摘要：文章以取水泵房沉井为例，介绍了南京化工园供水工程（一期）取水泵房沉井的不排水法及排水法的下沉系数验算，总结了沉井的制作、下沉、封底的施工工艺和相关事故的处理措施。
一、工程概况
南京化学工业园供水工程位于南京化学工业园区玉带片，工程建设用地面积19.5公顷，主要供南京化工园园区工业生产用水，设计供水总规模60万吨/日（一期10万吨/日）供水能力，一期工程中的取水头部和取水泵房、供水泵房的土建工程按总规模60万吨/日一次建成。
泵房沉井平面尺寸为48.4m*24m，沉井下沉深度约15.7m，分三节制作一次下沉。场区内原地面标高约在5.50～6.50m，地势低洼，塘沟分布，设计厂内地面为6.5m，设计6.8m为±0标高；刃脚底标高为-8.91m，前池底板顶面标高为-4.51m，泵房底板顶面标高为-3.93m。刃脚踏面宽度为0.4m，斜面宽度为0.8m，高度为1.2m。
本文以该井为例，重点阐述沉井验算、制作、下沉和封底的步骤及工艺。
二、工程地质及自然条件
拟建场地位于长江北岸的八卦洲汊道汇流段黄天荡水源保护区，地貌属于长江漫滩地貌单元。场区内原地面标高约在5.50～6.50m，地势低洼，塘沟分布，设计厂内地面为6.5m。
南京地区抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度0.1g，地震分组为第一组。建筑场地类别：Ⅲ类，拟建厂区软土发育，有一定厚度，且不均匀，其中2-3层、2-3A层及2-4层为液化土层，属抗震不利地段。
（一）地层分布及特征
1-1层为素填土，该层厚0.3～5.40m（一般0.7m），层底标高4.65～6.49m。灰褐色，松散，表层含少量植物根茎。综合确定土层承载力特征值fak=70kPa。
1-2层为含淤泥质素填土，该层厚0.2～1.0m（一般0.5m），层底标高4.02～5.15m。灰、灰黑色，松散，以流塑状粉质粘土为主，含腐殖质，局部为塘泥。综合确定土层承载力特征值fak=40kPa。
2-1层粉质粘土，黄灰色，软塑，局部为可塑，局部夹少量粉土薄层，该层属中高压缩土，厚0.3～2.0m（一般0.9m），层底标高3.27～5.89m。场内分布局部有缺失，综合确定土层承载力特征值fak=85kPa。
2-2层淤泥质粉质粘土，该层厚3.3～13.8m（一般7.1m），层底标高-16.5～0.48m。灰色，流塑，局部为淤泥质粘土，偶夹薄层粉土，属高压缩土，综合确定土层承载力特征值fak=65kPa。
2-2C层粉土夹淤泥质粉质粘土，该层属中高压缩土，厚0.6～4.4m（一般2.0m），层底标高-0.09～4.19m。场内局部有分布，综合确定土层承载力特征值fak=80kPa。
2-3层淤泥质粉质粘土、粉土互层，该层厚0.9～13.5m（一般4.1m），层底标高-29.47～-4.11m。灰色，属中高压缩土。综合确定土层承载力特征值fak=90kPa。
2-3A层粉土、粉砂互层，该层厚1.0～6.9m（一般2.9m），层底标高-9.12～-1.95m。灰色，粉土稍密，粉砂稍密，属中等压缩土，场内局部有分布。综合确定土层承载力特征值fak=120kPa。
2-4层粉土粉砂夹粉质粘土，该层厚0.5～6.6m（一般3.2m），层底标高-15.22～-5.53m。灰色粉土，粉土稍密，粉质粘土为软～流塑2～5mm厚，属中等压缩土，场内分布局部有缺失。综合确定土层承载力特征值fak=130kPa。
2-5层粉土、粉质粘土、粉砂互层，该层厚1.0～20.1m（一般6.5m），层底标高-37.65～-14.01m。灰色，粉土稍密，粉质粘土为软～流塑，粉砂稍密，千层饼状，属高压缩土，分布于综合楼及J32以南地段。综合确定土层承载力特征值fak=100kPa。
3-1层粉砂夹粉土层，该层厚14.0～17.5m（一般8.5m），层底标高-27.52～-22.12m。青灰色，饱和，中密，局部稍密，偶夹薄层粉质粘土，属中等压缩土，取水口处缺失。综合确定土层承载力特征值fak=180kPa。
3-2层为细粉砂层，该层厚5.3～10.2m（一般8.2m），层底标高-35.48～-30.94m。饱和，密实、局部中密，层厚较大，可做地基下卧持力层，取水口处缺失，属中等压缩土。综合确定土层承载力特征值fak=200kPa。
3-3层为细粉砂层，该层厚1.3～13.0m（一般8.1m），层底标高-42.27～-34.02m。饱和，密实，层厚较大，可做地基下卧持力层，取水口处缺失，属中等压缩土。综合确定土层承载力特征值fak=220kPa。
3-4层为含砾细中砂层，该层厚度较大（未揭穿），层底标高＜46.51m。密实，卵砾石直径1～3cm，最大5cm，次圆状，含量10%～15%，属中等压缩土。综合确定土层承载力特征值fak=240kPa。
（二）地表水
场地地表水系发达，南恻为长江。场区内塘沟众多，水深一般为1.0～3.0m。取水口处长江近东西向，自西向东流，设计洪水期最大流速3.39m/s，枯水期流速1.00m/s，平均流速1.10～1.40m/s，长江历史最高水位10.22m（1954年8月17日），历史最低水位1.361m（1956年1月9日），勘探期间该段长江高潮水位4.35m，低潮水位3.04m。
（三）地下水位
场地地下水主要为空隙潜水和微承压水，受大气降水，侧向径流及地表水渗补，地表水、地下水水利联系密切。地下水受季节性变化影响明显。地下水位年变幅1.5m左右。现场可见地下水位为原地面下0.5～1.5m，雨天时地面易受水浸。设计水位可采用多年最高低下水位，其水位标高可取6.00m。厂区绝大部分原为河床河漫滩，厂区地形略有起伏，最大高差1米左右，标高位于5.9～6.9m之间。
该场地地下水类型主要为潜水，潜水主要储存于表层填土、粉质粘土、和粉细砂层土中，底下水位埋深0.3～0.4m左右。地下水受大气降水及地表水的影响，根据地区经验，地下水变幅0.5m左右。场区周围无污染源，根据南京工业大学水质分析报告及南京地区经验，地下水、土对混凝土无腐蚀性，对钢结构有弱腐蚀性。
三、沉井下沉验算
沉井自重下沉验算应符合下式要求：
（G-F）/（T+K）≥K
式中：G——沉井下沉时结构自重标准值（kN）；F——在下沉阶段地下水的浮托力设计值（kN）；T——井壁外侧与土层间的总摩檫力设计值（kN）；R——下沉系数，沉井位于软弱土层时宜取1.05，位于其他土层时宜取1.10～1.20，结合现场工程地质情况取1.15。
本次施工考虑到工期短，为节约下沉时间，采用了排水法下沉。同时准备了不排水下沉所需的水泵、吸泥机组等设备。如遇下沉速度过快、周围地面严重下陷等异常情况，立即灌水用不排水法。
（一）不排水下沉法的下沉系数计算
G=14400×25=360000（kN）
F=V×ⅴ水=14400×10
=144000（kN）
式中：V——沉井排开水的体积，ⅴ水——水的容重。
T=f×A=12×2×（48.4+24）×15.7=27280.32（kN）
式中：f——侧摩阻力，沉井下沉时采用外壁注浆，大大降低了侧摩阻力，故在验算时取12kN/m2；A——沉井外壁有效摩檫面积。土层提供侧壁摩阻力的深度是以终止沉降时沉井的有效高度减去可忽略侧摩阻力的杂填土的深度。
R=[f]×S=0（kN）
式中：[f]——地基极限承载力，S——刃脚底面积；当沉井处于下沉阶段，井内土体挖至刃脚以下时R=0。
（G-F）/（T+R）=（360000-144000）/（27280.32+0）=7.91＞1.15
表明运用不排水下沉法，沉井依靠自重可克服各种阻力下沉。
（二）排水下沉法的验算
1．下沉系数计算
（G-F）/（T+R）=（360000-0）/（27280.32+0）=13.2＞1.15
表明沉井能在重力作用下克服井壁与土体间摩檫力而下沉。
2．沉井抗浮验算
K浮=（G2+T）/F浮
式中：K浮为抗浮系数，K浮＞1则满足抗浮要求；G2=G+G1，G1=29040（kN）为沉井封底素混泥土重量；F浮=144000（kN）。
所以，K浮=（360000+29040+27280）/144000=2.89＞1，则满足抗浮要求。
3．沉井土体抗窿起验算
当沉井即将下沉到位，在较软的粘性土上或粉土中开挖，坑底部分的土体有可能发生基底隆起失效时，抵抗基底隆起的安全系数FSB可按下式计算：
FSB=（Nb+×SU）/（V×H+q）
式中：Nb——基底稳定系数，根据基坑的深度比可查图取值；q——坑边均部荷载（kPa）；V——土的容重（kN/m3）；H——开挖深度（M）；SU——坑底土体不排水抗剪强度（kPa），根据场区工程地质资料可按经验公式SU=10+2.5H计算。则FSB=（7.5×43.8）/（18.8×15.7+0）=1.12＞1，属安全。
四、沉井制作
（一）沉井基坑处理
沉井基坑的处理步骤及注意事项：
1．测量定位，依据设计图纸和导线控制网测放出沉井的位置，同时设置临时水准点。基坑挖深2.5m，边坡取1：1，采用机械开挖，人工配合。
2．基底处理好后，先铺设环带砂垫层，再在砂垫层上浇铺素混泥土。
3．设砖模作底势，用M705水泥砂浆砌MU10机制砖，并在其上铺一毡两油。砌筑时，每隔1m预留一道20～30mm宽的垂直缝。
沉井刃脚、垫层、砖模等的切面关系示意图见图1：
（二）沉井浇筑
本沉井混泥土设计标号为C25，抗渗等级S6，制作总高度为1.05m。采取三次浇注成型的方式制作，即刃脚浇注完成达到一定强度后，再分两次浇注上部井壁。
1．搭设脚手架及支设模板。搭设脚手架时严格按照规定的构造尺寸和方案进行。立杆下端应铺放不小于5cm厚的垫木或垫板，垫木必须铺放平整，不得悬空。严格控制立杆的垂直偏差和横杆的水平偏差，确保联结达到要求。搭设过程中应及时与结构拉结或采用临时支顶，确保搭设过程的安全。随时校正杆件垂直及水平偏差，及时设置斜撑杆或剪刀撑等加固措施，避免脚手架在搭设过程中发生倾斜或倾倒。严格控制使用荷载，确保有足够的安全储备。
2．钢筋加工与安装。沉井钢筋全部采用焊接，主筋d≥20mm采用闪光对焊，d＜20mm采用搭焊接，焊条应与钢材强度相适应。搭接的长度：双面焊不小于5d，单面焊不小于10d。钢筋焊接接头应分散布置，布置在同一截面内接头的面积不得大于总面积的25%，且应避免开钢筋弯折处。
3．混泥土浇注及有关要求。
（1）使用商品混泥土，采用分层平铺法施工，浇前铺3～5cm同标号水泥砂浆，混泥土的自由倾落高度不应超过2.0m，否则应使用滑槽、串筒、漏斗等器具灌注，且灌注速度不宜过快。浇注混泥土应逐层、均匀、对称进行，每层灌注厚度不得超过400mm，钢筋密集处厚度不超过200mm。
（2）采用插入式振动器对混泥土进行振捣。
（3）混泥土浇注时，其面应保持同步均匀上升，并确保在下层混泥土初凝前浇注上层混泥土。应经常观测模板、支架、钢筋、预埋件和预留孔洞的情况，当发生有变形、移位，应立即停止浇注，并应在浇注混泥土初凝前修整完好。浇注钢筋密集处或预留孔、洞、预埋件及止水带等周边混泥土时，应辅以人工插捣，避免浇注或振捣在此停歇，防止出现空鼓和渗漏，密切观测沉井沉降，若不均匀沉降值较大，则应及时采取措施，严防井壁产生裂缝。混泥土浇注12小时，应根据环境、气温等条件，采取合理的养护措施。
（4）沉井分节制作时，在前一节混泥土达到设计强度的70%后，方可浇注下一节。分节制作时预留的施工缝采用凸式榫接，并在浇注前清洗干净，然后在凸榫上安放钢板止水片。沉井的直壁模板应在混泥土达到设计强度的25%以上方可拆除。
五、下沉施工及事故处理
为衔接整个污水收集系统工程的进度，节省下沉时间，拟采用排水法下沉。同时，准备不排水下沉准备的水泵、吸泥机组等设备，如果在施工过程中出现下沉速度过快、周围地面严重下陷等异常情况，立即灌水，改用不排水下沉法。
1．沉井下沉前沉井外壁画出标尺及轴线控制点，井壁内设倾斜控制标尺。在沉井附近不被扰动的地方设好观测点及护桩；场内在沉井下沉影响范围内布设相应坐标及高程控制点。做好沉井下沉时，下沉深度、倾斜度和对周围地面及构筑物影响的测量控制。
2．沉井刃脚混泥土达到100％设计强度，其余部分达到70%，方可下沉。沉井下沉时，首先应凿除混泥土垫层。先内后外、分区域对称、按顺序凿除，凿断线应与刃脚平齐。凿断的垫层要及时清除，不得漏凿。
3．沉井内取土时，岩土质松软，采取由中间到边部的办法；若土质密实，则由边部到中部。取土必须对称、均匀，同步进行，中途不应有长时间的停歇。在下沉过程中要及时观测测量，若发现沉井垂直度的歪斜超过允许限度或沉井轴线产生位移现象时，应加强观测资料的较核与分析；在刃脚高的一侧加强取土，低的一侧少取土或不取土，待正位后再均匀分层取土。
4．沉井下沉时采用膨润土泥浆套助沉，下沉结束后用水泥砂浆置换。沉井下沉至一定深度，若出现下沉困难，可采用外加荷载、井外壁适量加长和挖除井壁外侧上部土层（减少侧压及摩阻力）等方法。
5．控制各阶段的沉井下沉速率，保证各项偏差符合设计及规范要求。初沉阶段，即下沉深度3.5m以内，为使沉井形成稳定准确的下沉轨迹，速率应控制在0.3～0.5m/d以内。中沉阶段，即距设计标高2.0m之前，速度可适当加快。终沉阶段，即距设计标高2.0m时，应减慢速度，以纠偏为主，速度控制在0.3m/d以内。遇到沉井下沉速率超过挖土速度的异常情况，应采取以下处理措施：控制刃脚底部及周围的取土；及时回填并夯实井壁外的塌方处，以增大井壁摩阻力；将排水下沉法改为不排水下沉法，利用水的浮力加大对沉井的上托力等。
六、沉井封底及底板施工
（一）沉井封底
当沉井下沉接近设计标高时，应加强观测，待8小时内沉井自沉累计不大于10mm，且井体的标高、位移和倾斜在允许偏差范围内时，方可进行素混泥土封底。
沉井封底采用井内集水井排水封底。当沉井下沉到设计标高后，井内继续降水，同时保持较高的地下水位。清除井底余土，整平井内地基，使地基面由沉井内壁四周向集水井倾斜。集水井处为最低点，沉井底部的地下水汇集到集水井中，用泵排出。浇注封底素混泥土。在浇注时，在集水井处预埋带止水环的法兰钢管，从法兰钢管中排出地下水。待底板素混泥土强度达到设计要求后，盖上法兰堵盖并将该处用混泥土补齐。浇注的混泥土须按规范检测并留置混泥土试块。
（二）底板加工
在素混泥土强度达到100%设计值后，方可进行底板施工。底板施工前，将封底混泥土表面软弱层凿除，清出井外，并清洗干净表面，同时对可能存在的局部渗漏处采取措施严密封堵，避免渗水影响底板质量。
七、结语
沉井的制作和下沉是一项系统工程，除了严格遵守相关的规范和规程外，文中所涉及的在较复杂的工程地质条件下处理沉井制作、下沉过程中所遇问题的相关工艺，具有一定的指导和借鉴意义。
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