CN113668585A - 一种高压水地区深大取水沉井结构及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高水压地区深大取水沉井及其施工方法，包括沉井，所述沉井包括封底板、支撑短桩、取水管、外包混凝土、填充芯料及高压旋喷加固体，所述支撑短桩与封底板用于提供沉井竖向承载力，所述取水管用于取沉井内的水，所述外包混凝土及填充芯料用于包裹取水管，以保证其长期正常使用，所述高压旋喷加固体用于在取水管与沉井侧壁交汇处进行水泥高压旋喷加固，本发明能有效增强高水压地区深大取水沉井施工效率，避免发生沉井难以下沉的问题，同时沉井结构对取水管道具有较强的保护作用，可满足取水管道的长期正常使用要求。

Description

一种高压水地区深大取水沉井结构及施工方法

技术领域

本发明涉及沉井施工技术领域，具体而言，涉及一种高水压地区深大取水沉井及其施工方法。

背景技术

近年来，随着城市化建设的大力推进，城镇水资源供应紧缺问题越来越突出，促使我国长距离顶管引水工程建设迅猛发展。作为引水工程的重要组成部分，沉井结构在取水工程中得到了较为广泛的应用，可作为顶进反力支撑结构及取水临时接收结构。相较于传统基础工程领域所采用的沉井基础，在市政引水工程领域，由于取水点标高与水体外侧地表标高相差较大，取水顶管下穿深度较大，其沉井深度普遍更大，且由于要满足顶管反推作业的空间要求，沉井直径也更大。因此，对于取水沉井结构而言，其下沉阻力更大，易发生下沉困难问题。例如句容水厂长江引水工程，为满足取水需要，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，沉井内径15m，为目前国内在建最深引水沉井。此外，由于沉井设置位置离取水点较近，场地地下水往往与取水点地表水连通，水位较高，沉井所受水压较大，在下沉过程中容易发生土体喷涌，具有较大的施工风险。

在目前工程实践中，为降低沉井下沉过程中摩阻力大小，通常采用触变泥浆减阻方法，但对于市政取水深大沉井而言，仅靠触变泥浆往往难以满足施工要求。尤其当地层为富水砂层时，砂土自稳性差，在沉井下沉过程中，砂土掺入至触变泥浆中，会大大降低了泥浆减阻效果，易产生沉井下沉困难等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高压水地区深大取水沉井结构及施工方法，已解决上述技术背景中提到的问题。为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：一种高水压地区深大取水沉井及其施工方法，包括沉井，所述沉井包括封底板、支撑短桩、取水管、外包混凝土、填充芯料及高压旋喷加固体，所述支撑短桩与封底板用于提供沉井竖向承载力，所述取水管用于取沉井内的水，所述外包混凝土及填充芯料用于包裹取水管，以保证其长期正常使用，所述高压旋喷加固体用于在取水管与沉井侧壁交汇处进行水泥高压旋喷加固。

优选的，所述沉井周边设置有一圈降水井，所述降水井用于降低沉井下沉过程中地下水位高度，增大下沉荷载。

优选的，所述沉井的外径自下而上逐渐减小，所述沉井外壁涂有蜡。

优选的，所述沉井顶部铺设有砂石垫层，且所述垫层铺设范围大于沉井外径500mm以上。

优选的，所述浮式平台包括多个浮箱、多块浮式平台板、拉结板和固定杆，所述多个浮箱用于调节浮式平台的高度，所述拉结板用于将多块浮式平台板连接为一整体，所述固定杆用于将浮式平台与沉井拉结，以保证浮式平台板的稳定性。

优选的，所述平台板上设有环向或纵横向导向通道，所述导向通道与所述钻杆相适配。

优选的，所述支撑短桩的数量为多根。

优选的，所述取水管与沉井交汇的位置设置预留孔洞，所述孔洞周边布置环向加强筋和分布加强筋，且所述分布加强筋包括横向筋和纵向筋。

优选的，所述取水管为Z字形设置。

优选的，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，确定沉井实际位置，并在施工场地上铺设砂石垫层，垫层铺设范围大于沉井外径500mm以上，为后续沉井施工及材料堆放提供稳定可靠的作业面；

降水井施工：在沉井周边设置一圈降水井，降水井深度大于沉井最大下沉深度，降水井最底部为沉淀管，沉淀管上部为带孔滤管，其上为普通井管，在沉淀管、滤管与沉井孔的间隙部采用中粗砂进行回填，普通井管与沉井孔的间隙部采用普通黏性土填料进行回填；

沉井浇筑施工：沉井外壁采用台阶式设计，最底端外径最大，沿着深度往上逐渐减小，同时，在沉井外壁进行涂蜡施工并配合触变泥浆减阻，沉井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，配合沉井内挖土进程，重复上述流程可完成沉井的浇筑工作，同时，在取水管与沉井交汇的位置设置预留孔洞，孔洞用混凝土薄板封堵，并在孔洞周边布置环向加强筋和分布加强筋；

沉井下沉施工：由于取水沉井所处地层通常地下水位较高，即使采用降水井降水也难以完全将地下水位降至设计深度以下，因此取水沉井通常需要进行水下沉井下沉施工，然后采用水上浮式平台施工进行水下井内土体开挖施工，在沉井内侧设置水上漂浮平台，水上漂浮平台通过其下部水箱调节平台高度，平台上布置高压旋喷动力装置，其下连接高压旋喷钻杆，并伸入到沉井待开挖土体内，通过钻杆喷出的高压空气和高压液体将沉井内侧土体快速破碎切削，并进一步通过吸泥装置将破碎土体抽出，在浮式平台上通过导向通道移动钻杆，实现沉井内土体全方位破碎切削，从而将沉井内土体完全挖除，保证深大沉井的顺利下沉；

井底封底及取水管洞口高压旋喷加固：当沉井下沉至设计深度后，首先将井底淤泥清除，并打设一系列支撑短桩以提高沉井整体竖向承载力大小，支撑短桩数量及布置位置根据设计要求确定，进一步，布设混凝土封底板钢筋网片并进行水下混凝土封底板施工，沉井底板浇筑完成后，在取水管与沉井壁交汇处进行水泥高压旋喷加固，水泥高压旋喷的加固范围应根据设计要求确定；

取水管连通施工：将取水管洞口的薄板破除，进行取水顶管与沉井内取水管连接，采用Z型管将沉井内上下取水两顶管进行连接，通过取水管直接输送到水厂作进一步处理；

沉井填芯材料回填及场地恢复：取水管连通之后，首先采用素混凝土填料沿深度方向将Z型取水管包裹，形成取水管的第一道保护层，进一步，在混凝土包裹层外再进行填充芯料压实填充整个沉井内壁，形成取水管的第二道保护层，在完成沉井填芯材料回填之后，对沉井施工场地进行原状恢复，并做好沉井结构的保护工作，防止在使用期间沉井及取水管发生破坏。

综上，本发明具有以下有益效果：

该种高压水地区深大取水沉井结构及施工方法，本发明所采用的一种台阶式高水压地区深大取水沉井结构可大大降低井体下沉施工中所受到的摩阻力大小，同时对井体内取水管设置了充分保护措施，可有效保证其内部取水管的长期正常使用；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，并采用水上平台式挖土方式，通过高压旋喷钻杆将沉井内侧土体破碎切削，大大提高了沉井下沉效率，降低了水下开挖施工的风险性。

附图说明

图1是取水沉井结构示意图；

图2是取水沉井施工流程图

图3是降水井布置示意图；

图4是浮式平台井内土体开挖示意图；

图5是浮式平台平面布置示意图；

图6是预留洞口加强筋布置示意图。

图中：1、沉井；2、取水管；3、封底板；4、支撑短桩；5、外包混凝土；6、填充芯料；7、高压旋喷加固体；8、沉淀管；9、中粗砂；10、黏性土填料；11、井管；12、滤管；13、降水井；14、钻杆；15、浮箱；16、土体；17、高压旋喷动力装置；18、拉结板；19、固定杆；20、浮式平台板；21、导向通道；22、环向加强筋；23、孔洞；24、分布加强筋。

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。

参照图1至图6，一种高水压地区深大取水沉井及其施工方法，包括沉井1，所述沉井1包括封底板3、支撑短桩4、取水管2、外包混凝土5、填充芯料6及高压旋喷加固体7，所述支撑短桩4与封底板3用于提供沉井1竖向承载力，所述取水管2用于取沉井1内的水，所述外包混凝土5及填充芯料6用于包裹取水管2，以保证其长期正常使用，所述高压旋喷加固体7用于在取水管2与沉井1侧壁交汇处进行水泥高压旋喷加固，通过外包混凝土5及填充芯料6，可有效提高取水管2的长期耐久性，避免在使用过程中取水管2发生锈蚀及变形，所述沉井1的外径自下而上逐渐减小，沉井1外壁涂有蜡。所述沉井1内设置有水上漂浮平台，所述水上漂浮平台上设置有高压旋喷动力装置17，所述高压旋喷动力装置17通过钻杆14喷出高压空气和高压液体将沉井内侧土体快速破碎剥离，并将破碎土体抽出。所述浮式平台包括多个浮箱15、多块浮式平台板20、拉结板18和固定杆19，所述多个浮箱15用于调节浮式平台的高度，所述拉结板18用于将多块浮式平台板20连接为一整体，所述固定杆19用于将浮式平台与沉井1拉结，以保证浮式平台板20的稳定性。所述浮式平台板20上设有环向或纵横向导向通道21，所述导向通道21与所述钻杆14相适配。所述支撑短桩4的数量为多根。所述取水管2与沉井1交汇的位置设置预留孔洞23，所述孔洞23周边布置环向加强筋22和分布加强筋24，且所述分布加强筋包括横向筋和纵向筋。所述取水管2为Z字形设置, 通过“Z”型取水管2道将水源引出沉井1, 通过往浮箱15内充填不同体积的压箱水可调节浮式平台的高度值，从而可实现不同深度的沉井1内侧土体切削及抽排，提高施工作业效率。为了保证在高水压地区深大取水沉井能顺利下沉至设计位置，在沉井1管壁周边设置一圈降水井，以降低沉井1下沉过程中地下水位高度，增大下沉荷载；进一步，为提高沉井1下沉速率，采用水上平台式挖土方式，通过在平台上设置高压旋喷钻杆14将沉井1内侧土体破碎剥离，能大大提高沉井1内侧挖土速率，同时也能避免传统水下作业施工的危险性。本发明能有效增强高水压地区深大取水沉井施工效率，避免发生沉井难以下沉的问题，同时所述沉井结构对取水管2道具有较强的保护作用，可满足取水管2的长期正常使用要求

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或素混凝土垫层（优选强度不低于C20），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；垫层厚度应大于200mm，铺设范围应大于沉井外径500mm以上，为后续沉井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13，降水井13深度应大于沉井1最大设计下沉深度，以保证能有效降低沉井1内地下水位；降水井13距沉井外壁距离不超过3m，以提高降水井13降水效率。如图1所示，降水井13主要由沉淀管8、滤管12及普通井管组成，最底部为沉淀管8，用于防止降水过程中水中杂质、异物将降水井13淤堵；沉淀管8上部为带孔滤管12（滤孔优选直径大于3mm，并通过滤布包裹），为降水井13主要抽水部位，其上为普通井管11（井壁不带抽水孔）；滤管12深度值主要根据场地地层土体渗透性有关，砂性土地层，滤管12可取小值，反之黏性土地层滤管12深度取大值。与之对应的是，在沉淀管8、滤管12与沉井1孔的间隙部采用中粗砂9进行回填，普通井管11与沉井1孔的间隙部可采用普通黏性土填料进行回填；

沉井1浇筑施工：为减小深大沉井下沉过程中摩阻力大小，沉井1外壁采用台阶式设计，最底端外径最大，沿着深度往上逐渐减小，各分节高度及台阶高度需根据地层特性及设计深度确定。在满足设计条件下，其优选分节高度应不小于6m，台阶宽度不小于20mm。同时，在沉井1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；进一步，通过沉井外侧降水井13进行降排水施工，降低沉井1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。沉井1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；配合沉井内挖土进程，重复上述流程可完成沉井的浇筑工作。如图6所示，为了保证取水管2能顺利从井壁内穿越，在取水管2与沉井1交汇的位置设置预留孔洞23，孔洞23用混凝土薄板封堵，并在孔洞23周边布置环向加强筋22和分布加强筋24（分布加强筋包括横向筋和纵向筋）；

沉井1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13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通常需要进行水下沉井1下沉施工。本发明优选采用水上浮式平台施工进行水下沉井1内土体开挖施工，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15、浮式平台板20、拉结板18及固定杆19。在沉井1内侧设置水上浮式平台，浮式平台板20通过其下部浮箱15调节平台高度。如图5所示，拉结板18主要将多块浮式平台板20连接为一整体；进一步，通过固定杆19将平台与沉井1壁拉结，以保证平台板的稳定性。如图4，在浮式平台板20上布置高压旋喷动力装置17，其下连接高压旋喷钻杆14，钻杆14带有高压喷嘴，并伸入到沉井1待开挖土体16内；通过钻杆14喷出的高压空气和高压液体将沉井1内侧土体16快速破碎切削，并进一步通过吸泥装置将破碎土体16抽出。

土体破碎切削需实时与沉井1变形监测数据匹配，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，优选方法是在浮式平台板20上设置一系列环向或纵横向导向通道21，根据沉井倾斜的实时监测数据，通过导向通道21移动钻杆14到需要作进一步开挖区域并进行土体破碎切割。通过合理设置导向通道21，不仅可以保证沉井1平稳下沉，而且可实现沉井1内土体全方位破碎切削，将沉井1壁内土体16完全挖除，保障深大沉井1的顺利下沉；

沉井1底封底及取水管2道洞口高压旋喷加固：当沉井1下沉至设计深度后，首先将井底淤泥清除，浇筑封底混凝土，并打设一系列支撑短桩4（图1），支撑短桩4数量及布置位置根据设计要求确定；进一步，布设混凝土封底板3钢筋网片并进行水下混凝土封底板3施工，水下混凝土浇筑优选采用导管法施工，以保证所浇筑的混凝土封底板3不出现离析及淤泥等充填物，影响封底板3的施工质量。沉井1封底板3浇筑完成后，在取水管2与沉井1壁交汇处进行水泥高压旋喷加固，高压旋喷加固体7的加固范围应根据设计要求确定，优选建议应大于3倍取水管2直径。高压旋喷优选采用三重管设备施工，高压水压力在30~35MPa之间，压缩空气压力在0.6~0.8MPa之间，水泥浆液压力在25~30MPa之间，水泥采用32.5普通硅酸盐水泥以上，每延米水泥用量大于300kg，所形成的高压旋喷桩径在800mm以上，以提高止水隔水效果；

取水管2连通施工：将孔洞23处薄板破除，然后进行取水顶管与取水管2道连接。如图1，采用“Z”型取水管2与顶管进行连接，避免了传统自流井取水方式下水中杂质在自重作用下易将取水顶管淤堵的问题；“Z”型取水管2通过焊接的方式与取水顶管进行连接，需确保焊缝质量，以保证在水流压力冲击下管道连接的可靠性。

沉井1填芯材料回填及场地恢复：取水管2连通之后，首先采用外包混凝土5沿深度方向将“Z”型取水管2包裹，包裹厚度应大于20cm；填料外包混凝土5浇筑时需在取水管2外侧支模，并进行相应浇筑。进一步，在外包混凝土5外再进行填充芯料6填充，填充芯料6可优选采用黏性土，其压实度大于95%。通过上述二重保护措施，可有效提高取水管2的长期耐久性，避免在使用过程中取水管2发生锈蚀及变形。在完成沉井1填充芯料6回填之后，对沉井1施工场地进行原状恢复，并做好沉井1结构的保护工作，防止在使用期间沉井1及取水管2发生破坏。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种高压水地区深大取水沉井结构，其特征在于：包括沉井，所述沉井包括封底板、支撑短桩、取水管、外包混凝土、填充芯料及高压旋喷加固体，所述支撑短桩与封底板用于提供沉井竖向承载力，所述取水管用于取沉井内的水，所述外包混凝土及填充芯料用于包裹取水管，以保证其长期正常使用，所述高压旋喷加固体用于在取水管与沉井侧壁交汇处进行水泥高压旋喷加固；

所述沉井内设置有水上漂浮平台，所述水上漂浮平台上设置有高压旋喷动力装置，所述高压旋喷动力装置通过钻杆喷出高压空气和高压液体将沉井内侧土体快速破碎剥离，并将破碎土体抽出。

2.根据权利要求1所述的一种高压水地区深大取水沉井结构，其特征在于：所述沉井周边设置有一圈降水井，所述降水井用于降低沉井下沉过程中地下水位高度，增大下沉荷载。

3.根据权利要求2所述的一种高压水地区深大取水沉井结构，其特征在于：所述沉井的外径自下而上逐渐减小，所述沉井外壁涂有蜡。

4.根据权利要求3所述的一种高压水地区深大取水沉井结构，其特征在于：所述沉井顶部铺设有砂石垫层，且所述垫层铺设范围大于沉井外径500mm以上。

5.根据权利要求4所述的一种高压水地区深大取水沉井结构，其特征在于：所述浮式平台包括多个浮箱、多块浮式平台板、拉结板和固定杆，所述多个浮箱用于调节浮式平台的高度，所述拉结板用于将多块浮式平台板连接为一整体，所述固定杆用于将浮式平台与沉井拉结，以保证浮式平台板的稳定性。

6.根据权利要求5所述的一种高压水地区深大取水沉井结构，其特征在于：所述浮式平台板上设有环向或纵横向导向通道，所述导向通道与所述钻杆相适配。

7.根据权利要求6所述的一种高压水地区深大取水沉井结构，其特征在于：所述支撑短桩的数量为多根。

8.根据权利要求7所述的一种高压水地区深大取水沉井结构，其特征在于：所述取水管与沉井交汇的位置设置预留孔洞，所述孔洞周边布置环向加强筋和分布加强筋，且所述分布加强筋包括横向筋和纵向筋。

9.根据权利要求8所述的一种高压水地区深大取水沉井结构，其特征在于：所述取水管为Z字形设置。

10.根据权利要求9所述的一种高压水地区深大取水沉井结构的施工方法，其特征在于：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，确定沉井实际位置，并在施工场地上铺设砂石垫层，垫层铺设范围大于沉井外径500mm以上，为后续沉井施工及材料堆放提供稳定可靠的作业面；

降水井施工：在沉井周边设置一圈降水井，降水井深度大于沉井最大下沉深度，降水井最底部为沉淀管，沉淀管上部为带孔滤管，其上为普通井管，在沉淀管、滤管与沉井孔的间隙部采用中粗砂进行回填，普通井管与沉井孔的间隙部采用普通黏性土填料进行回填；

沉井浇筑施工：沉井外壁采用台阶式设计，最底端外径最大，沿着深度往上逐渐减小，同时，在沉井外壁进行涂蜡施工并配合触变泥浆减阻，沉井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，配合沉井内挖土进程，重复上述流程可完成沉井的浇筑工作，同时，在取水管与沉井交汇的位置设置预留孔洞，孔洞用混凝土薄板封堵，并在孔洞周边布置环向加强筋和分布加强筋；

沉井下沉施工：由于取水沉井所处地层通常地下水位较高，即使采用降水井降水也难以完全将地下水位降至设计深度以下，因此取水沉井通常需要进行水下沉井下沉施工，然后采用水上浮式平台施工进行水下井内土体开挖施工，在沉井内侧设置水上漂浮平台，水上漂浮平台通过其下部水箱调节平台高度，平台上布置高压旋喷动力装置，其下连接高压旋喷钻杆，并伸入到沉井待开挖土体内，通过钻杆喷出的高压空气和高压液体将沉井内侧土体快速破碎切削，并进一步通过吸泥装置将破碎土体抽出，在浮式平台上通过导向通道移动钻杆，实现沉井内土体全方位破碎切削，从而将沉井内土体完全挖除，保证深大沉井的顺利下沉；

井底封底及取水管洞口高压旋喷加固：当沉井下沉至设计深度后，首先将井底淤泥清除，并打设一系列支撑短桩以提高沉井整体竖向承载力大小，支撑短桩数量及布置位置根据设计要求确定，进一步，布设混凝土封底板钢筋网片并进行水下混凝土封底板施工，沉井底板浇筑完成后，在取水管与沉井壁交汇处进行水泥高压旋喷加固，水泥高压旋喷的加固范围应根据设计要求确定；

取水管连通施工：将取水管洞口的薄板破除，进行取水顶管与沉井内取水管连接，采用Z型管将沉井内上下取水两顶管进行连接，通过取水管直接输送到水厂作进一步处理；

沉井填芯材料回填及场地恢复：取水管连通之后，首先采用素混凝土填料沿深度方向将Z型取水管包裹，形成取水管的第一道保护层，进一步，在混凝土包裹层外再进行填充芯料压实填充整个沉井内壁，形成取水管的第二道保护层，在完成沉井填芯材料回填之后，对沉井施工场地进行原状恢复，并做好沉井结构的保护工作，防止在使用期间沉井及取水管发生破坏。

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