低渗透性土层中舱内水位调控沉井接高下沉的施工方法

摘要

本发明公开了一种低渗透性土层中舱内水位调控沉井接高下沉的施工方法，包括以下步骤；步骤一：陆域大型沉井前期下沉均为排水下沉，在前期排水下沉中，通过设置的降水井进行抽水试验，结合地勘资料确定渗透系数，初步计算分析沉井井孔内增减水位时能够维持的水位标高。超大型沉井在不排水接高下沉阶段，通过控制浮力，实现单阶段大高度接高的施工方法。本发明能够增加沉井单阶段接高高度，且能够有效解决在大接高情况下，沉井状态不易受控的问题；同时沉井减少沉井接高下沉组合次数，也因沉井在大接高状态下其自重大，促使沉井后续下沉速度更快。达到够安全、高效的接高下沉施工的效果，降低了施工成本。

说明书

技术领域

本发明涉及沉井施工领域。更具体地说，本发明涉及一种低渗透性土层中舱内水位调控沉井接高下沉的施工方法。

背景技术

在目前国内外沉井基础施工案例中，尚未对深厚淤泥质土层中沉井建造技术有较为成熟的研究。随着我国桥梁建设技术的飞速发展，沉井应用范围也由以往的砂性土层逐步向最为复杂的淤泥质土层中扩展，这对沉井建造技术提出了更高的需求。而沉井施工相较其它结构物而言，从接高、下沉直至到封底完成，整个施工过程都处于运动的不稳定状态之中，而影响其不稳定状态的因素又十分复杂，既有结构本身的体型尺寸、重量、构造特征等因素，还有外部环境的地形地貌、工程地质条件等因素，还有施工作业方法、施工顺序、控制手段等，上述综合影响最终施工的结果，决定了沉井能否顺利下沉到预定的位置。其中沉井接高下沉组合及开挖下沉方法，是保证沉井快速、平稳下沉的关键点。

大型沉井接高下沉组合主要受地基承载力的限制，需要保证沉井在接高过程中满足稳定性的要求，故以往沉井单次接高高度不大，接高下沉总次数相对较多，相应的增加了工序转换次数。如何在保证沉井可控的状态下，尽可能减少接高下沉组合次数，对提高沉井施工工效至关重要。且随沉井下沉深度增加，沉井所受阻力占比逐步加大，为加快沉井下沉及姿态控制速度须从端阻、侧阻及浮力三方面入手。端阻方面，削弱量级有限且受沉井姿态约束；侧阻方面，削弱施工成本普遍较高，安全风险大，并且传统的空气幕等助沉措施不适用于粘性土。浮力方面，淤泥质土为软弱土的典型代表，其具有渗透性小的工程特性，故能够使沉井舱内水位在一定标高时，维持舱内水位并保持土体稳定，进而可以实现通过控制舱内水位达到对浮力控制的目的，且控制舱内水位难度小。

发明内容

本发明的目的是提供一种低渗透性土层地质条件下陆域大型沉井在不排水接高下沉施工中，通过调控舱内水位，实现浮力控制，从而达到在可控的状态下实现沉井单次接高高度增加及减浮助沉的效果，以高效完成后续沉井不排水接高下沉施工的方法。该方法能够加大沉井单次接高高度，减少沉井接高下沉组合次数；并能克服沉井在大接高状态下不易受控的问题，且沉井在大接高状态下其自重大，沉井后续下沉速度更快。能够安全、高效的完成接高下沉施工，降低了施工成本。

本发明解决此技术问题所采用的技术方案是：一种低渗透性土层中舱内水位调控沉井接高下沉的施工方法，该方法针对大型沉井接高和下沉施工，主要包括以下步骤：

步骤一：陆域大型沉井前期下沉均为排水下沉，计算分析沉井井孔内增减水位时能够维持的水位标高；

步骤二：后续采用不排水下沉，在此阶段，综合前期固结效应，确定沉井接高高度；计算接高状态下沉井的接高下沉系数及需求浮力提升量；

步骤三：建立力学模型，计算分析沉井降低水位的限制量，确保基坑稳定性、接高稳定性系数及结构受力安全满足要求；上阶段沉井不排水下沉终沉，根据姿态及基底应力比法锅底修整完成，根据计算的最低水位及沉井姿态观测，舱内分级缓慢降水，通过抽水减浮力，将减少的浮力转换给端阻及侧阻；舱内水位降低至预定值后，观测对比沉降量，修正计算分析；待沉井沉降稳定后，舱内回灌水位至适宜高度；

步骤四：建立力学模型，计算分析沉井提高水位的限制量，确保接高稳定性系数及结构受力安全满足要求；进行沉井接高施工，舱内进行注水试验，确保预定舱内高水位下水位标高能够维持；

步骤五：最后一节接高前，根据前期沉降情况计算分析，监测沉井沉降数据，舱内分级缓慢降水，进一步将减少的浮力转换给端阻及侧阻，为最后一节接高准备；

步骤六：舱内水位降低至预定值后，观测对比沉降量，修正计算分析；待沉降稳定后，回灌舱内水位至最高位置，分区浇筑最后一节混凝土；

步骤七：沉井大接高完成，工序转换进入沉井下沉施工。

优选的是，所述步骤六中，分区浇筑时，根据姿态数据，总体以先浇筑井壁及周边隔墙再浇筑中间剩余隔墙为原则，完成最后一节混凝土浇筑。

优选的是，所述步骤一中，在前期排水下沉中，通过设置降水井进行抽水试验，结合土体物理学参数试验确定渗透系数，采用MODFLOW数值模拟软件进行计算分析沉井井孔内增减水位时能够维持的水位标高。

优选的是，所述步骤二中同时应综合分析大接高状态下取土设备是否满足使用需求。

优选的是，所述步骤七中，沉井锅底逐步由小锅底转化为大锅底下沉状态；同时舱内水位调整至不低于地面标高2m。

本发明至少包括以下有益效果：本发明是首次在深厚淤泥及淤泥质黏土层中，大型沉井接高下沉，保了大型、特大型沉井在大接高状态下能够安全、受控；加大了沉井重量，加快沉井总体下沉速度；增加单次接高高度，减少沉井接高下沉次数，减少工序转换时间，极大提高了施工工效，减少了施工成本。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1是沉井平面示意图；

图2是沉井立面示意图；

图3是步骤六中舱内分级缓慢降水后示意图；

图4是步骤六中舱内迅速回灌水位至不低于地面标高2m示意图；

图5是步骤七接高四节完成，舱内注水实验示意图；

图6是步骤八中舱内分级缓慢降水示意图；

图7是步骤八中迅速回灌舱内水位至最高位置示意图；

图8是分区浇筑方向图；

图9是沉井锅底初始状态图；

图10是沉井锅底大锅底下沉状态图；

图11是深厚淤泥质地层示意图；

图12是不同深度土层性质。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。在结合附图对本发明进行说明前，需要特别指出的是：本发明中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案和技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案和技术特征可以相互组合。

此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。因此，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的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

沉井接高下沉通常以接高下沉系数作为接高下沉组合的重要衡量指标，其公式如下：

式中：

G—沉井自重；

F—沉井所受浮力；

R

R

上式K＝1时表示沉井趋于极限平衡，在自重一定的情况下，通过控制阻力(浮力、端阻及侧阻)，可达到控制沉井状态的效果。如图11～12所示，对于淤泥质土，其渗透性差，可通过舱内增、减水位，达到浮力控制的效果，进行实现控制沉井状态的目标。

实施例1

如图1～2所示，以某沉井施工为例(该沉井尺寸70×63×67.5m，竖向共划分为13个节段，所处地质以淤泥及淤泥质黏土为主，渗透性小)，沉井第一次为排水下沉，第二次至第四次为不排水下沉，其中第三次接高5节。

步骤一：在前期排水下沉中，通过设置的降水井进行抽水试验，结合土体物理学参数实验确定渗透系数，采用MODFLOW数值模拟软件进行计算分析沉井井孔内增减水位时能够维持的水位标高。

步骤二：计算接高5节的接高下沉系数及需求浮力提升量。

a.下沉系数

k

式中：G为已浇筑沉井的总自重；G′为施工荷载；F

b.接高稳定系数

k＝G

式中：G为已浇筑沉井的总自重；G′为施工荷载；F

根据下沉公式，反推沉井达到临界下沉状态时对应浮力，进而求得沉井内水位标高。计算发现需求提升浮力，折算对应的舱内水位，满足水位维持的计算条件。

表1

步骤三：由于沉井接高高度较大(露出地面高度)，空气吸泥机工作水头计算，吸泥设备能否正常作业。

步骤四：沉井下沉模拟计算采用MIDAS FEA有限元软件进行，采用施工阶段分析法对沉井下沉过程中的各控制工况进行模拟计算分析。模型中混凝土结构采用三维实体单元，钢壳结构采用板单元，计算中钢壳内加筋结构及混凝土内钢筋结构未考虑，忽略其对结构的影响。

a.土压力：考虑沉井下沉施工过程中，沉井外部土体有向坑内涌入的趋势，因而按照主动土压力计算。

b.水压力：水对沉井的浮托力作用按照进入水位以下部分沉井结构改变容重为浮容重的方式施加。

各控制工况沉井受力满足要求。

步骤五：第二次不排水下沉终沉阶段，修饰锅底完成。评估舱内降水对基坑安全及周边建筑物的影响(主要为周边建筑物的沉降计算以及基坑的基底隆起验算)，确定舱内可以降水的深度。

步骤六：如图3所示，沉井周边布设沉降监测点，根据计算降深，舱内分级缓慢降水。根据沉降数据、土压力数据、姿态数据及下沉速率评估实际降深。

通过抽水减浮力，将减少的浮力转换给端阻及侧阻；舱内水位降低至限值后，观测对比沉降量，修正计算分析。如图4所示，待沉井沉降稳定后，舱内迅速回灌水位至不低于地面标高2m。

步骤七：如图5所示，接高四节完成，舱内注水实验，确保预定舱内高水位下水位标高能够维持。

步骤八：第五节接高前，根据前4节单节接高沉降实际情况与计算分析数据对比分析，修正计算。如图6所示，舱内分级缓慢降水，根据沉降数据、土压力数据、姿态数据及下沉速率评估实际降深，进一步将减少的浮力转换给端阻及侧阻，为最后一节接高准备。

内水位降低至预定值后，观测对比沉降量，修正计算分析；如图7所示，待沉降稳定后，迅速回灌舱内水位至最高位置。

如图8所示，分区对称浇筑最后一节混凝土。根据姿态数据，调整沉井第五节混凝土浇筑顺序。

步骤九：沉井5节接高完成，工序转换进入沉井下沉施工。如图9～10所示，沉井锅底逐步由小锅底转化为大锅底下沉状态；同时舱内水位调整至不低于地面标高2m。

基于上述情况，发明了一种深厚淤泥质地层中陆域大型沉井大接高施工方法，该方法的特点是在沉井不排水接高下沉施工中，通过控制浮力，实现沉井自重与侧阻及端阻的转换，将传统大型沉井的单次接高不超过3节(约15m)，提升至5节(约25m)，在保证沉井可控的情况下，减少了沉井接高下沉组合次数，提高沉井施工工效。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。