沉井法在粉細砂含水基坑集水坑開挖中的應用

徐海龍 劉士波

(1.中鐵三局廣州分公司，廣東 廣州 510630; 2.中鐵三局集團有限公司，山西 太原 030001)

在粉細砂含水地層深基坑底部集水坑開挖施工中，往往因降水水位未達到設計開挖面高度，形成施工中的難點，很難順利施工。這些基坑底部的小型集水坑，設計通常不會給出專項施工設計。常規(guī)方法開挖集水坑往往形成越挖越多，無法下挖，其他位置墊層下大面積漏空，不利于后期施工，結構質量無法保證，工程投入大量浪費，如圖1所示。下面介紹幾種針對上述情況的施工方法。

圖1 集水坑開挖剖面示意圖

1 沉井法

沉井法為多年施工中總結最理想的施工方法，適用于各種基坑下的進一步下挖施工。具有操作簡單，施工安全，施工材料就地取材，施工成本相對較小。開挖斷面較小時可利用人工開挖，較大時利用小型挖掘設備開挖。施工分以下步驟。

1.1 放出開挖范圍輪廓線

按設計開挖線外放5 cm～10 cm。

1.2 支設模板

模板底采用外側尖形(見圖2)，靠結構側考慮后期結構施工，不能傾線，利用鋼板代替木模。開挖完成后對鋼板上混凝土進行鑿除。鋼板厚采用1 cm～2 cm。無結構位置混凝土中間部位利用鋼板焊出止水鋼板，以利于鋼板與沉井混凝土結構的有效連接及止水作用。伸出長度為0.8 m～1.0 m，見圖3。

1.3 鋼筋綁扎

為防止沉井開挖中因不均勻受力，造成混凝土沉井結構開裂，應采用鋼筋混凝土施工。鋼筋采用HRB，18 mm～25 mm鋼筋，綁扎成單層或雙層鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)孔間距15 cm～30 cm，鋼板側不必綁扎鋼筋，但要焊錨筋，錨筋采用鋼筋網(wǎng)同規(guī)格鋼筋，錨筋長度為結構厚度，間距20 cm～50 cm。下面以3 m×5 m高2 m兩側有結構為例的支模方法，見圖2。

圖2 沉井結構平面示意圖

圖3 沉井鋼板安放示意圖

1.4 沉井下沉參數(shù)計算

本例中沉井下挖深度一般為1 m～3 m小于5 m，在受力計算時土壓力按三角形計算。

1)單位面積摩擦系數(shù)取值。在設計給出單位面積摩擦系數(shù)時用設計給出值，設計未給出按下式計算:砂性土12 kPa～25 kPa，砂礫石15 kPa～20 kPa。沉井高度H=2 m(取值高度為自沉井頂部至韌角中間部位)。砂的高度h1=H×1/3，因有水從外向內流動取小值f1=12 kPa。回填碎石高度h2=H×2/3，因回填碎石較松散取小值f2=15 kPa。按上例因兩側無砂土及碎石與沉井產(chǎn)生摩擦力，但考慮沉井與圍護結構的局部摩擦，將這兩面與有砂，有碎石同條件考慮。

綜上摩擦系數(shù)與高度加權平均:

2)下沉系數(shù)的計算。沉井自重標準值Gk:

Ffw，k下沉過程中水的浮托力標準值 Ffw，k:

抗浮驗算，因下沉較淺，同時為抽水下沉、封底中做降水井，減小了浮力，不予考慮。Ffw，k=0。

井壁總摩阻力標準值Ffk:

按沉井結構0.5 m厚度計算。

其中，u為沉井結構中心線周長;H為沉井高度。

按沉井結構0.4 m厚度計算:Kst=1.29。

按沉井結構0.3 m厚度計算:Kst=0.97。

因下沉深度較小，一般小于3 m，因此粉細砂土層中下沉系數(shù)取 1.05。

要求下沉系數(shù)Kst≥1.05，取沉井結構厚度0.4 m，完全滿足靠沉井自重下沉要求。

完全靠自重下沉沉井在計算時可先確定外側摩阻力反推結構尺寸。

1.5 結構變形穩(wěn)定性計算

1.5.1 結構自身變形穩(wěn)定性

結構自身變形主要為在開挖過程中因不均勻下沉，造成結構局部破壞。結構開挖下沉過程中因為含水粉細砂，側向受力均勻不會產(chǎn)生局部懸空造成結構破壞。同時受外側土體摩擦力影響下結構下沉時土體摩擦力向上，當結構下部懸空時外側土體摩擦力向上，基本不均勻受力很小，不予驗算。

1.5.2 結構受外力作用下穩(wěn)定性

沉井背后被主動土壓力作用形成的對結構最不利受力點的破壞，結構最不利受力點為結構下部高度占結構高度1/3位置。

按郎肯更理論計算土壓力(參數(shù)取設計給出參數(shù))。

墻高H=2 m，墻面豎直(墻面與豎直線之間的夾角a=0)，光滑(墻面與填土的摩擦角b=0)，墻后填土為無粘性土(c=0)，內摩擦角 φ =30°，填土容重 r=16.8 kN/m3。

填土表面水平(填土表面與水平面之間的夾角e=0)，計算作用在擋土墻上的總主動土壓力。

1)根據(jù)d=30°，計算主動土壓力系數(shù):

2)計算作用在擋土墻上的總主動土壓力:

進行結構受力分析:按兩邊為固定端中間均布荷載單跨計算受力;最大彎矩為PL2/12[1];推得最大彎矩為16.46 kN·m;最大剪力PL/2[1];最大剪力為23.52 kN;按結構力學計算混凝土結構3 d強度滿足受力要求。

2 開挖

混凝土澆筑完成后，待混凝土強度滿足結構受力要求時開挖，為縮小等強時間，可采用高標號混凝土。一般為混凝土澆筑完3 d后開挖。開挖過程中采取對稱均勻下挖。開挖面積小于25 m2通常采用人工開挖，吊車出土。面積大于25 m2通常采用吊車配合小型挖掘機開挖。開挖中實施抽水，抽水方法采用集水井法，實際施工中利用可活動水泵掛于井壁抽排，水泵下方挖深。本例中利用人工開挖，2 d內完工。取得較理想效果。

開挖時井壁外側易形成塌空，應對塌空區(qū)及時回填2 cm～4 cm碎石，以利濾水擋砂，防止開挖量過大。

下面以坡道下集水井開挖為例，見圖4。

圖4 坡道下集水坑開挖剖面示意圖

坡道處開挖在降水不充分情況下，考慮開挖后坡面成形，利用2 cm～4 cm碎石對坡道位置局部換填，換填寬度為1 m～2 m，換填深度為1 m～2 m，換填區(qū)間距為1 m～2 m，可起到濾水護坡作用。

3 結語

以上方法針對粉細砂地層中，降水未達設計開挖底面的施工方法，在實際施工中幾種方法結合使用，可起到較理想的效果，其原理為封閉、降水、濾水、排水。最終有效處理粉細砂地層中含水量較大造成的施工難點問題。以上方法在杭州下沙西站、下沙中心站地鐵施工中及在廣州佛山朝安地鐵站施工中應用取得較理想的效果。

[1] 龍馭球，包世華，匡文起，等.結構力學教程(Ⅰ)[M].北京:高等教育出版社，2000.

[2] 王夢恕.中國隧道及地下工程修建技術[M].北京:人民交通出版社，2010.

[3] 劉格非.穿越厚松砂層的沉井基礎[J].福州大學學報，2000(2):67-69.