循环水泵房沉井施工技术探讨

胡志莲

（长安大学建筑学院，西安 710064）

1 工程概况

江苏陈港电厂（2×600MW机组）位于江苏省盐城市响水县陈家港镇蟒牛村的北面，灌河入海口东岸，西南距响水县城约35km，北距连云港50km、日照港110km。循环水泵房位于灌河东岸的沿海滩涂上，20m内地层主要为淤泥质粉质黏土地层。循环水泵房工程地下结构采用沉井法施工，沉井本体平面尺寸为45m×30m，高度为19.65m（▽-14.90～▽＋4.75）。顺水流方向设置3道隔墙，形成4个流道。沉井底部纵横向底梁相交形成24个格仓，梁底比周边刃脚高出1.2m。井壁厚度为1.50m，隔墙厚度为1.0m，结构混凝土强度等级为C30。沉井钢筋制作、安装工程量约900t，混凝土浇筑工程量约16 000m3。

沉井分两次制作，一次下沉。下沉方式为射流吸浆法排水下沉。

2 施工方案

2.1 井壁浇筑的分段及分节

该沉井制作总高度为19.65m，高程范围为▽-14.90～▽＋4.75。其阀门井位于沉井东侧，为悬挑结构，其悬挑长度为5.0m，挑梁及挑梁端部纵梁高度为6.1m，高程范围为▽－1.35～▽-4.75，悬挑结构总重量约1 500t；由于泵房间、进水间及滤网间行吊的布置需要，在沉井的南、北侧均设有挑梁，挑梁长度为3.25m，挑梁根部高度为5.73m，高程范围为▽－0.98～▽＋4.75。考虑到沉井上部有悬挑结构，其悬挑的长度及荷载均较大，为减小悬挑结构的施工难度及降低施工成本，故沉井采用两次制作，一次下沉。

第一次制作基本为沉井悬挑结构以下井段，该段又为分三节浇筑，第一节浇筑高度为4.9m（▽-14.90～▽-10.00），第二节浇筑高度为4.6m（▽-10.00～▽-5.40），第三节浇筑高度为5.4m（▽-5.40～▽±0.00）。待第三节混凝土强度达到设计强度的70%后，实施沉井下沉，并且一次下沉至设计高程。沉井下沉后进行第四节及运转层混凝土浇筑（第二次制作），第二次制作高度为4.75m（▽±0.00～▽＋4.75）。

上述浇筑方案使得沉井上部的所有悬挑结构均安排在沉井下沉后，直接在地面上施工，既减少了悬挑结构的施工难度，又降低了施工成本。同时，沉井下沉并完成底板浇筑后，顶管施工与沉井第二次制作同时进行，为加快施工进度创造了有利条件。

2.2 施工工艺流程

施工工艺流程见图1。

图1 沉井施工流程图

2.3 基坑开挖与砂垫层回填

根据本工程地质条件，其地表为填土层，以粉质黏土为主，承载力特征值虽然达到90kPa，但平均层厚只有1.8m。其下卧第一层为淤泥质粉质黏土，承载力特征值只有65kPa，平均层厚约4.0m。经计算，沉井第一次制作时，基底及下卧第一层承载能力不满足要求。为解决地基承载力不足，并减少沉井下沉时射流吸泥开挖工程量，同时降低沉井下沉高度，在制定施工方案时，考虑先采用机械大开挖方式挖除地表回填层及下卧第一层淤泥质粉质黏土，开挖平均深度约5.0m，再回填平均2.5 m厚海砂（砂岛），砂岛施工前，先在基坑底周边和中间纵横向各设1道盲沟（800×400mm）和6个集水井，每个集水井设置1台潜水泵往外抽水。砂岛采用分层填筑，并用冲水法予以密实。

砂岛面上浇筑300mm厚C20素混凝土垫层，其宽度超出沉井墙、梁两侧各300mm。井内墙梁垫层设置吊筋并伸入结构混凝土内，其目的是沉井下沉过程中开挖形成大锅底时，垫层混凝土能够附在结构混凝土上，在沉井下沉至设计高程时，可以增大基底与地基的接触面积，以提高沉井的稳定性。

采取该措施后，其基底及下卧各土层承载能力均能够满足要求，且减少下沉过程中射流吸泥开挖土方量约4 000 m3，降低沉井下沉高度2.5 m。

2.4 刃脚支设

为了扩大沉井制作过程中刃脚的支承面积，减轻沉井对砂垫层的压力，刃脚内侧支承采用砖砌衬托，砖模内壁表面采用1∶3水泥砂浆抹平，与混凝土接触面涂脱模剂两遍。刃脚砖砌衬托支设如图2所示。

2.5 沉井下沉

根据该工程的结构特点和工期要求，沉井第一次制作完成后即进入下沉施工。下沉采用水力冲挖吸泥下沉的施工工艺。该沉井长45m，宽30m，面积1 350m2，下沉15m左右，土方量约20 000m3，加上锅底土方量、沉井下沉时井外侧涌入井内的土方量，水力冲挖总量达25 000m3左右。该沉井共24个格仓，选用水力冲挖吸泥机组10台套。每台机组由高压水、吸泥及配电系统三部分组成，它的优点是设备简单、用电省、使用方便、效果好、成本低，每台套机组的功率为43k W，每台机组每天可正常出砂40 m3左右，出土100m3左右。加上接力泵其扬程可达30m左右，输送距离在100m以上。为储存沉井内抽排出来的泥沙，且达到砂岛填砂回收利用之目的，在沉井西北侧约50m处设一储砂池，容积约5 000 m3，泥浆池设在沉井西南侧约50 m处，其下游直接通往电厂二期工程的吹填区。

下沉施工包括施工准备和初沉、中沉以及终沉共4个阶段。

图2 砂垫层、混凝土垫层示意图

2.5.1 沉井下沉前的准备工作

沉井下沉时，第三节沉井墙体混凝土强度应达到设计强度的75%。下沉前还应做好以下准备工作：

（1）检查所有降水井，确保降水井正常运行。

（2）下沉之前对现场大功率的非下沉机械停止用电，以保证下沉施工机械具有足够的电能。由于下沉时电能消耗比较大，所有施工器具用电的功率至少需要500k W，现场变压器的容量必须与之匹配。另外，配备1台120k W柴油发电机组作应急之用。

（3）凿除井壁底部外侧外伸部位垫层混凝土，考虑到本沉井下沉高度范围内地层主要为淤泥质黏土，为防止沉井超沉，下沉前仅需打掉井壁外侧外伸部位垫层混凝土，其余部位垫层混凝土及刃脚部位砖胎模均予以保留。

（4）清除沉井内杂物。

（5）安装调试各种施工设备。

（6）施工通道布置。井内、井外均设置垂直钢爬梯，沉井顶部和底部均设置水平通道。钢爬梯用Φ16圆钢制作，用Φ12钢筋作护拦，并利用沉井浇筑时的对拉螺栓固定在井壁上。沉井顶部利用第四节混凝土的预留钢筋作护栏形成水平通道，井底在底板预留插筋上铺设木板并设置栏杆形成通道。

（7）设置高程和水平位移观测标记。在沉井四角设置固定高程观测点，在井外壁面弹好纵横轴线，以便下沉过程中的高程和位移观测。

2.5.2 沉井下沉

根据本沉井的结构特点，为确保沉井结构的安全，合理安排沉井网格内水力冲挖吸泥的顺序是下沉过程中控制的关键环节。

本工程开挖分区如图3所示。

图3 开挖分区图

初沉阶段按照上图中的1→2→3→4→5→6顺序进行开挖，使沉井底部形成锅底状。终沉阶段按照6→5→4→3→2→1的顺序进行开挖，使沉井底部形成反锅底状，即让沉井中间部位的墙梁均嵌入地基中。

为保证沉井均衡下沉，在下沉过程中应根据测量资料随偏随纠。由于该沉井距灌河大堤较近，为避免沉井下沉时周围土体坍塌而危及灌河大堤的安全，并减小封底混凝土的厚度，水力冲挖时尽量减小锅底深度（锅底深度不得大于1.5m）。冲挖时，宜使喷嘴接近90°角冲刷立面，将立面底部刷成缺口使之塌落。冲挖顺序为先中央后四周，沉井各仓内挖土面高差不得超过0.5m，并沿刃脚留出土台，不得冲空刃脚踏面下的土层，以保证沉井均匀下沉。井壁周围土体下陷后应及时补填砂性土，增加井壁外侧摩阻力，减小下沉系数，使沉井在可控状态下平稳下沉。

下沉过程中，要进行以下方面的监测工作：沉井本体监测（下沉速度、下沉高差、整体位移）、沉井四周土体及塔吊基础监测（下沉、位移）、深井降水监测（降水水位、深井倾斜及破坏情况）及灌河大堤的安全监测。

沉井本体监测：通过对井壁外侧观测点的高程测量及井顶四周轴线交点坐标测量，及时掌握沉井下沉的不均匀程度和水平位移，以便及时进行纠偏。

深井降水监测：对降水井进行编号，定时记录井内水位、井的倾斜、破坏情况。

周围环境监测：在下沉时对沉井四周土体、灌河大堤、塔吊基础的稳定进行定期监测。沉井周围土体塌陷时，应及时补填砂性土，确保灌河大堤、塔吊基础的稳定。

据调查，类似工程在沉井下沉前，均对塔吊进行了拆除处理，本工程为了发挥塔吊吊运破除桩头混凝土块的作用，沉井下沉前没有拆除塔吊，但沉井下沉过程中监测发现，由于沉井周围土体塌陷，导致塔吊塔身向沉井方向倾斜达8cm，并有加剧趋势。为确保塔吊处于安全状态，除迅速将塔身降低10m外，对沉井塔吊侧的塌陷坑槽及时进行了补土回填，并进行了压实，而且在以后的下沉过程中经常性地对该部位进行补土压实，始终保持该部位地面高程高出塔吊基础顶面1m左右，从而保证了塔的安全。

2.6 沉井封底

沉井下沉到位后进行8h的连续观测，如下沉量小于10mm，可进行封底。封底采用干封底，分格对称进行封底混凝土浇筑。封底时注意保证沉井在封底时的稳定。如果深井降水不理想时，或井底有少量的渗水时，先将沉井内集水抽排干净，同时在沉井周边仓内设置集水井，集水井内放置直径300mm端部带格栅的钢管，在格栅外侧包裹2层尼龙纱布，钢管底部和周围铺填200mm厚碎石，在沉井内四周设400×400mm水沟与集水井相连，水沟内铺设碎石作为反滤层，在钢管内放置潜水泵抽排地下渗水，集水井（排水管）平面布置及大样见图4。在封底混凝土达到设计强度的70%后，开始进行沉井底板的施工，当底板强度达到70%设计强度时，进行集水井的封堵。集水井封堵逐个进行，先将集水抽排干净，然后采用干硬快凝高标号混凝土迅速封堵，并振捣密实，然后将管道上口用钢板焊接或螺栓拧紧封死。

封底混凝土采用汽车泵输入井格内，用振捣棒振捣密实。封底混凝土浇筑顺序与沉井初沉时土方冲挖顺序基本相同，即先封中间井格，再封四周井格，然后封四角井格，依次均匀对称进行施工。混凝土浇筑时，为防止发生离析现象，混凝土用软管输送到井格底部。

图4 排水管平面布置及大样图

2.7 沉井底板浇筑

当封底混凝土达到强度后进行分格抽水。井外应连续降水，确保沉井的抗浮要求。底板浇筑前必须对预埋件进行检查，确保位置正确，必须配专人连续不断地抽排集水井内的集水，然后分格进行钢筋混凝土底板施工，施工时应遵循平衡、对称的原则。

混凝土底板浇筑前先对施工缝进行清理和钢筋进行除锈、调直，然后进行水平直螺纹及搭接电弧焊连接。

混凝土浇筑前全面检查准备工作，并进行技术、安全交底，明确各班组分工、分区情况，混凝土入仓前应清除仓内各种垃圾，检查合格后方可浇筑混凝土。浇筑过程中严格控制层差，振捣时振捣器应插入下层混凝土10cm左右，振捣棒插入的间距一般为400mm，振捣时间一般为15～30s，并且在20～30min后进行二次复振。注意不漏振、过振，钢筋密集处加强振捣，分区分界交接处要延伸振捣1.5m左右，确保混凝土密实。

3 沉井施工的关键技术

3.1 沉井下沉过程的纠偏

沉井下沉过程中的纠偏是沉井施工的第一关键。由于沉井是地下工程，对于大型沉井而言，若出现较大偏差，其纠偏难度是相当大的。为避免沉井下沉过程中出现较大偏差，合理布置开挖设备、实现对称均衡开挖是其关键所在。沉井开始下沉时其下沉系数较大，平面位置和四角高差易发生偏差，而在深度不深的情况下是比较容易纠正的。初沉时应对刃脚标高和轴线位移进行连续观测，及时纠偏，使沉井形成一个良好的下沉轨道。纠偏时应避免大起大落，特别要注意避免沉井偏离轴线。当沉井偏差大于300mm时应集中力量纠偏，使沉井回归到正常下沉的轨道。沉井在终沉阶段应以纠偏为主，在沉井下沉至距设计标高1m左右时基本纠偏到位，再谨慎下沉，控制不出现超出容许范围的高程及位置偏差。

沉井产生倾斜偏转的常见原因包括沉井刃脚下土层软硬不均匀；没有均匀除土下沉，使井孔内土面高低相差较大；刃脚下掏空过多，沉井突然下沉而产生倾斜等。下沉发生倾斜偏转时，根据沉井产生倾斜偏转的原因来纠偏。沉井在入土较浅时，容易产生倾斜，但也比较容易纠正，在刃脚高的一侧挖土即可纠偏。随着沉井的下沉，在沉井高的一侧减少刃脚下正面阻力，在沉井低的一侧增加刃脚下的正面阻力，使沉井的偏差在下沉过程逐渐纠正。纠偏位移时，预先使沉井向偏位方向倾斜，然后沿倾斜方向下沉，直至沉井底面中轴线与设计中轴线的位置相重合或接近时，再将倾斜纠正或纠至稍微向相反方向倾斜一些，最后调正致使倾斜和位移都在容许范围以内为止。沉井位置发生扭转时，在沉井偏位的两角挖土，另外两角填土，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其位置。

3.2 防止沉井超沉的方法

对于淤泥质土层上的大型沉井而言，防止沉井超沉是沉井施工的另一关键技术。要保证沉井不超沉，在终沉阶段必须采取措施进行控制。沉井下沉至距井底混凝土灌注桩桩顶设计高程3m左右时，应按反锅方法挖土下沉，并尽量控制沉井下沉速度，必要时可停止6h观察，掌握下沉趋势，此间测量工作应每2h进行一次，高差控制在10～15cm内。随着沉井继续下沉，沉井应逐渐形成挤土下沉趋势，待沉井下沉至距设计标高50cm时，需再停止观察6h，待沉井墙、梁底部基本接近土层时，重新核准测量数据，以1cm／h左右的速度缓慢下沉。待沉井下沉至距设计标高10cm时，则只进行纠偏，使沉井在自重作用下，自行缓慢下沉。沉井进入设计标高后需继续观察，待沉井全部稳定（8h下沉小于10mm）以后立即封底，以免出现超沉现象。

4 结束语

近年来，大型沉井在电力工程、水利工程、市政工程中的应用越来越广泛。因此对沉井工程施工的研究有着重要意义。本文基于大型沉井施工的实例，详述了淤泥质地质条件下大型沉井的施工方案及沉井下沉过程中的关键技术问题。综上所述，我们可以得出以下一些结论：

（1）切合实际的施工方案不仅可以保证沉井的施工质量，而且可以加快施工进度和降低施工成本。

（2）研究、掌握并合理利用沉井施工的关键技术，采取有效措施解决沉井下沉过程中出现的各种问题是沉井施工成败的关键所在。

江苏陈港电厂循环水泵房大型沉井基础施工时，由于施工方案切合实际，施工过程中成功地应用了相应的关键技术及管理措施得力，沉井仅用了短短42d的时间就完成了下沉施工，为电厂如期投产运行奠定了基础。在初沉阶段也曾出现过高差大于30cm、轴线偏移超过12cm的偏差，但采取了正确的纠偏方法，使其得以及时纠正，沉井最终下沉的高程和位置偏差均控制在规范允许范围内。