廣西液化天然氣項(xiàng)目取水口及海水泵房工程沉井下沉施工技術(shù)

張郁欽 中交四航局第三工程有限公司

1.工程概況

廣西液化天然氣（LNG）項(xiàng)目取水口及海水泵房工程包含取水泵房和進(jìn)水管兩部分。取水泵房布置在后方陸域，為沉井結(jié)構(gòu)，平面尺寸為45.2×37.4m（長×寬）、高17.7m；主要包括前池、濾網(wǎng)間及泵房三段，三段整體現(xiàn)澆成一箱涵結(jié)構(gòu)，由邊墻及中間隔墻、刃腳等組成，在沉井底部3.7m范圍，由內(nèi)外墻刃腳及底梁將沉井格分為56個格倉，格倉主要平面凈尺寸為3.5m×5.2m、3.5m×4.5m、3.5m×5.9m、3.5m×5m，沉井周邊土質(zhì)主要為中粗砂及黏土。經(jīng)過反復(fù)研究與充分討論，采用土體置換聯(lián)合鋼板樁止水排水法下沉沉井施工技術(shù)進(jìn)行施工。

2.土體置換聯(lián)合鋼板樁止水排水法特點(diǎn)

（1）施工安全，效率高。在沉井基礎(chǔ)下沉?xí)r，采用機(jī)械設(shè)備實(shí)施水下開挖作業(yè)，解決堅(jiān)硬土層取土困難的問題，安全高效取土，并回填中粗砂，完成土體置換。接著開展沉井預(yù)制作業(yè)，在井內(nèi)配合水力施工設(shè)備進(jìn)行取土，采用排水法進(jìn)行下沉作業(yè)，保證施工質(zhì)量，提升施工效率。

（2）便于控制沉井下沉施工質(zhì)量。沉井下沉作業(yè)中，置換的土體為中粗砂，這種砂土具有土質(zhì)單一和承載力均勻的特點(diǎn)，便于控制沉井下沉的施工質(zhì)量，控制原堅(jiān)硬土體對沉井下沉的影響，避免損害沉井的刃腳，預(yù)防因土體土質(zhì)不均勻而導(dǎo)致沉井下沉局部質(zhì)量問題。

（3）施工安全性高。該施工技術(shù)土體置換聯(lián)合鋼板樁止水排水法，并配合水位觀測井，動態(tài)跟蹤沉井周邊水位變化情況，測量沉井內(nèi)外水頭差，達(dá)到保證施工安全的效果，為沉井下沉施工提供干燥良好的施工環(huán)境，避免出現(xiàn)流沙和管涌等不良現(xiàn)象的出現(xiàn)。

（4）降低施工成本。土體置換聯(lián)合鋼板樁止水排水法所需要的施工設(shè)備較少，也不需要特殊的機(jī)械設(shè)備，操作簡單，取土安全，效率較高，并且能夠控制工程造價，達(dá)到降低施工成本的目的。

3.工藝原理

土體置換聯(lián)合鋼板樁止水排水法下沉沉井施工工藝原理見圖1。為了保證沉井作業(yè)順利進(jìn)行，先采用機(jī)械設(shè)備穿過沉井下沉作業(yè)范圍的堅(jiān)硬土層，挖除堅(jiān)硬土體，并回填中粗砂，振沖密實(shí)后再進(jìn)行沉井預(yù)制作業(yè)。采用鋼板樁作為止水措施。在布置鋼板樁時，按照沉井施工的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，將鋼板樁布置在沉井周邊，注意在沉井下沉過程中密切關(guān)注鋼板樁的沉降位移，避免鋼板樁出現(xiàn)變形、損壞等質(zhì)量問題。

圖1 施工工藝原理圖

4.施工工藝流程及操作要點(diǎn)

4.1 測量放樣

以沉井施工圖紙為參考，科學(xué)布置施工基線和水準(zhǔn)點(diǎn)，同時，為了便利測設(shè)作業(yè)的進(jìn)行，在通視條件良好、安全穩(wěn)定性較高的地方布置基點(diǎn)，完成整個施工范圍的基點(diǎn)布置作業(yè)，保證基點(diǎn)覆蓋的有效性。配合GPS定位技術(shù)智能化控制、精細(xì)化管理，完成測量放樣作業(yè)，并在原地面位置醒目標(biāo)記沉井施工的具體位置。

4.2 堅(jiān)硬土層開挖

①堅(jiān)硬土體的主要組成成分有孤石、卵石等，堅(jiān)硬土體開挖作業(yè)選擇應(yīng)用挖掘機(jī)、挖泥船等施工設(shè)備，按照階梯放坡法的方式完成水下開挖作業(yè)。根據(jù)施工現(xiàn)場土質(zhì)的實(shí)際情況設(shè)計坡率和坡高，參考類似工程的施工經(jīng)驗(yàn)，并且對開挖邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行計算，以確保施工的安全性。

②根據(jù)沉井刃腳底部的實(shí)際標(biāo)高調(diào)整采土測量，若沉井刃腳底部的設(shè)計標(biāo)高＜堅(jiān)硬土層的底部標(biāo)高，則挖除沉井刃腳底部設(shè)計標(biāo)高以上的所有堅(jiān)硬土層；若沉井刃腳底部的設(shè)計標(biāo)高≥堅(jiān)硬土層的底部標(biāo)高，則只需要將沉井中部的堅(jiān)硬土層開挖至刃腳設(shè)計底標(biāo)高位置，但在沉井周邊位置預(yù)留出2～3m厚的堅(jiān)硬土層，這樣不僅能夠保證沉井終沉質(zhì)量，同時對預(yù)防地下水滲透也有積極作用。

4.3 回填振沖砂

取土完成后，采用中粗砂進(jìn)行回填置換，中粗砂回填面頂部標(biāo)高預(yù)留出50cm的沉降量。綜合考慮施工現(xiàn)場情況、類似工程經(jīng)驗(yàn)及規(guī)范，采用振動水沖法的方式進(jìn)行加固密實(shí)，科學(xué)設(shè)置施工參數(shù)，規(guī)范布置振沖點(diǎn)，按照梅花形布置，控制各個振沖點(diǎn)的間距，振沖點(diǎn)間距控制在2.5m?；靥钫駴_砂的加固密實(shí)度達(dá)到沉井預(yù)制作業(yè)的要求，地基承載力滿足沉井預(yù)制的要求。

4.4 施打鋼板樁

鋼板樁布置在沉井周圍，適宜搭設(shè)土體滑動破裂面之外的位置，鋼板樁的施工打入能夠極大提升止水效果。另外，鋼板樁打設(shè)施工時控制鋼板樁的打入深度，鋼板樁的底部充分進(jìn)入不透水層，深度保持在2m以上，同時控制鋼板樁距離沉井的距離，保證止水效果。鋼板樁距離沉井外壁的距離按下式計算：

式中：d為鋼板樁距沉井外壁的距離（m）；H為沉井下沉的總高度（m）；φ為土體的內(nèi)摩擦角（°）。

先采用起吊設(shè)備將鋼板樁吊起，接著采用屏風(fēng)式打入法將鋼板樁打入不透水土層，最后在外露鋼板樁的四周增設(shè)支撐，避免鋼板樁出現(xiàn)變形現(xiàn)象，影響止水效果。

4.5 水位觀測井布置

布置水位觀測井的主要目的是觀測水位，水位觀測井采用直徑為10cm的PVC管，并在PVC管管壁均勻鉆孔，最后將PVC管插入鋼板樁內(nèi)側(cè)的鉆孔內(nèi)，完成水位觀測井的布置，同時為了避免其他施工工序和施工人員破壞已布置好的觀測井，在觀測井附近架設(shè)警示標(biāo)志牌，做好保護(hù)措施。

4.6 沉井預(yù)制

沉井預(yù)制按照分層的原則來進(jìn)行預(yù)制，并且為了控制沉井刃腳及底梁對置換完畢的回填砂面造成影響，產(chǎn)生超出安全允許范圍內(nèi)的壓應(yīng)力，在沉井刃腳及底梁下設(shè)置素混凝土墊層。素混凝土墊層的厚度可按下式計算：

式中：h 為素混凝土墊層厚度（m）；G為沉井第一節(jié)每延米長度的重量（kN/m）；R為砂層地基承載力特征值（kPa），為減小沉井預(yù)制時的沉降，一般取松散狀態(tài)砂層的承載力特征值，其值為100kPa；b為沉井刃腳踏面的寬度（m）。

4.7 排水取土下沉

排水取土以水力機(jī)械為主，先采用高壓水槍對土體進(jìn)行破碎處理，使得砂土轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲃拥哪酀{，再通過泥漿泵將流動泥漿排出井外。在實(shí)際的排水取土下沉作業(yè)中，根據(jù)沉井的具體尺寸大小和下沉施工實(shí)際情況調(diào)整水力機(jī)械的數(shù)量，保證排水取土效率，避免出現(xiàn)浪費(fèi)。排水取土下沉施工方法具體見圖2。

圖2 水力機(jī)械取土下沉沉井施工示意圖

為了保證沉井下沉作業(yè)的安全性，在沉井下沉之前布置沉降位移觀測點(diǎn)，觀測沉井下沉施工的土體狀態(tài)變化，分析土體的沉降位移量。若出現(xiàn)土體變形沉降量過大的情況，則采取相應(yīng)的解決辦法，及時回填，保證鋼板樁內(nèi)外土體高度基本一致，確保鋼板樁的穩(wěn)定性。

4.8 下沉速率、平面位置測量

為確保沉井施工的安全與質(zhì)量，在施工過程中，做好各項(xiàng)監(jiān)測方案及措施，主要監(jiān)測內(nèi)容見表1。

表1 土體置換聯(lián)合鋼板樁止水沉井下沉施工監(jiān)測項(xiàng)目

4.9 沉井下沉糾偏

沉井下沉偏差主要有傾斜偏差和位移偏差兩種，在實(shí)際的下沉作業(yè)中根據(jù)不同的偏差類型，分析產(chǎn)生偏差的原因，并采取針對性的糾偏策略。

①偏出土糾偏.如果是在沉井入土深度較淺的時候出現(xiàn)傾斜偏差，可選擇應(yīng)用偏出土的方式進(jìn)行糾偏，沉井刃腳較高一側(cè)多挖土，另外一側(cè)少挖土或者適當(dāng)回填砂，但偏出土的過程中切忌過急過快操作，應(yīng)逐步擴(kuò)大挖土量，勻速穩(wěn)定地完成糾偏工作。

②井外射水、井內(nèi)偏出土相結(jié)合糾偏。如果是沉井入土深度較深的時候出現(xiàn)偏差，受到井內(nèi)約束力的限制，這個時候單純靠偏出土的方式已經(jīng)無法完成糾偏工作，則需要調(diào)整糾偏策略，采取井外射水與井內(nèi)偏出土相結(jié)合的方式完成糾偏，具體的工作原理為采用水力機(jī)械設(shè)備在刃腳較高的一側(cè)取土，而在適當(dāng)回填刃腳較低的一層，并配合高壓射水管，在刃腳較高一層沉井井壁的外側(cè)噴射高壓水，沖擊破壞原土層結(jié)構(gòu)，逐漸完成糾偏。

③增加偏土壓或偏心壓重糾偏。在沉井入土深度較深時，還可以采用增加偏土壓或偏心壓重糾偏的方式進(jìn)行糾偏，在傾斜一側(cè)的沉井刃腳位置回填中粗砂，改變沉井兩側(cè)的土壓，也可以利用壓重調(diào)整沉井高的一側(cè)，通過施壓的方式提升高側(cè)的下沉速度，以達(dá)到理想的糾偏效果。

4.10 終沉

按照沉井下沉施工規(guī)范進(jìn)行下沉作業(yè)，直到沉井距離設(shè)計標(biāo)高3m時，先中止排水取土下沉作業(yè)，查驗(yàn)沉井的自沉量，并根據(jù)觀測結(jié)果調(diào)整排水取土的速度，逐漸完成沉井的糾偏，最后預(yù)留出一定的距離，由沉井自沉至設(shè)計位置。

4.11 封底

查驗(yàn)沉井自沉量，若沉井8h內(nèi)的自沉量不超出1cm，即可判斷沉井到底設(shè)計標(biāo)高位置，可以進(jìn)入下一道施工工序，開展沉井封底作業(yè)。計算沉井需要抵抗的水壓力，確定沉井封底混凝土厚度。沉井封底厚度設(shè)計為2.5m，采用C30混凝土進(jìn)行封閉，遵循“先帶水后抽干”的施工原則完成沉井封底作業(yè)。在沉井東、西、北側(cè)的2倉格放入2根直徑為200～300mm的鋼制導(dǎo)管，采用垂直導(dǎo)管法進(jìn)行不排水封底，鋼制導(dǎo)管由操作手操作汽車吊吊裝至倉格澆筑倉，再將漏斗放置在鋼制導(dǎo)管頂部，由漏斗向澆筑倉泵送混凝土，完成第一次封底作業(yè)。7d后，采用抽水泵排出沉井內(nèi)的水，抽干之后進(jìn)行混凝土現(xiàn)澆作業(yè)，在沉井東西兩側(cè)分別布置1臺52m汽車泵，保證混凝土澆筑效率和質(zhì)量。

5.結(jié)語

綜上所述，沉井下沉施工會受到諸多因素的影響，根據(jù)不同的地質(zhì)條件，采用適合的施工方法，同時，加強(qiáng)沉井下沉施工質(zhì)量控制具有重要現(xiàn)實(shí)意義，有利于預(yù)防沉井傾斜和偏差，保證沉井下沉的施工安全、進(jìn)度、質(zhì)量及控制施工成本。本文依托廣西液化天然氣項(xiàng)目取水口及海水泵房工程，對土體置換聯(lián)合鋼板樁止水排水法下沉沉井施工技術(shù)進(jìn)行了探討，希望所提內(nèi)容能夠?yàn)轭愃乒こ烫峁﹨⒖肌?/p>