陳三橋污水處理廠大型沉井施工關(guān)鍵技術(shù)

侯振山 宋學(xué)強(qiáng)

(1.河南五建建設(shè)集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450007； 2.盛世生態(tài)環(huán)境股份有限公司，河南 鄭州 450000)

1 概述

沉井基礎(chǔ)由于埋置深度大、整體性強(qiáng)、穩(wěn)定性好，能夠承受較大的垂直荷載和水平荷載，被廣泛的應(yīng)用于市政、碼頭、橋梁、采礦、水利、水電等工程中[1-4]。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，越來(lái)越多的大型沉井被應(yīng)用于工程建設(shè)中，如江陰長(zhǎng)江大橋北錨碇沉井[5]，泰州長(zhǎng)江大橋中塔沉井[6,7]，南京長(zhǎng)江四橋北錨碇沉井[8]，馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋北錨碇沉井[9,10]，以上沉井均是應(yīng)用于橋梁工程中，目前沉井應(yīng)用于污水處理廠的工程案例比較少見(jiàn)，本文針對(duì)鄭州市陳三橋污水處理廠大型沉井施工技術(shù)進(jìn)行了研究，為后續(xù)類似工程提供借鑒。

2 工程概況

鄭州市陳三橋污水處理廠二期工程沉井直徑31.6 m，呈圓形，高16.95 m(-16.55 m～0.4 m)，沉井刃腳總長(zhǎng)110.3 m。沉井為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，底板頂標(biāo)高最低處為-14.200 m，頂板標(biāo)高處為0.400 m，底板厚度為700 mm，井壁墻厚分別為800 mm,1 000 mm，圓形井壁下設(shè)刃腳，刃腳底標(biāo)高為-16.550 m，寬度450 mm～1 000 mm。考慮在現(xiàn)狀地坪明挖2.7 m，采用沉井方法施工，排水下沉(加強(qiáng)井點(diǎn)降水)，干封底的施工方法，距離沉井8 m處打設(shè)高壓旋噴樁止水帷幕，布置直徑400 mm降水管井，間距8 m左右，沉井起沉標(biāo)高為-3.400 m。

本工程的抗浮及防水設(shè)計(jì)水位標(biāo)高為82.00 m?！?對(duì)應(yīng)絕對(duì)標(biāo)高為84.600，地勘綜合評(píng)價(jià)認(rèn)為本場(chǎng)地是穩(wěn)定的。井身下沉至刃腳底標(biāo)高為-68.05處，井身位于雜填土、粉土、粉砂、粉質(zhì)粘土、細(xì)砂地層，井底位于細(xì)砂地層，刃腳部位承載力特征值為280 kPa。

3 施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 刃腳支設(shè)形式

根據(jù)本工程的具體施工條件分析，沉井的刃腳支設(shè)形式采用土模。在開(kāi)挖2.7 m工作面開(kāi)挖2.5 m寬，0.7 m深溝槽，鋪設(shè)2.5 m寬50 cm厚的中粗砂墊層，為了擴(kuò)大沉井刃腳的支承面積，減輕對(duì)砂墊層的壓力，在砂墊層上澆筑一層20 cm厚的C20素混凝土墊層，素混凝土墊層保證水平，以便模板施工，且表面抹光以此作為刃腳的底模。混凝土墊層強(qiáng)度達(dá)到1.2 MPa之后，回填土，壓實(shí)系數(shù)達(dá)到0.97，回填土高度達(dá)到800 mm，開(kāi)挖刃腳，素噴混凝土，砂漿罩面后進(jìn)行立模、扎筋工作。

3.2 沉井砂墊層計(jì)算

沉井砂墊層厚度計(jì)算:

1)制作第一節(jié)時(shí)，為了防止地基變形造成未達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度的井壁混凝土開(kāi)裂，下臥層地基應(yīng)按容許應(yīng)力狀態(tài)計(jì)算控制，即按容許承載力控制。

2)當(dāng)在第1節(jié)之上接高第2節(jié)及第3節(jié)(沉井3節(jié)連續(xù)制作、1次下沉的狀況)沉井時(shí)，第1節(jié)混凝土已達(dá)到70%以上設(shè)計(jì)強(qiáng)度，它就像剛度和強(qiáng)度都很大的鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)，承載著第2節(jié)及第3節(jié)井體混凝土重量。因此下臥層地基可按接近極限應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算控制，即按極限承載力的折減值Pu來(lái)取值。

(1)

其中,h為砂墊層厚度；Pu為下臥層地基極限承載力的折減值；G為沉井下沉前的單位長(zhǎng)度重量；B為1.4 m刃腳下素混凝土墊層寬度；θ為砂墊層的應(yīng)力擴(kuò)散角，采用30°，即tgθ=0.577。

Pu=f×k1×k2×k3。

Pu=100×3×0.9×0.8=229.5 kPa

(2)

其中，f為下臥層地基的容許承載力，根據(jù)本工程沉井地質(zhì)為第二層粉土，即容許承載力為100 kPa；Pu為下臥層地基極限承載力的折減值；k1為極限承載力的系數(shù)，k1=3;k2為極限承載力的折減系數(shù),k2=0.8～0.95,當(dāng)下臥層為粉質(zhì)粘土或沙質(zhì)粉土等強(qiáng)度較高、壓縮性較低土層時(shí)，可取0.9～0.95,當(dāng)下臥層為高含水量、高壓縮性的淤泥質(zhì)土?xí)r，可取0.8,本工程采用k2=0.9；k3為沉井總自重(含施工荷載)超載系數(shù)的倒數(shù)，取0.83～0.87，本工程采用k3=0.85。

G=(12.75+0.28)×1×25+5=330.75 kN/m

(3)

施工荷載取5 kN/m，混凝土自重25 kN/m3，墊層截面面積為0.28 m2，分三次澆筑、整體一次下沉，三節(jié)澆筑完成混凝土總方量約1 406.7 m3(2.5 t/m3)，即總重約為35 168 kN。

h=330.75/(2×229.5×0.577)-1.4/(2×0.577)=0.101 m

(4)

實(shí)際施工時(shí)設(shè)置500 mm厚砂墊層。

3)砂墊層寬度的計(jì)算。

采用式(5)進(jìn)行砂墊層寬度的計(jì)算：

B≥b+2htanθ

(5)

其中，b為混凝土墊層底面的寬度，m；B為砂墊層底面的寬度，m；h為砂墊層厚度，m；θ為砂墊層的應(yīng)力擴(kuò)散角，采用30°，即tgθ=0.577。

B≥b+2htanθ=1.4+2×0.5×0.577=1.977 m

(6)

實(shí)際施工時(shí)設(shè)置2.5 m寬的砂墊層。

3.3 素混凝土墊層的計(jì)算

素混凝土墊層采用C20混凝土，fc=9.6 MPa，ft=1.1 MPa。

1)素混凝土墊層尺寸的確定。

沉井壁厚800 mm，刃腳寬度1 m，考慮模板的需要，混凝土墊層的寬度采用1.4 m。

2)墊層厚度的計(jì)算。

墊層厚度可按式(7)計(jì)算：

h混凝土=(G/R1-b)/2

(7)

其中，h為混凝土墊層厚度，m；G為沉井第一節(jié)單位長(zhǎng)度重量，kN/m；R1為砂墊層承載力設(shè)計(jì)值，一般為100 kN/m2～200 kN/m2，在此取150 kN/m2；b為刃腳踏面寬度，m。

沉井單位長(zhǎng)度最大為800 mm厚的井壁，刃腳踏面寬度0.45 m。因此G=5.03×25=125.75 kN/m(第一節(jié)外壁截面面積為5.03 m2)。

h混凝土=(G/R1-b)/2=(125.75/150-0.45)/2=0.194 m

(8)

故實(shí)際施工中取混凝土墊層厚度0.2 m。

3.4 沉井制作施工方法

1)沉井制作。

為確保沉井下沉穩(wěn)定，在沉井底部及中上部位置安裝兩道十字交叉鋼支撐直徑800 mm，本工程粗格柵井及進(jìn)水泵房沉井混凝土擬分三節(jié)澆筑成型，分節(jié)制作要求是：

牛皮糖打開(kāi)報(bào)紙，里面一扎一扎有五扎。他拿起一扎，一手抓著錢(qián)的一頭，另一手食指抵住錢(qián)的頂端，大拇指迅速在錢(qián)頁(yè)上啪啪撥弄了一番。然后依舊包好報(bào)紙，塞進(jìn)一只塑料袋，提在手里。

第一節(jié)：制作高度4 m，即標(biāo)高-16.55 m～-12.55 m，澆筑混凝土378.4 m3；

第二節(jié)：制作高度5.85 m，即標(biāo)高-12.55 m～-6.70 m，澆筑混凝土516.3 m3；

第三節(jié)：制作高度5.8 m，即標(biāo)高-6.70 m～-0.90 m，澆筑混凝土511.9 m3。

三次澆筑的自重分別為：946 t,1 290.75 t,1 279.75 t。

結(jié)合本工程設(shè)計(jì)，沉井下沉采用一次下沉，沉井混凝土自重為3 517 t。井身分三次澆筑，共設(shè)置兩道施工縫。

2)施工縫處理。

a.井壁及內(nèi)隔墻水平施工縫采用中間埋設(shè)300 mm寬3 mm厚鍍鋅鋼板止水片，本沉井分三次澆筑，每次均需設(shè)置好鍍鋅鋼板止水片。鍍鋅鋼板的對(duì)接采用焊接，焊縫要滿焊，防止形成滲漏通道。鋼板止水片的固定采用短鋼筋頭點(diǎn)焊固定在主筋上，固定的鋼筋頭在止水帶兩側(cè)錯(cuò)開(kāi)布置。

c.在澆筑第二節(jié)墻體混凝土之前，先澆30 mm厚與墻體混凝土配合比相同的水泥砂漿，以保證接縫處混凝土密實(shí)。

3.5 沉井下沉施工工藝

沉井下沉按照“定位準(zhǔn)確、先中后邊、對(duì)稱取土、深度適當(dāng)”的原則進(jìn)行。先用高壓水槍沖刷沉井，形成大鍋底，然后擴(kuò)大對(duì)稱均勻沖吸四周井格，逐步讓沉井刃腳下沉。每個(gè)吸泥施工井格內(nèi)布置2支高壓水槍和1套泥漿泵，采用高壓水流沖刷沉井底部土體形成泥漿，用泥漿泵通過(guò)輸泥管將泥漿排出井外泥漿沉淀池。本工程共布置7臺(tái)6寸泥漿泵進(jìn)行下沉施工。泥漿沉淀池布設(shè)于靠近沉井施工區(qū)域沉井南側(cè)施工道路所圍區(qū)域，占地面積約3 300 m2，深度為3 m，總?cè)萘繛? 900 m3。而沉井下沉施工總出土量約11 300 m3，因此中途需對(duì)泥漿沉淀池內(nèi)的土體進(jìn)行清理。泥漿沉淀池共分為三個(gè)部分：泥漿池、沉淀池和清水池，泥漿池面積約1 200 m2，沉淀池面積約1 200 m2，清水池面積約1 100 m2。在下沉前，在沉井周圍堆積中粗砂，防止在下沉過(guò)程中，沉井外側(cè)土體隨沉井下沉發(fā)生流動(dòng)，破壞降水井。沉井下沉速度控制在每天1 m左右，下沉過(guò)程中應(yīng)根據(jù)測(cè)量資料隨偏隨糾，及時(shí)調(diào)整標(biāo)高偏差，如圖1所示。

本工程取土共設(shè)有泥漿泵7套，共設(shè)7個(gè)集水坑，集水坑形成后先四周擴(kuò)散取土。

第一步：A,B,C,D,E,F,G區(qū)7套泥漿泵均勻布置在沉井內(nèi)，同時(shí)沖水取土，形成集水坑，如圖1a)所示。

第二步：A,B,C,D,E,F,G區(qū)7套泥漿泵“鍋底”分別同時(shí)向外擴(kuò)散，完成取土，如圖1b)所示。

第三步：整個(gè)基坑形成“鍋底”同時(shí)向外擴(kuò)散，降坑取土，形成集水坑。沉井下沉過(guò)程中應(yīng)根據(jù)測(cè)量資料隨偏隨糾，及時(shí)調(diào)整標(biāo)高偏差，如圖1c)所示。

3.6 沉井封底

3.6.1干封底施工

當(dāng)沉井下沉至距設(shè)計(jì)底標(biāo)高100 cm時(shí)，應(yīng)停止井內(nèi)挖土，使其靠自重下沉至或接近設(shè)計(jì)底標(biāo)高，立即在刃腳位置填沙阻止下沉，進(jìn)行封底。

3.6.2沉井封底后的抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算

抗浮穩(wěn)定性計(jì)算公式為：

K=G/F≥1.1

(9)

其中，G為沉井自重力，kN；F為地下水向上的浮力，kN。

驗(yàn)算條件：

沉井自重為井壁和封底混凝土重量：32 818+12 363.75=45 181.75 kN。

根據(jù)地勘資料抗浮設(shè)計(jì)水位為82.0 m，底板底標(biāo)高為-14.7 m，絕對(duì)標(biāo)高為69.9 m，浮力計(jì)算高度為82.0-69.9=12.1 m。

F=10×0.25×3.14×31.62×12.1=94 848.2 kN>G。

所以直到沉井內(nèi)部結(jié)構(gòu)完成后停止降水。

4 結(jié)語(yǔ)

鄭州市陳三橋大型沉井于2018年12月已完成下沉到位，封底，平面偏差和扭角均滿足設(shè)計(jì)要求，大大地縮短了施工工期,節(jié)省大量的投入,取得了較好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。其成功實(shí)施的方法可以為相類似的地質(zhì)條件下的工程提供借鑒作用。