水力排土沉井(排水)下沉工法
(上海隧道工程股份有限公司)
水力排土沉井(排水)下沉施工技術(shù)是在軟土地層中較成熟的沉井施工工藝。通過簡便的水力機械設施，就可完成將沉井內(nèi)土體由高壓水破碎混和成泥漿后吸排出沉井的各道工序。從而使沉井逐步下沉到位。該工藝無振動、無污染，對環(huán)境影響較小。具有技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、操作簡便，勞動強度低、施工安全可靠、下沉質(zhì)量容易控制等優(yōu)點。隨著城市基礎設施的發(fā)展，各類沉井工程相繼實施，水力排土沉井是經(jīng)常被采用的一種施工技術(shù)。經(jīng)過多年來大量工程的施工實踐證明該技術(shù)具有明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。
1 工法特點
1.1在軟土地層中的排水下沉井施工中水力排土是既可靠又高效的出土方式，適用于任何平面尺寸的大中小型沉井工程。
1.2水力機械破土排泥的主要設施為水槍和水力吸泥機(也可用泥漿泵)。構(gòu)造簡單，不易損壞，容易修復。
1.3水力破土可適用于不同土層條件(粘性或砂性的軟、硬土層)，并可有效控制破土程序和位置。能使沉井干穩(wěn)下沉，便于控制沉井終沉標高。
1.4水力破土可避免挖深鍋底，減少沉井突沉現(xiàn)象，易于保證沉井施工質(zhì)量。
1.5水力排土沉井可省去大型挖土和起吊設施，節(jié)省設備使用費，降低工程成本。
2 適用范圍
本工藝廣泛適用于有合適的水、電源和泥漿沉淀出土或直接排放條件的各類軟土地層(淤泥、淤泥質(zhì)粘土、粘土、粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土、粉砂、細砂等)中排水下沉的各類沉井工程。在地下水位較高的砂性土層中需配合井內(nèi)外人工降水設施以防止流砂現(xiàn)象。在埋深大(17m左右以上)的粘性土層中，有時需配合井內(nèi)外下部土層地基加固措施以防止大量涌土。
3 工藝原理
水力排土沉井下沉工藝系使用高壓水(水泵出口壓力宜大于1.2MPa)通過水槍將土體破碎并與水槍的出水混和成一定濃度的泥漿，然后由水力吸泥機或泥漿泵經(jīng)由輸泥管路吸排出沉井井送至泥漿沉淀池或直接排放至河道、湖、海等水體中。
4 工藝流程
水力排土沉井施工流程為：
5 主要施工設備
目前一般使用的水力排土沉井下沉施工設備有兩種類型：
5.1一類為以往慣用的用大型高壓水泵供水、水槍破土、水力吸泥機排土系統(tǒng)。主要設備為：高壓水泵(揚程120m以上，單機流量130m3／h以上為宜)、水槍(噴嘴口徑φ12～15mm為宜)，水力吸泥機(噴嘴口徑φ22～30mm為宜)、高壓輸水管路和低壓輸泥漿管路及調(diào)節(jié)水箱。需要時還要配置低壓取水泵。一般l臺高壓泵可帶動1臺水力吸泥機和1～2臺水槍。高壓泵和吸泥機的數(shù)量視沉井平面尺寸和井格數(shù)量而定，一般l個井格配置l套水力吸泥機，1套水力吸泥機配置2臺水槍(不移動水槍位置可沖刷井格內(nèi)各處土體)。高壓泵每臺功率為90kW～150kW，此系統(tǒng)用電量較大。
5.2另外，最近幾年發(fā)展起來的小型水力機械設備系統(tǒng)。高壓水泵揚程在l00m左右，單機流量為7～l0m3／h；小型水槍(有時利用消防用噴頭)；可移動立式泥漿泵、輸水和泥漿管路有時使用軟管。當泥漿泵揚程達不到要求時則采用串聯(lián)辦法來解決。此類系統(tǒng)最大特點是設備功率小，適用于現(xiàn)場供電量較小的情況。同時由于水壓較小，在砂性土層較適用，在粘性土層中沖土效果就較差。
6施工操作要點
6.1按照施工組織設計規(guī)定安裝好水力機械設施：高壓水泵、低壓取水泵、調(diào)節(jié)水箱、 水力吸泥機或泥漿泵、水槍、井下及井上的高壓進水管和低壓排泥漿管路、水槍操作平臺等。
6.2水力機械設施安裝好后應進行負荷試運轉(zhuǎn)，要保證設備能按施工組織設計要求正常運轉(zhuǎn)，水力吸泥機及水槍均應經(jīng)過水壓檢驗，檢驗壓力為工作壓力的1.5倍。
6.3為保證水力破土效果和吸泥機的正常工作，必須將井底各類雜物垃圾清除干凈。
6.4水力排土沉井下沉施工應按"先中后邊、分層對稱破土、先高后低、及時糾偏"的原則進行操作。
6.5沉井外刃腳邊一般應保留lm寬左右的土堤，使沉井在外刃腳處擠土下沉，以減少對井周土體的擾動程度。只有當沉井中部土體全部沖除而還不下沉時或糾偏時才可適當沖除外刃腳處土體，但仍嚴禁用水槍掏刷外刃腳踏面外側(cè)土體。
6.6當沉井傾斜很小時，各井格內(nèi)土面高差應控制在1m以內(nèi)為宜，使沉井保持均勻垂直下沉。
6.7沉井井格中部鉆底探度，一般應控制在l～2m以內(nèi)為宜。鍋底過深則易產(chǎn)生突沉，使沉井下沉量和慣斜度無法控制，同時井外土體也易塑流入井，引起井周地面過多沉降。
6.8當沉井底土質(zhì)較硬時，在沉井下沉到位前，為減少井內(nèi)回填砂石料數(shù)量，在井格內(nèi)土面標高已到達封底要求時，可將內(nèi)外刃腳處土體適當沖空使井下沉到位(形成反鍋底)。
6.9用水力機械沖泥時，應在吸泥機吸水頭處(一般位于井格中部)先沖出集泥坑，泥坑深0.5m左右，然后用水槍在各個方向沖土連步形成漏斗形土坑。使泥漿水不斷匯集到集泥坑吸排出井外。
6.10吸泥機的吸水頭應用繩子吊空，不應讓吸水頭埋在集泥坑的浮泥內(nèi)導致土塊堵塞吸水頭的網(wǎng)罩。為防止集泥坑中泥砂淤泥，要經(jīng)常用水槍在吸水頭處沖刷攪動，使排土暢通。
6.1l在水槍沖泥時應注意控制好井格內(nèi)泥水數(shù)量，水槍應直接沖刷土體。當泥水過度時則可調(diào)整水槍出水量或暫停沖土。要經(jīng)常檢查吸泥機工作是否正常。
6.12高壓水泵停車時，水槍上的操縱閥門和吸泥機上的逆止閥均應關(guān)閉，防止調(diào)節(jié)水箱內(nèi)水倒灌入井內(nèi)。
6.13當采用泥漿泵排泥時，應做好泥漿泵接力串聯(lián)技術(shù)措施。
6.14在施工過程中應及時做好各項施工監(jiān)控工作，特別要注意在沉井下沉影響范圍內(nèi)的地面構(gòu)筑物和地下管線的沉降觀測和現(xiàn)場監(jiān)護工作。
7 勞動組織
水力排土沉井下沉施工必須采用三班制連續(xù)作業(yè)。每個班次各工種配備情況如下
表1
8 質(zhì)量標準
本工法施工可按照國標《建筑工程質(zhì)量檢驗標準》CBJ301-88(一般沉井工程)或行業(yè)標準《給水排水構(gòu)筑物施工及驗收規(guī)范》GBJl41-90(給排水泵房沉井工程)、《市政排水渠工程質(zhì)量檢驗評定標準》GＪＪ3-90(排水泵站沉井工程)等有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。
9 安全措施
9.1施工中應嚴格執(zhí)行國家頒發(fā)的《建筑安裝工程安全技術(shù)規(guī)程》和上海市建設委員會及上海市市政工程管理局有關(guān)安全的各項規(guī)定。
9.2在下沉施工開始前應對各項機電設施進行全面安全檢查。
9.3沉井內(nèi)應設置工人操作平臺，其構(gòu)造應考慮當沉井突沉時操作平臺不被涌土蓋沒。
9.4沉井內(nèi)各種設施均應架設牢固，井頂四周及大型孔洞均應設有防護欄桿，人員上下用爬梯應裝設防護圈。
9.5在進行水槍沖土操作時嚴禁用水槍沖擊井壁，欄桿、操作平臺等，以防高壓水反射傷人。
10 效益分析
水力排土沉井(排水)下沉施工法的社會和經(jīng)濟效益是明顯的。
10.1水力排土沉井下沉施工出土效率高，施工速度快(一般1臺吸泥機平均每晝夜排土150～300m3)。
10.2水力排土沉井下沉可避免采用大型挖土設備(即使采用，其出土效率也低，臺班費用大)。尤其在大面積沉井施工中一般的挖土機械作業(yè)半徑也達不到。
10.3當出土泥漿直接排放入水體后可避免采用大量出土運輸車輛，節(jié)省大量運輸費用和土方排放場地。
10.4由于水力排土沉井(排水)下沉施工井位偏差容易控制，工程質(zhì)量也容易保證。
11工程實例
11.1上海石洞口電廠循環(huán)水泵房特大型沉井
該泵房沉井平面尺寸為52×40m(2080m2)，下沉前沉井分三節(jié)制作后高度達18m，刃腳底埋深為15.5m。沉井平面由縱橫向隔墻分成32個井格。井底地質(zhì)為淤泥質(zhì)粘土。安裝32套水力吸泥機及64支大水槍，高壓泵采用150TSW×5型離心水泵(H=150m、Q=155m3／h、功率ll0kW)，共8臺，其中2臺備用。下沉時一般同時使用5～6臺高壓水泵。于1986年底下沉施工，扣除停泵時間后在44天內(nèi)下沉13.36m到位，平均下沉量為30.4cm／d，相應的排土量為632m3／d。沉井封底完成后標高比設計值高6cm，沉井對角最大高差僅1.9cm。
11.2上海外高橋電廠循環(huán)水泵房沉井
該泵房沉井干面尺寸為45.8×43.5m(1992m2)，下沉前沉井分三節(jié)制作后高度為17.15m，刃腳底埋深15.2m．沉井平面由縱橫向隔墻分成32個井格。井底地質(zhì)為淤泥質(zhì)砂質(zhì)粉土。安裝8套水力機械設施。每套組成為2臺立式泥漿泵串聯(lián)，其中井底1臺帶有鋼浮筒，每臺功率為13～24kW。小型手提式水槍一支。小型高壓泵每臺供2支小水槍用水(H＝120m，Q＝7m3/h、功率14kW)。于1993年10～11月下沉施工，在19天內(nèi)下沉12m到位，平均下沉量為63cm／d，相應的排土量為1258m3／d。沉井封底完成后標高比設計值高8.5cm，沉井對角最大高差也僅2.4cm。
11.3采用水力排土沉井(排水)下沉其他主要工程實例如表2。
注：①排土效率取決于水力機械設備性能(主要是高壓水的壓力及流量)、質(zhì)量，同時使用的數(shù)量，面且還同地質(zhì)條件和施工操作的實際工效情況有關(guān)。
②實例中除寶鋼電廠泵房井為上海市基礎公司施工外，其余均由上海隧道工程股份有限公司施工。
12 施工布置示意圖
