一种适用于富水地层深大沉井开挖及压沉施工方法
阅读说明：本技术 一种适用于富水地层深大沉井开挖及压沉施工方法 (Construction method suitable for excavation and pressure sinking of deep and large open caisson of water-rich stratum ) 是由 王安辉 罗如平 张艳芳 倪娇娇 朱碧堂 赵亮 庄桂成 陈豪 施发杰 袁灯 柳黎鑫 于 2021-09-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种适用于富水地层深大沉井开挖及压沉施工方法,涉及沉井施工技术领域,深大沉井开挖采用水上浮式平台开挖方法：在沉井内设置水上漂浮平台,水上漂浮平台通过浮箱调节施工高度,在平台上设置破泥装置将沉井内土体快速破碎切削,并采用吸泥装置将破碎土体抽出,可实现水下沉井快速开挖施工,在沉井外侧布置配重块,采用钢绞线连接配重块和沉井内侧壁,并在沉井顶部设置穿心千斤顶,通过穿心千斤顶反力作用对沉井施加向下作用力,促使沉井下沉。本发明能有效提高富水地区深大沉井水下开挖施工效率,同时所提出的沉井压沉方法构造简便,施工效率高,反压荷载大,可较好地解决深大沉井下沉困难问题。(The invention discloses a construction method suitable for deep and large open caisson excavation and pressure sinking of a water-rich stratum, which relates to the technical field of open caisson construction, wherein the deep and large open caisson excavation adopts an overwater floating platform excavation method: set up the floating platform on water in the open caisson, floating platform on water passes through the flotation pontoon and adjusts the construction height, set up broken mud device on the platform and with the quick broken cutting of soil body in the open caisson, and adopt and inhale mud device and take out broken soil body, can realize the quick excavation construction of open caisson under water, arrange the balancing weight outside the open caisson, adopt steel strand wires to connect balancing weight and open caisson inside wall, and set up the center-penetrating jack at the open caisson top, exert downward effort to the open caisson through center-penetrating jack counter-force, make the open caisson sink. The invention can effectively improve the underwater excavation construction efficiency of the deep and large open caisson in the water-rich area, and the open caisson sinking method has simple structure, high construction efficiency and large back pressure load, and can better solve the problem of difficult sinking of the deep and large open caisson.)
技术领域
本发明涉及沉井施工技术领域，具体为一种适用于富水地层深大沉井开挖及压沉施工方法。
背景技术
随着我国桥梁、市政、水利等基础设施建设的蓬勃发展，沉井基础的尺寸逐渐朝着深大方向发展。例如句容水厂长江引水工程，为满足长距离取水需要，在长江堤坝以内设置两座圆形沉井作为长江取水管线的始发井，沉井深约48m，井体内径15m，为目前国内在建最深引水沉井。对于深大沉井基础而言，由于沉井直径更大，下沉深度更深，其下沉过程中所需要克服的下沉阻力更大，因此也更容易出现沉井下沉困难等问题。
在目前工程实践中，沉井下沉施工方法主要有顶部堆载法和锚碇/锚桩法，例如专利CN201410261230.3和专利CN201810679366.4均基于锚碇反力的思路提出了相应沉井促沉施工方法。但需要指出的是，采用锚碇或锚桩促沉施工方法需要较为准确地预估沉井下沉阻力以确定对应的锚碇或锚桩尺寸大小，且其施工较为复杂，需要专门施工机械配合。顶部堆载法主要适用于小尺寸沉井，对于深大沉井基础，过大的上部堆载具有极大的施工安全风险，需防止沉井结构的整体倾覆；且采用堆载法进行沉井下沉施工时，当需要增加下沉环数时需要重新按照卸载-堆载的流程进行，施工效率较低。此外，对于富水地区的沉井而言，沉井下沉需要进行水下土体开挖，如何提高水下土体开挖的施工效率也是工程人员所需要面对的问题。针对上述不足之处，需要设计一种可有效解决深大取水沉井下沉困难且适用于富水地层的深大沉井开挖及压沉施工方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于富水地层深大沉井开挖及压沉施工方法，以解决上述技术背景中的问题，通过主要部件完成环形支架的装配，并对衬砌管片内壁施加均匀分布的径向压力，从而保证在管片下部开口并施工隧道集水井的过程中整个盾构隧道的安全性与稳定性，以及人员通行、物料运输的便捷性；通过采用椭圆形截面的集水井，在环形支架的支撑作用下，对底部衬砌管片进行切割开口、土体加固、开挖、初期支护、模筑混凝土二次支护及养护，最终完成集水井的施工。特别地，该发明提出的环形支架及工作方法，同样适用于集水井设置在联络通道的一般情况。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种适用于富水地层深大沉井开挖及压沉施工方法，所述施工方法包括以下步骤：
施工准备：做好施工场地“三通一平”工作，按照设计要求进行测量放线，确定沉井实际施工位置，并在施工场地上铺设砂石以及素混凝土垫层，使地表形成一定支撑强度，以保证沉井下沉过程的平稳性，不发生超允许差异沉降；
降水井施工：采用钻机在沉井周边设置一圈降水井降水井深度大于沉井最大设计下沉深度，以保证能有效降低井体内地下水位，降水井主要由沉淀管、带孔滤管及普通井管组成，底部为沉淀管，用于防止降水过程中水中杂质、异物将降水井淤堵，沉淀管上部为带孔滤管，为降水井的主要抽水部位，其上为普通井管，带孔滤管深度值主要根据场地地层土体渗透性而改变，场地地层土体为砂性土地层，带孔滤管深度取小值，反之场地地层土体为黏性土地层，带孔滤管深度取大值；
井体浇筑施工：在井体外壁进行涂蜡施工并配合触变泥浆减阻，以进一步降低井壁摩阻力值，同时通过沉井外侧的降水井进行降排水施工，降低井体内地下水位高度，增大结构有效重度，有效提高沉井下沉荷载，井体侧壁的施工流程主要包括架立内模、绑扎钢筋、架立外模及浇筑砼的过程，配合井体内挖土进程，重复上述流程可完成井体的浇筑工作；
井体下沉施工：采用水上浮式平台施工进行水下井内土体开挖施工，以提高施工效率，减小施工风险，水上浮式平台包括浮箱、浮式平台板、拉结板及固定杆，在沉井内侧设置浮式平台板，浮式平台板通过其下部的浮箱充填水量大小来调节平台不同施工高度，拉结板主要将各个分散的浮式平台板连接为一整体，通过固定杆将平台与沉井侧壁拉结，以保证平台板的稳定性，在浮式平台板上布置破泥装置，对土体快速破碎切削，并进一步通过吸泥装置将破碎后的土体抽出；
深大沉井压沉施工：采用穿心千斤顶反压方式辅助深大沉井下沉，在沉井顶部设置钢架反力平台，钢架反力平台连接在井壁上，可有效保证结构的受力稳定性，并通过锚固拉杆锚固在沉井顶部井壁内，锚固拉杆端部固定在沉井内，钢架反力平台上布置两台穿心千斤顶，并通过钢绞线将两台穿心千斤顶串联，钢绞线一端锚固在井壁内侧的钢架反力平台上，另一端锚固在井壁外侧的配重块上，配重块置于地表上的承重板上，承重板下设置支撑短桩，以保证承重板不产生过大的变形，在实际施工工程中可根据需要的压沉荷载大小确定适宜的千斤顶数量，压沉过程中，穿心千斤顶的油缸顶住上端钢绞线，并通过钢绞线对井壁外侧配重块施加向上的反作用力，根据力的作用力与反作用力原理，配重块对沉井结构产生一个向下的反压力，促使沉井下沉，如此实现了沉井结构的连续压沉，直至达到设计深度；
井底封底施工：当沉井沉至设计深度后，首先将沉井井底的淤泥清除，浇筑封底混凝土，水下的封底混凝土浇筑优选采用导管法施工，以保证所浇筑的封底混凝土不出现离析及淤泥等充填物，封底混凝土强度达到设计要求后，布设钢筋网片并进行封底板的混凝土浇筑施工；
沉井施工场地恢复：在完成沉井下沉、封底混凝土浇筑及封底板浇筑之后，对沉井的施工场地进行原状恢复，并做好沉井结构的保护工作，防止在使用期间井体发生破坏及危及相关人员。
作为本发明进一步方案：所述施工准备步骤中的素混凝土垫层所采用的混凝土强度不低于C20。
作为本发明进一步方案：所述素混凝土垫层的垫层厚度大于200mm，铺设范围大于沉井外径500mm以上。
作为本发明进一步方案：所述带孔滤管中的滤孔的直径大于3mm，且所述带孔滤管的外围包覆有滤布。
作为本发明进一步方案：所述降水井施工步骤中的沉淀管、带孔滤管与沉井井孔之间的间隙采用中粗砂填料进行回填，所述普通井管与沉井井孔之间的间隙采用普通黏性土填料进行回填。
作为本发明进一步方案：所述沉井外侧采用台阶式设计，其最底端外径最大，沿其深度向上逐渐减小，且其分节高度不小于6m，台阶宽度不小于20mm。
作为本发明进一步方案：所述井体下沉施工步骤中的破泥装置包括设置在浮式平台板上的高压旋喷动力装置以及连接在高压旋喷动力装置下端的高压旋喷钻杆，所述高压旋喷钻杆的一端伸入土体中。
作为本发明进一步方案：所述沉井外侧壁布置一系列用于采集沉井监测点的倾斜及沉降大小的无线变形传感器，且所述浮式平台板设置一系列环向或纵横向分布的导向通道，所述高压旋喷钻杆滑动连接在导向通道内。
作为本发明进一步方案：所述钢架反力平台采用牛腿式支撑连接在井壁上，所述穿心千斤顶上部设有定滑轮，钢绞线活动设置在定滑轮上。
作为本发明进一步方案：所述锚固拉杆端部通过膨胀螺栓固定在井壁内，且所述钢架反力平台为可拆卸式平台，且其通过锚固螺栓可拆连接在沉井顶部。
有益效果：
1.本发明所提出的一种适用于富水地层深大沉井开挖及压沉施工方法，通过在沉井管壁周边设置一圈降水井降低沉井下沉过程中地下水位高度，可有效增大下沉荷载；采用水上平台式挖土方式，通过破泥装置将沉井内侧土体破碎切削，大大提高了沉井下沉效率；在沉井外侧布置配重块，采用钢绞线连接配重块和沉井内侧壁，并在沉井顶部设置穿心千斤顶，通过穿心千斤顶反力作用对沉井施加向下作用力，促使沉井下沉，大大降低了传统压沉施工的风险性，同时所提出的沉井压沉方法构造简便，施工效率高，反压荷载大，可较好地解决深大沉井下沉困难问题。
附图说明
图1为本发明的施工流程图；
图2为本发明中的降水井结构剖面示意图；
图3为本发明中的降水井俯视平面布置示意图；
图4为本发明中的水上浮式平台井内土体开挖示意图；
图5为本发明中的水上浮式平台俯视平面布置示意图；
图6为本发明中的沉井压沉施工示意图；
图7为本发明中的压沉结构平面布置示意图；
图中：1、沉井；2、封底混凝土；3、封底板；4、沉淀管；5、中粗砂填料；6、黏性土填料；7、普通井管；8、带孔滤管；9、降水井；10、高压旋喷钻杆；11、浮箱；12、高压旋喷动力装置；13、拉结板；14、固定杆；15、无线变形传感器；16、浮式平台板；17、土体；18、导向通道；19、支撑短桩；20、配重块；21、钢绞线；22、钢架反力平台；23、穿心千斤顶；24、承重板；25、锚固拉杆。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供如下技术方案：
如图1-7所示，一种适用于富水地层深大沉井开挖及压沉施工方法，施工方法包括以下步骤：
施工准备：做好施工场地“三通一平”工作，按照设计要求进行测量放线，确定沉井1实际施工位置，并在施工场地上铺设砂石以及素混凝土垫层，使地表形成一定支撑强度，以保证沉井1下沉过程的平稳性，不发生超允许差异沉降，为后续沉井1施工及材料堆放提供稳定可靠的作业面；
降水井施工：如图3所示，采用钻机在沉井1周边设置一圈降水井9，降水井9深度大于沉井1最大设计下沉深度，以保证能有效降低井体内地下水位，降水井9距沉井1外壁距离不超过3m，以提高降水井9降水效率，如图2所示，降水井9主要由沉淀管4、带孔滤管8及普通井管7组成，底部为沉淀管4，用于防止降水过程中水中杂质、异物将降水井9淤堵，沉淀管4上部为带孔滤管8，为降水井9的主要抽水部位，其上为普通井管7，且井壁不带抽水孔，带孔滤管8深度值主要根据场地地层土体渗透性而改变，场地地层土体为砂性土地层，带孔滤管8深度取小值，反之场地地层土体为黏性土地层，带孔滤管8深度取大值；
井体浇筑施工：在井体外壁进行涂蜡施工并配合触变泥浆减阻，以进一步降低井壁摩阻力值，同时通过沉井1外侧的降水井9进行降排水施工，降低井体内地下水位高度，增大结构有效重度，有效提高沉井1下沉荷载，井体侧壁的施工流程主要包括架立内模、绑扎钢筋、架立外模及浇筑砼的过程，配合井体内挖土进程，重复上述流程可完成井体的浇筑工作；
井体下沉施工：由于取水沉井1所处地层通常地下水位较高，即使采用降水井9降水也难以完全将地下水位降至设计深度以下，因此取水沉井1通常需要进行水下井体下沉施工，本发明优选采用水上浮式平台施工进行水下井内土体17开挖施工，以提高施工效率，减小施工风险，如图4所示，水上浮式平台包括浮箱11、浮式平台板16、拉结板13及固定杆14，在沉井1内侧设置浮式平台板16，浮式平台板16通过其下部的浮箱11充填水量大小来调节平台不同施工高度，如图5所示，拉结板13主要将各个分散的浮式平台板16连接为一整体，通过固定杆14将平台与沉井1侧壁拉结，以保证平台板的稳定性，在浮式平台板16上布置破泥装置，对土体17快速破碎切削，并进一步通过吸泥装置将破碎后的土体17抽出；
深大沉井压沉施工：对于深大沉井1而言，其下沉摩阻力较大，一般仅靠井体自重难以完全将沉井1下沉至设计深度，需要在施工时采取额外的压沉措施，采用穿心千斤顶23反压方式辅助深大沉井1下沉，如图6所示，在沉井1顶部设置钢架反力平台22，钢架反力平台22连接在井壁上，可有效保证结构的受力稳定性，并通过锚固拉杆25锚固在沉井1顶部井壁内，锚固拉杆25端部固定在沉井1内，钢架反力平台22上布置两台穿心千斤顶23，并通过钢绞线21将两台穿心千斤顶23串联，钢绞线21一端锚固在井壁内侧的钢架反力平台22上，另一端锚固在井壁外侧的配重块20上，配重块20置于地表上的承重板24上，承重板24下设置支撑短桩19，以保证承重板24不产生过大的变形，在实际施工工程中可根据需要的压沉荷载大小确定适宜的千斤顶数量，压沉过程中，穿心千斤顶23的油缸顶住上端钢绞线21，并通过钢绞线21对井壁外侧配重块20施加向上的反作用力，根据力的作用力与反作用力原理，配重块20对沉井1结构产生一个向下的反压力，促使沉井1下沉，如此实现了沉井1结构的连续压沉，直至达到设计深度；
井底封底施工：当沉井1沉至设计深度后，首先将沉井1井底的淤泥清除，浇筑封底混凝土2，水下的封底混凝土2浇筑优选采用导管法施工，以保证所浇筑的封底混凝土2不出现离析及淤泥等充填物，封底混凝土2强度达到设计要求后，布设钢筋网片并进行封底板3的混凝土浇筑施工；
沉井施工场地恢复：在完成沉井1下沉、封底混凝土2浇筑及封底板3浇筑之后，对沉井1的施工场地进行原状恢复，并做好沉井1结构的保护工作，防止在使用期间井体发生破坏及危及相关人员。
施工准备步骤中的素混凝土垫层所采用的混凝土强度不低于C20，如此能够使得地表形成一定的支撑强度。
素混凝土垫层的垫层厚度大于200mm，铺设范围大于沉井1外径500mm以上，为了后续的施工过程能够更加稳定的进行。
带孔滤管8中的滤孔的直径大于3mm，且带孔滤管8的外围包覆有滤布，如此设置，能够避免各种大小泥沙碎石进入带孔滤管8中。
降水井施工步骤中的沉淀管4、带孔滤管8与沉井1井孔之间的间隙采用中粗砂填料5进行回填，普通井管7与沉井1井孔之间的间隙采用普通黏性土填料6进行回填。
为减小深大沉井1下沉过程中摩阻力大小，沉井1外侧应该采用台阶式设计，其最底端外径最大，沿其深度向上逐渐减小，各分节高度及台阶高度需根据地层特性及设计深度确定，具体的，其分节高度不小于6m，台阶宽度不小于20mm。
井体下沉施工步骤中的破泥装置包括设置在浮式平台板16上的高压旋喷动力装置12以及连接在高压旋喷动力装置12下端的高压旋喷钻杆10，高压旋喷钻杆10的一端伸入土体17中，通过高压旋喷钻杆10喷出的高压空气和高压液体将沉井1内侧的土体17快速破碎切削。
沉井1外侧壁布置一系列用于采集沉井监测点的倾斜及沉降大小的无线变形传感器15，且浮式平台板16设置一系列环向或纵横向分布的导向通道18，高压旋喷钻杆10滑动连接在导向通道18内，土体17的破碎切削需实时与沉井1的变形监测数据相匹配，并根据沉井1的倾斜状况调整破碎切削位置及速率，如图5所示，无线变形传感器15可同时采集到沉井监测点的倾斜及沉降大小，通过将所有无线变形传感器15进行组网可实时反映沉井井体结构的倾斜特性，根据沉井1倾斜的实时监测数据，通过导向通道18移动高压旋喷钻杆10到需要作进一步开挖区域并进行土体17破碎切割，通过合理设置导向通道18，不仅可以保证沉井1平稳下沉，而且可实现井内土体全方位破碎切削，将井壁内土体完全挖除，保障深大沉井1的顺利下沉。
钢架反力平台22采用牛腿式支撑连接在井壁上，保证了钢架反力平台22的支撑稳定性，穿心千斤顶23上部设有定滑轮，钢绞线21活动设置在定滑轮上，可保证钢绞线21传力的稳定性。
锚固拉杆25端部通过膨胀螺栓固定在井壁内，且钢架反力平台22为可拆卸式平台，且其锚固螺栓可拆连接在沉井1顶部，通过拆卸锚固螺栓可将钢架反力平台22拆除，并进一步在新浇筑的位置上安装，可实现沉井1结构的连续压沉，直至达到设计深度。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
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