在城市基礎設施和基礎設施建設中,我們經常會遇到混凝土洞室工程。由於城市建設受大型地下管線、建築物等障礙物的影響,無法進行大規模開挖施工,給設計和施工帶來很大困難。經過多種方案論證後,將沈井施工技術應用於熱室施工。
沈井下沈是沈井施工階段的主要施工工序。考慮到我國目前的土建施工技術和施工設備水平,排水控制沈井下沈是壹種理想的施工方法。因為這種施工方法作業條件好,挖土準確,易於控制和糾偏,容易發現和清除土層中的障礙物,並能直接檢查地基的土質,可以進行幹封。采用這種施工方法,沈井在下沈過程中經常出現突然下沈、偏斜、緩慢下沈和不下沈的情況。這些現象往往與沈井所在的土質以及出現的“流沙”有關。流沙發生時,土體完全失去承載力,不僅造成施工困難,流沙嚴重時還會造成地基邊坡坍塌,附近建築物也會因為地基被掏空而下沈、傾斜甚至倒塌。因此,流砂的防治在沈井施工中起著非常重要的作用。根據分析,流沙壹般出現在以下土層中:
(1)土層中壤土或粉砂層厚度大於> 25cm;
(2)粉砂層中,粘粒含量小於10%,粉粒含量大於75%的土層;
(3)土壤含水量大於30%;
(4)土壤孔隙度大於43%。地下水動水壓力的水力梯度越大(即水位差越大),發生流沙的可能性越大。壹般當可能出現流沙的土層開挖深度超過地下水位0.5 m時,就會出現流沙。
2.壹種處理流沙的施工方法
土壤在壹定條件下會變成流沙。如果我們改變動水壓力的大小和方向,或者試圖改變沈井邊緣周圍上下層土的物理力學性質,就可以把流沙變成穩定土。沈井施工中處理流砂有三種方法:壹是盡量降低動水壓力,二是盡量使動水壓力向下,三是通過化學固結形成防滲帷幕。
2.1降低動水壓力的施工方法
2.1.1爭取在全年最低水位季節施工。如果地下水位以下的土屬於以上四種可能引起流沙的土,可以爭取在全年最低水位季節施工。因為地下水位低時,沈井內外水位差小,所以動水壓力降低。即沈井下沈施工過程中不易出現流沙,至少可以減少流沙,從而達到順利施工的目的。
2.1.2拋大石頭沈井下沈施工中,如果出現流沙,沈井下沈緩慢甚至不沈,往往先在井底拋大石頭,以增加土壓力,降低動水壓力。先減少或防止流沙,再組織挖掘,使挖掘速度超過取砂速度,迫使沈井繼續下沈。挖到標高後,馬上鋪蘆葦墊,扔大石頭壓住流沙。這種方法對解決局部或輕微流沙是有效的。如果井裏的沙子很快冒出來,土壤完全失去承載力,扔進井裏的石頭就會陷進井裏的土壤裏,無法阻擋流沙。
2.1.3沈井下沈過程中,若出現流沙或上述方法處理效果不理想,可采用不排水法施工。即使沈井內外在同壹高度(同壹標高),通過潛水或機械抓鬥挖掘,使井內水壓與井外地下水壓力平衡,防止流沙產生,從而使沈井繼續下沈。
2.2向下動水壓力施工方法
沈井下沈施工中出現流沙。如果沈井所在地層的地質條件和施工條件較好,可采用井點降水施工方法。井點降水主要是降低沈井外的地下水位,使動水壓力向下,從而有效地整治流沙。這種方法應用廣泛,但如果井點施工質量差,井點降水就會無效,給工程和附近建築物的沈降帶來不利影響。
目前常用的井點降水設備有輕型井點、管井點、深井點、噴射井點和電滲井點,可根據不同的滲透系數、降水深度和工程特性進行選擇。
2.2.1輕型井點法輕型井點法是在沈井周圍埋設許多直徑較小的井點管進入地下含水層,井點管的上端通過彎管與主管連接,用抽水設備從井點連續抽出地下水,使原來的地下水位降低到坑底以下。
目前輕型井點抽水設備已經定型,主要設備包括井點管(含濾水管)、幹管和抽水設備。抽水設備應布置在地下水的上遊和主管道的中間,以發揮其作用。
2.2.2管井點法遇流沙時,除輕型井點外,也可用土法發射,應采用管井點法,特別是在土壤滲透系數大、地下水豐富的土層中,用輕型井點法解決永遠無法解決的問題時。
管井的井點是在沈井周圍每隔壹定距離設置壹個管井,每個管井由單獨的水泵連續抽水,從而降低地下水位。根據管井的材質,管井可分為金屬管、竹管和混凝土管。管井應采用泥漿護壁鉆孔法埋設。
2.2.3噴射井點法的主要設備包括帶水泵的井點管、進水總管、回水總管、高壓水泵和循環水箱(或水箱)。主要原理是由地下水泵加壓的工作水被提水器提升到地面。
2.2.4深井井點法的主要設備有深井、深井泵(或深井潛水泵)和排水管道。地下水由深井直接提升到地面,通過深井泵(或深井潛水泵)葉輪的機械力排出。
2.3化學固結形成防滲帷幕的施工方法
通過壓力將化學溶液或粘合劑註入到沈井周邊邊緣底部的土層中,並將土顆粒粘合在壹起,以改善沈井周邊邊緣底部的土層的物理力學性質。這種處理方法稱為化學強化。其主要目的不僅是提高巖土的力學強度和變形模量,還可以降低土體的滲透性,減少地下水的滲流,提高土體的抗剪強度和抗滲性,從而在沈井下形成新的封閉防滲帷幕,攔截地下水流,控制流沙,使沈井繼續下沈, 或者提前對沈井下沈位置附近的土層進行化學加固,形成強度高、抗滲性好的新土層,以便日後沈井。 化學加固能否達到預期效果,主要取決於能否根據各土層的具體土質情況,選擇合適的化學漿液(溶液和粘結劑)和有效的施工工藝。
目前用於化學加固的漿料主要采用粘土水泥漿、粘土水玻璃漿、水泥粉煤灰混合物、丙烯酸AC-MS、鉻木質素和以無機試劑為固化劑的矽酸鹽漿料。目前,開發高強度、無毒、可滲透的漿液是化學加固的發展方向。
2.3.1高壓噴射灌漿法利用鉆機將帶噴嘴的灌漿管鉆到土層中的預定位置,利用高壓設備使漿液成為20 m左右的高壓流從噴嘴向四周噴射,沖擊破壞土壤,使土粒與漿液混合。旋轉噴塗時,噴嘴壹邊旋轉壹邊升降。膠結硬化後,在土層中形成直徑相對均勻的圓柱體。當旋轉噴射位置圍繞沈井周邊以壹定的均勻距離建造時,形成封閉的帷幕。高壓噴射灌漿法的主要設備是高壓脈沖泵和帶特殊噴嘴的鉆頭。其他設備包括鉆機和泥漿攪拌機。噴射灌漿的基本方法有:單管法、雙管法和多管法。
2.3.2註漿法是利用氣壓和水壓向沈井位置以下的土層中註入壹些固化的漿液,以改善土層的物理力學性質。它是壹種靜態高壓噴射灌漿法,其中袖閥管法更為先進。其施工工藝為:鉆孔插入袖閥管,澆註套管材料,灌漿,有時采用鉆孔灌漿的施工方法。
2.3.3電矽化法以矽酸鈉(水玻璃)為主要混合溶液化學加固土層的方法稱為矽化加固。這種方法是在高透水性的土壤中,在壹定的壓力下,通過下端有孔的管道將漿液註入土壤中,使土壤中的矽酸鹽達到飽和水平。矽酸鹽在土壤中分解形成凝膠,並轉化為固體水泥,從而膠結土壤顆粒。矽酸鈉和氯化鈣的兩種溶液也可以分別註入。氯化鈣溶液的主要作用是促進矽膠的形成。na2so 4 2+CaCl 2+NH2O→NSO 2(M-1)H2O+Ca(OH)2+2 NaCl反應生成凝膠狀氫氧化鈣和氯化鈉。
矽化加固的效果與化學溶液的濃度、土壤的透水性和壓力有關。滲透系數為1× 10-6米/分~ 1× 10-5米/分的土宜采用這種方法加固。如果滲透系數小於1× 10-5 m/min,則壓力水玻璃溶液很難註入孔隙中,需要借助電滲的手段使水玻璃溶液進入土體孔隙中。施工時,先將兩個電極(即兩根金屬管)打入沈井兩側的土壤中,然後將矽酸鈉溶液和氯化鈣溶液從陽極(下端有金屬管)依次壓入土壤中,施加電流使溶液在土壤中電滲。這種強化方法稱為電矽化法。
電矽化法是壹種理想的擋流沙、堵泉水的施工方法,它不僅對土體的加固作用快,抗剪能力強,而且具有優良的抗滲性。
以上是沈井下沈過程中處理流沙的三種方式和10施工方法。在施工實踐中,1或兩種方法經常組合在壹起使用。