制专项施工组织设计(方案),指定有针对性的安全技术措施,严禁盲目施工。
3井内取土时,挖土如果在雨季施工,施工时应防止地面水流入井内,应随时注意土壁情况,特别是雨后复工应仔细检查土壁稳定。
4人工冲土时,应保持合理的个人操作空间;采用机械挖土时,机械间距不应小于10m,防止互相影响,造成意外事故伤人,挖土要自上而下,逐层进行,严禁先挖坡脚的危险作业。
5吊运土方,应检查起吊器具的安全情况,如绳索是否牢固等,严禁吊斗下站人。
6周围环境复杂时,在施工过程中要加强观测,施工方案必须由公司总工程师审定,报公司主管部门备查。
7沉井四周要设防护栏杆,防止坠井事故发生。
人员上下要有专用爬梯,应设梯子或坡道,以便上下,禁止踩踏支撑上下。
10.2.2水面作业
1水面作业均应备足救生衣具,进入井上作业必须穿救生衣。
2施工期间必须有专人收听、收看天气预报,遇有恶劣天气及时通知项目部领导和施工队,施工队停止水面作业。
3潜水员和潜水助理必须严格遵守操作规程,潜水作业前必须对专用设备进行检查,发现问题及时解决,确保安全正常运转,并配备有应急备用设备。
4水员下水作业时,潜水助理应坚守岗位,昕好潜水电话,做好潜水记录。
5水面与潜水同时作业时,两者要相互协调,密切配合,不能各自为政。
6水下电割、电焊作业,应使用专用工具,佩戴绝缘胶手套以防水下触电事故的发生。
11环保措施
11.1施工中设置泥浆池,用于沉井下沉的泥浆严禁排放到河流和湖泊中。
11.2施工的废弃垃圾统一收集后集中处理。
11.3夜间21点后至次日6点严禁开动大功率施工设备以防扰民。
11.4现场采用封闭式管理,非施工人员严禁进入施工场地。
11.5施工车辆全部加盖覆盖,对施工便道进行洒水降尘,并派专人进行清扫,尽量减少扬尘。
11.6施工人员定期发放劳动保护用品,防止人员伤害。
12应用实例
12.1工程简介
由中铁一局市政环保公司承建的北江水厂工程为北江水厂首期水源工程,包括取水头部、取水泵房及输水管工程。
北江水厂工程规划总规模为80万立方米/日,计划分期实施,首期工程规模为30万立方米/日。
本工程主要包括外径Ø=31.2m,内径Ø=28m,深度H=23.9m,建筑面积1310m2取水泵房一座(包括泵房土建,设备安装),25.1×7.3m桩基础钢筋砼框架取水头部一座,DN2020×18吸水管,DN1820×16扬水管及栈桥一座。
12.2施工情况
工程于2007年10月16日开工,2008年3月31日完成北江干流百年一遇洪水位以下的全部土建(取水泵房)、泵房外工艺管道工程和栈桥,2008年9月前工程全部完工并试运行。
在施工过程中,沉井实际制作高度23.9m,分下沉和接高两节进行施工,第一节(下沉段)制作高度为11.5m,下沉段分三次制作,底梁和刃脚部分,从-23.9m至-17.90m,浇注高度6m,第二次从-17.90m至-12.40m,浇注高度5.5m,第三次从-12.40m至-6m,浇注高度6.4m,第一节井筒前两次下沉到原地面标高后进行第三次的制作,第二节(接高段)制作高度为6m,第二节井筒在第一节井筒下沉到设计标高,下沉稳定后,进行接高,然后封底及底板施工。
12.3工程结果评价
不排水下沉法为公司首次成功解决了大断面沉井在淤泥质地层中下沉过快和容易倾斜的下沉问题,同时也克服了砂类地层涌水涌砂的技术难题,积累了大量的实践数据和丰富的施工经验,为公司以后在沉井方面的进一步发展奠定了坚实的基础。
另外不排水下沉法相对于大开挖施工方案节省了大量时间、人力、物力,也保证了施工安全,使本工程成功完成了业主规定的工期节点目标,也为公司节约了成本。
12.4建设效果及施工图片
图8沉井施工
图9沉井施工
图10沉井施工
图11沉井施工
图12沉井施工
图13进水泵房沉井
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