旋流池沉井设计与施工技术

秦磊朋,张民松

【摘  要】本文分析总结太钢中厚板旋流池沉井的设计思路，施工过程重点注意事项及发生的问题，为今后类似工程提供参考。

【关键词】 沉井；设计；施工

1  工程概况

太钢中厚板工程旋流池为圆形钢筋混凝土结构，采用沉井法施工。旋流池沉井刃脚底标高为-33.00m，内直径16m，外直径由下至上依次为19.4m、18.8m、18.6m，井壁厚度由下至上依次为1.7m、1.4m、1.3m。沉井分两节制作、两次下沉，第一次井壁制作高度24m；第二次井壁接高9m。

采用排水下沉法，沉井外围距离10m布置14口钢管井，井深40m；外围距离8m布置有14口无砂管井，井深25m。

沉井距离轧机电气室11m。

图1  总平面图

2地质水文条件

1)沉井范围内岩土特征及物理力学性质如下：

表1  土层物理力学性质

土层 编号	土层 名称	深度（m）	层厚（m）	密实度/强度	渗透系数	承载力特征值(kPa)
①	杂填土	-7.8	6.9	松散~稍密N=4.4	1.41E-05	85
③	粉土	-11.3	3.5	稍密～中密N=12.3	1.66E-04	150
④	粉土	-14	2.7	密实N=17.0	1.48E-04	170
④1	粉质黏土	-17.1	3.1	可塑N=9.6	2.30E-05	130
④2	粉细砂	-18.9	1.8	中密～密实N=26.6	2.80E-03	200
⑤1	粉土	-20.1	1.2	密实N=26.6	1.29E-04	180
⑤	粉质黏土	-24.7	4.6	可塑N=13.1	3.24E-05	150
⑥	粉细砂	-32.2	7.5	密实N=48.5	2.50E-03	250
⑥1	粉质黏土	-33.9	1.7	可塑N=24.4	4.30E-05	180
⑥	粉细砂	-35.7	1.8	密实N=48.5	2.50E-03	250

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2)①层杂填土和③层粉土承载力较差。⑥层土为粉细砂，承载力较高。沉井终沉预计刃脚落位在⑥层或其夹层⑥1层（粉质黏土）。

3)实测地下水稳定水位埋深为0.05m～3.90m，稳定水位标高792.17m～796.80m。地下水类型为潜水，主要补给来源为工业废水侧漏和大气降水，以地下径流方式排泄。地下水无承压性。

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图2  旋流池地质剖面图

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3沉井施工特点

设计必须与施工紧密结合，沉井的结构形式、各工况下结构受力计算、壁厚、局部构造处理等都是由施工方法决定的。

施工过程复杂，技术方法多样。沉井整个下沉过程处于运动的不稳定状态之中，自身的重量、构造，外部地质水文条件，作业方法与控制措施，这些因素都会影响下沉，造成了沉井施工比其他地下工程施工更为复杂。

4沉井施工条件

1)在沉井范围内不能有无法排除的地下障碍物；

2)在沉井施工的影响范围内最好没有对土体扰动、水位变化较为敏感的构筑物；

3)结合项目总体施工计划，分析沉井施工对周边桩基、设备基础、厂房钢结构的施工影响。

4)沉井对比其它施工方案节省费用、工期。

5沉井结构设计

5.1总体设计施工思路

根据本工程地质水位条件，适合采用排水下沉方案，外围设置管井进行降排水。

沉井分次下沉高度应跟据土层承载力确定，本工程选择承载力较高的⑥2粉细砂层作为第一次下沉持力层，进而确定第一节井壁制作高度24m、第二节井壁制作高度9m。随后进行最终下沉系数、第一节下沉系数、砂垫层、软卧下卧层承载力的计算，推算井壁厚度，再与设计方沟通确定井壁配筋。

沉井在8m深基坑内制作，以减少下沉工作量；在下沉前将井壁外侧基坑回填，利于保证沉井下沉垂直度。

本工程采取台阶式井壁措施计算下沉系数满足规范要求，但考虑地下工程的不确定性较大，增加泥浆套助沉措施，以确保沉井可以下沉到位。

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分节	分段	井壁高 m	壁厚 m	混凝土体积 m3	重量 t	节重 t	总重 t
第一节	刃脚段	6	1.5	460.2	1196.5	4684.6	6337.1
	第二段	6	1.4	458.9	1193.3
	第三段	6	1.4	458.9	1193.3
	第四段	6	1.3	423.7	1101.7
第二节	第五段	5	1.3	353.1	918.0	1652.5
	第六段	4	1.3	282.5	734.4

表2  沉井分段重量计算

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5.2设计参数取值

1)各土层对井壁的侧阻力取地勘报告中PHC预应力管桩极限侧阻力标准值；

2)沉井下沉为切土破坏下沉，故下沉系数计算时刃脚下土层承载力应为地基极限承载力；地基极限承载力由地基承载力特征值计算得来，地基承载力特征值按照《建筑地基基础设计规范 GB50007》5.2.4条进行深度修正计算得出。

极限承载力=修正后的承载力特征值×K1×K2×K3

K1—转换为极限承载力的系数，一般取K1=3；

K2—极限承载力折减系数，可取K2=0.8-0.9；

K3—施工荷载超载系数，一般K3=0.83-0.87。

3)本工程沉井需穿越的各土层厚度、摩阻力、极限承载力见下表：

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表3各土层厚度、摩阻力、极限承载力表

	土层	厚度	极限侧阻力标准值	极限端阻力	井壁台阶降低阻力
①	杂填土	6.9	20		12
③	粉土	3.5	53		31.8
④	粉土	2.7	66		39.6
④1	粉质粘土	3.1	58		34.8
④2	粉细砂	1.8	72		43.2
⑤1	粉土	1.2	78		46.8
⑤	粉质粘土	4.6	65		39
⑥	粉细砂	7.5	85		51
⑥1	粉质粘土	1.7	70		42
⑥	粉细砂	1.8	85	2255	51
⑦	粉土	4.4	75	1500	45

注：井壁外侧为阶梯式时，台阶以上的土体与井壁并不紧密接触，摩阻力有所减少，折减系数取0.5-0.7。

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5.3下沉计算内容

需要对垫层厚度、垫层下窝层承载力、下沉系数与接高稳定性、承压水突涌、封底混凝土抗裂安全系数等验算。

具体计算公式参考【沉井与气压沉箱施工规范 GB/T 51130】。

6沉井施工总流程

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图3  沉井施工总流程图

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7沉井制作

7.1刃脚制作

刃脚可一次制作完成，亦可在抗剪槽部位设施工缝分段制作。其模板支撑可采用砖砌、亦可采用钢结构，砖砌膜拆除时需要凿除、较为费时费力，钢结构易于拆除。

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图4：刃脚模板钢支架

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7.2井壁制作

1)在刃脚拆模完成后及时安装沉降观测点，开展沉降观测，以防井壁逐节施工引起较大的不均匀沉降。密切关注混凝土垫层开裂情况。

2)井壁施工缝采用钢板止水。

3)井壁接高时，内侧脚手架为悬挑架，需要提前预埋悬挑梁埋件。

4)拆模后应将对拉螺栓割断，并用防水砂浆抹面。

5)井壁的预留孔洞，根据其尺寸大小采用砌筑或砌砖+钢框架封堵。

6)每段井壁浇筑高度不宜超过6m。沿井壁均匀对称浇筑混凝土，避免高差悬殊、压力不均，造成井壁偏斜。

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图5：井壁制作图

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8降水井布置

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图6：降水井布置图

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9沉井下沉

沉井下沉分为不排水下沉与排水下沉，其优缺点如下。

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表4沉井下沉方法对比表

下沉方法	适用条件	优点	缺点
不排水 下沉	适用于富水砂层、各类粘土层和软弱土层	对周边环境影响小。	1.浮力大，影响下沉。 2.水下开挖出土速度慢，工期长且费用高。 3.需要分仓进行水下封底，沉井结构需要设置井字梁。
排水 下沉	适用于通过降排水措施可有效控制地下水的地质条件，软弱地质条件不可用	1.挖机可进入井内挖土，出土快下沉快，平均下沉速度可达到0.5～2.0m/天，易于纠偏，控制下沉质量。 2.可实施干封底，提高封底质量。 3.开挖、封底方面可节约施工成本。	在深度较大的情况下，内外水土压差大，对沉井结构的强度和刚度要求高，长时间降水对周边环境有一定影响。

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本项目采用排水下沉、干封底方法，外部设置14口25m深+14口40m深管井降水。采用1台挖机井内取土，70t汽车吊及吊斗配合出土，50t履带吊配机械抓斗备用。

9.1第一次下沉

主要问题：

1)25m深无砂管降水井出水效果差，且多口井出现损坏，导致降水效果不理想，井内明水较多，挖机行走扰动后④1粉质黏土变为松散泥巴土，该层土改用履带吊配抓斗取土。

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图7：  挖机井内取土 图8：  抓斗取土

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9.2第二次下沉

本阶段下沉沉井刃脚主要在⑥粉砂层中，14口40m深钢管深井发挥降水作用，配合井内水泵明排，全程降排水控制到位，且深部砂层有一定粘结强度，未出现流沙情况，顺利下沉到标高、完成封底。第二次下沉期间主要问题有：

1)下沉至-26m时，井内出现透水。经勘查水源为厂外沉淀池，该沉淀池未封底，地下与沉井间形成渗流通道，且厂外沉淀池与沉井之间的线路出现明显塌陷。现场迅速联系业主排空该沉淀池，然后排干沉井内水，消除了此风险。

2)下沉至-27.5m时，受渗流导致的塌陷影响，沉井偏斜增大，四点标高偏差由前一天的0.096m增加至0.249m，虽然现场采取了不均匀挖土措施，偏差仍然在随后几天持续增加至0.377m。现场通过井内不均匀挖土，并在标高较高的一侧进行井外取土，最终沉井纠偏至0.18m。

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图9：  沉井内渗流水 图10：  沉井内挖土

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10封底

封底混凝土厚度2m，分两层浇筑，第一层1m厚封底混凝土终凝后，处理完毕局部渗漏后，再浇筑第二层1m厚封底混凝土，随后开始旋流池内部结构施工。

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图11：沉井封底

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11工期总结

太钢中厚板项目旋流池沉井于2021年6月1日开工，11月24日完成封底，实际总工期为177天，与计划工期完全相符。其中下沉工期总计60天，累计下沉25.683m，日均下沉0.428m。总计取土量约10000m³，日均出土量约188m³。

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表5  工期对比表

序号	工作名称	实际工期 （天）	计划工期 （天）	偏差 （天）
1	基坑开挖、垫层施工	21	30	-9
2	第一节结构制作	62	45	17
3	第一节下沉（含下沉准备）	34	35	-1
4	第二节结构制作	21	25	-4
5	第二节下沉（含下沉准备）	34	35	-1
6	封底（含清底）	5	7	-2
7	总工期	177	177	0

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12对周围环境的影响

沉井下沉时，井外土体出现主动和被动极限应力状态，以及沉井对土体产生很大的摩擦力，向下拖拽土体一起下沉，造成靠近井壁外一圈土体出现明显塌陷。

控制影响范围的主要措施：

1)选择合适的下沉方法。不排水下沉施工严禁通过降低井内水位加速下沉，排水下沉施工严禁超挖。

2)沉井下沉过程中始终坚持“以纠偏为主，以下沉为辅”的原则，使沉井倾斜幅度得到有效控制，可以减少对周边环境的影响。

3)

下沉过程中始终不断的在井壁外侧塌陷处回填土，可以阻止塌陷范围扩大。

4)采取助沉措施，使刃脚与开挖面保持一定的高差，可缩小影响范围。

本工程沉井外侧有约2m范围的塌陷情况，未对临近的电气室施工造成影响。

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图12：沉井下沉示意图

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13结束语

本项目旋流池沉井工程在实施过程中，基本按照预定方案执行，个别工序依据现场条件灵活掌握，突发事件应急响应得当，结构质量优良，渗漏控制及场地塌方控制较好，最终在相对狭窄的场地内，保质、保量、保安全的完成了全部工程内容。

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