工業(yè)園區(qū)雨污水分流設(shè)施的沉井施工技術(shù)

薛利鋒

(中鐵十八局集團(tuán) 建筑安裝工程有限公司，天津 300308)

天津市津南區(qū)小站鎮(zhèn)工業(yè)園區(qū)雨污河流系統(tǒng)存在很多弊端，無法滿足合流處理的需求。尤其是在雨季，管道系統(tǒng)中的雨水會(huì)混入大量污水進(jìn)入到月牙河，對周圍水體環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞，同時(shí)也會(huì)威脅到地下水的水質(zhì)?，F(xiàn)有建成區(qū)的合流制管道設(shè)計(jì)年代比較長，并且進(jìn)行了多次改造，路徑復(fù)雜，各管道銜接處存在不夠通暢的問題，難以實(shí)現(xiàn)降雨污水順利排出，對當(dāng)?shù)氐目諝?、水體造成了較大污染?？茖W(xué)布設(shè)沉井設(shè)施，不僅能有效解決雨污水難以順利排出的問題，而且還有助于緩解城市洪澇問題，打造“海綿城市”，促使區(qū)域城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長?；诖?，開展工業(yè)園區(qū)雨污水分流設(shè)施的沉井施工技術(shù)的分析研究就顯得尤為必要。

1 工程概述

天津市津南區(qū)小站鎮(zhèn)工業(yè)園區(qū)雨污水分流改造工程建成區(qū)新建1套雨水收集、排放管網(wǎng)系統(tǒng)，1座雨水提升泵站，設(shè)計(jì)規(guī)模16 m3/s；拓展區(qū)新建1座一體化污水提升泵站、1套污水輸送管，設(shè)計(jì)規(guī)模70 L/s。拓展區(qū)污水并入現(xiàn)8號(hào)路泵站前池，并入后，8號(hào)路污水泵站規(guī)模由原來的150 L/s擴(kuò)大至220 L/s；拓展區(qū)新建雨水排放口1個(gè)，其設(shè)計(jì)規(guī)模9 m3/s。起步區(qū)建成較晚，為雨污分流排水體制，其中污水通過8號(hào)路泵站提升至1號(hào)路泵站，再由6號(hào)路泵站轉(zhuǎn)輸至雙林污水處理廠；雨水通過盛坤新苑雨水泵站，排放至月牙河。拓展區(qū)起步較晚，排水系統(tǒng)按雨污分流設(shè)計(jì)，處在逐步建設(shè)完善中，已經(jīng)具備分流收水條件。本區(qū)建有拓展區(qū)雨水泵站1座，雨水經(jīng)拓展區(qū)雨水泵站排入四丈河；部分污水則匯入建成區(qū)合流管網(wǎng)，最后提升至雙林污水處理廠。

2 沉井的特點(diǎn)分析

沉井是深基坑修筑時(shí)常用的一種施工技術(shù)，先在施工區(qū)域內(nèi)開挖制作鋼筋混凝土井身，等達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度之后，分層挖出井身土體，利用沉降自身的重力，克服和土壁之間的摩擦力以及刃腳的反力，促使沉井不斷下沉，直到達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高，再進(jìn)行封底操作。沉降的特點(diǎn)決定了其可以在場地狹窄條件下進(jìn)行較深施工，而且?guī)缀醪粫?huì)對周圍的環(huán)境造成影響和破壞，在復(fù)雜的水文地質(zhì)條件下也可以進(jìn)行施工。與大規(guī)模開挖施工相比，沉井土方挖量小，施工速度快，但工序較多，對施工技術(shù)的要求比較高，施工質(zhì)量控制難度大。按照沉井平面形狀不同，可分為多種結(jié)構(gòu)形式，具體情況見圖1。不同現(xiàn)狀的沉井應(yīng)用范圍也不相同，需要結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，選擇與之相適的沉井，才能發(fā)揮出沉井的優(yōu)勢和應(yīng)有的作用[1]。

① 圓形沉井；② 方形沉井；③ 矩形沉井；④ 多邊形沉井；⑤ 多孔形沉井；⑥ 圓柱形沉井；⑦ 圓柱帶臺(tái)階形沉井；⑧ 圓錐形沉井；⑨ 階梯形沉井。圖1 沉井平面及剖面形式

3 在工程中應(yīng)用沉井施工技術(shù)的要點(diǎn)

案例工程對沉井施工質(zhì)量有嚴(yán)格要求，為滿足后期持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的需求，本工程經(jīng)過詳細(xì)的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較，再結(jié)合切實(shí)可行的施工要求，決定采取鋼筋混凝土矩形沉井，有效滿足了施工需求。

3.1 施工準(zhǔn)備

沉井施工工序比較多，需要進(jìn)入連續(xù)施工，這就需要在施工之前必須做好相應(yīng)的準(zhǔn)備工作。除整平場地、布設(shè)臨時(shí)設(shè)施、準(zhǔn)備水電等之外，還要做好地質(zhì)勘察、編制科學(xué)合理的施工方案、布設(shè)測量控制網(wǎng)等，從而為后期沉井的正式施工提供相關(guān)參數(shù)和指導(dǎo)，保證各道工序能夠安全有序地開展[2]。

3.2 制作沉井

制作沉井是沉井施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，沉井制作質(zhì)量直接關(guān)系到沉井作用的發(fā)揮。為保證沉井施工質(zhì)量，在制作沉井時(shí)要同時(shí)從以下兩個(gè)方面入手：

(1) 搭設(shè)刃腳。刃腳也就是沉井的最下部，按照沉井自重、施工荷載的不同，有3種搭設(shè)方式：墊架搭設(shè)法、磚砌墊座搭設(shè)法和土模搭設(shè)法。本工程地基比較松軟，且沉井自重大，采用墊架搭設(shè)方法(圖2)，取得了良好效果。

① 刃腳；② 砂墊層；③ 枕木；④ 墊架；⑤ 模板。圖2 刃腳支架搭設(shè)示意圖

在具體搭設(shè)中，先在刃腳位置鋪設(shè)一層砂墊層，再鋪設(shè)枕木和墊架，對稱架設(shè)。首先布設(shè)8組定位墊架，然后在枕木上支設(shè)刃腳及沉井井壁模板，枕木之間用砂填埋充實(shí)，并保證枕木中心能夠和刃腳中心相互重合[3]。

(2) 制作井壁。本工程沉井深度大，為保證施工質(zhì)量，在沉井制作時(shí)采取了分節(jié)制作、分節(jié)下沉的方法。井壁模板可選擇定型模板，也可以選擇滑模澆筑，如果沉井深度比較小，就選擇前者；如果深度比較大，則選擇后者，但需要分節(jié)制作，并保證井壁模板的水平接縫為凹凸型，以提升模板接縫的密實(shí)性，避免發(fā)生滲漏問題[4]。本工程井壁模板搭設(shè)示意圖見圖3。

① 下部沉井；② 腳手架固定鐵件；③ 鋼模板；④ 為楞鋼；⑤ 對拉螺栓；⑥ 止水片；⑦ 木質(zhì)墊塊；⑧ 頂部撐木；⑨ 腳手架。圖3 沉井井壁鋼模板支設(shè)示意圖

所有的鋼筋都通過人工綁扎完成，在混凝土澆筑時(shí)，通過起重機(jī)吊運(yùn)混凝土吊斗的方法進(jìn)行分層澆筑，每層澆筑厚度控制在30 cm以下，但要做到對稱澆筑，以免發(fā)生不均勻沉降[5]。

3.3 沉井下沉系數(shù)計(jì)算

在沉井正式下沉施工之前，需要提前進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算、下沉驗(yàn)算、抗浮驗(yàn)算，以保證總體施工質(zhì)量能夠滿足要求。本工程沉井下沉系數(shù)計(jì)算簡圖見圖4。

圖4 沉井下沉系數(shù)計(jì)算簡圖

具體計(jì)算公式為

K0=(G-B)/Tf

(1)

式中：K0為下沉系數(shù)，取值根據(jù)土質(zhì)條件的不同，有一定的差別，總體取值在1.05～1.25；G為沉井自身的重量，kg；B為沉井在下沉過程中受到地下水的浮力影響的大小，kN；Tf為井壁和巖土之間的摩擦力，kN/m2。

流速狀黏土井壁摩阻力在10～15 kN/m2，軟塑和可塑狀黏性土的井壁摩阻力在12～25 kN/m2，粉砂和粉性土的摩阻力在15～25 kN/m2，砂卵石的摩阻力在17.7～29.4 kN/m2。如果沉井下沉系數(shù)比較大，就容易發(fā)生突沉問題，因此在沉井施工中需要加設(shè)隔墻或者橫梁來避免發(fā)生突沉問題，并要進(jìn)行下沉穩(wěn)定性計(jì)算，其計(jì)算公式為

(2)

式中：K0為沉井在下沉過程中的穩(wěn)定系數(shù)，取值在0.8～0.9；R為沉井施工中地基承受的反力之和。

沉井下沉?xí)r，受到浮力、摩擦力等因素的影響，無法順利下沉?？稍诓黄茐某辆傮w結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，在頂部堆放一些重物，如沙袋、鋼結(jié)構(gòu)等，通過提升沉井自身質(zhì)量的方法，實(shí)現(xiàn)下沉[6]。

3.4 沉井下沉施工

在案例工程施工中采取排水下沉法，通過排水和降水相互結(jié)合的方法，促使沉井順利下沉到指定位置，主要包括以下內(nèi)容：(1) 明溝聯(lián)合集水井。通過如圖5所示明溝將地下水引入到沉井中，再通過潛水泵將地下水排出，為沉井下沉營造一個(gè)良好的條件[7]。當(dāng)集水井積水量比較少時(shí)，可直接通過高揚(yáng)程潛水泵排出。(2) 井點(diǎn)降水?？稍诔辆車荚O(shè)多個(gè)井點(diǎn)，來降低地下水，收集到井中的地下水，可通過潛水泵排出，為沉井下沉施工營造一個(gè)無水的環(huán)境。(3) 井點(diǎn)和明溝排水相互結(jié)合的方法。在沉井外部周圍布設(shè)井點(diǎn)截水，在沉井內(nèi)部輔以明溝和集水井通過水泵進(jìn)行排水[8]，具體施工示意圖見圖6。

① 水泵；② 膠管；③ 排水溝；④ 集水井；⑤ 鋼支架；⑥ 吊架。圖5 明溝排水方法

① 真空井點(diǎn)；② 降低后的水位線；③ 明溝；④ 潛水泵；⑤ 深井井點(diǎn)。圖6 井點(diǎn)和明溝排水相互結(jié)合的排水方法

3.5 沉井封底

沉井下沉到設(shè)計(jì)位置后，及時(shí)進(jìn)行封底操作(圖7)[9]。常用的封底方法有兩種，一種是有排水封底，另一種是不排水封底。第一種沉井方法主要先對混凝土進(jìn)行打毛處理，去除表面浮漿和雜物，并對井底進(jìn)行修整，形成類似鍋底形的井底，開挖排水溝，底部鋪設(shè)一層卵石，制作成濾水暗溝。在沉井周圍設(shè)置2個(gè)或者3個(gè)集水井，深度1～2 m即可，通過盲溝相互連接，插入φ600～800 mm的鋼管，用尼龍窗紗外包兩層，周圍用卵石回填，使井底水流集中到井中，用潛水泵排出，始終確保地下水水位低于基底面50 cm。

① 沉井；② 卵石盲溝；③ 封底混凝土；④ 底板；⑤ 砂漿面層；⑥ 集水井；⑦ φ600～800 mm帶孔鋼或混凝土管，外包尼龍網(wǎng)；⑧ 法蘭盤蓋。圖7 沉井封底施工示意圖

4 施工中遇到的問題和解決措施

案例工程在沉井施工中也遇到了一系列問題，為保證施工質(zhì)量，依據(jù)問題的表現(xiàn)形式及成因進(jìn)行分析，并且采取有針對性的解決方法，取得了良好效果。

(1) 針對沉井在下沉過程中，井壁與土壁之間存在較大摩擦，沉井的重量比較輕，在摩擦力的影響下，無法完成自主下沉；遇有地下管道、樹根等障礙物的情況而發(fā)生的懸掛，下沉速度非常慢，甚至局部地引發(fā)下沉困難等問題，采取提升沉井的自重，促使沉井能夠自由下沉，如加大混凝土澆筑量，或者在沉井頂部加重荷載，將刃腳附件的土層挖開，為沉井下沉提供充裕的條件。如果遇到堅(jiān)硬地質(zhì)無法下沉，可采用爆破振動(dòng)的方法，加快下沉速度，但需要對裝藥量嚴(yán)格控制，最大不能高于0.1 kg。

(2) 在沉井施工中，如果沉井施工位置為軟土層，含水量比較大，承載力差，無法承受沉井的自身重力而下沉速度過快，會(huì)影響沉井的質(zhì)量，容易超過設(shè)計(jì)深度，不利于保證總體質(zhì)量。這些問題的解決，主要是通過木垛來支撐沉井定位墊架，同時(shí)調(diào)整挖土的速度，尤其是刃腳位置的土層先不挖除，采用不排水下沉法進(jìn)行沉井下沉施工。

(3) 針對土質(zhì)比較松軟，井外四周回填土夯實(shí)不及時(shí)或不均，下沉速度過快，來不及控制，致使沉井下沉?xí)r脫離了允許范圍而產(chǎn)生沉井傾斜的現(xiàn)象，應(yīng)在沉井施工之前進(jìn)行全方位的地質(zhì)勘查，掌握地質(zhì)水文條件，提前制定有針對性的處理措施，控制好沉井下沉的速度，如發(fā)現(xiàn)偏移，及時(shí)用砂礫填夯實(shí)。

5 結(jié) 語

本文結(jié)合天津市津南區(qū)小站鎮(zhèn)工業(yè)園區(qū)雨污水分流改造工程實(shí)際情況，分析了沉井施工的要點(diǎn)。分析結(jié)果表明，沉井是雨污水分流系統(tǒng)的主要組成部分，受到地質(zhì)水土條件以及沉井特點(diǎn)的影響。沉井施工難度比較大，不僅需要綜合考慮地質(zhì)條件、地下水高度，而且需要通過一系列計(jì)算、驗(yàn)算分析，才能保證沉井下沉的穩(wěn)定性和安全性，提升沉井一次成功率，實(shí)現(xiàn)雨污水的分流處理，降低對周圍生態(tài)環(huán)境造成的影響和破壞。該施工技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，可供類似工程學(xué)習(xí)和參考。