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【摘 要】 为了满足城市发展的需要,降低对城市居民的影响,电力工程的电缆敷设逐渐由天上转入地下,顶管施工作为一种非开挖技术在电力缆化工程得到了广泛应用,顶管施工的工作井和接收井通常采用沉井法施工,本文着重介绍一下干沉法沉井施工。
【关键词】 电力缆化;顶管;沉井;干沉法
1、工程概述
华能福州电厂~凤坂π入排尾220kV电缆线路工程全线采用顶管法施工,线路长度6.5km,沿线设计工井(工作井及接收井)19个,副井(通风及上下人)8个,工井平面尺寸8m×8m、8m×7m、6m×5.5m、6m×6m、5m×3.8m、圆井(内径8m),深约7~23m,工作井和接收井全部采用干沉法沉井施工。现以G19井为例介绍一下干沉法沉井施工应用。
1)沉井规模和构造
G19沉井为钢筋混凝土方形构筑物,混凝土标号为C35P8,内空尺寸6m×5.5m,壁厚0.70m,沉井总高度为13.8m,刃脚高度1.8m。
图1 沉井剖面图
2)地质及水文
沿线工程场地位于福州盆地的东南部,其中G19井位位于排尾路,距离闽江较近,属于海湾溺谷相冲洪积~淤积盆地地貌,据钻探揭示沿线场地,20m深度范围内分布有饱和、松散~稍密的③1粉细砂、④中细砂、⑥含泥中细砂。
沿线场地地下水类型主要为赋存于④中细砂、⑥含泥中细砂、⑧中砂、⑨砾卵石中的孔隙潜水,以及局部地表填土层中的上部滞水。各砂层含水量较丰富。地下水主要受大气降水及周边地表水(闽江、光明港河及其支流等)的补给影响,地下水位年变化幅度约1-2m。沿线钻孔内地下水(混合)稳定水位埋深约1~2.5m,标高约4.2~5.8m,局部钻孔实测水位埋深较大(≥7m),其水位受临近地下工程施工降水影响明显。
2、工程难点及重点
本工程地下水非常丰富,地质以砂层为主,透水性非常强。干沉井法施工即排水法下沉,其最大的难点就是工程的止水及沉井的下沉控制。
3、沉井的止水措施
根据设计要求,沉井四周采用双排围护桩帷幕(高压旋喷桩Φ850@600)进行止止水,沉井底部采用满堂固化桩(高压旋喷桩Φ1000@700)进行止土止水,坑底固化桩与双排维护桩搭接不少于300mm,以形成封闭的止水止土帷幕。先施工沉井周围双排维护桩止土止水帷幕,然后施工沉井底部的固化桩。
4、干沉法下沉方法
沉井施工的一般方法为:一次制作、一次下沉;分节制作、一次下沉;多节制作、分节下沉(制作与下沉交替进行)。沉井过高,施工技术难度较大,而且在下沉时容易发生倾斜,因此应采用分节制作、分节下沉方法。沉井分节制作的高度,应保证其稳定性并能使其顺利下沉。根据本工程的特点与设计要求,对沉井采用四节制作、三次下沉的方法。
分四节制作:第一节沉井高度为1.8m,第二节沉井高度为6m,第三节高度为3m,第四节高度为2m。
分三次下沉:第一节与第二节制作完毕进行第一次下沉,然后制作第三节后进行第二次下沉,然后制作第四节后进行第三次下沉到设计高程。
5、沉井工艺流程
根据本工程的特点与施工方法,沉井主要工序的工艺流程安排见下图所示:
图2 沉井工艺流程图
6、沉井下沉验算
沉井下沉前,应对其在自重条件下能否下沉进行必要的验算。沉井下沉时,必须克服井壁与土间的摩阻力和地层对刃脚的反力,其比值称为下沉系数K,一般应不小于1.15~1.25。根据《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》CECS137:2002显示当沉井井壁外侧为直壁时,摩阻力随土深而加大,并且在5m深时达到最大值,5m以下时保持常值。摩阻力沿沿井壁外侧的分布图形如下图所示:
图3 沉井下降摩阻力计算简图
沉井下沉系数的验算公式为:Kst≥1.05时可自动下沉,否则要采取助沉措施。
Kst=(Gk-Ffw,k)/(Ffk+R)
式中:Kst——下沉系数
Gk——沉井自重标准值(kN),钢筋混凝土结构重度为25kN/m3
Ffw,k——下沉过程中水的浮托力标准值(kN),如采取排水下沉法时,Ffw,k=0
Ffk——井壁总摩阻力標准值(kN),Ffk=S1×fk
S1——井壁外侧面积(㎡)
fk——井壁与土间的摩阻系数(KPa),由地质资料提供本工程主要特征地层:④中细砂,其摩阻系数为15kN/㎡
R——刃脚反力(kN),R=S2×fak,如将刃脚底部及斜面的土方挖空,则R=0。
S2——刃脚底面积
fak——地基承载力特征值,③1粉细砂特征值为120kN/㎡
表1 沉井下沉系数验算表
下沉
次数 沉井高度
(米) 沉井重量
(kN) 浮力
(kN) 摩阻力
(kN) 刃脚反力
(kN) 下沉
系数 是否满
足要求
第一次 7.8 3521.7 0 2273.7 0 1.55 满足
第二次 10.8 4876.2 0 3560.7 0 1.37 满足
第三次 12.8 5779.2 0 4418.7 0 1.31 满足
7、干沉法下沉的主要方法和措施
1)本工程由于高喷旋喷桩止水帷幕施工效果比较好,井内抽水后土体以砂为主,持力性较好,因此采用一台小型(0.25m3)液压反铲挖掘机在井内进行机械开挖,装满自卸斗后,由一台50T吊机吊出至卸土点。 井内土方挖运实行人机同时作业,必须加强对井下的操作工人的安全教育和培训,强化工人的安全意识,并落实安全防护措施,以防止事故发生。
2)井内挖土应根据沉井中心划分工作面,挖土应分层、均匀、对称地进行。挖土要点是:先从沉井中间开始逐渐挖向四周,每层挖土厚度为0.4~0.5m,沿刃脚周围保留0.5~1.5m的土堤,然后再沿沉井井壁每2~3m一段向刃脚方向逐层全面、对称、均匀地削薄土层,每次削5~10cm,当土层经不住刃脚的挤压而破裂时,沉井便在自重的作用下挤土下沉。
3)井内挖出的土方应及时外运,不得堆放在沉井旁,以免造成沉井偏斜或位移。如确实需要在场内堆土,堆土地点应设在沉井下沉深度2倍以外的地方。
4)沉井下沉过程中,应安排专人进行测量观察。沉降观测每8小时至少2次,刃脚标高和位移观测每台班至少1次。当沉井每次下沉稳定后应进行高差和中心位移测量。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。
5)沉井时,如发现有异常情况,应及时分析研究,采取有效的对策措施:如摩阻力过大,应采取减阻措施,使沉井连续下沉,避免停歇时间过长;如遇到突沉或下沉过快情况,应采取停挖或井壁周边多留土等止沉措施。
6)在沉井下沉过程中,如井壁外侧土体发生塌陷,应及时采取回填措施,以减少下沉时四周土体开裂、塌陷对周围环境造成的不利影响。
7)为了减少沉井下沉时摩阻力和方便以后的清淤工作,在沉井外壁宜采用随下沉随回填砂的方法。
8)沉井开始下沉至5m以内的深度时,要特别注意保持沉井的水平与垂直度,否则在继续下沉时容易发生倾斜、偏移等问题,而且纠偏也较为困难。
9)沉井下沉近设计标高时,井内土体的每层开挖深度应小于30cm或更薄些,以避免沉井发生倾斜。沉井下沉至离设计底标高10cm左右时应停止挖土,让沉井依靠自重下沉到位。
8、沉井封底
当沉井下沉至距设计底标高10cm时,应停止井内挖土和排水,使其靠自重下沉至或接近设计底标高,再经过2~3天的下沉稳定,经观测累计下沉量不大于10mm时,即可进行沉井封底。沉井干封底的施工要点和主要技术措施如下述:
1)先对井底进行修整使其形成锅底形状,再从刃脚向中心挖出放射形的排水沟,内填卵石成为排水暗沟,并在中间部位设2~3个集水井(深1~2m),井间用盲沟相互连通,井内插入?600~800mm、四周带孔眼的钢管或混凝土管,四周填以卵石,使井底的水流汇集在井中,然后用潜水泵排出,以此保证沉井内的地下水位低于基底面0.5m左右。
2)根据设计要求,封底由三层组成:200厚道碴,100厚素混凝土,以及800厚混凝土底板。封底材料在刃脚下必须填实,混凝土垫层应振捣密实,以保证沉井的最后稳定。
3)垫层混凝土達到50%设计强度后,可进行底板钢筋绑扎。钢筋应按设计要求伸入刃脚的凹槽内。新老混凝土的接触面应冲刷干净。
4)底板混凝土浇筑时,应分层、不间断地进行,由四周向中间推进,每层浇筑厚度控制在30~50cm左右,并采用振动器振捣密实。
5)底板混凝土浇筑后应进行自然养护。在养护期内,应继续利用集水井进行排水。待底板混凝土强度达到70%并经抗浮验算后,再对集水井进行封堵处理。集水井的封堵方法是:将井内水抽干,在套管内迅速用干硬性的高强度混凝土进行堵塞并捣实,然后上法兰盘用螺栓拧紧,或用电焊封闭,上部再用混凝土垫实捣平。
9、结束语
华能福州电厂~凤坂π入排尾220kV电缆线路工程G19在进行干沉法沉井施工过程中,由于采取了有效的止水措施和下沉施工方法,即避免了施工对周边建(构)筑物的不利影响,又保证了工程的施工质量及进度,产生了良好经济效益和社会效益。
【关键词】 电力缆化;顶管;沉井;干沉法
1、工程概述
华能福州电厂~凤坂π入排尾220kV电缆线路工程全线采用顶管法施工,线路长度6.5km,沿线设计工井(工作井及接收井)19个,副井(通风及上下人)8个,工井平面尺寸8m×8m、8m×7m、6m×5.5m、6m×6m、5m×3.8m、圆井(内径8m),深约7~23m,工作井和接收井全部采用干沉法沉井施工。现以G19井为例介绍一下干沉法沉井施工应用。
1)沉井规模和构造
G19沉井为钢筋混凝土方形构筑物,混凝土标号为C35P8,内空尺寸6m×5.5m,壁厚0.70m,沉井总高度为13.8m,刃脚高度1.8m。
图1 沉井剖面图
2)地质及水文
沿线工程场地位于福州盆地的东南部,其中G19井位位于排尾路,距离闽江较近,属于海湾溺谷相冲洪积~淤积盆地地貌,据钻探揭示沿线场地,20m深度范围内分布有饱和、松散~稍密的③1粉细砂、④中细砂、⑥含泥中细砂。
沿线场地地下水类型主要为赋存于④中细砂、⑥含泥中细砂、⑧中砂、⑨砾卵石中的孔隙潜水,以及局部地表填土层中的上部滞水。各砂层含水量较丰富。地下水主要受大气降水及周边地表水(闽江、光明港河及其支流等)的补给影响,地下水位年变化幅度约1-2m。沿线钻孔内地下水(混合)稳定水位埋深约1~2.5m,标高约4.2~5.8m,局部钻孔实测水位埋深较大(≥7m),其水位受临近地下工程施工降水影响明显。
2、工程难点及重点
本工程地下水非常丰富,地质以砂层为主,透水性非常强。干沉井法施工即排水法下沉,其最大的难点就是工程的止水及沉井的下沉控制。
3、沉井的止水措施
根据设计要求,沉井四周采用双排围护桩帷幕(高压旋喷桩Φ850@600)进行止止水,沉井底部采用满堂固化桩(高压旋喷桩Φ1000@700)进行止土止水,坑底固化桩与双排维护桩搭接不少于300mm,以形成封闭的止水止土帷幕。先施工沉井周围双排维护桩止土止水帷幕,然后施工沉井底部的固化桩。
4、干沉法下沉方法
沉井施工的一般方法为:一次制作、一次下沉;分节制作、一次下沉;多节制作、分节下沉(制作与下沉交替进行)。沉井过高,施工技术难度较大,而且在下沉时容易发生倾斜,因此应采用分节制作、分节下沉方法。沉井分节制作的高度,应保证其稳定性并能使其顺利下沉。根据本工程的特点与设计要求,对沉井采用四节制作、三次下沉的方法。
分四节制作:第一节沉井高度为1.8m,第二节沉井高度为6m,第三节高度为3m,第四节高度为2m。
分三次下沉:第一节与第二节制作完毕进行第一次下沉,然后制作第三节后进行第二次下沉,然后制作第四节后进行第三次下沉到设计高程。
5、沉井工艺流程
根据本工程的特点与施工方法,沉井主要工序的工艺流程安排见下图所示:
图2 沉井工艺流程图
6、沉井下沉验算
沉井下沉前,应对其在自重条件下能否下沉进行必要的验算。沉井下沉时,必须克服井壁与土间的摩阻力和地层对刃脚的反力,其比值称为下沉系数K,一般应不小于1.15~1.25。根据《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》CECS137:2002显示当沉井井壁外侧为直壁时,摩阻力随土深而加大,并且在5m深时达到最大值,5m以下时保持常值。摩阻力沿沿井壁外侧的分布图形如下图所示:
图3 沉井下降摩阻力计算简图
沉井下沉系数的验算公式为:Kst≥1.05时可自动下沉,否则要采取助沉措施。
Kst=(Gk-Ffw,k)/(Ffk+R)
式中:Kst——下沉系数
Gk——沉井自重标准值(kN),钢筋混凝土结构重度为25kN/m3
Ffw,k——下沉过程中水的浮托力标准值(kN),如采取排水下沉法时,Ffw,k=0
Ffk——井壁总摩阻力標准值(kN),Ffk=S1×fk
S1——井壁外侧面积(㎡)
fk——井壁与土间的摩阻系数(KPa),由地质资料提供本工程主要特征地层:④中细砂,其摩阻系数为15kN/㎡
R——刃脚反力(kN),R=S2×fak,如将刃脚底部及斜面的土方挖空,则R=0。
S2——刃脚底面积
fak——地基承载力特征值,③1粉细砂特征值为120kN/㎡
表1 沉井下沉系数验算表
下沉
次数 沉井高度
(米) 沉井重量
(kN) 浮力
(kN) 摩阻力
(kN) 刃脚反力
(kN) 下沉
系数 是否满
足要求
第一次 7.8 3521.7 0 2273.7 0 1.55 满足
第二次 10.8 4876.2 0 3560.7 0 1.37 满足
第三次 12.8 5779.2 0 4418.7 0 1.31 满足
7、干沉法下沉的主要方法和措施
1)本工程由于高喷旋喷桩止水帷幕施工效果比较好,井内抽水后土体以砂为主,持力性较好,因此采用一台小型(0.25m3)液压反铲挖掘机在井内进行机械开挖,装满自卸斗后,由一台50T吊机吊出至卸土点。 井内土方挖运实行人机同时作业,必须加强对井下的操作工人的安全教育和培训,强化工人的安全意识,并落实安全防护措施,以防止事故发生。
2)井内挖土应根据沉井中心划分工作面,挖土应分层、均匀、对称地进行。挖土要点是:先从沉井中间开始逐渐挖向四周,每层挖土厚度为0.4~0.5m,沿刃脚周围保留0.5~1.5m的土堤,然后再沿沉井井壁每2~3m一段向刃脚方向逐层全面、对称、均匀地削薄土层,每次削5~10cm,当土层经不住刃脚的挤压而破裂时,沉井便在自重的作用下挤土下沉。
3)井内挖出的土方应及时外运,不得堆放在沉井旁,以免造成沉井偏斜或位移。如确实需要在场内堆土,堆土地点应设在沉井下沉深度2倍以外的地方。
4)沉井下沉过程中,应安排专人进行测量观察。沉降观测每8小时至少2次,刃脚标高和位移观测每台班至少1次。当沉井每次下沉稳定后应进行高差和中心位移测量。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。
5)沉井时,如发现有异常情况,应及时分析研究,采取有效的对策措施:如摩阻力过大,应采取减阻措施,使沉井连续下沉,避免停歇时间过长;如遇到突沉或下沉过快情况,应采取停挖或井壁周边多留土等止沉措施。
6)在沉井下沉过程中,如井壁外侧土体发生塌陷,应及时采取回填措施,以减少下沉时四周土体开裂、塌陷对周围环境造成的不利影响。
7)为了减少沉井下沉时摩阻力和方便以后的清淤工作,在沉井外壁宜采用随下沉随回填砂的方法。
8)沉井开始下沉至5m以内的深度时,要特别注意保持沉井的水平与垂直度,否则在继续下沉时容易发生倾斜、偏移等问题,而且纠偏也较为困难。
9)沉井下沉近设计标高时,井内土体的每层开挖深度应小于30cm或更薄些,以避免沉井发生倾斜。沉井下沉至离设计底标高10cm左右时应停止挖土,让沉井依靠自重下沉到位。
8、沉井封底
当沉井下沉至距设计底标高10cm时,应停止井内挖土和排水,使其靠自重下沉至或接近设计底标高,再经过2~3天的下沉稳定,经观测累计下沉量不大于10mm时,即可进行沉井封底。沉井干封底的施工要点和主要技术措施如下述:
1)先对井底进行修整使其形成锅底形状,再从刃脚向中心挖出放射形的排水沟,内填卵石成为排水暗沟,并在中间部位设2~3个集水井(深1~2m),井间用盲沟相互连通,井内插入?600~800mm、四周带孔眼的钢管或混凝土管,四周填以卵石,使井底的水流汇集在井中,然后用潜水泵排出,以此保证沉井内的地下水位低于基底面0.5m左右。
2)根据设计要求,封底由三层组成:200厚道碴,100厚素混凝土,以及800厚混凝土底板。封底材料在刃脚下必须填实,混凝土垫层应振捣密实,以保证沉井的最后稳定。
3)垫层混凝土達到50%设计强度后,可进行底板钢筋绑扎。钢筋应按设计要求伸入刃脚的凹槽内。新老混凝土的接触面应冲刷干净。
4)底板混凝土浇筑时,应分层、不间断地进行,由四周向中间推进,每层浇筑厚度控制在30~50cm左右,并采用振动器振捣密实。
5)底板混凝土浇筑后应进行自然养护。在养护期内,应继续利用集水井进行排水。待底板混凝土强度达到70%并经抗浮验算后,再对集水井进行封堵处理。集水井的封堵方法是:将井内水抽干,在套管内迅速用干硬性的高强度混凝土进行堵塞并捣实,然后上法兰盘用螺栓拧紧,或用电焊封闭,上部再用混凝土垫实捣平。
9、结束语
华能福州电厂~凤坂π入排尾220kV电缆线路工程G19在进行干沉法沉井施工过程中,由于采取了有效的止水措施和下沉施工方法,即避免了施工对周边建(构)筑物的不利影响,又保证了工程的施工质量及进度,产生了良好经济效益和社会效益。