一种沉井卡桩破除的施工方法与流程

1.本发明属于沉井施工技术领域，特别是一种沉井卡桩破除的施工方法。


背景技术：

2.沉井作为市政工程和地下结构重要建构筑物，被广泛应用于城市建设中。沉井是一种井筒状的构筑物，以人工或机械方法清除井内土石，依靠自身重力或辅以其他助沉方式克服井壁外的摩阻力逐步下沉到设计标高；在软弱富水地层城市内施工深大沉井，通常采用竖向水泥加固帷幕隔离沉井与外部的水土联系，从而减小沉井开挖过程中地表沉降变形。
3.但在城市内施工沉井又面临施工场地受限，设计方案、施工方案及机械选择无法达到理想的条件开展，这时只能退而求其次采用旋喷桩作为竖向帷幕方案，旋喷桩是依靠高压水和高压浆射流切削搅拌土体的工艺，浆压水压可达到35
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40mpa，在施工场地有限，井壁与施做桩体间距较小时，高压水泥浆在渗透性好的地层扩散结块，使沉井下沉时发生卡桩停沉。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种沉井卡桩破除的施工方法，要解决沉井外周水泥加固帷幕侵入沉井开挖面凝固结块后，沉井下沉出现停沉的技术问题。
5.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种沉井卡桩破除的施工方法，施工步骤如下：步骤一，制定沉井下沉方案；步骤a，根据岩土勘察报告，取得地层渗透系数、地层标贯击数及侧摩阻力值；步骤b，通过沉井下沉验算公式，计算沉井下沉安全系数；步骤c，根据步骤a和步骤b采用两种沉井下沉方案：第一种：上部淤泥层采用排水下沉方案，第二种：下部砂层采用不排水下沉方案；然后根据两种开挖方案、沉井下沉安全系数及沉井周圈旋喷桩止水帷幕的平面和深度的设计位置，确定沉井井壁的分节个数、井壁接高的时机和节段；步骤二，地质钻机取芯探明水泥块突出体的入侵范围；步骤d、施工旋喷桩止水帷幕；步骤e、待完成旋喷桩止水帷幕后、沉井开挖前，采用地质钻机取芯探明沉井的深度范围内水泥块突出体的区域位置，取芯位置位于沉井刃脚外侧，沿沉井周圈布置，取芯深度至沉井的基底标高，采用长取芯钻杆引孔取芯，得到实际地层芯样；步骤三，沉井下沉开挖，根据沉井地层情况，采用步骤一中的两种沉井下沉方案；步骤f：在淤泥地层中排水下沉时，采用挖机对称、均匀从沉井中部向四周掏挖土体，沉井刃脚切土依靠自重使沉井下沉；步骤g：沉井下沉至水泥块突出体的深度时，观测沉井下沉速率；当沉井下沉速率
降低至沉井悬停时，沉井卡桩无法下沉；步骤h：采取沉井周圈掏挖刃脚土体，将井壁与旋喷桩止水帷幕间隙土体掏除，观测沉井下沉量；步骤i：潜水员下井对沉井刃脚进行探查，确认沉井悬空高度，通过沉井刃脚四周的相对位置关系，然后绘制沉井刃脚相对高度图；所述沉井与旋喷桩止水帷幕之间、水泥块突出体的位置上方形成横截面为环形的空隙；在空隙内设计插有破除装置，所述破除装置包括位于地面标高以上的启动设备和竖直插入空隙内贯穿水泥块突出体的破除竖件；步骤四，搭设沉井钻孔操作平台；在沉井顶架设钻孔平台，所述钻孔平台架设在地面上、位于沉井正上方，包括间隔平行搭设的一组型钢托梁，再满铺钢板，然后将破除装置即潜孔钻机吊至钻孔平台上；步骤五，气动潜孔钻机冲击破碎帷幕的水泥块突出体；破除竖件为每台潜孔钻机带有的竖直的第一破除竖件，所述第一破除竖件为带球齿钻头的杆体，第一破除竖件沿沉井刃脚周圈分布，第一破除竖件沿沉井刃脚周圈在水泥块突出体上按球齿钻头的直径密排钻孔，然后采用潜孔钻机带动球齿钻头沿沉井刃脚周圈冲击贯穿水泥块突出体直至基底标高；步骤六，振动锤提拔钢板桩切割帷幕的水泥块突出体；所述破除装置还包括位于沉井外侧地面上的钢板桩设备，所述钢板桩设备包括由提举设备和由提举设备控制的竖直的第二破除竖件，所述第二破除竖件为钢板桩，钢板桩设备提举钢板桩下沉，振动破碎已失去完整性的水泥块突出体，切割时钢板桩沿沉井一周对称、交错切削、削落水泥结块，反复提升下沉，钢板桩的桩底直至基底标高；步骤七，沉井下沉；当沉井重量大于水泥块突出体的摩阻力时，沉井发生瞬时下沉，控制沉井距离基底标高的悬空高度不大于1m，然后对称、均匀开挖至基底标高，防止沉井发生倾斜，直至沉井下沉完毕。
6.所述步骤d中旋喷桩止水帷幕在沉井地层范围的土体内施作，所述沉井内的土体挖除，所述地下水位低于沉井内水位，所述步骤e中，水泥块突出体为旋喷桩止水帷幕的内壁中部具有一周向内凸出的块体，所述水泥块突出体的内径大于沉井的外径。
7.所述步骤四中，所述型钢托梁的抗弯变形能力至少满足两台潜孔钻机的施工受力需求，所述潜孔钻机在钻孔平台上对称分布。
8.所述步骤三中，采取分节制作分段下沉的方法，沉井下沉至水泥块突出体前提前考虑井壁接高的高度，在到达水泥块突出体前将沉井剩余井壁施工完成。
9.所述步骤e中，取芯孔数按八孔布置，垂直交叉四个孔，斜向交叉四个孔；取芯点位控制在沉井刃脚外100mm进行钻孔取芯。
10.所述步骤f中，先开挖沉井中部土体，再对称开挖刃脚下和刃脚外侧土体并挖出刃脚外，将刃脚与隔离桩之间空隙的土体挖除，依靠自重使沉井下沉。
11.所述步骤五中，采用两台履带式气动潜孔钻机，用2m钻杆接杆钻进，配置直径100mm的球齿钻头。
12.所述步骤六中，当沉井深度增加时，钢板桩总长度小于沉井深度时，对钢板桩的顶部焊接接长杆，加长钢板桩。
13.与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果：本发明可快速处理侵限水泥结块使沉井下沉。本发明尤其适用沉井井壁外周设置水泥加固帷幕，水泥加固体侵入沉井下沉范围，造成沉井卡桩、悬空和停沉的问题，快速清除侵入沉井开挖范围的水泥砂浆结块使沉井下沉。
14.本发明采用钻孔机械破碎与板桩切削的方法清除沉井井壁周圈坚硬的水泥结块突出体。机械破碎与板桩切割的方法是指沉井下沉开挖将井壁与水泥加固帷幕间空隙的竖向土体掏空，刃脚与基底悬空仍然无法下沉，使用气动潜孔钻机破碎与板桩切削结合的方法，使沉井井壁脱离约束，达到下沉的目的。
15.本发明提出一种通过气动潜孔钻机冲击破碎水泥结块与板桩切削和削落水泥结块的构造，该构造不受场地狭小的制约，施工操作简单，机械设备市场保有量大，可快速投入人员机械实施清除工作，工人操作性强，能快速进场设备，处理效率及工期得到保证，且进出场费用低，经济性好。
附图说明
16.下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
17.图1是沉井周圈水泥加固帷幕侵限示意图。
18.图2是沉井周圈钻孔取芯示意图。
19.图3是沉井卡桩示意图。
20.图4是图3的横截面示意图。
21.图5是沉井卡桩平台搭设及钻孔破碎示意图。
22.图6是图5的俯视示意图。
23.图7是沉井卡桩钢板切削示意图。
24.附图标记：1－旋喷桩止水帷幕、2－沉井地层、201－地面标高、202－基底标高、203－地下水位、204－沉井内水位、3－沉井、301－井壁接高、4－水泥块突出体、5－地质钻机、6－沉井开挖面、601－空隙、7－钻孔平台、701－型钢托梁、702－钢板、8－潜孔钻机、801－球齿钻头、9－钢板桩设备、901－钢板桩。
具体实施方式
25.实施例参见图1
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7所示，一种沉井卡桩破除的施工方法，施工步骤如下：步骤一，参见图1所示，制定沉井3下沉方案；根据岩土勘察报告中岩土工程特性、地层渗透系数，预判水泥块突出体的平面和竖向范围及深度。
26.步骤a，依据岩土勘察报告各土层摩阻力与沉井各节深度，理解岩土工程特性、地层渗透系数、查看地层标贯击数及侧摩阻力值；计算取得沉井下沉系数，制定沉井排水下沉与不排水下沉方案。
27.步骤b，使用《建筑施工计算手册》 6.14.3沉井下沉验算公式，计算井节的下沉安全系。根据岩土勘察报告地层垂直、水平渗透系数，判断水泥加固帷幕侵入沉井的平面与深度范围。
28.步骤c，提前制定沉井下沉至水泥结块区前井壁接高高度。根据步骤a和步骤b采用两种沉井下沉方案：结合沉井岩土工程特性、地层渗透系数和沉井下沉安全系数，综合因素
采用两种不同的下沉方案，第一种：上部淤泥层采用排水下沉方案，第二种：下部砂层采用不排水下沉方案；然后根据两种开挖方案、沉井下沉安全系数及沉井周圈旋喷桩止水帷幕1的平面和深度的设计位置，确定沉井井壁的分节个数、井壁301接高的时机和节段。
29.具体的施工前对勘察报告中地层工程特性、力学性能指标的进行掌握理解，查表得到各土层的标贯击数和侧摩阻力值，控制沉井第一节井壁高度在3
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5m，现场取多层板高度1.8m为模数，施工3.6m高井壁结构，防止井壁浇筑完成后250mm刃脚与地基接触面较小，造成刃脚集中受力结构变形开裂；根据沉井结构高18.4m，采取分节制作分段下沉的方法，沉井分五节制作，三次下沉，每节高3.6m的结构施工段划分；初步确定沉井高度后利用《建筑施工计算手册》6.14.3沉井下沉验算，计算各节井壁高度范围内综合多层土加权平均的摩阻力标准值，再根据沉井自重和周边约束条件带入下沉力系平衡公式，计算各节下沉系数＞下沉安全系数1.2时沉井可顺利下沉，求得下沉系数后，再根据各节井壁下沉位置的地层土体渗透系数确定采用排水下沉和不排水下沉的方案，本实施例在沉井深度11.07m以上为不透水的淤泥土采用排水下沉开挖，加快下沉速度，11.07m以下为强透水的砂层采用不排水下沉，沉井内水位至地下水位以上1m，防止沉井止水帷幕接缝渗漏水砂，造成沉井外地面塌陷。
30.具体的根据沉井下沉深度位置各地层渗透系数，判断帷幕水泥浆侵入沉井的范围，在沉井下沉深度地层中砂层的水平和垂直渗透系数为25m/d，在采用高压旋喷桩作为止水帷幕，成桩射流压力通常达到30mpa～40mpa，使喷射的水泥浆在水压、浆压的推动下进一步的外扩渗透至加固地层外。
31.沉井下沉至水泥结块区前提前考虑沉井接高的高度，在到达水泥结块区前将沉井剩余2节井壁施工完成，第一可使沉井增加自重，第二防止水泥砂浆结块清除后，沉井快速下沉，井壁上方土体无支挡，存在接高井壁塌方的安全风险。
32.步骤二，参见图2所示，地质钻机5取芯探明水泥块突出体的入侵范围；旋喷桩止水帷幕施工完成后，沿沉井外壁周圈钻孔取芯探明水泥块突出体平面和竖向范围及深度。
33.步骤d、施工旋喷桩止水帷幕。旋喷桩止水帷幕1在沉井地层2范围的土体内施作，所述沉井3内的土体挖除并且沉井的顶标高不超过沉井内水位204，所述地下水位203低于沉井内水位204。
34.步骤e、待完成旋喷桩止水帷幕后、沉井开挖前，采用地质钻机5取芯探明沉井的深度范围内水泥块突出体的区域位置，水泥块突出体4为旋喷桩止水帷幕1的内壁中部具有一周向内凸出的块体，所述水泥块突出体4的内径大于沉井3的外径。
35.取芯位置位于沉井刃脚外侧，沿沉井周圈布置，取芯深度至沉井的基底标高202，采用长取芯钻杆引孔取芯，最大限度得到实际地层芯样。
36.具体的采用xy
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180地质钻机进行钻孔取芯；取芯深度从地面至沉井底标高；取芯孔数按八孔布置，垂直交叉四个孔，斜向交叉四个孔；取芯点位控制在沉井刃脚外100mm进行钻孔取芯；取芯钻杆采用长3.3m的钻杆取芯，最大程度的收集岩芯样品，探明沉井深度范围内水泥浆侵限区段和水泥砂浆块体的强度。
37.步骤三，参见图3
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4所示，沉井下沉开挖，根据沉井地层情况，采用步骤一中的两种沉井下沉方案；沉井下沉至水泥块突出体的深度，观测沉井下沉速率。沉井开挖面6如图所示。采取分节制作分段下沉的方法，沉井下沉至水泥块突出体4前提前考虑井壁接高的高
度，在到达水泥块突出体4前将沉井剩余井壁施工完成。
38.步骤f：在淤泥地层中排水下沉时，在淤泥地层，因沉井下沉系数大，为防止沉井下沉过快，采用挖机对称、均匀从沉井中部向四周掏挖土体，沉井刃脚切土依靠自重使沉井下沉。
39.步骤g：沉井下沉至水泥块突出体的深度范围时，观测沉井下沉速率；当沉井下沉速率明显降低时至沉井悬停时，沉井卡桩无法下沉。
40.步骤h：采取沉井周圈掏挖刃脚土体，将井壁与旋喷桩止水帷幕间隙土体掏除，观测沉井下沉量。
41.步骤i：潜水员下井对沉井刃脚进行探查，确认沉井悬空高度，通过沉井刃脚四周的相对位置关系，然后绘制沉井刃脚相对高度图；所述沉井3与旋喷桩止水帷幕1之间、水泥块突出体4的位置上方形成横截面为环形的空隙601；在空隙601内设计插有破除装置，所述破除装置包括位于地面标高201以上的启动设备和竖直插入空隙601内贯穿水泥块突出体4的破除竖件。
42.具体的沉井前三节10.8m位于淤泥层，采用排水下沉开挖方案，由沉井中部开挖向四周刃脚延伸，每次开挖深0.5m，如不下沉再开挖深0.5m，使沉井平稳均匀切土下沉；当沉井下沉至11.08m以下进入含泥中细砂层，地下水为承压水层，采用不排水下沉方案，在砂层中摩阻力增加，沉井下沉减慢时，首先在地面制作沉井四、五节井壁，不排水下沉，掏挖刃脚的方案，先开挖沉井中部土体，再对称开挖刃脚下和刃脚外侧土体并挖出刃脚外，将刃脚与隔离桩之间700mm空隙的土体挖除，依靠自重使沉井下沉。
43.当沉井下沉至水泥结块区段范围时，对沉井标高进行观察，下沉速率为每小时1
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2cm或沉井已悬空停沉，应视为沉井井壁外周与突出的水泥结块体已密贴，沉井卡桩，无法下沉。这时潜水员下井在对沉井刃脚进行探查，确认沉井悬空高度，沉井刃脚四周的相对位置关系，然后绘制沉井刃脚相对高度图。
44.步骤四，参见图5
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6所示，搭设沉井钻孔操作平台。
45.在沉井顶架设钻孔平台7，所述钻孔平台7架设在地面上、位于沉井正上方，包括间隔平行搭设的一组型钢托梁701，再满铺钢板702，然后将破除装置即潜孔钻机8吊至钻孔平台7上；制作时型钢托梁701为工字钢，利用沉井顶面盖板预制梁的下凹节点放置工字钢托梁，再满铺钢板。所述型钢托梁701的抗弯变形能力至少满足两台潜孔钻机8的施工受力需求，所述潜孔钻机8在钻孔平台7上对称分布。
46.具体的在直径9.2m圆形沉井顶结构预留的顶板梁槽内设置三根工40a工字钢作为支托梁，上部满铺10mm钢板，按两台潜孔钻机重量100kn，最不利状态两台钻机同时在一根工字钢梁跨中进行施工，计算得到跨中下侧最大的正应力为174.66kn/mm2，根据《钢结构标准》4.4节钢材的设计强度指标碳素结构钢q235抗弯强度为215kn/mm2，抗弯强度为0.852＜1，满足验收要求。
47.步骤五，参见图5
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6所示，气动潜孔钻机冲击破碎帷幕的水泥块突出体。
48.每台潜孔钻机8带有竖直的第一破除竖件，所述第一破除竖件为带球齿钻头801的杆体，第一破除竖件沿沉井刃脚周圈分布，第一破除竖件沿沉井刃脚周圈在水泥块突出体4上按球齿钻头801的直径密排钻孔，然后采用潜孔钻机8带动球齿钻头801沿沉井刃脚周圈冲击贯穿水泥块突出体4直至基底标高202，冲击破碎揭示砂层区域3.6m水泥块突出体4。
49.具体的采用两台履带式气动潜孔钻机，用2m钻杆接杆钻进，配置直径100mm球齿钻头，以钻头直径密排钻孔；钻机冲击能11kg/m，冲击频率80次/分，破碎已揭示的砂层深3.6m水泥结块区；沉井周长32m，孔数267根，一台潜孔钻机一天可施工40根，可根据需要布置多台。
50.步骤六，参见图7所示，振动锤提拔钢板桩切割帷幕的水泥块突出体。
51.所述破除装置还包括位于沉井外侧地面上的钢板桩设备9，所述钢板桩设备9包括由提举设备和由提举设备控制的竖直的第二破除竖件，所述第二破除竖件为钢板桩901，钢板桩设备9提举钢板桩下沉，振动破碎已失去完整性的水泥块突出体4，切割时钢板桩沿沉井一周对称、交错切削、削落水泥结块，反复提升下沉，钢板桩的桩底直至基底标高202。
52.具体的采用dx500型钢板桩机，15m拉森ⅳ型钢板桩，对沉井周圈钻孔破碎已失去完整性的水泥砂浆结块通过钢板桩的振动下沉切削将水泥结块清除塌落至井底，沉井依靠自重下沉。
53.当沉井深度增加时，钢板桩总长度小于沉井深度时，对钢板桩901的顶部焊接接长杆，加长钢板桩。采用帮条焊的施工工艺，直径25钢筋对腹板两侧进行加长焊接；钢板桩切削桩体的顺序应对称、交错的提拔钢板桩，使沉井依靠自重均匀稳定下沉，防止发生倾斜。
54.步骤七，沉井下沉；当沉井重量大于水泥块突出体的摩阻力时，沉井发生瞬时下沉，所以钻孔前控制沉井底开挖深度，控制沉井距离基底标高202的悬空高度不大于1m，沉井下沉后采用长臂挖机掏挖破碎削落至井底的渣土和水泥砂浆结块体，对称、均匀开挖至基底标高，防止沉井发生倾斜，直至沉井下沉完毕。