水工程施工论文
沉井施工法的简单概述
赵云
(建筑工程学院 给水排水工程112班)
【概要】本文主要介绍了沉井施工法的发展情况,让我们了解一下沉井施工法的历史;对沉井施工法也有简单的介绍,还介绍了沉井施工法的作用及其适用的条件,让我们更深入的了解了沉井施工;另外,还对沉井施工法的施工制作,施工方法,及施工中可能遇到的问题和解决方案有一定的介绍,让我们更加透彻地了解了沉井施工法。
Absrtract:This paper mainly introduces the method of open caisson construction of the case. Let us know about the history of the open caisson construction method.Of open caisson construction method has a simple introduction.Also introduced the role of open caisson constructionmethod and its applicable conditions and make us more in-depth understanding of the open caisson construction. In addition, also for the construction of open caisson construction method. Construction method,and the possible problems and solutions in the construction have certain introduction.Let us more thorough understanding of the open caisson construction method.
【关键词】沉井;基础构造;适用条件;施工方法;下沉;解决方法
Key-words:Open caisson;Infrastructure; Applicable conditions; The constructionmethod; Sinking; The solution
一、沉井施工技术的发展情况
沉井是修筑地下工程和深埋基础时,由古老的掘井作业发展而成为的一种施工方法以前多用于桥梁墩台基础。随着钢筋混凝土结构的出现,以及现代化施工技术和施工机械的不断革新,沉井已发展成为各类土层内、各种深埋地下构筑物围护结构的一种常用形式。
多年来,国内外在沉井施工方法制作上做了很多试验和改进。在1946~1963年间,国外在井壁外采用喷射高压空气的办法降低土层与井壁之间的摩擦阻力,使沉井的下沉深度达到130米以上,到70年代初继续用壁外喷射高压空气法,使沉井的下沉深度超过了200米。但这类沉井的直径均在10米以内,都是矿用竖井。
同时,在1952年以后,应用触变泥浆套来减少沉井外壁与土之间的摩擦阻力,在欧洲首先获得了推广,这是一项重大的改进,并带来了很多的经济效益。解放后,我国在沉井施工方面也取得了巨大的成就。例如,大(重)型桥梁的墩台基础,地下工业厂房、地下仓(油)库、大型设备基础、人防掩蔽所、岸边取水构筑物、盾构拼装井,以及矿用竖井、船坞的坞首、地下车站、地下车道的连续沉井等,各种类型深埋基础和地下构筑物的围壁都曾采用沉井法施工。根据现有的施工经验,在陆地上制作与下沉的圆形沉井,直径达68米,平面面积约3600余平方米。方形沉井约40X40米,面积约为1600平方米。在深水中采用浮运、就位、下沉的方法,使平面面积达500平方米左右的沉井下沉深度达50 余米。矿用竖井采用沉井法及触变泥浆润滑套助沉,不但减少了井墙的厚度,使沉井成为薄壁沉井,而且目前沉井的下沉深度已经超过了100米。
除上述沉井外,在最近的几年施工实践中,还有采用震动法下沉的沉井,以及高低刃脚沉井和双壁沉井等工程实例。因此,深埋在各类土层中的地下构筑物和基础,采用沉井法施工时,如要求下沉深度在100~200米左右时,应用上述施
工方法,具有实际的可能性,当然,这个深度也不能认为已经达到了极限,因为一般说来,用沉井法修筑地下构筑物或深基础时,可以认为尚能争取达到更大的下沉深度。
二、沉井施工的简单介绍
给水排水工程中,常会修建埋深很大而横断面尺寸不大的构筑物(地下水源井、地下泵房等),这类构筑物若在高地下水位、流砂、软土等地段及现场窄小地段采用大开槽方法修建,施工技术方面会遇到很多困难。为此,常采用沉井法施工。
沉井法施工就是先在地面上预制井筒,然后在井筒内不断将土挖出,井筒借自身的重量或附加荷载的作用下,克服井壁与土层之间的摩擦阻力及刃脚下土体的反力而不断下沉直至设计标高为止,然后封底,完成井壁内的工程。其施工程序有基坑开挖、井筒制作、井筒下沉及封底。
1.沉井施工的作用及适用条件
沉井的特点是埋置深度大(如日本采用壁外喷射高压空气施工,井深超过200米),整体性强,稳定性好,具有较大的承载面积。此外,沉井既是基础,又是施工时挡土和挡水的围堰构筑物,施工工艺简便,技术稳妥可靠,无需特殊专业设备,并可做成补偿性基础,避免过大沉降,保证基础稳定性。因此在深基础或地下构筑物中应用较为广泛。但沉井施工工期较长,对粉、细砂类土在井内抽水易发生流沙现象,造成沉井倾斜;沉井下沉中遇到的大孤石、树干或井底岩层表面倾斜过大,也会给施工带来一定的困难。
沉井最适合在不太透水的土层中下沉,这样易于控制沉井下沉方向,避免倾斜。一般下列情况可考虑采用沉井基础:
(1)上部荷载较大,表层地基土承载力不足,而在一定深度下有较好的持力层,且与其他法案相比较为经济合理;
(2) 在山区河流中,虽土质较好,但冲刷大,或在河流中有较大卵石不便
桩基础施工;
(3) 岩层表面较平坦且覆盖层厚,但河水较深,采用扩大基坑施工围堰有
困难。
2.沉井的应用范围
(1)在城市市区采用沉井作为地下构筑物就无需打围护桩(钢板桩或其他围护桩),也不影响周围建(构)筑物,不需要支撑土壁及防水。因其本身刚度较大,沉井外侧井墙就能防止侧面土层的坍塌。
(2)如因场地狭窄,同时受附近建筑物或其他因素条件的限制,而不适宜采用大开挖的地点,可采用沉井施工法。
(3)当地下水位较高,土的渗透性大,易产生涌流或塌陷的不稳定土壤,可采用沉井不排水下沉和水下浇筑混凝土封底。
(4)埋置较深的构筑物采用沉井法施工,从经济和技术的角度来看,也比其他施工方法更为合理。
(5)给水排水工程的地下构筑物,多采用沉井。如江心及岸边的取水构筑物、城市雨污水泵站的下部结构等。
(6)沉井可作为桥梁墩台的深基础,由于平面尺寸小,而下沉深度比较大,
因此,在桥梁工程中广泛应用。
(7)沉井可作为地下构筑物的外壳。由于平面尺寸可以根据需要进行设计,面积可达3000~4000平方米,井内空腔并不填塞,形成地下空间,可满足生产和使用的需要,有时还可以作为高层建筑的基础。
(8)沉井可用作矿区的竖井,面积比较小,一般为圆形,直径在15米以内。但下沉深度却很深,一般要在100m以上,可用作上下人员、材料、产品(煤和矿石)的竖向通道,同时还可作为竖向风道之用。
(9)大型设备基础、地下仓库、人防掩蔽所、盾构拼装井、船坞坞首等均可采用沉井。
3.沉井的分类
(1). 按沉井施工方法分
①.就地制作下沉沉井
即底节沉井一般是在河床或滩地筑岛在墩(台)位置上直接建造的,在其强度达到设计要求后,抽除刃脚垫木,对称、均匀地挖去井内土下沉。
②. 浮运沉井
多为钢壳井壁,亦有空腔钢丝网水泥薄壁沉井。在深水条件下修建沉井基础时,筑岛有困难或不经济,或有碍通航,可以采用浮运沉井下沉就位的方法施工。即在岸边 先用钢料做成可以漂浮在水上的底节,拖运到桥位后在它的上面逐节接高钢壁,并灌水下沉,直到沉井稳定地落在河床上为止。
③. 气压沉箱
所谓气压沉箱则是将沉井的底节做成有顶板的工作室。工作室犹如一倒扣的杯子,在其顶板上装有气筒及气闸。先将气压沉箱的气闸打开,在气压沉箱沉入水中达到覆 盖层后,再将闸门关闭,并将压缩空气输送到工作室中,将工作室中的水排出。
(2).按沉井的外观形状分
按沉井的横截面形状可分为:圆形、圆端形和矩形等。根据井孔的布置方式,又有单孔、双孔及多孔之分,见图9-3。
a)单孔沉井 b)双孔沉井 c)多孔沉井
图9-3 沉井平面形式
①. 圆形沉井:在下沉过程中垂直度和中线较易控制,较其他形状沉井更能保证刃脚均匀作用在支承的土层上。在土压力作用下,井壁只受轴向压力,便于机械取土作业,但它只适用于圆形或接近正方形截面的墩(台)。
②. 矩 形沉井:具有制造简单、基础受力有利、较能节省圬工数量的优点,并符合大多数墩(台)的平面形状,能更好地利用地基承载力,但四角处有较集中的应力存在, 且四角处土不易被挖除,井角不能均匀的接触承载土层,因此四角一般应做成圆角或钝角。矩形沉井在側压力作用下,井壁受较大的挠曲力矩,长宽比愈大其挠曲应 力亦与愈大,通常要在沉井内设隔墙支撑,以增加刚度,改善受力条件;另在流水中阻水系数较大,导致过大的冲刷。
③. 圆端形沉井:控制下沉、受力条件 、阻水冲刷均较矩形者有利,但沉井制造较复杂。
对平面尺寸较大的沉井,可在沉井中设隔墙,使沉井由单孔变成双孔。双孔或多孔沉井受力有利,亦便在井孔内均衡挖土使沉井均匀下沉以及下沉过程中纠偏。
其它异型沉井,如椭圆形﹑菱形等,应根据生产工艺和施工条件而定。
(3). 按沉井的竖向剖面形状可分为:①柱形;②锥形;③阶梯形。柱形的沉井在下沉过程中不易倾斜,井壁接长较简单,模板可重复使用。因此当土质较松软,沉井下沉深度不大时,可以采用这种形式。而锥形及阶梯形井壁可以减小 土与井壁的摩阻力,其缺点是施工及模板制造较复杂,耗材多,同是沉井在下沉过程中容易发生倾斜。因此在土质较密实,沉井下沉深度大,要求在不太增加沉井本 身重量的情况下沉至设计标高,可采用此类沉井。
(4).按沉井的建筑材料分
①. 混凝土沉井
这种沉井多做成圆形,当井壁足够厚时,也可做成圆端形和矩形,适用于下沉深度不大(4—7m)的松软土层中。
②. 钢筋混凝土沉井
这种沉井不仅抗压强度高,抗拉能力也较强,下沉深度可以很大(达数十米以上)。
③. 竹筋混凝土沉井
沉筋在下沉过程中受力较大因而需配置钢筋,一旦完工后,它就不承受多大的拉力,因此,在南方产竹地区,可以采用耐久性差但抗拉力好的竹筋代替部分钢筋,我国南昌赣江大桥曾用这种沉井。但在沉井分节接头处及刃脚内仍用钢筋。
④. 钢沉井
用钢材制造沉井井壁外壳,井壁内挖土,填充混凝土。此种沉井强度高,刚度大,重量较轻,易于拼装,常用于做浮运沉井,修建深水基础,但用钢量较大,成本较高。
三、沉井基础的一般构造
沉井基础的形式虽有所不同,但在构造上主要有由外井壁、刃脚、隔墙、井孔、凹槽、射水管、封底及盖板等组成,至于沉井基础的特殊构造,可参考有关资料。
1 井壁 2 顶盖和封底 3 隔墙 4 刃脚 5 凹槽 6 射水管 7 井孔图
1. 外井壁
井壁是沉井的主体部分,在沉井下沉过程中起挡土、挡水及利用本身重量克服土与井壁之间的摩阻力的作用。当沉井施工完毕后, 它就成为基础或基础的一部分而将上部荷载传到地基。因此,井壁必须具有足够的强度和一定的厚度。根据井壁在施工中的受力情况,可以在井壁内配置竖向及水平 向钢筋,以増加井壁强度。
2. 刃脚
井壁下端形如楔状的部分称为刃脚。其作用是在沉井自重作用下易于切土下沉。刃脚是根据所穿过土层的密实程度和单位长度上土作用反力的大小,以切入土中而不受损坏来选择的。刃脚踏面宽度一般采用10cm ~20cm,刃脚的斜坡度α应大于或等于45°;刃脚的高度为0.7m ~ 2.0m,视其井壁厚度而定。沉井下沉深度较深,需要穿过坚硬土层或到岩层时,可用型钢制成的钢刃尖刃脚,(见图9-6b);沉井通过紧密土层时可采用钢筋加固并包以角钢的刃脚,见图9-6c);地质构造清楚,下沉过程中不会遇到障碍时可采用普通刃脚,(见图9-6a)。
a 普通刃脚 b 钢刃尖刃脚 c 钢筋加固包有角钢刃脚
图9-6 刃脚构造图
3.隔墙
沉井隔墙系大尺寸沉井的分隔墙,是沉井外壁的支撑.其厚度多为0.8~
1.2m,底面要高出刃脚50cm以上,避免妨碍沉井下沉。
4.井孔
井孔是挖土排土的工作场所和通道。其大小视取土方法而定,宽度(直径)最小不小于2.5m。平面布局是以中心线为对称轴,便于对称挖土使沉井均匀下沉。
5.射水管
射水管同空气幕一样是用来助沉的 ,多设在井壁内或外侧处,并应均匀布置。在下沉深度较大、沉井自重力小于土的摩阻力时,或所穿过的土层较坚硬时采用。射水压力视土质而定,一般水压不小于600KPa。射水管口径为10mm~12mm,
3每管的排水量不小于0.2m/min。
6.顶盖板
顶盖板是传递沉井襟边以上荷载的构件,不填芯沉井的沉井盖厚度约为1.5m~2.0m。其钢筋布设应按力学计算要求的条件进行。
7.凹槽
凹槽是为增加封底混凝土和沉井壁更好地联结而设立的。如井孔为全部填实的实心沉井也可不设凹槽。凹槽深度约为0.15~0.25m,高约为1.0m。
8.封底混凝土
封底混凝土是传递墩(台)全部荷载于地基的承重结构,其厚度依据承受压力的设计要求而定,根据经验也可取不小于井孔最小边长的1.5倍。封底混凝土顶面应高出刃脚根部不小于1.5m,并浇灌到凹槽上端。封底混凝土必须与基底及井壁都有紧密的结合。封底混凝土对岩石地基用C15;一般地基用C20。
四、沉井的施工
沉井施工的一般工艺流程见图9-20。沉井施工前,应该详细了解场地的地质和水文等条件,以便选择合适的施工方法。现以就地灌注式钢筋混凝土沉井和预制结构件浮运安装沉井的施工为例,介绍沉井的施工工艺以及下沉过程中常遇到的问题和处理措施。
沉井可就地制造、挖土下沉、接高、封底、充填井孔以及浇筑盖板。现详细介绍其施工程序。
(1).准备场地
若旱地上天然地面土质较好,只需清除杂物并平整,再铺上0.3~0.5m厚的砂垫层即可;若旱地上天然地面土质松软,则应平整夯实或换土夯实,然后再铺0.3~0.5m的砂垫层。
若场地位于中等水深或浅水区,常需修筑人工岛。
(2).制造第一节沉井
由于沉井自重较大,刃脚踏面尺寸较小,应力集中,场地上往往承受不了这样大的压力,所以在已整平且铺砂垫层的场地上应在刃脚踏面位置处对称地铺设
一层垫木(可用200mm×200mm的方木)以加大支承面积,使沉井重量在垫木下产生的压应力不大于100kPa。
(3).拆模、抽垫
不承受重量的侧模拆除工作,可与一般混凝土结构一样,但刃脚斜面和隔墙的底模则至少要等强度达到70%时才可拆除。
抽 垫是一项非常重要的工作,事先必须制定出详细的操作工艺流程和严密的组织措施。
(4). 挖土下沉第一节沉井
沉井下沉施工可分为排水下沉和不排水下沉。当沉井穿过的土层较稳定,不会因排水而产生大量流砂时,可采用排水下沉。土的挖除可采用人工挖土或机械除土,排水下沉常用人工挖土,它适用于土层渗水量不大且排水时不会产生涌土或流砂的情况。
(5).接高第二节沉井
第一节沉井下沉至顶面距地面还剩1~2m时, 应停止挖土,保持第一节沉井位置正直。第二节沉井的竖向中轴线应与第一节的重合,凿毛顶面,然后立模均匀对称地浇筑混凝土。接高沉井的模板,不得直接支承在地面上,而应固定在已浇筑好的前一节沉井上,并应预防沉井接高后使模板及支撑与地面接触,以免沉井因自重增加而下沉,造成新浇筑的混凝土产生拉力而出现裂缝。待混凝土强度达到设计要求后拆模。
(6).逐节下沉及接高
第二节沉井拆模后,即或按本节(4)、(5)介绍的方法继续挖土下沉,接高沉井。随着多次挖土下沉与接高,沉井入土深度越来越大。
(7). 加设井顶围堰
当沉井顶需下沉至水面或岛面下一定深度时,需在井顶加筑围堰挡水挡土。
(8).地基检验和处理
(9).封底
地基经检验及处理符合要求后,应立即进行封底。
(10).充填井孔及浇筑顶盖
沉井封底后,井孔内可以填充,也可以不填充。填充可以减小混凝土的合力偏心距,不填充可以节省材料和减小基底的压力。因此井孔是否需要填充,须根据具体情 况,由设计确定。若设计要求井孔用砂等填充料填满,则应抽水填好填充料后浇筑顶板;若设计不要求井孔填充,则不需要将水抽空,直接浇筑顶盖,以免封底混凝 土承受不平衡的水压力。
五、施工中的问题及解决方案
1.第一种可能遇到的问题:井壁裂缝。其主要原因一般有:1)沉井垫木设置不当、布置不均匀、间距过大或沉井垫木未对称拔除,导致井壁内部产生拉应力而出现裂纹。2)模板拆除过早,混凝土强度不满足拔除垫木条件而出现裂纹。
3)沉井支设在软弱不均匀土层上或其它不良地基,混凝土浇筑后地基不均匀沉降,产生了较大的附加弯矩和剪应力而产生裂缝。
这种问题的主要预防措施有:1)刃脚处垫木设置应当合适,使地基受力均匀。垫木间距应计算求得,跨中与支点的拉应力应当相等。2)沉井垫木应分区、分组、对称、同步拔除,模板拆除时沉井井壁强度应达到设计强度的80%以上。3)
遇到软弱不均匀土层应做砂垫层或采取其它措施保证受力均匀,荷载应在承载力范围之内。其处理措施有:1)较细的表面裂缝可通过涂抹几遍环氧胶泥或人工抹水泥砂浆的方法来修补。2)大于0.5mm的裂缝应根据可灌程度采取灌水泥浆或化学浆液的方法修补,或者采用灌浆和表面封闭相结合的方法。3)如果裂缝很大,可能影响沉井结构带来安全隐患,则应该采取其它结构增强措施,或者直接返工。
2.第二种可能遇到的问题:井身歪斜。其主要原因一般有:1)沉井一次下沉的高度太大,重心太高,容易产生倾斜。2)沉井地基软弱或不均匀,制作前未处理地基,沉井下沉时产生了不均匀沉降。3)沉井制作时刃脚与井壁不垂直,致使刃脚失去正确的导向功能。其预防措施有:1)沉井制作前先平整场地,遇到不良土质及时处理。2)严格控制钢筋绑扎、模板安装、混凝土浇筑的质量,保证井壁光滑垂直,各环节偏差控制在规范范围内。其处理措施有:1)对刃脚高的地方多挖土以加快下沉,刃脚低的地方少挖或不挖土以减缓下井壁垂直后均匀挖土。
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