關于沉井的設計與施工研究

韓 偉 平

(太原市市政工程設計研究院，山西 太原 030002)

關于沉井的設計與施工研究

韓 偉 平

(太原市市政工程設計研究院，山西 太原 030002)

介紹了沉井的基本類型及組成部分，分析了沉井尺寸、系數驗算、結構及刃腳的設計方法，從場地清理、沉井制作、墊木撤除、下沉施工等方面闡述了沉井的施工技術，對沉井技術的推廣有促進作用。

沉井，構造，設計，制作

0 引言

經調查和研究發現，將沉井結構用于地下建筑物建造是一個較好的選擇，沉井結構不僅施工方便，而且對其他建筑物影響較小。隨著建筑業技術的不斷發展，沉井結構也得到了越來越廣泛的應用，如南京汽輪電機廠壓力容器車間改造中的裝配地坑，江南光學儀器廠的電鍍廠房地下室的施工等，由于沉井已成為當代建筑業必不可少的結構方式，因此對于沉井設計和施工的掌握就顯得尤為重要。

1 沉井的基本類型

1.1 單孔沉井、單排孔沉井以及多排孔沉井

按照沉井橫截面形狀的不同可以將沉井簡單分為單孔、單排孔和多排孔類型。其中單孔沉井主要有圓形、矩形和正方形三種形狀，圓形沉井承受壓力的性能最好，矩形和正方形沉井的制作和使用更簡便。單排孔沉井與其他兩種沉井類型的不同之處主要在于井孔的數量為兩個及兩個以上，各孔之間有內隔墻，可以提高整個沉井的剛度和硬度。多排孔沉井的內隔墻較多，且縱橫交錯，因此其剛度較大且容易均衡下沉。

1.2 柱形沉井、階梯形沉井以及錐形沉井

根據沉井豎截面形狀的不同可以將沉井分為柱形的、階梯形以及錐形的沉井。其中柱形沉井的橫截面形狀、井壁及平面尺寸不會隨深度的變化而變化。因為受到周圍土體的影響，柱形沉井不易發生傾斜，對周圍土體的影響也較小，但是如果遇到土體的阻力過大而平面尺寸過小、深度過大，土體過于密實的情況時，就容易出現井壁破裂的現象，因此柱形沉井一般適用于土質松散的情況。階梯形沉井的井壁及其平面尺寸會隨著深度的變化而變化，刃腳處的臺階高度h1一般為1 m～2 m，階梯寬度Δ一般為10 cm～20 cm。錐形沉井的外壁面有斜坡，且坡比一般為1/20～1/50。

2 沉井的基本組成部分

沉井的基本構造包括頂蓋、井壁、凹槽、刃腳、內隔墻以及封底等幾個部分。其中頂蓋是為了承托上部結構物，而在沉井頂部澆筑鋼筋混凝土作為頂蓋，厚度為1.5 m～2.0 m。井壁就是沉井的外壁面，是沉井構造中最主要也是最重要的部分，厚度為0.8 m～1.5 m，最小不得小于0.4 m。凹槽是在用于沉井封底時，為了讓井壁與封底的混凝土連接得更好而做的構造，位于刃腳內側上方，高度一般為1 m，深度在15 cm～30 cm左右。刃腳的作用是為了讓沉井進入土體時易于下沉，位于沉井井壁最下端的尖角部分。內隔墻是沉井的內壁，是為了將井孔分隔開來，并加強沉井的剛度，間距一般為5 m～6 m，厚度大約在0.5 m～1.2 m。封底是在沉井下沉完成后，在最下端刃腳踏面以上至凹槽處澆筑混凝土而形成的，封底可以預防地下水進入。圖1是沉井構造的基本示意圖。

3 沉井的設計

3.1 沉井尺寸的確定

首先是沉井高度的計算，沉井深度需要滿足深基礎或者地下建筑物的使用要求和持力層地基承載力標準這兩個基本要求。通常情況下，持力層會選擇較為密實的土層，沉井會下沉到堅實的土體層。其次是沉井的平面尺寸，平面尺寸的確定一般主要取決于上部的建筑物或者結構，考慮到沉井下沉時發生傾斜的可能性，因此尺寸的選擇需要滿足一定傾斜范圍內的工藝要求和結構要求。

最后是沉井的井壁厚度問題，一般情況下井壁厚度為700 mm～1 500 mm，在確定平面尺寸后，再根據實際工藝要求確定井壁厚度。

3.2 沉井下沉驗算及系數的確定

沉井下沉時應當考慮到井壁與土體之間的摩阻力以及地基土體對刃腳的反作用力的影響，另外在地下水位過高時，還應當注意地下水對沉井的浮力大小。在沉井驗算過程中最主要的工作就是下沉系數的驗算，一般采用兩種方法：第一是假設摩擦阻力會隨著土體的深度而變大，并假定在深度為5 m時阻力達到最大，在大于5 m后保持不變；第二是假設摩擦阻力隨著土體深度而加大，在刃腳處達到最大值。

3.3 沉井結構的設計

沉井受力情況不同，其土體承受壓力就會有所不同。沉井的受力情況可以粗略地分為施工階段和使用階段，兩個階段井壁外壓力是共同受力，但土體壓力不同。施工階段的土體壓力根據施工情況不同而有所變化，使用階段的土體壓力由設計確定。由于在實際的施工過程中，施工方式和下沉方式的不同，數據變化差異較大，即使是精確的計算在施工中也會隨時調整，因此最重要的是在實際施工過程中具體問題具體分析，從而根據實際情況作出針對性指導。

3.4 沉井刃腳的設計

刃腳是沉井的一個空間結構，橫向是與井壁連接的一個水平框架，豎向是懸臂梁，在沉井下沉過程中，刃腳的內壁和外壁以及底部都會受到土體壓力，在挖空后只有外壁承受土體壓力，土體壓力和井壁垂直荷載會對刃腳產生彎矩。豎向的懸臂梁承受著刃腳的全部受力，橫向在水平方向出現傾斜時會出現拉力，因此水平方向一般根據構造配筋。刃腳不挖空時，刃腳的內側會使刃腳向外彎曲，挖空時外部土體壓力又會使刃腳向內彎曲。

4 沉井的施工

施工現場的水文條件和工程地質決定了沉井采用的具體施工方法，但一般都包括以下的工序。

4.1 場地清理

沉井的施工現場要求平整整潔，因此需要清理地表雜物，或在刃腳處鋪設砂石，以保持地面土質均勻，避免沉井澆筑時發生不均勻沉降的現象。

4.2 沉井的制作

這里主要介紹第一節沉井的制作問題，首先是在刃腳處鋪設樹木墊層，并保持對稱，由此保證可以支撐第一節沉井的重量，墊木一般采用方木或者枕木，具體采用的數量和尺寸間距取決于計算結果，墊木鋪設完成后，則以此定位工模、綁扎鋼筋及澆筑混凝土。

4.3 墊木的撤除

當第一節沉木澆筑的混凝土達到標準后(一般為設計強度的70%)，就可以撤除墊木并準備下沉，撤除時墊木應當按照一定的順序依次進行，由此可以防止井壁出現縱向破裂的現象，拆除順序一般是內隔墻下、短邊井壁下、長邊下，拆除時應隔根拆除。

4.4 下沉施工

井壁混凝土澆筑達到要求的設計強度后，就可以開始挖土下沉。依據地質條件的不同，沉井下沉可以分為排水和不排水兩種情況。當下沉經過的土層透水性不高時，地下水進入量不大，不會由于排水導致大量流沙的涌入時，或者沉井傾斜可能性大并容易影響周圍建筑物使用時，則可以考慮采用排水下沉的方法，排水下沉可用于氣候干燥的情況，且施工方便，下沉均勻。如果土層不夠穩定，地下水涌入量過大，排水易導致大量流沙進入時，則應當采用不排水下沉的方法，保持井內水位始終高于井外水位并利用吸泥機排出泥漿。

4.5 井壁的接高

在沉井下沉高出地面大約1 m時，需要先暫停挖土下沉，然后在井壁端頂插筋上接高澆筑鋼筋混凝土井壁，一般情況下接高高度為3 m～5 m。

4.6 封底和底板施工

當沉井下沉達到設計高度時，就可以停止挖土下沉，進行封底和澆筑底板。按照地基條件的不同，封底可以分為干封底和水下封底兩種情況，水量大時采用水下封底方法，水量不大時采用干封底方法。

4.7 沉井內部結構的施工

沉井封底和澆筑底板都完成后就需要對沉井的內部結構進行施工，內部結構施工包括頂板和內隔墻。由于沉井是深基礎的一種特殊形式，對地質條件和水文條件要求較高，因此在實際施工過程中應當做到設計周全，考慮周到。

5 結語

隨著沉井技術應用越來越廣泛，沉井的設計和施工問題值得進行深入探討，目前沉井應用中還存在一些技術性問題，例如土壓力的理論計算與實際應用不吻合，突沉現象的處理和應對方法不完善等等，這就需要相關專業人員的進一步探討和研究，從而為沉井技術的應用推廣做出貢獻。

[1] 應 俊.沉井結構設計與施工方法[J].中國市政工程,2013(5):56-57,65.

[2] 謝章龍,黃愛林.沉井結構設計與施工方法[J].建筑工程技術與設計,2015(2):273-274,426.

[3] 王文舉.“沉井施工技術”在工程中的應用[J].科技信息,2012(36):401-402.

Research on design and construction at open caisson

Han Weiping

(TaiyuanMunicipalEngineeringDesignInstitute,Taiyuan030002,China)

The paper introduces the basic types and components for the open caisson, analyzes the design method for caisson size, calculation of coefficient, structure and cutting curb, and illustrates its construction technique from the site cleaning, caisson manufacturing, demolition of sole timber, and sinking construction, so as to enhance the extension of the caisson technique.

caisson, component, design, manufacturing

2015-05-28

韓偉平(1977- )，男，碩士，工程師

1009-6825(2015)22-0105-02

TU745.1

A