市政工程中水力排土沉井下沉方案研究

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  摘 要:该文以市政工程中水力排土沉井下沉为研究对象,论文首先探讨了水力排土沉井的施工流程和施工方案,进而结合具体案例对其应用流程进行详细的研究分析,最后基于笔者的工作经验,提出了几点注意事项,相信对从事相关工作的同行能有所裨益。
  关键词:水力排土 沉井 施工 方案
  中图分类号:TU753 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2014)10(b)-0043-02
  随着水利、市政、交通等基础设施的发展,各类沉井基础运用越来越多,其中水力排土沉井是最常被采用的一种施工技术。大量实践证明该技术具有占地面积小、土方开挖量小、对周围环境影响少等优点,在合适的工况下是一种良好的基础处理方法,具有明显的经济效益和社会效益。
  我国幅员辽阔,全国各地地质差异较明显。我国沿海地区由于地理位置原因,地下土层中通常都包含大量的淤泥、淤泥质土以及软黏土等。这些土层中含水量较大,土质孔隙较大,土层透水性较差,可塑性强,强度差,这就造成在沿海地区进行建筑施工时需要进行大量的沉井施工。土层较软地区想要完成沉井施工是可行的,但是在施工进行时有可能会出现下沉速度过慢、下沉速度过快等问题。如何正确、合理地使用水力冲吸泥排土沉井施工工艺是当前需要重视的一个关键问题。
  1 水力冲吸泥排土沉井施工工艺概述
  1.1 施工流程
  沉井施工时,会有两次制作施工期,一次整体下沉期。通常进行沉井施工的工序为:(1)挖基坑。(2)铺设垫砂层。(3)安装垫架。(4)制作底节。(5)第二节沉井以及隔墙施工。(6)拆除垫架与模板。(7)修建泥浆沉淀池。(8)高压水泵冲吸泥浆排水下沉。(9)高压水枪冲吸泥浆不排水下沉。(10)沉井封底、钢筋砼底板浇筑。(11)第三节沉井梁板制作。(12)上部泵房结构。具体为图1。
  1.2 沉井下沉方案选择
  沉井下沉通常有两种方案可供选择,(1)沉井排水下沉;(2)沉井不排水下沉。排水下沉方案多用于自身渗水量较小、构成稳定的黏土层中,当该地区是砂砾层时,虽然渗水量较大,但是若排水条件较好,依然可以采用排水下沉方案。而不排水下沉方案多用于渗水较严重的流砂土层以及渗水量大的砂砾层中,当该地区地理位置限制,不能有效的完成排水时,同样可以使用沉井不排水下沉法。
  1.3 施工工艺特点
  (1)此种施工方式在任何土层条件下都能有效使用,且在排水沉井中应用水力冲吸法能高质量地完成区域内的出土,兼具效率与效果。(2)在工艺进行过程中需要使用的主要机械设备主要有高压水枪以及水力吸泥机(泥浆泵亦可),用到的施工设备种类较少,且由于这些施工设备的自身特点,较少发生问题,并且发生问题后也能迅速修复,对于提升施工效率有积极作用。(3)利用水力完成对土层的冲刷可以在不同地质条件中使用,粘性土、砂质硬土层、砂质软土层等均可,并且使用水力完成排土可以有效控制沉井的下沉的位置,从而保证沉井的有序、合理下沉,最终保证整体工程的施工质量。(4)利用水力排土沉井能省去租用大型起重设施、挖掘设施的成本,能减少施工成本,从而提升施工单位的利润。
  1.4 工艺适用范围
  (1)土层上部荷载大而承载不足,而想要实现基础的扩建开挖需要耗费大量的工时,且没有合适的支撑措施,但土层下一定位置有较好的土层能将较好地承受基础荷载时。(2)岩层表面较为平坦,覆盖层较浅,不利于扩大基础施工围堰时。(3)当在软土层施工,水源、电源资源获取困难,设置泥浆沉淀池较困难时。软土层包括淤泥、淤泥质粘土、黏土、粉质粘土、粉砂、细砂等等。
  1.5 施工工艺原理
  水力冲吸排土沉井下沉工艺,简而言之就是利用高压水力(即出水水压≥1.2 MPa)完成对土层的破坏,并将土层中泥土与水充分混合形成水泥混合物,而后使用水力吸泥机(或者泥浆泵)将水泥混合物抽出排放至泥浆沉淀池,然后将沉淀池中的水资源重复用于高压水枪的水源,持续性的进行土层破坏工作。当土层沉降至一定的程度时,由于沉井自身重力的影响会产生下沉,从而达成工程施工目的。
  2 水力冲吸泥排土沉井施工工艺的具体应用
  以某地污水处理厂粗格栅沉井工程为例。该污水处理厂沉井内径为25 m×18 m,下沉深度为8.03 m,结构整体高度为 15.5 m。
  2.1 沉井下沉
  (1)由于使用水力冲吸泥排土沉井施工工艺,所以需要用到泥浆沉淀池,正式开始施工之前需要修建泥浆沉淀池。根据此工程的具体需求进行了泥浆沉淀池的修建,设计泥浆沉淀池总体积为1200 m3。在开始施工后施工区域内产生的泥浆将会通过管道运送至改沉淀池内,然后将泥浆沉淀至池底,上层的水将会继续用于工程的施工,施工完成后将会把池底的泥浆运输至专门的建筑垃圾堆放区域。(2)由于使用水力吸附泥排土沉井施工工艺,所以需要准备大量的抽水设施,需要用到的包括高压水泵、低压水泵、调节水箱、泥浆泵(水力吸泥机)、水枪和各种导水、导泥浆管道,和高压水枪操作平台等。将水力吸附泥排土沉井工艺中需要用到的各种设施进行连接后需要展开测试,测试其是否能正常工作、连接是否牢固等,防止正式施工过程中出现问题,水力吸泥机与高压水枪需要进行压力测试,需要注意的是在进行测试时应用的水压应当为工作正常水压的1.5倍,防止使用过程中发生意外。(3)需要注意的是在沉井开始下沉的过程中应当将外井壁修建的环形梯踏步拆除,施工人员在进入井内后可以设置简易梯,在井外可以使用扶梯行走。(4)在沉井开始下沉之前应当首先在沉井四周设置扶梯以及平台,同时还要在沉井上进行照明设置的布置,在沉井周围还要进行高点的标记用于控制沉井的下降情况。在沉井施工区域内标记坐标水准点,在具体操作过程中以各项标记为基准开展工作。(5)若土层过于粗糙,沉井的下降不能如期进行,可以在土层与沉井之间涂抹较光滑的物质,例如沥青等减小沉井与土层之间的摩擦力,顺利完成沉井的下降。(6)在进行基坑拆除相关工作时需要注意将内井中的降水设施拆除,同时沉井外侧的基坑一定要用回填土填实,防止由于此空洞影响周围建筑的安全,或者造成道路下陷。(7)在进行砂垫层的拆除时需要使用跳槽法来完成对其底部枕木的抽取,并且还要完成井内清洁工作,工作进行的重点住主要是体积较大的建筑垃圾,防止其在排水过程中造成管道的阻塞。   2.2 沉井下降初级阶段
  沉井下降的初级阶段指的是沉井下降的深度为0~4 m范围内时。在沉井下降的初级阶段通常使用的下沉方式为排水下沉法。在施工进行时需要使用四根高压水枪。四根水枪在沉井井格中冲刷,形成一个直径为2~2.5 m的集泥坑,将坑的深度保持在0.5 m左右,然后使用水枪在井格中冲出漏斗状的泥坑,使泥水混合物被送入集泥坑中,然后通过泥浆泵或者水力吸泥机被送入之前修建完成的泥浆沉淀池中。当这项工作不断进行时,集泥坑的面积将会不断增加,最后集泥坑的位置将会达到沉井的刃脚处,此时沉井就会开始下沉。通常在沉井下沉之初可能会有一定的倾斜,但是需要注意倾斜的情况不能太严重,否则之后无法对其进行修正将会影响工程的整体质量。
  2.3 沉井不排水下沉阶段
  在沉井经历过下降的初级阶段后肯定会越来越接近该地地下水位位置,所以应当首先对该地地下水位进行一定的调查,然后计算出此地地下水位的标高。当沉井下沉达到该位置时,停止进行沉井的排水下沉,使用水力吸泥法不排水下沉方案,让潜水人员沉入水底,然后使用2台流量为 155 m3/h的离心泵(其具体性如表1所示)。向沉井内注水,保证沉井内水位保持在1 m,使沉井内的压力大于沉井外,避免在沉井下降时由于内部压力较小,外部泥浆混合物大量涌入造成沉井结构破坏。在施工过程中需要注意,应当遵循“由中间到两边,分层有序破土;由高处到低处,防止沉井偏移”的原则,在沉井的刃脚外侧应当保留约1 m的土堤,让沉井在下沉过程中能做到挤土下沉,避免产生下沉速度过快的情况。但是若沉井下降速度过慢或者沉井在下降过程中产生了位置的偏移时可以适当将刃脚一侧的泥土冲刷掉一部分,需要注意的是,沉井刃脚外部脚踏面的泥土不允许冲刷。在进行注水时需要注意注水的速度应当与排水速度相一致,注水量包括高压水枪中流出的水量以及水力冲泥机中流出的水量,排出的水量则为水力吸泥机的排水量。
  当沉井未发生大幅度倾斜现象时,沉井井格内的高度差不应当大于1 m,只有这样才能让沉井在下降过程中保持稳定,防止其出现大幅度的倾斜现象。沉井井格中间的钻底不应当过浅或者过深,1~2 m是其正常范围。过浅不利于顺利完成沉井的下降,过深则不能对沉井的下降情况、包括沉井的下降深度与沉井的倾斜度等进行高效的控制。泥浆泵在使用过程中不能直接丢在集泥坑底部,因为集泥坑底部不仅有泥水混合物,同时可能存在石块等物体,若将其直接放置于底部,极有可能造成其阻塞,正确的方式是使用绳索将其悬吊在集泥坑上方,同时还要在进行过程中利用高压水枪冲刷集泥坑中的泥土,防止泥土在集泥坑中大量堆积,造成阻塞。在沉井即将达到预定位置,通常是在沉井距预定位置还有0.5~0.7 m时,需要减小沉井下降的速度,防止由于沉降速度过快引起的沉井下降偏离预定位置较多。
  在沉井下降至指定位置后应当周期性的对其进行位置的观测,通常需要在每 4~6 h完成一次沉降数据的收集,合格的指标为24 h内沉降的高度不得超过0.01 m。潜水技术人员还需要潜入水底将沉井与涂层交接处的杂物清理掉,保证两者严密结合。想要对沉井的下降情况进行观测,可以在沉井外侧进行深度的标记,描出纵横十字控制桩、水准基点等关键线条,同时在沉井四面设置水平点,还要进行沉降标尺的设置,以便在沉降过程中直观地对沉井形态进行观察。想要检测沉井的下降姿态是否正确,可以在沉井内构建一个观测体系(具体沉降点的埋设做法见图2),使用垂球等辅助工具,同时还可以利用经纬仪进行检测。当发现垂球的形态发生了大幅度改变(偏离预定位置超过5 cm)时或者沉井四面标高情况不一致时,需要马上进行沉井姿态的调整。通常需要将沉井姿态的偏差控制在0.25 m之内,一旦超出就需要组织施工人员马上进行纠正。
  3 施工过程中的注意事项
  3.1 施工安全问题
  (1)在应用水力冲吸泥排土沉井施工工艺时需要严格遵循国家施工方面的法律法规,例如《安全生产法》、《建筑施工安全检查标准》以及施工单位自行制定的相关安全条例等,最大限度地避免安全事故的发生。(2)施工前应当对施工图纸、施工现场进行详细的检查,了解施工中需要应用的各种机械设备、需要施工人员以及专业技术人员数量等信息,然后组织技术人员与施工人员进行技术交底、安全交底,强调施工过程中需要注意的安全问题。(3)施工人员必须具有相关施工常识,专业技术人员需要做到持证上岗,任何人员在进入施工现场后必须佩戴安全帽。(4)在开工之前对施工中将会用到的各种材料进行检查、验收,验收的范围包括各种机械设备、用电设施以及各种需要用到的设备。检查的内容包括能够正常使用,是否存在安全隐患、连接是否正确等。对于检查出现问题的设备与材料马上予以更换,更换的材料同样需要进行检查。在进行施工电力的设置时,需要遵循《施工现场临时用电安全技术规范》的相关要求进行。
  3.2 施工环保问题
  (1)施工过程中每一项都要遵守相关国家环保条例,遵守当地规章制度,坚持可持续发展政策。(2)在进行施工之前需要在施工现场设置2.5 m以上的封闭式围墙,围墙需要进行一定的装饰,尽量减小其与周围环境的不协调感。场地出入口位置应当依照施工具体需求进行设置,需要注意的是样式美观且应当设置成密闭型。(3)施工现场各类施工材料的对方应当符合相关规范,同时做到美观、方便。(4)尽量避免施工噪音的产生,在施工现场内汽车等不得鸣笛,不得频繁使用高音喇叭等设施广播消息。(5)运输车辆的装填应当规范,不能装载太多物料,防止在运输过程中产生外泄,污染外部环境。天气不好时为防止造成对附近街道的污染,应当在出口处设置冲洗设备与冲洗人员,清洗车胎以及车身,尽量减小影响。
  4 结语
  综上所述,沉井施工由于工艺自身的要求所以一般由施工工序复杂、施工面较小、施工进度控制困难、安全问题较严重以及其施工过程具有不可逆性等特点,对于施工队伍的整体合作能力要求较高,且由于其各施工流程之间存在较强的次序性,工序之间相互影响的能力较强,所以在进行施工时需要对每一步的规范性都有所要求。想要高质量地完成沉井工程的施工需要在施工前进行大量的准备、组织工作,提升沉井施工技术的规范性对于提升工程的整体质量能起到十分明显的促进作用。
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