Caisson Production and Sinking Construction Technology in Municipal Jacking Project in Shenzhen
潘志坤 PAN Zhi-kun
（中国水利水电第八工程局有限公司，长沙 410000）
（Sinohydro Bureau 8 Co.，Ltd.，Changsha 410000，China）
摘要：近年来，随着我国社会经济的发展及城市化进程的不断推进，各级城市对市政管网工程不断新建及改造，受施工场地、条件限制、环境复杂、管线密集繁多等因素影响，无法明挖施工时部分管网工程采用顶管工艺进行施工，保证工程施工安全及促进工程进展。本文通过实际案例，结合施工背景、现场地质情况、施工安全可靠性等对沉井施工技术进行了探讨，可为今后类似地质情况的沉井施工提供有益的参考。
Abstract: In recent years, with the development of China's social economy and the progress of urbanization, cities at all levels have continued to build and renovate municipal pipe network projects. Affected by factors such as construction sites, conditions, complex environments, and intensive pipelines, some pipe network projects adopt jacking construction when open excavation cannot be used to ensure the safety of the project construction and promote the progress of the project. In this paper, through the actual case, combined with the construction background, site geological conditions, construction safety and reliability, the construction technology of the caisson is discussed, which can provide a useful reference for the construction of caisson in similar geological conditions in the future.
关键词：市政工程；强风化；沉井；泥浆助沉
Key words: municipal engineering；strong weathering；caisson；mud assisted sinking
中图分类号：TU473.2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）35-0214-04
0 引言
本工程为深圳市龙岗区某市政污水管道工程，由于管道较长，经过的地质条件及现场条件较为复杂，管道埋深6.8m~12.8m，施工采用顶管法，工作井及接收井采用沉井法施工，不阻断交通，避免开挖施工对居民生活和交通的干扰，以及对环境建筑基础的破坏。
沉井的关键技术是通过合理的设计使其平稳下沉到设计高程，下沉过程中井壁与周边土体的摩阻力和刃脚端部阻力是沉井能否顺利下沉的主要因素，下沉阻力分布规律与多种因素有关。本文以此工程沉井施工为例，计算不同井位的下沉系数，对沉井下沉施工过程进行指导。
1 工程概况
1.1 工程简介
本污水管道施工工程起止于两道次干路之间，顶管工程施工段全长485m，共新建工作井4座，接收井3座，井壁均为阶梯式圆形结构，其中W1、W3、W5工作井内径6.5m，上部壁厚0.8m，刃脚部位壁厚0.95m；W7工作井内径6.5m，上部壁厚1.2m，刃脚部位壁厚1.35m；W2、W4、W6接收井内径4.5m，壁厚0.8m，刃脚部位厚度0.95m，沉井深度9.79m~16.20m。
1.2 水文地质情况
根据设计图，在勘探揭露深度范围内，场地地层自上而下主要由碎石素填土、素填土、粉（砂）质粘土、细砂、残积土（砂岩）、全风化砂岩及强风化砂岩组成。具体井位处地质情况及土体单位摩阻力标准值见表1、表2，需计算不同井位处下沉系数来指导沉井下沉施工。
根据勘察资料显示，场地地下水位埋深一般较浅，埋深在1.5～3.0m之间，参考工程区附近已有工程勘察资料中的水文观测资料，本场地地下水位年变化幅度为0.5～2m。根据地勘报告，注水试验结果：素填土透水性中等~强、（粉）细砂（局部少量）透水性中等，其他土层透水性弱~微。
2 工作井、接收井下沉计算
2.1 下沉系数计算
2.1.1 W7井计算
因W7井下沉深度最大，达16.2m，以此井为例计算，本工程沿沉井深度有多种类型土层，具体地质情况见前章，单位摩阻力取各层土单位摩阻力标准值的加权平均值，根据土层分布可得：土加权平均单位摩阻力标准值fka=（4.473×14+9.4×30+2.316×35）/（4.473+9.4+2.316）=26.29kPa。
根据《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》
①下沉系数计算Kst=Gk/Fka
②稳定系数计算Kst，s=Gk/（R+Tf）
式中Kst为沉井下沉系数，Kst，s为沉井稳定系数，Gk为沉井侧壁自重值（kN），R为刃脚反力（kN），Fka为沉井外壁摩阻力（kN）。
工作井上壁内径6.5m，壁厚1.2m，外径D=6.5+1.2×2=8.9m，外周长为3.14D=27.946m，刃脚部分壁厚1.35m，外径9.2m，外周长28.888m。由结构图可知h=3.0m，H=15.4m，总摩阻力Fka=（0.5×0.5×26.29×5+26.29×7.4）×27.946+26.29×3×28.888=8633.55kN
Gk=451.07m3×2.5t/m3×9.8N/kg=11051.22kN
Kst=Gk/Fka=11051.22/8633.55=1.40＞1.28，则自重满足下沉条件。
R=（3.14×4.62-3.14×4.12）m2×450kPa=6145.55kN
Kst，s=Gk/（R+Fka）=11051.22/（8633.55+6145.55）=0.75，满足终沉阶段稳定性要求。
2.1.2 其他井位下沉系数计算
根据计算结果，W1-W6井靠自重无法完成沉井施工，若采用加载重量下沉需要的加载材料量很大，且影响沉井作业，本工程采用泥浆助沉，单位摩阻力取值5kPa，取W1为例，则Tf=796.23kN，K=5.74＞1.05，可保证完成沉井施工，在沉井下沉到设计标高后，将水泥（砂）浆或其他材料从底部压入，将原先侧壁外的泥浆挤出。待水泥（砂）浆凝固后，沉井稳定，本工程基底土层均为强风化砂岩，稳定系数不需计算。
2.2 沉井抗浮计算
封底后工作井抗浮验算时，工作井重除井壁重量外，需计算背墙、井底底板及封底混凝土重。以W7井为例计算。
Kfw=GK/Fbfwk
式中：Gk—井壁及井内混凝土结构自重；
Fbfwk—水浮托力标准值，γw=10kN/m3，地下水位高程42.67m，刃脚底部高程30.95m；
则Kfw=（477.60×2.5×9.8+46.43×2.4×9.8）/（3.14×4.62×10×11.72）=12793.23/7787.05=1.64＞Kf=1.0，抗浮能力满足要求。
同理求得W1-W6井均能满足抗浮要求。
2.3 沉井封底计算
本工程采用排水下沉，干封底施工，不需进行封底计算。
3 沉井施工
工艺流程：测量放样→基坑开挖→混凝土垫层→搭设脚手架→安装刃脚部位内模板→钢筋绑扎→安装刃脚部位外侧模板并加固→刃脚部位混凝土浇筑→混凝土养护→拆除模板脚手架→第一节下沉→后续节段施工及养护→沉井下沉→沉井封底→养护→浇筑底板。
3.1 工作井、接收井制作
根据本工程的特点与设计规范要求，本工程沉井采用多节制作、分节下沉的方法，每层分节2.4m。
3.1.1 测量放样
根据业主、设计提供的坐标控制点及标高基准点为依据，对沉井所需的轴线及高程进行测量放样。沉井采用极坐标定位控制轴线形成方格网控制。
3.1.2 刃脚施工场地开挖
刃脚部位施工前先采用机械开挖1.5m深基坑，并进行场地平整，保证沉井制作能够均匀下沉，基坑直径比井壁外侧直径大1m-1.5m。为保证制作沉井的地基具有足够的承载力，防止沉井制作过程中发生不均匀沉降，基坑形成后浇筑20cm厚素混凝土，以保证基底的承载力。
3.1.3 刃脚支设
本工程的施工条件分析，刃脚内侧采用砖砌支设。根据中心控制桩和沉井中心桩，在混凝土垫层上放出沉井外边线，然后根据图纸尺寸分别放好刃脚边线。砖模和刃脚接触处涂刷沥青作为隔离剂，每隔3m设一条伸缩缝，便于拆除砖胎模。
3.1.4 钢筋施工
钢筋制作按设计要求，每节井壁竖筋，一次绑好，水平筋分段绑扎，上下节井壁连接处，按《给水排水构筑物施工及验收规范》，伸出主筋接头错开。本工程纵向受拉钢筋锚固长度38d，钢筋连接采用搭接焊，焊缝长度双面焊不小于5d，单面焊不小于10d，且焊缝须错开。钢筋按图纸所示的位置准确地安装，钢筋的所有交叉点均要绑扎，立模前钢筋两侧绑好带铁丝的混凝土垫块，确保钢筋的保护层厚度。
3.1.5 脚手架施工
双排脚手架立于地面之上的立杆底部设10cm×5cm的垫木，每根立杆的支垫面积应符合设计要求。脚手架立杆纵、横距为1.5×1.2m，步高1.8m。沉井内部对撑成整体，外部设置抛撑，确保脚手架稳定。架面板铺设钢制脚手板或50mm厚木板，按现行相关的施工及验收规范施工。
3.1.6 模板施工
①井壁的内外模板全部木模拼装施工。木模采用黑色竹胶合板，尺寸为2.44m×1.22m×15mm。竖背楞采用250mm一道的50×100mm方木，横背楞采用双[10#槽钢弯曲定型，拉杆采用中间焊止水板（满焊）的?准14拉杆，按650mm一道对拉进行加固。
②模板安装：放模板就位线→焊接模板定位钢筋→安装内、外模板临时固定→安装穿墙螺杆→调整模板垂直度→拉通线校正墙体平整度→验收。
③木工模板的制作尺寸要准确，无错台现象，接缝要求平整、不漏浆。先安装下部模板，模板安装并按加固要求施工完后，要全面检查，牢固稳定后再进行下道工序施工。
④为使模板便于脱模，且脱模后井壁表面平整光洁，模板表面涂刷脱模隔离剂，以尽量减少模板与混凝土之间的粘结。
⑤模板拆除先拆外模再拆内模，先拆上部模板再拆下部模板。模板拆除时不得碰撞混凝土表面。拆除模板经施工技术人员同意，分段进行，严禁用撬杠猛撬、硬砸，严禁操作人员站在正在拆除的模板上。
3.1.7 混凝土施工
①沉井混凝土采用商品混凝土，现场采用汽车泵进行浇筑，每节段一次浇筑完成。每节沉井浇混凝土连续进行，混凝土的浇筑按照“全宽断面、分段定点；一个坡度、薄层浇筑；循序推进、一次到顶”的顺序进行。
②浇筑混凝土前检查模板的标高、尺寸、位置、加固情况、平整度等须满足设计及规范要求。每节段接缝处必须进行凿毛处理，以增加节段间结合。对钢筋、预埋件、预留孔洞等进行检查修整。
③混凝土浇筑分层进行，每层混凝土厚度控制在35cm左右。混凝土布料时沿井身周围均匀进行，浇筑过程中发现不均匀时及时补浇混凝土。不得在某一处的墙内集中布料、靠振捣器赶淌混凝土，不允许造成高差过大的现象。
④混凝土振捣采用插入式振动器振捣，振点间距宜控制在150～250mm之间，振捣时“快插慢拔”至混凝土面不再下沉、不再溢出气泡、表面充分泛浆为准。
⑤在浇筑过程中，派专人时刻检查模板的稳固性，注意是否出现跑模、涨模、漏浆等现象，及时发现并时采取措施纠正。
⑥侧模拆除前，顶面采用土工布覆盖浇水养护；侧模拆除后，采用塑料薄膜包裹覆盖，同时要在塑料薄膜表面覆盖土工布，采用滴灌养生，保持混凝土表面湿润，养护时间不少于7天。
3.2 工作井、接收井下沉施工
3.2.1 下沉施工顺序
下沉准备工作→长臂挖机及运土车就位→挖土下沉（泥浆助沉，其中W7井自沉）→边下沉边观测（异常纠偏）→下沉至设计标高→标高核对并观测下沉稳定情况。
3.2.2 沉井下沉方法
①刃脚部位制作完成后，待混凝土强度达到设计强度等级的100%后方可进行砖胎拆除和下沉的准备工作。其他节段达到设计抗压强度标准值的70%后方可下沉。沉井下沉前，井壁预留孔用砖封堵。刃脚部分下沉前事先凿毛。砖砌底模和混凝土垫层凿除要求均匀、对称，采用风镐对称进行，凿除完成后进行土方开挖作业。
②井内挖土须均匀、分层、对称地进行，防止井身偏移。先从中间开始逐渐挖向四周，中间稍低于四周，沉井内的挖土高差控制在1m以内，每层挖土厚度为0.4至0.5m。
③由于长臂挖井需沿井身周边行进施工，井内开挖出的土方及时外运，严禁堆放在沉井附近，以免影响施工并造成沉井偏斜或位移。
④泥浆助沉：利用沉井外壁变薄后与土体结合面位置作为泥浆槽。泥浆用泥浆泵通过预埋的垂直压浆管压入（见图4），使外井壁与土体间泥浆槽内充填泥浆，减小井壁与土体间摩阻力。泥浆采用膨润土及石碱加水调制而成的。沉井挖土施工时注意刃脚底部不能脱空。在工作面附近储备一定量的泥浆，以便下沉过程中进行补浆，保证下沉顺利。当沉井下沉到设计要求标高后，将一定浓度的水泥浆从槽底压入，使沉井阶段泥浆被压进的材料挤出。待泥浆槽中材料凝固后，沉井即可稳定。
⑤沉井下沉过程中，应安排专人进行测量观察。每次观测数据均须如实记录，并按一定表式填写，以便进行数据分析和资料管理。
⑥沉井下沉时控制下沉速度，沉井时如果遇到下沉过快或突沉情况，采取停暂停挖土、停止注浆或在井壁周边留土等止沉措施，防止井身倾斜。
⑦沉井下沉接近设计标高时，放慢挖土速度，降低沉井速度，且每层开挖深度控制在30cm以内，以避免沉井发生倾斜。沉井下沉至距设计底高程10cm左右时停止挖土，让沉井依靠自重缓慢下沉到位。沉井下沉完成后，经观测井身稳定后即可进行沉井封底施工。
3.2.3 井内土方的开挖及运输
①挖土。因沉井较深，平均深度13.0m，最深下沉深度16.2m，采用长臂挖掘机挖土，泥头车运输，人工配合的方法。根据本工程的沉井施工特点，在沉井上口边配备一台长臂式挖掘机（工作状态开挖范围21m），负责井内土方开挖并将其运至地面装车外运。
②渣土运输。沉井下沉时，运渣车及时跟上，反铲直接把渣土挖到渣土车上，并往外运。当运渣车少跟不上反铲开挖时，把渣土存放到现场的临时渣土池里。为了保证渣土能及时输送出去，防止渣土乱倒、乱弃问题，直接把渣土拉到指定的渣土场。并安排专门清洁人员对渣土运输车、路面进行清洗，确保文明施工。
3.2.4 封底及底板浇筑
①根据设计要求，采用1300mm厚C20素混凝土进行封底，并在封底混凝土上浇筑一层60cm或80cm厚钢筋混凝土底板。
②当沉井下沉到位后，在基坑内持续降水，使基坑内无明水，封底前清理地基，将井、刃脚表面的积泥冲洗干净，并保持槽底干燥，无杂物。井壁、刃脚与封底混凝土接触部分均须凿毛成粗糙面，并冲洗干净，以利新老混凝土结合紧密。
③封底混凝土浇筑时对称均匀，在刃脚下必须填实并振捣密实，以保证沉井的最后稳定。
④封底混凝土强度达到100%设计强度后，在封底混凝土上绑扎底板钢筋，钢筋应按设计要求伸入刃脚内侧的凹槽内搭接焊牢。
⑤底板混凝土浇筑时，水平分层、不间断地进行，每层浇筑厚度控制在30cm左右，并采用振捣棒振捣密实。
3.2.5 底板混凝土浇筑后应覆盖土工布，浇水养护，养护期不短于7天。
4 结束语
①对于沉井工程，设计阶段必须将线路方向及施工区域地质情况勘探完成，出具详细地勘报告以知道设计及施工，施工前认为地质勘查报告与实际情况有出入或地质变化较明显区域要加密超前地质钻勘探，保证设计方案的准确。
②沉井下沉施工前，应根据各地层情况按规范标准详尽计算与分析不同情况下井壁摩阻力及下沉系数，以指导沉井施工。
③与本工程类似，当沉井在较好土质的土层（全风化、强风化岩层）中下沉时，在刃脚施工时预留注浆孔，以用来往井壁外侧注入泥浆，使沉井在下沉过程中侧壁外形成泥浆套，可以有效减小侧壁摩阻力，保证沉井的顺利下沉。
④本工程根据地下水位及施工条件的综合分析，沉井采用井内排水下沉的施工，当地下水丰富沉井采用不排水下沉时，需制定详细可行的水下探测手段，确保沉井安全下沉。
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