談沉井基礎的設計及施工要點

戴躍琦

(上海市機電設計研究院有限公司，上海 200040)

1 概述

沉井是一種在地面上制作、通過取除井內土體的方法使之下沉至地下某一深度的井體結構。沉井施工方法是修筑地下構筑物或深基礎工程特殊而重要的施工方法，由于其在地下結構物建造施工時安全可靠、省時經(jīng)濟，并且隨著施工技術及施工機具的不斷發(fā)展，已獲得越來越廣泛的運用，如用于橋梁、煙囪、水塔的基礎;水泵房、地下油庫、水池豎井等深井構筑物和盾構或頂管的工作井。迄今為止，國內建造的規(guī)模最大的沉井基礎是江陰長江公路大橋，錨錠的鋼筋混凝土沉井，平面尺寸為69 m×51 m，下沉58 m。

2 結構布置

沉井平面應盡可能對稱布置，以利沉井穩(wěn)定下沉。如果平面上不對稱，易造成沉井的偏心，令施工作業(yè)困難。同理，沉井的豎向布置也應使重心盡可能居中。矩形沉井的長寬比不宜大于2，當長寬比過大時，需要采取措施加強結構剛度。

某重型機器廠回火爐車間中間水槽就是按沉井設計的一個實例，平面為矩形，長20.6 m，寬15.6 m，深15.95 m(見圖1)。水槽為空腹式井體，因此無法在沉井內部設置縱、橫隔墻。針對這一工藝要求，結合上海軟土地質特點，在沉井內部設置豎向框架與地梁予以分格，主要作用:1)沉井下沉和使用過程中支承井壁，減少井壁計算跨度;2)增加沉井在下沉過程中的結構剛度，以利于抵抗不均勻下沉的扭轉作用;3)便于逐格取土和封底，減小封底混凝土和底板計算跨度。

圖1 水槽平面圖及剖面圖

3 設計要點

3.1 井壁厚度

井壁厚度先根據(jù)設計經(jīng)驗預估，再進行計算核驗及配筋，一般為0.4 m～1.5 m。井壁過厚，使得沉井自重過大易引起突沉，且增加工程造價;井壁過薄，則沉井自重減輕，不利于下沉。因此，井壁厚度及各部位的截面尺寸應滿足以下基本要求:下沉要求;在各個階段的穩(wěn)定要求;在各個階段的強度及剛度要求;使用階段的抗?jié)B要求。

當遇到較好的地質情況(土側摩阻力較大)時，可適當加大井壁厚度，或采用以下辦法:

1)采用外壁設臺階的刃腳，以減小下沉阻力;2)若采用第一項未能達到要求，可根據(jù)實際情況在外壁設多級臺階;3)對于薄壁沉井，應采用觸變泥漿套及壁外噴射高壓空氣等措施，以降低沉井下沉時的摩阻力。

當遇到較差的地質情況(土側摩阻力較小)時，在滿足結構強度、抗?jié)B、剛度和抗浮需要時，選擇較小厚度的井壁。但大型沉井受力大，井壁厚度一般較厚，此時也可采用內設臺階的方式，使壁厚由下到上逐漸變薄。

3.2 抗浮驗算

沉井抗浮穩(wěn)定應按沉井封底和使用兩階段，分別根據(jù)實際可能出現(xiàn)的最高水位驗算。進行抗浮驗算時，應注意以下幾點:

1)使用階段的抗浮驗算應考慮沉井上部建筑的重量，因此對于無上部建筑的沉井，只需對使用階段進行驗算。2)當封底混凝土與底板有可靠連接時，封底混凝土可作為沉井抗浮重量的一部分，通常的連接方式是使用插筋。3)當沉井依靠自重不能獲得抗浮穩(wěn)定時，可采取如下措施:施工階段不能滿足時，可采取井點降水或加載下沉;使用階段不能滿足時，可采用設抗浮板或拉錨等措施。

3.3 下沉計算

下沉系數(shù)表示沉井自重克服井壁摩阻力下沉，是衡量沉井能否順利下沉的重要數(shù)據(jù)。當下沉系數(shù)為1.0時，沉井處于平衡狀態(tài);當下沉系數(shù)大于1.0時，沉井開始下沉。下沉系數(shù)越大，下沉速度越快。沉井設計規(guī)程規(guī)定下沉系數(shù)不小于1.05。

下沉驗算時，需注意以下幾點:

1)注意沉井井壁摩阻力沿井壁深度方向的分布圖形，0 m～5 m為三角形，5 m以下為矩形。2)摩阻力為各層土的單位摩阻力標準值的加權平均值(采用觸變泥漿套時，應用處理后的側摩阻力計算下沉)。3)下沉系數(shù)一般在1.05～1.25之間為宜。4)沉井在軟弱土層中下沉，當下沉系數(shù)大于1.5時，或在下沉過程中遇有特別軟弱土層時，需進行下沉穩(wěn)定驗算，以防止突沉或下沉標高不能控制。

3.4 刃腳計算

井壁在下沉過程中，刃腳的受力比較復雜。刃腳切入土中時，其下部承受到較大的正面及側面阻力，在其根部將產(chǎn)生向外彎曲力矩，如圖2所示;當沉井下沉至最后階段，刃腳踏面下的土被全部挖空，刃腳又受到外部土壓力、水壓力作用而向內彎曲，在其根部將產(chǎn)生向內彎曲力矩，如圖3所示，可按此兩種受力情況來進行刃腳內側和外出的豎直鋼筋及水平鋼筋的計算。

圖2 刃腳豎向的向外彎曲圖

圖3 刃腳豎向的向內彎曲圖

3.5 井壁內力計算

對于矩形沉井，作用在井壁外的水壓力和土壓力在同一標高的水平截條上沿井壁四周假定為均勻分布。當沉井下沉至設計標高時，刃腳斜面內側的土體已被掏空，而作用于井壁上的水平荷載為最大。井壁按水平框架進行內力分析，計算截面一般沿井壁每隔2 m～3 m或于變截面處劃分為若干水平區(qū)域，采用彎矩分配法進行內力計算。本工程荷載、內力圖如圖4所示。

圖4 內力圖

3.6 施工階段的井壁豎向抗拉驗算

根據(jù)《給水排水工程鋼筋混凝土沉井結構設計規(guī)程》6.1.9條規(guī)定，由于本工程地基為土質均勻的軟土地基，下沉系數(shù)Kst=2.772＞1.5，可不進行豎向拉斷計算，但豎向配筋必須滿足最小配筋率及使用階段受力要求［1］。

3.7 封底混凝土厚度計算

沉井下沉至設計標高，在澆筑鋼筋混凝土底板前，先澆筑封底混凝土。根據(jù)不同的施工方法、工程地質及水文地質條件，封底有干封底和濕封底兩種方法。

本工程因考慮排水下沉，采用干封底施工，不需要進行水下封底混凝土厚度計算。干封底混凝土的厚度，可視具體情況而定，一般能保證鋼筋混凝土底板順利施工即可。

當沉井所處的條件不允許采用干封底時，則必須進行水下混凝土封底。水下混凝土封底的厚度根據(jù)強度和沉井抗浮兩個條件確定。當抗浮系數(shù)大于1.0時，取浮力作用下的彎矩，對封底厚度驗算;反之，抗浮系數(shù)小于1.0時，取自重反力作用下的彎矩進行驗算。封底混凝土板邊緣應進行沖剪驗算，沖剪處的封底厚度應在設計圖中注明，計算厚度必須扣除附加厚度;但通常情況下，如果封底混凝土厚度按最大彎矩計算取值，邊緣厚度不減薄的情況下，不必進行抗沖剪計算。

3.8 底板計算

底板的計算荷載取浮力、地基反力兩者中數(shù)值較大者，需注意以下兩點:

1)當浮力作為外荷載計算時，一般不考慮封底素混凝土作用，荷載全部由鋼筋混凝土底板承擔。計算水頭應從沉井外歷史最高地下水位算至鋼筋混凝土底板底，且應扣除底板的重量。

2)按整個沉井結構的最大荷載(包括沉井上部及內部結構自重、活荷載以及使用階段的設備重量等)來計算均布反力。在計算均布反力時，不計井壁側面摩阻力和底板及封底混凝土自重。

底板的內力計算，可按單跨或多跨板計算。底板的邊界支承條件，應視其周邊與井壁及縱橫隔墻(底梁)所設凹槽或預留水平插筋的構造情況，確定底板支座是固定、彈性固定或簡支。

4 施工常遇問題及防止措施

沉井在下沉過程中常會發(fā)生各種問題，必須事先予以預防，施工時也要勤觀測勤糾偏，當問題發(fā)生時要及時進行處理。在粉、細砂層中下沉沉井，經(jīng)常會遇到流砂現(xiàn)象。如果事先未采取措施，沉井在下沉過程中由于井內大量抽水，流砂將隨地下水大量涌入井內，隨挖隨涌，井外地面可能嚴重坍塌，沉井可能嚴重傾斜。防止發(fā)生流砂現(xiàn)象的措施:向井內注水，井點降水，地基處理，改變土體特性。

由于本工程位于上海地區(qū)，上海地層中的淤泥質粘土具有觸變性，就是土在擾動后強度明顯降低，導致沉井失去平衡而迅速下沉產(chǎn)生突沉。突沉容易使沉井產(chǎn)生較大的傾斜，且對操作人員的安全威脅很大，特別是沉井下沉將要接近設計標高時，如果發(fā)生突沉，將會使沉井超沉造成嚴重的質量事故，給工程帶來損失。因此，在下沉過程中，特別是接近設計標高時，一定要防止發(fā)生突沉。

防止發(fā)生突沉的措施:

1)適當加大沉井的下沉系數(shù)，使沉井刃腳在下沉過程中始終埋在土中有一定深度，不會產(chǎn)生挖土之后沉井被外面井壁的摩擦力卡住。

2)沉井下沉過程中要控制挖土，不要將鍋底的土挖得太深。

3)設計時合理分格下框架，并設置一定數(shù)量的下框架梁來承受一部分土的反力，也可減少沉井下沉時產(chǎn)生突沉的可能性。

4)在沉井外壁刃腳以上部分灌注觸變泥漿，使井壁與土層之間的摩擦力減到最小值。沉井下沉時，其自重基本上由刃腳踏面和下框架底梁下的土體承擔。灌注觸變泥漿，對沉井外壁的土體也有固壁作用，對防止井外流砂涌入也有一定的效果。

5 結語

沉井作為地下結構物建設的一個既省時又經(jīng)濟的做法，已受到廣泛運用，但其設計及施工中容易出現(xiàn)許多問題。本文從實際的沉井工程入手，闡述了軟土地基中沉井在設計及施工中應采用適當?shù)姆椒ǎ接懥似湓谲浲恋貐^(qū)中的設計、施工方法和技術措施，以供類似工程參考。

［1］CESS 137∶2002，給水排水工程鋼筋混凝土沉井結構設計規(guī)程［S］.

［2］DGJ 08-11-2010，上海市地基基礎設計規(guī)范［S］.

［3］GB 50010-2010，混凝土結構設計規(guī)范［S］.