沉井因膨胀土悬挂停沉的处理方法技术领域
本发明涉及沉井施工方法，具体地说，涉及一种沉井因膨胀土悬挂停沉
的处理方法。
背景技术
在矿山施工中，经常会采用沉井施工方法。所谓沉井施工方法是指，首
先在地面或地坑上制作沉井本体，即制作具备开口的、钢筋混凝土制成的沉
井构件筒身，该沉井筒身达到一定强度后，在井筒内分层挖土、运土，随着
井内土面逐渐降低，沉井筒身借助其自重克服沉井外壁与土层间的摩阻力，
不断地下沉而达到预定的施工设计位置。
如上所述的沉井施工方法的特点是，沉井结构的截面尺寸和刚度很大，
承载力较强，抗渗、耐久性好，内部空间可利用，能够用于较大深度的地下
工程的施工，深度通常可达50米。而且，施工过程中不需要大型且复杂的施
工设备，在排水和不排水情况下均能施工。另外，可用于各种复杂地形、地
质和场地狭窄条件下的施工，对邻近建筑物、构筑物的影响较小。因此，同
大开挖施工方法相比，可大大减少挖、运、回填的土方量，加快施工速度，
降低施工费用。
但是，在沉井施工过程中，由于通常依照前期地质勘查报告进行施工，
有时对可能出现的下沉困难准备不足，沉井筒身在到达岩层以下一定距离时，
土质及井壁的压力会导致沉井筒身与井壁间的摩擦力加大，沉井结构的下沉
由缓慢到停止，最终形成“悬挂”状态。
当出现沉井筒身的下沉悬挂时，通常采取的方法是，继续浇灌混凝土以
增加沉井结构的重量、或者在沉井结构的上方加载，依靠加大沉井结构的重
量、使载荷重量与自重相加大于侧摩阻力，从而促使沉井结构继续下沉，增
加荷载一般选用在沉井上部加钢坯的方法。。或者是，在沉井结构的外壁安
装射水管来冲刷沉井结构的周边，以便减少摩阻力。或者是，在沉井外壁与
井壁间灌入触变泥浆或黄土，降低摩擦力。
但是，若采用如上所述的方法，当遭遇膨胀性粘土岩并且粘土岩已将沉
井挤死、形成滴水不漏的状态时，从井壁上部无法灌入泥浆。再者，由于此
时土的摩阻力已经远大于沉井自身重力，即使在沉井结构的上方增加载荷，
其重量也难以克服岩土的摩阻力，比如，若沉井自重5725t，如增加荷载至少
需要加自重的20％，即5725×20％＝1145t，如此直径的沉井必须制做钢平台
再加钢坯。这种施工方式不仅周期长、施工困难，且如加荷过程中操作不当，
容易造成沉井圆周受力不均匀，从而使沉井在继续下沉过程中偏位。因此，
只有使沉井外壁膨胀土松动才能使沉井下沉，松动土方一种方法是从上部用
机械钻孔后加机械震动，但这种施工方法要求沉井施工环境的四周具有足够
的汽车钻位置，并且外力大的震动也容易破坏砼结构，造成沉井的损坏。
基于以上原因，需要一种效率更高、施工更方便的沉井施工方法。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的沉井施工过程中因膨胀性粘土岩而产
生的沉井悬挂停沉问题，提供一种沉井因膨胀土悬挂停沉的处理方法，当沉
井施工过程中遇到膨胀性粘土岩造成悬挂停沉时，
若停沉位置距离沉井标高超过2m，则实施下列步骤进行处理：
在刃脚四周开挖土方，开挖的范围超过刃脚以外的距离为沉井外径的
1/150～1/130，开挖的深度不超过膨胀性粘土岩；
停止开挖后，沿沉井筒壁搭设脚手架，在脚手架上铺设跳板；
用螺旋钻机自下而上沿刃脚外侧离开沉井砼壁在开挖范围的3/4处斜向
上钻孔，孔深大于等于沉井壁厚，孔距为孔深的2/3；
在钻孔中填装小当量乳化液态炸药，并将钻孔下部封死，其中药量的计
算公式为：Q＝AbW3，其中Q为以公斤为计量单位的药量，A为土层抗力系
数，b为药包作用系数，W为最小抵抗线；
利用导线起爆炸药，炸开造成沉井悬挂停沉的膨胀性粘土岩，使沉井继
续下沉；
若停沉位置距离沉井标高不足2m，无法建立爆破工作面，则实施下列步
骤进行处理：
将沉井刃脚下土方均匀开挖15～20个用于竖直放置枕木的对称坑；
在沉井底部满铺200mm厚的碎石；
将枕木竖直放入对称坑，用混凝土将对称坑填平并在每个对称坑上部设
置下沉支撑点；
使用管头扁平的高压水枪对称冲切刃脚下部土方，直至沉井下沉。
此外，优选的技术方案是，所述药包包括微量药包和震荡药包，其中
微量药包的作用系数b＝0.35，破坏半径R＝0.57W；
震荡药包的作用系数b＝0.70，破坏半径R＝0.7W。
另外，优选的技术方案是，最小抵抗线W取爆破的松散深度，即造成沉
井悬挂停沉的膨胀性粘土岩的厚度。
另外，优选的技术方案是，取红粘土与石灰岩的平均值为所述膨胀性粘
土岩的材料抗力系数。
另外，优选的技术方案是，选用水胶泥封死钻孔下部。
再者，优选的技术方案是，施工前在沉井壁混凝土墙内预先埋设射水管，
以便在遇到膨胀性粘土岩造成悬挂停沉后的施工中，在筒壁外侧高压注入触
变泥浆，减少筒壁与膨胀性粘土岩之间的摩擦力。
再者，优选的技术方案是，所述触变泥浆用膨润土加3～6％的火碱制成。
再者，优选的技术方案是，在施工前将沉井刃脚以上的外壁向内收回
100mm，以减少沉井外壁与土层的接触面积。
采用上述方案后，能够在不影响沉井外壁结构的前提下有效减少土方与
筒壁接触面积，消除超常侧摩阻力，从而使沉井顺利下沉；并且本发明采用
均匀布孔法的爆破方式以及通过对称铺设枕木而均匀设置下沉支撑点的方
式，均能够使沉井均匀放松下沉，防止沉井偏位。本发明提供的施工方法周
期短，费用低，效果明显，并且可以不停止挖土，不耽误工期，月租设备也
不窝工，从而有效提高沉井施工的工程质量和施工效率。
附图说明
通过下面结合附图对其实施例进行描述，本发明的上述特征和技术优点
将会变得更加清楚和容易理解。
图1是表示本发明实施例中采用大型沉井基础的翻车机室剖面图；
图2是表示本发明中挖土及放炮示意图；
图3是表示本发明沉井遇膨胀土时悬挂停沉的处理方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的描述。
为了表述的方便，在下文中，膨胀性粘土岩也简称为膨胀土。
图1是表示本发明实施例中采用大型沉井基础的翻车机室剖面图。本发
明以开挖一个作为机械化原料厂火车翻车机室基础的大型沉井为例来详细描
述沉井遇膨胀土时悬挂停沉的处理方法，如图1所示，该翻车机室的圆形沉
井深21.7m，外径D为27.5m，壁厚1.5m。沉井筒壁采用Φ25200的双层双
向钢筋(刃角上下加密为150)，刃角宽600mm，封底砼为素砼、钢筋砼，
-10.93m处设有钢筋砼平台、±0.00m处设悬挑梁，梁上有12个杯口基础，上
部结构为预制砼工字柱，屋顶为钢结构，墙、屋面彩钢板封闭。
本实施例施工点的地层主要分布为：①杂填土层②湿陷性黄土层③粉
质粘土层④中粗砂及卵石层⑤胶结砂岩层⑥粘土层，其中含水层为-7.0m～
-9.5m中粗砂及卵石层⑦膨胀性粘土岩。具体的施工规划为：大开挖土方挖土
至-6.5m，以地下水位以上500mm为准→第一节沉井壁施工，约8m→第
一次挖土下沉→第二节沉井壁施工，约7.0m→第二次挖土下沉到位→
封底→-10.93m平台施工→漏斗、第三节筒壁及悬挑梁施工→杯口基础
施工。在本实施例中，根据地勘报告和相临工程的开挖降水情况，施工降水
全部采用明排，积水井和排水沟始终随挖土标高下挖，直至穿过含水层一定
深度、无地下水为止。
当施工过程中遇到较厚的(如厚达15m)膨胀性粘土岩时，这种粘土岩
的膨胀性达到30％～45％，对在沉井施工过程中遇到这种膨胀性粘土岩所造
成的悬挂沉停问题，利用本发明提供的小当量爆破法和高压水枪冲切法能够
达到破坏膨胀土、从而使沉井顺利下沉到设计的位置的效果，本实施例将在
一次沉井壁的完整施工过程中对本发明的方法进行表述。
首先，沉井井壁采用常规倒模法施工，刃角以下没有采用常规的砂垫层
加枕木法，而是采用了120mm厚砖垫层法。为防止不均匀沉降，第一节井壁
砼浇筑后及时进行观测，如发现不均匀沉降超过150mm，则将沉降量较大方
向砖垫层挖掉后垫4根以上1.0m长、0.3m宽、0.4m厚的钢筋砼垫块，阻止
该侧加沉，开挖时也从此处优先开挖。
由于沉井外壁砼为防水砼，筒壁施工时加固模板所用对拉杆为φ
12600，中间加焊止水环，两侧靠模板处要加垫φ60内小外大皮圈，拆模后
用防水砂浆抹平。筒壁砼施工采用臂长48m的砼泵车，每次砼浇筑控制在
500mm厚，以防胀模及产生施工缝而漏水。
当沉井下沉一段距离后，遇到膨胀性粘土岩，沉井下沉由缓慢到停止，
刃角不削切土方，沉井不下沉而悬挂在半空。
由于是膨胀性粘土岩引起的沉井，由于粘土岩已将沉井挤死，因此即使
将刃角四周土方全部挖净，减小土的摩阻力，沉井仍不会下沉。另外，由于
沉井井壁自重已经非常可观(在本具体实施例中沉井井壁的自重达6500t)，
因此即使再进行加载小重量的荷载也不会起多大作用，并且大重量加荷费用
高、沉井直径大导致加载荷载的操作困难也降低了加载小重量荷载的可行性。
因此，只有将沉井外壁的膨胀土松动才能使沉井继续下沉。
图3是表示本发明沉井遇膨胀土时悬挂停沉的处理方法的流程图，如图3
所示，本发明提供的小当量爆破法是建立在能够在沉井悬挂停沉的刃脚以下
建立爆破工作面的基础上的，一般如果停沉位置距离沉井标高超过2m，就基
本满足建立人工爆破工作面的条件，可以实施下列小当量爆破的步骤进行处
理：
首先，在刃脚四周开挖土方，开挖的范围超过刃脚以外的距离为沉井外
径的1/150～1/130，开挖的深度不超过膨胀性粘土岩；
停止开挖后，沿沉井筒壁搭设脚手架，在脚手架上铺设跳板；
然后，用螺旋钻机自下而上沿刃脚外侧离开沉井砼壁在开挖范围的3/4处
斜向上钻孔，孔深大于等于沉井壁厚，孔距为孔深的2/3；
在钻孔中填装小当量乳化液态炸药，并将钻孔下部封死，其中药量的计
算公式为：Q＝AbW3，其中Q为以公斤为计量单位的药量，A为土层抗力系
数，b为药包作用系数，W为最小抵抗线；
利用导线起爆炸药，炸开造成沉井悬挂停沉的膨胀性粘土岩，使沉井继
续下沉。
在本具体实施例中，沉井在穿过胶结岩层一下4.5m左右时下沉由缓慢到
停止，悬挂在半空，此时，距离沉井标高尚有15m左右的距离，完全满足建
立人工爆破工作面的条件，因此，可以采用上述小当量爆破的方法进行处理。
具体施工过程如下：
先进行开挖，开挖时取土均比刃角以外多200mm左右，以尽量减少下沉
后摩阻力，开挖至刃角以下5.0m左右时，离标高还差3.0m，还没有穿过膨胀
性粘土岩后，再挖已经很危险，停止挖土。然后沿沉井筒壁搭设简易脚手架，
在脚手架上铺设供人工钻孔踩踏用的木跳板。脚手架铺设完成后，人工用φ
40螺旋钻机自下向上沿刃角外侧离开砼壁150mm，斜向向上钻孔，孔深≥
1.5m，孔距为1m，共钻孔84个，装上管径φ20、高200mm的乳化地下静态
爆破炸药，下部用水胶泥封死，导线接好后人员撤离，同时起爆。
其中，爆破药包数量计算如下：
Q＝AbW3
其中，Q表示药量(kg)，A表示材料抗力系数，b表示药包作用系数，W
表示最小抵抗线。
材料抗力系数A值根据施工环境中具体的地层土质分布而定，通常为：
新积松土地 0.26
带有沙和碎石的土地 0.51
生有植物的土壤 0.55
加沙、湿沙地 0.66
沙质粘土、坚硬的青粘土 0.70
多石土壤 0.77
红粘土 0.98
石灰岩 1.11
花岗岩 1.34
药包有微量药包和震荡药包两种，其药包作用系数b分别为：
微量药包b＝0.35 R(破坏半径)＝0.57W
震荡药包b＝0.70 R(破坏半径)＝0.7W
最小抵抗线W通常等于需要爆破的松散深度，即造成沉井悬停、将沉井
“抱死”的膨胀性粘土岩的厚度。
针对本工程，由于无膨胀粘土岩抗力系数，相近的为红粘土与石灰岩，
取两者平均值，则A＝(0.98+1.11)/2＝1.045。在本工程中，药量按微量药包计
算，b＝0.35。经过测算，将沉井“抱死”的膨胀粘土岩厚度约2m，发生变形
宽度约0.8m～1.0m，因此，取W＝2。据此计算爆破需要单孔装药量和总炸
药量如下：
按微量药包计算Q＝AbW3R (破坏半径)＝0.57W
单个药包Q＝1.045×0.35×23＝2.926(kg)
总药包量＝单个药包量×总药包数
其中，总药包数＝πD/孔距＝3.14×27.5m/1m＝86.35，其中D为沉井
外径；根据该计算结果，确定有86个空档，即需要86个钻孔，86个药包。
则：总药包量＝86×2.926＝251.636kg
R(破坏半径)＝0.57W＝0.57×2＝1.14m＞1.0m，满足爆破松土要求。
液态乳化炸药控制密度(ρ)一般在0.95～1.05g/cm3间，在本实施例中选
用1g/cm3，药卷半径3cm，净药半径(r)按2.8cm计，每卷高(h)20cm，每个药
卷重πr2hρ＝3.14×2.82×20×1＝492.352g，共装药2926÷492.352＝5.94≈6
卷，故选用6个药卷。钻孔深度1.5m，装药1.2m，下部300mm用防水胶泥
填实堵严，统一集中控制爆破。
图2是表示本发明中挖土及放炮示意图，如图2所示，沉井随着土的被
炸开阻力减小迅速下沉，起到了预期效果。
本发明提供的上述微量爆破法，在沉井下侧外壁四周均匀钻孔，装小当
量乳化液态炸药爆破，能够在不影响沉井外壁结构的前提下将沉井刃脚下“抱
死”沉井的膨胀粘土岩震松散并炸掉一部分，减少土方与筒壁接触面积，消
除超常侧摩阻力，从而使沉井顺利下沉；并且本发明采用均匀布孔法的爆破
方式，使沉井均匀放松下沉，防止沉井偏位。此施工法周期短，费用低，效
果明显，并且可以不停止挖土，不耽误工期，月租设备也不窝工。在具体的
施工实践中，该工程施工仅用2天，花费5000元。
如图3的流程图所示，若沉井的停沉位置距离沉井标高不足2m，无法建
立爆破工作面，则可以采用本发明提供的高压水枪冲切法进行处理，具体包
括如下步骤：
将沉井刃脚下土方均匀开挖15～20个用于竖直放置枕木的对称坑；
在沉井底部满铺200mm厚的碎石；
将枕木竖直放入对称坑，用混凝土将对称坑填平并在每个对称坑上部设
置下沉支撑点；
使用管头扁平的高压水枪对称冲切刃脚下部土方，直至沉井下沉。
本具体实施例中，在土方已到位、沉井下沉到距设计标高还剩0.5m时又
一次出现停沉，原因仍是膨胀性粘土岩将沉井挤死，此时已经没有爆破钻孔
工作面，无法再通过爆破解决，故先撤除土方机械，以减少费用。此次膨胀
土实际与筒壁抱死厚度小(因上节挖土时已将土多挖200，为土膨胀留出余地，
现在膨胀土起作用厚度比上次小)，故采用本发明提供的上述高压水枪冲切
法在刃角砼壁外侧冲出150mm左右环行槽，使得沉井在环形槽的帮助下依靠
自重继续下沉，作用与爆破效果相同。具体施工过程如下：
先将沉井刃脚下土方挖16个200×400×1200对称坑，然后将16根160
×320×1000枕木竖直放入对称坑中，使得枕木均匀垫在沉井四周，然后将对
称坑的剩余空间用混凝土找平，并使其上顶面比设计高100左右，作为沉井
下沉支撑点。因沉井底部有少量地下水，在沉井底部满铺200厚碎石，使工
人能够在无水条件下工作，同时利用这些碎石过滤地下水，做高压水枪水源。
另外，如果沉井下沉冲击力将枕木压下最好，否则可以将枕木下石子人工掏
出，使沉井自然下沉到位。高压水枪的前段用2寸高压橡胶管，水枪头采用2
寸无缝管并将管头砸扁，然后煨成“![]()
”形，两台高压水枪对称冲切沉井刃
脚下部土方，一边冲切一边将冲下的土方运走，每次冲切掉土方100mm，不
间断的沿周圈冲切。经过一段时间的冲切，冲出200×900的槽，沉井出现下
沉迹象，立即停止作业，在2个小时左右沉井终于下沉到位。经过测量，沉
井中心偏差为：南北向向南偏50，东西向向西偏30；标高：东低30，西高
50，北低70，南高60，均在规范允许范围内。
另外，为了避免在沉井施工过程中出现悬挂停沉状况，也为了在沉井出
现悬挂停沉状况时能够更好的消除停沉，还可以在施工前采取加大沉井自重、
刃脚以上回收筒壁、在沉井外侧高压注入触变泥浆等措施进行预防。具体预
防措施如下：
首先仔细研究地勘报告，掌握施工现场地层分布情况，然后计算侧磨阻
力，如果侧磨阻力大于或接近沉井自重，应通过设计适当加大壁厚以增加沉
井自重，也可以在考虑沉井分节制作时尽量减少节数来增加沉井自重；另外
可将刃脚以上外壁向内收回100mm，从而减少土与外壁接触面积，达到减少
侧磨阻力，保证沉井顺利下沉，但此做法要注意通过挖土顺序和挖土宽度对
沉井纠偏，特别是位置偏差。
在采用沉井外壁射水管冲刷沉井周围土方以减少摩擦力的施工方法时，
也可以先将射水管预先埋设在沉井壁的混凝土墙内，在施工过程中通过预埋
的射水管往沉井外壁和土层之间加注润滑液体，此方法更加适用于砂及砂类
土层。在黏土或膨胀土施工时随着沉井下沉，可在筒壁外侧高压注入触变泥
浆，泥浆用膨润土加3～6％火碱制成，泥浆起到润滑作用，从而减少摩擦力。
综上所述，本发明提供的沉井因膨胀土悬挂停沉的处理方法既预防措施
经具体的施工实践证明，能够有效消除施工环境中存在膨胀性粘土而对沉井
下沉所造成的悬停问题，并且可以不停止挖土，不耽误工期，月租设备也不
窝工，使得沉井的整体施工周期缩短，费用降低，提高沉井施工的工程质量
和施工效率。
在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进
行各种改进和变形，而这些改进和变形，都落在本发明的保护范围内，本领
域技术人员应该明白，上述的具体描述只是更好的解释本发明的目的，本发
明的保护范围由权利要求及其等同物限定。