陈三桥污水处理厂大型沉井施工关键技术

侯振山 宋学强

(1.河南五建建设集团有限公司，河南 郑州 450007； 2.盛世生态环境股份有限公司，河南 郑州 450000)

1 概述

沉井基础由于埋置深度大、整体性强、稳定性好，能够承受较大的垂直荷载和水平荷载，被广泛的应用于市政、码头、桥梁、采矿、水利、水电等工程中[1-4]。随着我国经济建设的发展，越来越多的大型沉井被应用于工程建设中，如江阴长江大桥北锚碇沉井[5]，泰州长江大桥中塔沉井[6,7]，南京长江四桥北锚碇沉井[8]，马鞍山长江公路大桥北锚碇沉井[9,10]，以上沉井均是应用于桥梁工程中，目前沉井应用于污水处理厂的工程案例比较少见，本文针对郑州市陈三桥污水处理厂大型沉井施工技术进行了研究，为后续类似工程提供借鉴。

2 工程概况

郑州市陈三桥污水处理厂二期工程沉井直径31.6 m，呈圆形，高16.95 m(-16.55 m～0.4 m)，沉井刃脚总长110.3 m。沉井为钢筋混凝土结构，底板顶标高最低处为-14.200 m，顶板标高处为0.400 m，底板厚度为700 mm，井壁墙厚分别为800 mm,1 000 mm，圆形井壁下设刃脚，刃脚底标高为-16.550 m，宽度450 mm～1 000 mm。考虑在现状地坪明挖2.7 m，采用沉井方法施工，排水下沉(加强井点降水)，干封底的施工方法，距离沉井8 m处打设高压旋喷桩止水帷幕，布置直径400 mm降水管井，间距8 m左右，沉井起沉标高为-3.400 m。

本工程的抗浮及防水设计水位标高为82.00 m。±0对应绝对标高为84.600，地勘综合评价认为本场地是稳定的。井身下沉至刃脚底标高为-68.05处，井身位于杂填土、粉土、粉砂、粉质粘土、细砂地层，井底位于细砂地层，刃脚部位承载力特征值为280 kPa。

3 施工关键技术

3.1 刃脚支设形式

根据本工程的具体施工条件分析，沉井的刃脚支设形式采用土模。在开挖2.7 m工作面开挖2.5 m宽，0.7 m深沟槽，铺设2.5 m宽50 cm厚的中粗砂垫层，为了扩大沉井刃脚的支承面积，减轻对砂垫层的压力，在砂垫层上浇筑一层20 cm厚的C20素混凝土垫层，素混凝土垫层保证水平，以便模板施工，且表面抹光以此作为刃脚的底模。混凝土垫层强度达到1.2 MPa之后，回填土，压实系数达到0.97，回填土高度达到800 mm，开挖刃脚，素喷混凝土，砂浆罩面后进行立模、扎筋工作。

3.2 沉井砂垫层计算

沉井砂垫层厚度计算:

1)制作第一节时，为了防止地基变形造成未达设计强度的井壁混凝土开裂，下卧层地基应按容许应力状态计算控制，即按容许承载力控制。

2)当在第1节之上接高第2节及第3节(沉井3节连续制作、1次下沉的状况)沉井时，第1节混凝土已达到70%以上设计强度，它就像刚度和强度都很大的钢筋混凝土条形基础，承载着第2节及第3节井体混凝土重量。因此下卧层地基可按接近极限应力状态进行计算控制，即按极限承载力的折减值Pu来取值。

(1)

其中,h为砂垫层厚度；Pu为下卧层地基极限承载力的折减值；G为沉井下沉前的单位长度重量；B为1.4 m刃脚下素混凝土垫层宽度；θ为砂垫层的应力扩散角，采用30°，即tgθ=0.577。

Pu=f×k1×k2×k3。

Pu=100×3×0.9×0.8=229.5 kPa

(2)

其中，f为下卧层地基的容许承载力，根据本工程沉井地质为第二层粉土，即容许承载力为100 kPa；Pu为下卧层地基极限承载力的折减值；k1为极限承载力的系数，k1=3;k2为极限承载力的折减系数,k2=0.8～0.95,当下卧层为粉质粘土或沙质粉土等强度较高、压缩性较低土层时，可取0.9～0.95,当下卧层为高含水量、高压缩性的淤泥质土时，可取0.8,本工程采用k2=0.9；k3为沉井总自重(含施工荷载)超载系数的倒数，取0.83～0.87，本工程采用k3=0.85。

G=(12.75+0.28)×1×25+5=330.75 kN/m

(3)

施工荷载取5 kN/m，混凝土自重25 kN/m3，垫层截面面积为0.28 m2，分三次浇筑、整体一次下沉，三节浇筑完成混凝土总方量约1 406.7 m3(2.5 t/m3)，即总重约为35 168 kN。

h=330.75/(2×229.5×0.577)-1.4/(2×0.577)=0.101 m

(4)

实际施工时设置500 mm厚砂垫层。

3)砂垫层宽度的计算。

采用式(5)进行砂垫层宽度的计算：

B≥b+2htanθ

(5)

其中，b为混凝土垫层底面的宽度，m；B为砂垫层底面的宽度，m；h为砂垫层厚度，m；θ为砂垫层的应力扩散角，采用30°，即tgθ=0.577。

B≥b+2htanθ=1.4+2×0.5×0.577=1.977 m

(6)

实际施工时设置2.5 m宽的砂垫层。

3.3 素混凝土垫层的计算

素混凝土垫层采用C20混凝土，fc=9.6 MPa，ft=1.1 MPa。

1)素混凝土垫层尺寸的确定。

沉井壁厚800 mm，刃脚宽度1 m，考虑模板的需要，混凝土垫层的宽度采用1.4 m。

2)垫层厚度的计算。

垫层厚度可按式(7)计算：

h混凝土=(G/R1-b)/2

(7)

其中，h为混凝土垫层厚度，m；G为沉井第一节单位长度重量，kN/m；R1为砂垫层承载力设计值，一般为100 kN/m2～200 kN/m2，在此取150 kN/m2；b为刃脚踏面宽度，m。

沉井单位长度最大为800 mm厚的井壁，刃脚踏面宽度0.45 m。因此G=5.03×25=125.75 kN/m(第一节外壁截面面积为5.03 m2)。

h混凝土=(G/R1-b)/2=(125.75/150-0.45)/2=0.194 m

(8)

故实际施工中取混凝土垫层厚度0.2 m。

3.4 沉井制作施工方法

1)沉井制作。

为确保沉井下沉稳定，在沉井底部及中上部位置安装两道十字交叉钢支撑直径800 mm，本工程粗格栅井及进水泵房沉井混凝土拟分三节浇筑成型，分节制作要求是：

牛皮糖打开报纸，里面一扎一扎有五扎。他拿起一扎，一手抓着钱的一头，另一手食指抵住钱的顶端，大拇指迅速在钱页上啪啪拨弄了一番。然后依旧包好报纸，塞进一只塑料袋，提在手里。

第一节：制作高度4 m，即标高-16.55 m～-12.55 m，浇筑混凝土378.4 m3；

第二节：制作高度5.85 m，即标高-12.55 m～-6.70 m，浇筑混凝土516.3 m3；

第三节：制作高度5.8 m，即标高-6.70 m～-0.90 m，浇筑混凝土511.9 m3。

三次浇筑的自重分别为：946 t,1 290.75 t,1 279.75 t。

结合本工程设计，沉井下沉采用一次下沉，沉井混凝土自重为3 517 t。井身分三次浇筑，共设置两道施工缝。

2)施工缝处理。

a.井壁及内隔墙水平施工缝采用中间埋设300 mm宽3 mm厚镀锌钢板止水片，本沉井分三次浇筑，每次均需设置好镀锌钢板止水片。镀锌钢板的对接采用焊接，焊缝要满焊，防止形成渗漏通道。钢板止水片的固定采用短钢筋头点焊固定在主筋上，固定的钢筋头在止水带两侧错开布置。

c.在浇筑第二节墙体混凝土之前，先浇30 mm厚与墙体混凝土配合比相同的水泥砂浆，以保证接缝处混凝土密实。

3.5 沉井下沉施工工艺

沉井下沉按照“定位准确、先中后边、对称取土、深度适当”的原则进行。先用高压水枪冲刷沉井，形成大锅底，然后扩大对称均匀冲吸四周井格，逐步让沉井刃脚下沉。每个吸泥施工井格内布置2支高压水枪和1套泥浆泵，采用高压水流冲刷沉井底部土体形成泥浆，用泥浆泵通过输泥管将泥浆排出井外泥浆沉淀池。本工程共布置7台6寸泥浆泵进行下沉施工。泥浆沉淀池布设于靠近沉井施工区域沉井南侧施工道路所围区域，占地面积约3 300 m2，深度为3 m，总容量为9 900 m3。而沉井下沉施工总出土量约11 300 m3，因此中途需对泥浆沉淀池内的土体进行清理。泥浆沉淀池共分为三个部分：泥浆池、沉淀池和清水池，泥浆池面积约1 200 m2，沉淀池面积约1 200 m2，清水池面积约1 100 m2。在下沉前，在沉井周围堆积中粗砂，防止在下沉过程中，沉井外侧土体随沉井下沉发生流动，破坏降水井。沉井下沉速度控制在每天1 m左右，下沉过程中应根据测量资料随偏随纠，及时调整标高偏差，如图1所示。

本工程取土共设有泥浆泵7套，共设7个集水坑，集水坑形成后先四周扩散取土。

第一步：A,B,C,D,E,F,G区7套泥浆泵均匀布置在沉井内，同时冲水取土，形成集水坑，如图1a)所示。

第二步：A,B,C,D,E,F,G区7套泥浆泵“锅底”分别同时向外扩散，完成取土，如图1b)所示。

第三步：整个基坑形成“锅底”同时向外扩散，降坑取土，形成集水坑。沉井下沉过程中应根据测量资料随偏随纠，及时调整标高偏差，如图1c)所示。

3.6 沉井封底

3.6.1干封底施工

当沉井下沉至距设计底标高100 cm时，应停止井内挖土，使其靠自重下沉至或接近设计底标高，立即在刃脚位置填沙阻止下沉，进行封底。

3.6.2沉井封底后的抗浮稳定性验算

抗浮稳定性计算公式为：

K=G/F≥1.1

(9)

其中，G为沉井自重力，kN；F为地下水向上的浮力，kN。

验算条件：

沉井自重为井壁和封底混凝土重量：32 818+12 363.75=45 181.75 kN。

根据地勘资料抗浮设计水位为82.0 m，底板底标高为-14.7 m，绝对标高为69.9 m，浮力计算高度为82.0-69.9=12.1 m。

F=10×0.25×3.14×31.62×12.1=94 848.2 kN>G。

所以直到沉井内部结构完成后停止降水。

4 结语

郑州市陈三桥大型沉井于2018年12月已完成下沉到位，封底，平面偏差和扭角均满足设计要求，大大地缩短了施工工期,节省大量的投入,取得了较好的经济、社会效益。其成功实施的方法可以为相类似的地质条件下的工程提供借鉴作用。