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沉井顶管施工方案

第一章工程概况

1.1工程概况

本工程为宁波市北环快速路（北海路东侧~康庄南路东侧）工程IV标段的顶管工程，工程位于宁波市北外环西路（浙东轻纺城四号路~庄桥立交桥北外环1#泵站），顶管全长1445米，其中Φ2000钢筋砼顶管925米，Φ2000钢管顶管280米，Φ1000钢筋砼顶管166米，Φ600钢筋砼顶管74米。

沿线设3座工作井，3座接收井和1座SWM工法围护井，8座骑马井。

工作井内净尺寸直径*平均深为8m*11.92m（深为砼井壁顶至井刃脚底），接收井内净尺寸直径*平均深为5.5m*9.09m，SWM工法围护井内净尺寸长度*宽度*桩长为5m*5m*15m，骑马井内净尺寸直径*平均深为1m*9.98（深为现状道路标高至井流水标高）。

考虑现状公路的安全，以及在下沉深度内的土层在淤泥质粉质粘土，本方案采用不排水法施工方案，避免沉井施工过程中水土流失对公路和周围建筑物的影响。

本工程沉井采取二次井壁制作二次下沉。

沉井下沉采用不排水下沉方法，不排水下沉取土方式为空气吸泥机出土下沉，同时配潜水员水下冲泥配合。

当沉井下沉系数偏小时可开启空气幕系统助沉，而不宜采用掏挖刃脚下土体的方式助沉，以防止沉井产生突沉。

同时在下沉过程中还可利用分组开启空气幕系统进行辅助纠偏，下沉至设计标高后，还可利用空气幕系统的管路压入水泥浆阻沉及增加沉井的抗浮能力。

各井参数一览表

序号

井号

类型

尺寸

流水标高

距离

管材

管径D

井深高度H

W20-03#

接收井（III标）

Φ5500

-6.36

9.18

W20-04#

骑马井

Φ1000

-6.43

85.00

钢筋砼管

2000

9.49

W20-05#

骑马井

Φ1000

-6.49

70.00

钢筋砼管

2000

9.68

W21-01#

骑马井

Φ1000

-6.61

150.00

钢筋砼管

2000

9.93

W21-02#

骑马井

Φ1000

-6.65

55.00

钢筋砼管

2000

9.95

W21-03#

工作井

Φ8000

-6.76

138.00

钢筋砼管

2000

11.92

W22-01#

骑马井

Φ1000

-6.86

121.00

钢管

2000

9.40

W22-02#

工作井

Φ8000

-6.93

85.00

钢管

2000

11.73

W22-03#

骑马井

Φ1000

-6.98

65.00

钢筋砼管

2000

10.84

W22-04#

骑马井

Φ1000

-7.05

92.00

钢筋砼管

2000

10.25

W23-01#

骑马井

Φ1000

-7.15

121.00

钢筋砼管

2000

10.31

W23-02#

接收井

Φ5500

-7.24

116.00

钢筋砼管

2000

11.34

W23-03#

工作井

Φ8000

-7.30

74.00

钢管

2000

12.10

W23-03#

工作井

Φ8000

-4.30

12.10

W23-04#

围护井（老井）

5000*5000

-4.32

33.00

钢筋砼管

2000

15.00

W23-03#

工作井

Φ8000

-3.08

12.10

W23-03A

接收井

Φ5500

-3.00

钢筋砼管

600

7.65

W22-02#

工作井

Φ8000

-4.57

11.73

W22-02A#

接收井

Φ5500

--4.41

151.00

钢筋砼管

1000

8.27

W22-02B#

检查井

Φ1500

-4.39

15.00

钢筋砼管

1000

7.05

合计

1445.00

1.2编制依据

1、上海市政工程设计研究总院提供的宁波市北环快速路施工图设计图集施工IV标段第四册管线综合及排水工程第二分册排水工程施工图；

2、《宁波市市政排水工程通用图》（1992）；

3、《给水排水管道工程施工及验收规范》（GB50268-2008）；

4、《给水排水工程顶管技术规程》（CECS246:

2008）；

5、《给水排水构筑物工程施工及验收规范》（GB50141-2008）；

6、《地基与基础工程质量验收规范》（GB50202-2002）；

7、《市政排水管道工程及附属设施》（06MS201）；

8、《钢筋焊接网混凝土结构技术规程》（JGJ/J114/97）；

9、《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB50204-2002）；

10、《砌体工程施工质量验收规范》（GB50203-2002）；

11、《电气装置安装工程施工及验收规范》（GBJ147-149-90）；

12、《建筑工程施工质量验收统一标准》（GB50300-2001）；

13、现场踏勘资料。

第二章地质条件

2.1工程地质性质

根据地基土的成因、年代及物理力学性质，场地勘察深度25m范围内土体主要为海积相淤泥质土，表层硬壳层大部分地段缺失，属典型软土地基。

地基土承载力一般为50-65KPa，整体强度低压缩性高，天然工程地质条件较差，主要工程地质问题为：

区内地下水位较高，浅层淤泥质土处于饱和状态，具有含水量高、压缩性高、强度低的特征，容易造成道路地基沉降。

地基土各土层分布厚度及结构特征自上而下分述见下表：

层号

土层

名称

土层平

均厚度

（m）

层底

标高

（m）

层底

深度

（m）

土层描述

杂填土

2.94

-3.11~

2.12

1.00~

6.00

杂色，松散，主要由粘性土混含碎石、砾石组成。

灰黄~灰色粘土

1.39

-3.65~-

1.25

1.8~

6.5

灰黄色，软可塑，含Fe、Mn质结核，无摇振反应，稍有光泽，韧性中等，干强度高。

灰色淤泥质粉质粘土

10.51

-13.33~

-7.12

10.20~

16.80

流塑，偶含腐植物及贝壳碎屑，局部为淤泥质粘土，有光泽，韧性高，干强度高，无摇震反应。

灰色粉质粘土夹粉土

2.58

-16.78~-

-10.66

14.00~

19.00

土质不均，粉粒含量局部较高软塑~流塑，稍有光泽，韧性高，干强度高，无摇震反应。

灰色淤泥质粉质粘土

10.70

-30.18~-

-11.38

15.00~

33.50

灰色，很湿，稍密，摇振反应迅速，无光泽反应，含云母碎屑，韧性低，干强度低，局部夹薄层粉质粘土及粉砂，土质较均匀。

控制区域内普遍分布。

2.2地下水特征

场地勘察深度范围内地表水系发育，地下水类型有浅层潜水、承压水。

浅层潜水地下水水位埋深0.2~6.9m左右，高程为-3.08~3.59m。

根据水质分析结果，地表水、地下水在干湿条件下对混凝土具有腐蚀性；在长期浸水条件下，地下水对钢筋混凝土结构中的钢筋有微腐蚀性。

在干湿交替条件下，地下水对钢筋混凝土结构中的钢筋有中腐蚀性；土对混凝土具有腐蚀性。

根据区域水文地质资料，地下水水位受季节影响较大，地下水年变化幅度1.0米左右。

根据勘察资料揭示，层夹薄层粉砂较多，在一定水头的动水压力作用下易产生流砂管涌现象，影响基坑安全。

场区地下水位较高，在工程施工时应积极重视。

第三章工作井、接收井施工方案

3.1概述

本方案以W21-03#工作井为例，其平面最大外包尺寸为直径9.5×高11.92m，刃脚至顶板高度为h=11.92m。

本方案以W23-02#接收井为例，其平面最大外包尺寸为直径6.6×高11.34m，刃脚至顶板高度为h=11.34m。

工作井和接收井施工分二次井壁制作，二次下沉。

W21-03#工作井刃脚制作高度从-10.26m至-7.21m，高度为3.05m，第一次井壁制作高度从-7.21至-2.33m，高度4.88m，然后下沉至-2.83m。

第二次井壁制作从-2.33m至+1.66m，高度3.99m，然后下沉至-10.26m。

以W23-02#接收井为例刃脚制作高度从-10.64m至-7.74m，高度为2.9m，第一次井壁制作高度从-7.74至-4.08m，高度3.66m，然后下沉至-4.58m。

第二次井壁制作从-4.08m至+0.7m，高度4.78m，然后下沉至-10.64m。

根据本工程实际情况结合设计要求、工期及下卧层承载力，沉井采用二次井壁制作、二次下沉的施工方法。

沉井下沉采用不排水下沉，不排水下沉取土方式为空气吸泥机出土下沉，同时配以潜水员水下冲泥、清基，配合下沉。

沉井四周设环形施工便道，宽度为6m，保证重型施工机械设备行走，沿沉井的边侧搭设钢筋加工场、模板拼装场地、临时堆场，硬化地坪。

3.2沉井施工流程

3.3工程的特点和难点

本工程中的沉井细而高，根据规范要求及我公司对沉井施工的经验，沉井制作高度在下沉前不宜超过沉井的短边长度。

因此，我公司对沉井拟采用二次制作，二次下沉的施工工艺。

在沉井制作的过程中，加强对沉井沉降的观测，根据地质详勘资料及现场监测情况调整沉井分节高度，严格确保沉井制作的质量和安全。

沉井第一次和第二次下沉都采取不排水下沉，封底采用浇注水下混凝土封底。

沉井下沉过程中应加强监测，及时纠偏。

尤其注意沉井初沉阶段的纠偏工作。

针对沉井下沉系数偏小的问题，在沉井下沉施工中拟采用空气幕法助沉措施。

由于沉井高度较高，因此沉井下沉过程中应加强测量，并注意两侧对称出土，防止沉井下沉中产生位移、扭转，以保证沉井顺利下沉和减少沉井下沉对周边土体的扰动。

并通过在下沉过程中及时调整气幕对沉井四壁的供气量，达到控制沉井侧壁摩阻力的目的，从而满足沉井纠偏和下沉的要求。

沉井施工区域地下水位较高，而根据地质资料显示，有可能出现沉井下沉需穿越粉砂层，为防止在水头差下产生流砂现象，因此沉井下沉采用不排水下沉和水封底。

并应保持井内水位能够平衡井内外水头差。

沉井终沉后刃脚座落在

2层灰色粉质粘土层上，因该层土土质较差，为保证沉井顺利下沉至底标高，防止沉井超沉，应通过以下手段加以控制：

a、根据设计要求在沉井封底时考虑采用水封底，通过控制井内水位来平衡井内外水位高差，防止流砂的产生。

并且沉井水封底时由于浮力的作用可有效减轻沉井的自重，减小对基底土层的影响。

b、沉井在粉砂层中下沉时，如下沉系数偏小可采用气幕法助沉，可保证沉井稳定下沉，并可有效减少沉井下沉对周边土体的扰动。

c、考虑到基底土层压缩性较大，在沉井终沉时根据实际情况预留一定的自沉深度。

d、下沉时井体与土体之间空隙应灌砂,随沉随灌。

e、封底时采用分格对称进行水下混凝土浇注，封底时保持沉井内外水位平衡，杜绝存在水头差，影响封底质量。

f、在沉井封底结束后，及时进行底板施工，防止沉井建成后期产生较大沉降。

3.4沉井制作、接高、下沉分析

3.4.1沉井制作时砂垫层和下卧层承载力验算

根据本场地的地质条件，本工程沉井分二次制作，二次下沉，沉井砂垫层厚0.8m，采用承载力较高的粗砂，刃脚素砼垫层宽1.2m，厚20cm的C20混凝土浇注。

工作井和接收井第一节制作高度分别为7.93m、6.56m。

沉井刃脚砂垫层及下卧层验算：

1、沉井二次制作时砂垫层和下卧层的承载力验算

沉井第一次制作高度为7.93m，砂垫层厚度需确保沉井在制作时砂垫层及下卧层满足承载力要求，以保证沉井制作时的要求。

W21-03#沉井砂垫层下卧层为

层灰色粘土,其地基承载力较好。

a.砂垫层承载力

σ=

≤[σ]

每延长米沉井自重，沉井井壁每延长米自重为：

（131.48+24.32）（m3）×24.5（密度）/（28.7）（长度）=133（KN/m）；

B—刃脚下素砼垫层宽度（m），素砼垫层宽度为1.2m；

[σ]—砂垫层极限承载力，取250Kpa；

经计算：

σ=133/1.2=110.83Kpa，承载力满足施工要求。

b.下卧层承载力

σ下=G/（B+2Htgθ）+Hγ砂≤[σ]

G—每延长米沉井自重（KN/m）；

B—刃脚下素砼垫层宽度（m）；

tgθ—砂垫层内摩擦正切值，取其内摩擦角为22.5度；

H—砂垫层厚度，取0.8m

γ砂—砂容重取16KN/m3

注：

砂垫层厚度小于1m时，可不考虑砂垫层本身附加重力。

经计算：

σ下=133/（1.2+2×0.8×tg22.5）=71.4KPa；

下卧层复合地基极限承载力为80Kpa，其承载力能满足施工要求。

3.4.2沉井下沉稳定性验算

沉井下沉稳定性可按下式计算：

下沉稳定系数：

K2=（G-B1）/（T+R1+R2）＜1

式中：

G—井位自重（KN），沉井砼共浇筑196.16+24.32=220.48m3；自重5401.76KN。

T—井壁总摩阻力，3739.9KN（详见沉井下沉系数分析）；

B1—地下水浮力，浮力为220.48（KN）；

R1—刃脚踏面及斜面下土的支承力（KN）；

R1=ARRj=26.06*65=1693.9KN

AR—刃脚踏面及刃脚斜面与井内土壤接触面26.06（m2）；

R2—底梁下土的支承力0（KN）；

R2=AlRj=12.8*65=832KN

Al—底梁下土的总支承面积12.8（m2）；

Rj—土的极限承载力65（KN/m2）。

经计算：

K2=（G-B1）/（T+R1+R2）=0.97＜1

满足沉井接高稳定性要求。

3.4.3下沉系数分析

1、下沉中土层与井壁的总摩阻力计算

沉井下沉时，土层与井壁的总摩阻力按下式计算：

T=UA

式中：

U—井壁的外围周长29.8（m）；

A—单位周长摩阻力（KN/m），

A=（H-1.5）f其中1.5为地下水位标高

f—单位面积摩阻力20（KN/m2）；

H——沉井下沉深度（m）。

2、沉井下沉系数计算

K=（G-B1）/（T+R1+R2）

式中：

G—分次下沉时井体自重（KN），不考虑封底混凝土和底板；B1—地下水浮力，排水下沉时为B1=0；

T—沉井与土之间的摩擦力；

R1—刃脚踏面及斜面下土的支承力；

R2—沉井内部隔墙和底梁下土的支承力。

根据计算，起初沉井下沉系数较大，在下沉过程中不宜掏空刃脚，在终沉和终沉阶段必须采用气模法助沉。

下沉系数分析见下表。

不排水时下沉系数分析表

下沉标高及地质

下沉深度

单位面积摩阻力f0（kn/m2）

侧壁摩阻力f1（kn）

地基承载力（kn/m2）

沉井

浮重

下沉系数K=G/（T+R）

h（m）

f1=U*（h-1.5）*f0

底梁刃脚斜面掏空

底梁掏空

A=10.06（m2）

刃脚斜面不掏空

A=26.06（m2）

▽1.16（粘土）起沉标高

80.00

5401.76

6.71

2.59

▽0.11（粘土）

1.05

30.00

938.70

80.00

5382.34

3.09

1.78

▽-3.09（灰色淤泥质粉质粘土）

3.20

17.00

1799.92

50.00

5323.14

2.31

1.72

▽-6.27（灰色淤泥质粉质粘土）

第一次下沉标高

3.18

20.00

3739.90

65.00

5264.31

1.20

0.97

▽-10.26（灰色淤泥质粉质粘土）

第二次下沉标高

3.99

20.00

7962.56

65.00

5181.24

0.60

0.54

不排水下沉时井内水位在1.5m。

根据计算，沉井在第二次下沉时下沉系数较小，在下沉过程中可以采用在井周外侧挖除1.05m粘土层或气幕法助沉。

3.5沉井地基处理施工

3.5.1测量放线

施工前，应根据设计图纸座标及甲方提供的基准点测量定位，同时在沉井周围，且在施工影响范围之外布置座标控制点和临时水准点，建立的控制点精度为±1mm。

并应填写测量复核单，由甲方和监理认可，施工过程中控制点应加以保护，并应定期检查和复测。

在沉井四周设置龙门桩，并用石灰粉划出井中心轴线、基坑轮廓线，作为沉井制作和下沉定位的依据。

1、导线测量

导线点应根据总平面图布设，所选点位应选择净空地带，并应考虑便于使用、安全和长期保存。

2、角度测设

角度观测采用全圆测回法进行，测回数及测量限差与方格网角度观测要求相同。

3、高程测量

本工程高程测量控制网采用三、四等水准测量方法建立。

水准网的绝对高程应从业主提供的高级水准点引测并联系于网中一点，作为推算高程的依据。

4、标桩埋设

导线控制点和高程控制点均应远离沉井下陷区范围以外，至少保持50m以外的安全距离，点桩应深埋，并设置保护装置，定期检查和校核。

3.5.2基坑开挖

为减少沉井下沉深度，降低施工作业面，采取在基坑中制作沉井，基坑开挖深度为2.3米，考虑到放坡支模操作等工作的需要，基坑底边比沉井周边宽1.0米，按1：

1放坡。

基坑开挖时，在四周挖排水盲沟，四角设置集水井，在沉井两边设置两只观察井,使地下水位降至基坑底面以下0.5米，基坑开挖采用一台0.6m3反铲挖土机开挖，同时配合人工修边和平整坑底，土方随挖随运。

开挖至距坑底标高20cm左右时应采用人工修坡、平底，防止扰动基地土层，坑底如遇淤泥或松软土质应彻底清除并采用砂性土回填、整平夯实。

施工时应尽量减少基坑暴露时间。

基坑开挖过程中，应利用排水沟结合集水坑进行排水。

挖出土方应及时运走，不得堆置在坑边。

在沉井两边设置两只观察井,以便及时了解地下水位情况。

3.5.3铺筑砂垫层、砼垫层

1、砂垫层铺筑

基坑开挖结束后，及时铺筑砂垫层，砂垫层厚度0.8m，砂垫层采用中粗砂，每25cm铺一层，边洒水边振实，同时应分层进行测试干容量，干容量应不小于1.56t／m3，铺筑砂垫层应在四周设置集水井，基坑底部设置盲沟，施工期间应不停抽水，严禁砂垫层浸泡在水中。

2、素砼垫层浇筑

为了扩大沉井刃脚的支承面积，减轻对砂垫层的压力，在砂垫层上铺上一层C20素砼垫层，素砼垫层的厚度为20cm。

素砼宽度分别取井壁外40cm。

砂垫层铺设完毕经干容重测试合格后，即可在砂垫层上浇筑素砼垫层，素砼垫层保证水平，误差小于5mm，以便模板施工，且表面抹光以此作为刃脚的底模。

3.6沉井结构制作

3.6.1起重设备及脚手工程

1、起重设备

沉井结构在制作及下沉阶段，选用25t履带吊作为起重设备。

2、脚手工程

本工程的特点是沉井制作与下沉交替施工，因此沉井外脚手与内脚手的搭设有所不同。

沉井第一次内外脚手是直接在沉井外的砂垫层上搭设的。

在沉井制作期间，由于沉井可能出现不同程度的沉降，为安全起见，内外脚手与井壁是脱离的，距离约30cm，在沉井下沉期间，由于沉井周围土体可能出现沉陷或塌方，脚手必须拆除。

工作井第二节接高制作时，重新在井外搭设外脚手。

沉井内脚手的搭设平台是在沉井井壁的预埋件上焊接牛腿，牛腿上焊接32号槽钢4根，组成方框架平台。

沉井连续制作，脚手便连续接高。

本工程内外脚手架均为扣件式钢管脚手架，钢管为外径48mm，壁厚3.5mm的高频焊接钢管。

外脚手沿沉井井壁四周组成整体框架结构，每4m设抛撑一根，外侧用粗眼安全网封闭，内外脚手的作业层均铺竹笆。

3.6.2模板工程

1、模板工程

模板拼装、围令、立筋应按模板的翻样图施工，模板要有脚手架提供操作立模条件，予埋件及穿墙洞应在内模架立后完成，并应确保其位置、标高、轴线的正确。

本工程高位井为二次制作两次下沉，模板均采用18mm厚胶合板模，在预留洞、井壁底板位置等特殊部位采用木模，在沉井插筋部位用5cm木板间隔拼装，拼装的木模其表面应进行刨光，拼缝严密平整不漏浆，所有模板表面平整度符合规范要求。

围檩立筋采用Φ48钢管或8#槽钢，拉杆螺栓采用Φ14mm圆钢，模板內侧拉杆两端各留2cm，焊上限位卡进行限位和放置50×50×20cm3的木方，待拆除模板后凿除木块，并用比结构高一强度的水泥砂浆抹平，通过外侧的拉杆中间焊一块50mm×50mm×3mm的止水钢板，钢板与拉杆周边满焊，以防拆模时拉杆松动而导致墙体渗水损坏墙内钢筋。

拉杆螺栓设置水平间距40cm，垂直间距40cm。

为防止浇砼时爆模，在水平加固模板用的2×Φ25钢筋两端接头处上点焊，所有拼缝及模板接缝处要逐个检查嵌实，防止漏浆，模板架立好后应请业主、监理工程师进行验收，验收重点是平面尺寸和断面尺寸，平整度，予埋件、穿墙洞等项目。

内外模板立模顺序。

原则上先立内模，后立外模。

模板与钢筋安装应相互配合进行，若妨碍绑扎钢筋的模板、应待钢筋安装完毕后再立模。

2、模板支架稳定性验算

采用内部振捣器振捣新浇筑砼侧压力标准值，按下列二式计算，并取两式中的较小值：

F1=0.22γt0β1β2V½

F2=24h

式中:

γ—砼重力密度,普通钢筋混凝土取24.5KN/m³;

t0—新浇筑砼初凝时间,t0=200/（T＋15）,T为砼温度;

T—常温下取25℃,t0=5

V—砼浇筑速度3m/h

β1—外加剂影响系数,加外加剂时取1.2

β2－砼坍落度修正系数,泵送砼取1.15

h—有效压头,当浇筑速度V较快时,t0V＞H,则应取h=H

新浇混凝土自重标准值：

24.5KN/m3

施工人员及设备荷载标准值：

1.0KN/m2

振捣混凝土时产生的荷载标准值：

2.0KN/m2

已知：

大模板高度488㎜，模板为整体拼装式木胶合板，面板δ=18㎜,外侧为竖背肋为50㎜×80㎜木方间距250㎜,外侧为横背肋为直径20螺纹钢筋@400mm,内侧采用定型木模，现对大模板的强度与刚度进行验算。

⑴荷载计算：

①新浇筑砼对模板侧压力计算：

F1=0.22×24.5×5×1.2×1.15×3½=64.416KN/㎡

F2=24h=24×4.88=117.12KN/㎡

②振捣砼对垂直模板所产生的荷载为4KN/㎡

③垂直模板侧压力设计值为：

F=64.416KN/㎡＋4KN/㎡=68.4KN/㎡

⑵对拉螺栓计算

对拉螺栓水平间距400㎜,垂直间距400㎜,对拉螺栓所承受的拉力为:

Nt=0.4m×0.4m×68.4KN/㎡=10.944KN

选用M14对拉螺栓,An=105㎜²,fb=215N/㎜²,

则对拉螺栓承载力为An×fb=105×215=22.575KN＞Nt=10.944KN

故满足要求。

⑶竖背肋的计算

竖背肋是支承在横背肋上的连续木方。

强度计算

q=68.4KN/㎡×0.4m=27.36KN/m

依据《建筑施工手册》，考虑荷载是最不利时，Mmax=Kmql²

式中Km为弯矩影响系数，最不利情况下取0.125,查表得50mm×80mm木方WX=53.33㎝³,IX=256㎝4

Mmax=0.125×27.36KN/m×0.25²=0.214KN.m

δ=Mmax/WX=0.214KN.m/53.33㎝³=4.01N/㎜²＜[f]=5.13N/㎜²

故强度满足要求。

⑷横背肋的计算

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