款關(guān)于沉井設(shè)計與施工的一些探討與分析

1、款關(guān)于沉井設(shè)計與施工的一些探討與分析王玉欣中國汽車工業(yè)工程公司天津3001901引言沉井，顧名思義，就是將事先在地面上用鋼筋混凝土制成的井筒形狀的結(jié)構(gòu)作為基坑坑壁的支撐，在井壁的保護(hù)下，用機(jī)械和人工在井內(nèi)挖土，并在其自重作用下沉人土中的結(jié)構(gòu)物稱為沉井。所以，沉井下沉，實質(zhì)上就是將一個在地面L事先澆制好的構(gòu)筑物通過挖土沉入到地下一定深度后成為地下構(gòu)筑物的施工過程，沉井下沉到設(shè)計標(biāo)高后，最后進(jìn)行沉井的封底，作為地F構(gòu)筑物使用。沉井原先是用于

2、橋梁墩臺和重型廠房與各種工業(yè)構(gòu)筑物(如煤氣罐、高聳塔架等)的一種深基礎(chǔ)。近年來，隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，沉井施工方法已逐漸發(fā)展成為埋入軟土層內(nèi)各種地下T業(yè)建筑和人民防空T程圍護(hù)結(jié)構(gòu)的一種形式，例如，大(重)型橋梁的墩臺基礎(chǔ)、岸邊取水構(gòu)筑物、城市雨污水泵站下部結(jié)構(gòu)、大型設(shè)備基礎(chǔ)、地下沉淀池和水池、地下油庫以及礦用豎井等。各種類型深埋基礎(chǔ)和地下構(gòu)筑物的圍壁都曾采用沉井法施工。根據(jù)現(xiàn)有的施工經(jīng)驗，在陸地上制作大型鋼筋混凝土圓形沉井

3、，直徑已達(dá)68m，下沉深度36m，平面面積約3600余m2。矩形沉井為485mX215m，高為206m，采用無承摯木施工，分節(jié)制作，一次下沉。在橋梁墩臺基礎(chǔ)沉井方面也有新的發(fā)展，在深水中采用浮運(yùn)沉井就位下沉方法，使平面面積達(dá)數(shù)百平方米的大重型沉井的下沉深度達(dá)50余米。而且，目前礦用沉井的下沉深度已超過lOOm。當(dāng)然，這個深度也不能認(rèn)為已經(jīng)達(dá)到了極限。因為一般說來。用沉井法修筑地下構(gòu)筑物或深基礎(chǔ)時，可以認(rèn)為尚能爭取達(dá)到更大的下沉深度。上述

4、沉井的設(shè)計和施工的要求，一般是要使沉井結(jié)構(gòu)能安全下沉到達(dá)設(shè)計標(biāo)高，下沉?xí)r要平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)不開裂漏水，位置不歪斜超沉量和基底沉降量小等。這就要求沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計要有足夠的強(qiáng)度和剛度，在施工和使用階段，能保證抗浮穩(wěn)定性，井壁和底板有足夠的抵抗水、土壓力和地基反力的強(qiáng)度，如有戰(zhàn)備防護(hù)要求的地F構(gòu)筑物更需要具有一定的i防能力。此外，根據(jù)使用條件的不同，沉井尚布混凝土抗?jié)B、防潮、隔熱、防噪和通風(fēng)等要求。2沉井的結(jié)構(gòu)設(shè)計沉井在F沉過程中。是一種工具性的護(hù)圍

5、結(jié)構(gòu)。而下沉到位封底后，就成為深埋基礎(chǔ)或是地下構(gòu)筑物的組成部分。所以，沉井存在施工過程和建成永久使用這兩個階段，由于結(jié)構(gòu)的傳力體系、受力狀態(tài)以及荷載作用狀況均不相同。其結(jié)構(gòu)設(shè)計也應(yīng)戈lJ分施工階段和使用階段來分別進(jìn)行。根據(jù)沉井施工的特點?？梢钥闯觯辆Y(jié)構(gòu)不僅要滿足日后永久使用時的受力作用；同時還必須滿足在施工過程中其各個部位的各種受力作用。例如沉井一土下框架橫梁，就是僅由施’I：階段的受力條件所控制，應(yīng)該按這一階段的受力作用進(jìn)行其設(shè)計

6、計算。對于某些不允許開裂或有裂縫限制要求的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件，例如沉井的井壁、頂板和底板，均有防水要求，不允許在施1二和日后正常使用中開裂或?qū)⒘芽p寬度控制在很小的允許范圍之內(nèi)。因此，必須進(jìn)一步對井壁和頂、底板的抗裂性進(jìn)行驗算。大量實踐證明，不少沉井結(jié)構(gòu)物往往在施T階段就出現(xiàn)了裂縫，造成質(zhì)量事故。因此，對這一階段的結(jié)構(gòu)計算工作就應(yīng)該特別重視，決不能認(rèn)為它只是在施工中一個臨時受力過程而稍加忽視。沉井施工階段的計算內(nèi)容和計算方法往往與沉井施工方法緊密

7、關(guān)聯(lián)著，對于各種不同的施工方案，它在施T階段設(shè)計計算的內(nèi)容也不相同。例如，沉井下沉可采用排水下沉干封底，或采用不排水下沉水F封底，二者的計算方法也就有所不同。當(dāng)沉井采用觸變泥漿潤滑套助沉?xí)r。土壤對井壁的摩阻力將大大地減小。由于沉井在下沉階段是一無底無蓋的簡體結(jié)構(gòu)，在計算沉井井壁時，一般是在豎向截取單位高度的一段，按平面框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算。如沉井平面尺寸較大，選用單孔平面框架難以滿足強(qiáng)度和剛度要求，而在工藝構(gòu)造條件允許時，可在沉井內(nèi)部增設(shè)縱

8、橫隔墻和多個框架，使沉井結(jié)構(gòu)經(jīng)過平面?zhèn)髁υ僮髫Q向計算。對于沉井在使用階段的計算，這是指沉井下沉達(dá)到設(shè)計標(biāo)高后，且沉井內(nèi)部包括井內(nèi)平臺、頂板、底板和內(nèi)隔墻以及上部結(jié)構(gòu)和機(jī)電設(shè)備等會部施工完畢，這時，沉井構(gòu)筑物的傳力體系與施工階段的受力狀態(tài)就完全不同了，因此，應(yīng)作為整體深基礎(chǔ)或地下構(gòu)筑物來進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力的驗算。此外，對有地下備戰(zhàn)的構(gòu)筑物。還必須按抗爆特載參與作用時靜、動荷載共同組合來進(jìn)行這一階段的結(jié)構(gòu)分析和計算。同時，應(yīng)根據(jù)主體結(jié)構(gòu)傳力體系布

9、置的特點，確定與受力特點相應(yīng)的結(jié)構(gòu)計算圖式，再進(jìn)行各個構(gòu)件的內(nèi)力分析與鋼筋的計算。因此，地下構(gòu)筑物沉井在永久使用階段的計算。通常還應(yīng)再劃分平時正常使用和戰(zhàn)時特載共同作用兩個階段來分別進(jìn)行計算。3沉井的構(gòu)造要求31沉井的埋置深度沉井埋置深度，即沉井刃腳踏面的設(shè)計標(biāo)高。設(shè)計時。應(yīng)注意以下幾點：根據(jù)抗沖刷要求，沉井的刃腳應(yīng)埋置在沖刷線以下有足夠的深度，并應(yīng)滿足抗傾覆和抗滑移等穩(wěn)定性的要求。(1)根據(jù)地基強(qiáng)度及變形(沉降)計算，應(yīng)選擇較好的持力

10、層。(2)用于地F或水中的空腹構(gòu)筑物，應(yīng)按使用凈空要求的最低標(biāo)高加封底混凝土和鋼筋混凝土底板厚度。當(dāng)刃腳邊上余土不能挖去時，則刃腳插人土中的尺寸也應(yīng)計入。(3)沉井下沉接近設(shè)計標(biāo)高時，根據(jù)下沉速率，預(yù)留一定的高度，準(zhǔn)備進(jìn)行沉井封底。此時，刃腳踏面標(biāo)高尚未達(dá)到設(shè)計標(biāo)高位置，或可能要少許超沉。按上海市《市政工程施工及驗收技術(shù)規(guī)程》中的規(guī)定，終沉后，刃腳平均標(biāo)高與設(shè)計標(biāo)高的偏差一般不得超過100mm，在軟土層中，其允許偏差值呵根據(jù)使用條件和施

11、工條件另行規(guī)定，這在設(shè)計時應(yīng)予考慮。32沉井的井頂標(biāo)高井頂?shù)脑O(shè)計標(biāo)高除滿足工藝和使用要求外，在水中或岸邊構(gòu)筑物的井頂設(shè)計標(biāo)高，還應(yīng)高于施丁期間最高水位06m以上；用于人工筑島或在陸地制作的沉井，井頂設(shè)計標(biāo)高宜高于島面或地面03m以上，以防地面水流入并內(nèi)。33沉井平面尺寸和下沉到位的偏差沉井制作平面上的內(nèi)空尺寸，除滿足設(shè)汁要求尺寸外，還應(yīng)考慮沉井下沉到位后的施工允許豎向偏斜和水平位移，沉井四角(圓形為相互垂直兩直徑與圓周的交點)中任何兩角

12、的刃腳底面高差，不得超過該兩角問水平距離的l％，且最大不得超過300ram如兩角問水平距離小于lOm時，其刃腳底面高差可為lOOmm。刃腳平面中心的水平位移。不得超過下沉總深度的1％；如下沉總深度小于lOm時。其墮壹壅塑目圖萬方數(shù)據(jù)水平位移可為100ram。浮運(yùn)沉井沉放時，其沉放至水中河床后，平面位置的偏差應(yīng)符合設(shè)計要求，如設(shè)計無規(guī)定時，最大不能超過300ramo34刃腳的形式與構(gòu)造341刃腳的形式一般有三種：(a)不設(shè)底板，刃腳上不留

13、凹槽，適用于橋梁中墩臺基礎(chǔ)的沉井；(b)適用于小型沉井，干封底使用，其底板和墊層的厚度均不大的情況；(c)使用范圍較廣，也是常用的一種形式，如果是干封底，地板下只做素混凝土墊層，如水F封底，其厚度較厚，呈鍋底形，封底混凝土的厚度町能超過刃腳。342刃腳的一般構(gòu)造要求(1)刃腳踏面寬c一般采用150—400mm，刃腳斜面與水平面的夾角q常用500一600。當(dāng)遇峰硬土?xí)r，宜取C=150mm，q=60。，并宜在踏面外側(cè)設(shè)置鋼板、角鋼護(hù)角。對于

14、松軟土層可不設(shè)角鋼，僅在刃腳底部配置2根中≥20的加強(qiáng)筋。圓形沉井刃腳下部，環(huán)向鋼筋的連接應(yīng)采用焊接。(2)刃腳配筋1)刃腳怪向鋼筋應(yīng)設(shè)置在水平鋼筋的外側(cè)，伸入刃腳根部截面以上其長度Ha≥1500mm。2)刃腳內(nèi)外壁的鋼筋應(yīng)用咖6一書8橫向拉結(jié)鋼筋連接，沿高度的間距與水平鋼筋相同，沿周圍的間距按呸向鋼筋配置。3)刃腳內(nèi)的水平(或環(huán)向)鋼筋須用巾6一由8水平短筋將里外層鋼筋互相綁牢，沿刃腳長度每300—500ram設(shè)置一根。(3)矩形沉井

15、的刃腳在轉(zhuǎn)角處，宜設(shè)腋角并配水平鋼筋加強(qiáng)，這主要因為矩形沉井刃腳內(nèi)的水平鋼筋主要承受井壁縱向彎曲的拉應(yīng)力及刃腳作為水平框架計算時的內(nèi)力(拉彎或壓彎1。在轉(zhuǎn)角處，由于相鄰刃腳斜面上的反力作用。容易發(fā)生裂縫，所以應(yīng)在刃腳內(nèi)側(cè)設(shè)置足夠的水平鋼筋，并設(shè)置腋角和斜筋。4沉井的下沉沉井F沉，就是通過在沉井內(nèi)用機(jī)械或人工的方法均勻除土，消除或減小沉井刃腳下土的正面阻力，有時也采用減小井壁與外側(cè)土體的摩阻力的方法。使沉井依靠自身的重量，逐漸地從地面沉入

16、地下，其F沉施工方法有：排水下沉、不排水下沉或中心島式下沉等。對于陸地t二的沉井是以排水下沉為主，可采用機(jī)械抓土人工配合，或人工挖土，機(jī)械做垂直運(yùn)輸?shù)呐潘魍诜ㄊ?。l：，以及用水力機(jī)械來代替人工挖土的排水法下沉。也可用空氣吸泥潛水員配合或機(jī)械抓土潛水員配合的不排水下沉。對于在河流中人工筑島上的沉井、浮運(yùn)沉井或者水邊灘地粉砂層地段的沉井。應(yīng)以水下除土的不排水法下沉為主?？梢姵辆鲁辆烤共扇∨潘鲁吝€是不排水下沉，這要根據(jù)沉井所處的位置和沉

17、井穿過土層的情況來決定。對人士深度較深，平面尺寸較大的沉井，下沉后期，沉井外壁的田地摩阻力將增加到很大；或者沉井井壁較薄，自重較輕，以及沉井下沉系數(shù)較小的沉井，下沉到一定深度后，由于外井壁摩阻力的增大，沉井下沉困難，有時可能就沉不下去。在設(shè)計和沉井制作之前，就應(yīng)考慮在井壁外側(cè)設(shè)置泥漿潤滑套，或者在井壁(外側(cè))內(nèi)埋沒管道，以便用高壓射水或噴射壓縮空氣等方法來降低沉井外壁的摩阻力；以及在沉井下沉過程中采用在井壁亡壓重或在井壁內(nèi)降低地下水位等

18、措施，幫助沉井下沉，使沉井能順利下沉到位。5沉井的設(shè)計實例以安徽某公司沉井設(shè)計為例，該公司因生產(chǎn)需要，在原有廠房內(nèi)建設(shè)設(shè)備基礎(chǔ)，設(shè)備基礎(chǔ)距廠房柱基較近并且埋深大于廠房柱基。為不破壞原有廠房基礎(chǔ)，該項目決定采用沉井法進(jìn)行施下，沉井采用在基坑內(nèi)制作再下沉的施工工藝，即在基坑內(nèi)先制作開口鋼筋混凝土筒身，待簡身達(dá)到一定強(qiáng)度，在井筒內(nèi)分層挖土，運(yùn)土，隨著井內(nèi)地面逐漸降低。沉井筒身借其自重克服與土壁之間的摩阻力，不斷F沉就位，下沉?xí)r采用排水法。在沉

19、井施工前，要拆除廠房內(nèi)原有設(shè)備基礎(chǔ)和部分鋼筋混凝土地面，設(shè)計沉井為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，長386米，寬116米，壁厚15和155米，下沉深度105米。施丁時先按沉井尺寸開挖深度為4米的慕坑，在基坑內(nèi)進(jìn)行沉井下半部分的施工，待達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，進(jìn)行下沉作業(yè)，下沉到設(shè)計標(biāo)高后，再進(jìn)行上半部分的混凝土澆筑?？紤]到施下在現(xiàn)有廠房內(nèi)進(jìn)行，基坑開挖不能采用放坡方法，因此必須先對基坑進(jìn)行支護(hù)，防止基坑開挖后發(fā)生坍塌，同時因場地地下水比較豐富，地下水位較高，必

20、須對基坑進(jìn)行止水以保證在基坑內(nèi)制作沉井的順利進(jìn)行?；娱_挖深度為4米，若采用深層攪拌樁進(jìn)行支護(hù)及止水，不僅工程造價低且工期短，但現(xiàn)有廠房的高度不能滿足深攪樁施工的高度要求，因此考慮采用二重管高壓旋噴樁，其造價較高。本工程沉井下沉采用排水法進(jìn)行施工，沉井下沉前應(yīng)先對井壁預(yù)留孔洞進(jìn)行處理。沉井壁中有時預(yù)留有與外部設(shè)施連接的孔洞，為避免下沉?xí)r泥土與地下水大量涌入井內(nèi)，影響施工操作，另外，較大孔洞還會造成沉井每邊重量不等，影響重心偏移，易使沉井

21、產(chǎn)生傾斜，在下沉前必須進(jìn)行處理。對較大孔洞町在制作時在洞口預(yù)埋鋼框，螺栓。用鋼板，方木封閉。待沉井封底后再拆除。沉井位置標(biāo)高的控制，是在沉井外部地面及井壁頂部四面設(shè)置縱橫十字中心控制線。水準(zhǔn)點，以控制位置和標(biāo)高。挖土?xí)r采用兩臺經(jīng)緯儀隨時觀測垂直度。用水平儀來觀測沉降量，并做好記錄。如有傾斜，位移和扭轉(zhuǎn)，應(yīng)及時進(jìn)行糾正。沉井下沉至設(shè)計標(biāo)高后，應(yīng)立即清理坑底雜物，按設(shè)計圖紙要求進(jìn)行墊層。底板混凝土及防水施工。待封底完成后再進(jìn)行沉井上半部分的