論沉井施工技術

王 紅 云

(太原市政工程總公司，山西 太原　030002)

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論沉井施工技術

王 紅 云

(太原市政工程總公司，山西 太原030002)

根據晉陽污水廠中途提升泵站的工程條件，確定了沉井的施工方案，計算分析了沉井下沉時的相關參數及注意事項，并提出了沉井封底與底板的施工措施，為沉井工程施工積累了經驗。

沉井，下沉系數，混凝土墊層，底板

1　工程概況

1.1工程簡介

晉陽污水廠中途提升泵站位于太原市晉源區金勝鎮古寨村內，進水泵房為鋼筋混凝土沉井結構，地下主體內徑為33.3 m×23.2 m，地基為天然地基。

1.2工程地質

根據巖土工程勘察報告，在勘探深度內的巖土層分布不均勻，自上而下分布如表1所示。

表1　巖土層參數表

地下水上層滯水的穩定水位為1.3 m～3.2 m，地下水位標高772.8 m～773.52 m,水位季節性變化幅度約0.5 m。

2　沉井施工方案選擇

沉井分3節澆筑、分節下沉。刃腳下設25 cm厚C20混凝土，1.5 m厚砂墊層。

1)混凝土、砂墊層計算。由于沉井配筋比例高，自重單位體積重量取2.5 t/m3(25 kN/m3)，按施工程序的安排，擬在-16.18 m及-9.8 m，-4.8 m高程設施工分節，故計算結果如下：

-21.18 m～-16.18 m重2 859.04 t；

-16.18 m～-10.18 m重3 816.65 t；

-10.18 m～-4.8 m重2 623.75 t。

即沉井總重為9 299.44 t，沿周長單位長度重量為74.38 t/m，按沉井三次澆筑，三次下沉井計算，在澆筑到-16.18 m高程時，沿下沉自重為2 859.04 t，此時沿周長單位長度自重為22.872 t/m。

a.計算混凝土墊層寬度。

B=G/R=228.72/140=1.634 m，取2.1 m。

其中，G為第一節沉井的單位長度的重力，kN/m；R為砂墊層的承載力設計值，中粗砂墊層的承載力設計值取140 kN/m2。第一節沉井體積：V1=1 143.62 m3;混凝土容重：γ=25 kN/m3;沉井自重：Q1=γ·V1=25×1 143.62=28 590.4 kN；沉井井壁平均周長：C1=125 m，G=Q1/C1=28 590.4/125=228.7 kN/m。

b.砂墊層厚度計算。

其中，hC為砂墊層厚度，m；G為第一節沉井的單位長度的重力，kN/m；fak為砂墊層底層土層的承載力設計值，kN/m2；L為混凝土墊層的寬度，取為L=2.1 m；θ為砂墊層的壓力擴散角，一般取22.5°。

砂墊層底層的土層為雜填土，其承載力設計值為85kN/m2。

砂墊層厚度：

需鋪砂墊層的寬度：b=L+2hCtgθ=2.0+2×1.0×tg22.5°=2.828 m，取4.0 m。

c.混凝土墊層厚度計算：

HC≥N(b-b0)/(2N+1.2bfac)。

其中，N為第一節沉井的單位長度的重力，kN/m；b為混凝土墊層寬度；b0為刃腳踏面寬度；fac為折減后C20混凝土強度，為660 kN/m。

H=228.72×(2-0.4)/(2×228.72+1.2×2×660)=0.179 m，取0.25 m。

d.根據以上計算，混凝土墊層為C20，厚度為0.25 m,寬度為2.1 m,下設砂墊層厚度為1.5 m,寬度為4.0 m,刃腳下采用磚基礎。

2)混凝土澆筑遵循混凝土常規施工方法，但應注意施工機械與熟料的合理配置，以及施工順序的科學安排，避免冷縫的產生。

3　沉井下沉時相關計算

1)沉井下沉系數。

采用K≥1.15～1.25作為下沉的控制指標。本沉井分3節制作、下沉，故須分別計算各節的下沉系數。

第一節沉井的下沉系數：

第一節沉井體積：V1=1 143.62 m3；混凝土容重：γ=25 kN/m3。

沉井自重：Q1=γ·V1=25×1 143.62=28 590.4 kN。

沉井井壁平均周長：C1=125 m，G=Q1/C1=28 590.4/125=228.72 kN/m。

刃腳底面積：Aj=50 m2。

T1=C(H1-2.5)f=125×(5-2.5)×19.102=5 969.375kN。

R1=Aj·fak=50×170=8 500kN。

K1=(Q1-B)/(T1+R1)=(28 590.4-0)/(5 969.375+8 500)=1.98>1.25(符合要求)。

由于下沉系數過大，需采取阻沉措施，如刃腳及隔墻下土體不挖除，靠切土下沉。

第二節沉井的下沉系數：

沉井體積：V=2 670.280 m3,Q=γ·V=25×2 670.280=66 756.9kN。

T2=C(H2-2.5)f=125×(11.4-2.5)×19.102=21 250.975kN。

R2=Aj·fak=125×250=31 250kN。

K=(Q-B)/(T2+R2)=(66 756.9-0)/(21 250.975+31 250)=1.27>1.15(滿足要求)。

第三節沉井的下沉系數：

沉井體積：V=3 719.78 m3，Q=γ·V=25×3 719.78=92 994.4kN。

T3=C(H3-2.5)f=125×(18.18-2.5)×19.102=37 439.920kN。

R2=Aj·fak=125×250=31 250kN。

K=(Q-B)/(T3+R2)=(92 994.4-0)/(37 439.920+31 250)=1.35>1.15(滿足要求)。

由于下沉系數較大，故在沉井沉至接近底標高時，底梁及隔墻下土體不宜挖除，達到阻沉目的，以控制其設計標高。

2)沉井下沉穩定系數驗算。

規范規定沉井下沉穩定系數范圍為0.8～0.9。

K=(G-B)/(R1+R2+R3)。

R1=πD0(C+n/2)fC。

R2=A1fC。

其中，K為沉井下沉穩定系數；G為沉井自重力，kN；B為地下水浮力，排水下沉時，B=0，不排水下沉時取總浮力的70%；Rf為沉井外壁有效摩阻力的總和，kN；R1為刃腳踏面及斜面下土的支承力，kN；R2為沉井內部隔墻和底梁下土的支承力，kN；D0為沉井的平均直徑，m；A1為隔墻和底梁的總支承面積，m2；fC為土的極限承載力，kN/m2。

第一節沉井的下沉穩定系數：

G=28 590.4kN，Rf=125×(10×5.26)=6 575kN。

R1=125×(0.4+1.1/2)×170=20 187.5kN。

R2=(4.6×1.5×2+23.2×1.5)+(16.8+9.8)×2×0.4+8.3×0.4=73.2×170=12 444kN。

K=(28 590.4-0)/(6 575+20 187.5+12 444)=0.73(符合要求)。

第二節沉井的下沉穩定系數：

G=66 756.9kN，Rf=125×(10×5.26+28×5.66+15×0.5)=27 322.5kN。

R1=125×(0.4+1.1/2)×250=29 687.5kN。

R2=(4.6×1.5×2+23.2×1.5)+(16.8+9.8)×2×0.4+8.3×0.4=73.2×250=18 300kN。

K=(66 756.9-0)/(27 322.5+29 687.5+18 300)=0.89(符合要求)。

第三節沉井的下沉穩定系數：

G=92 997.4kN,Rf=125×(10×5.26+28×5.66+15×5.16+28×2.1)=43 410kN。

R1=125×(0.4+1.1/2)×250=29 687.5kN。

R2=(4.6×1.5×2+23.2×1.5)+(16.8+9.8)×2×0.4+8.3×0.4=73.2×250=18 300kN。

K=(92 997.4-0)/(43 410+29 687.5+18 300)=1.01，略微過大，沉井到位后刃腳處及時回填片石或砂土，做好阻沉措施。沉井至設計標高穩定后，需及時回填砂礫，及時封底。

3)沉井抗浮計算。

根據地勘資料中對地下水的描述，穩定水位為-4.3 m～6.2 m，而沉井底高為-21.18 m，則地下水對沉井的浮力為：F=ρghAd。

其中，ρg為水的密度，取ρg=1kN/m3；h為水面至井底高度h=21.18-4.3=16.9 m；Ad為井底面積，Ad=36.3×23.2=842.16 m2；F為水對沉井的浮力，F=1×16.9×842.16=14 232.51kN。

井壁與土層的摩擦力：f=Abμ。

其中，Ab為井壁表面積，Ab=(36.3+23.2)×2×16.4=1 951.6 m2；μ為單位摩擦力，取μ=19.102kN/m2。

f=1 951.6×19.1=37 275.56kN。

井壁及封底混凝土自重：

沉井底板厚1.2 m，封底混凝土厚0.3 m,井內設置配重混凝土1 420 m3。

p=1 420×24=34 080kN；F=14 232.5kN

根據以上計算可知滿足抗浮要求。

4　沉井下沉時應注意的問題

1)沉井下沉過程中應不間斷對稱挖土，以免出現井體擱置、傾斜的情況。

2)由于沉井下沉過程中，井周圍不可避免的會出現塌陷情況，故需隨時在塌陷處補充粗砂，從而避免塌陷范圍擴大，同時減輕摩阻力。

3)沉井施工除滿足常規施工方法外，由于土質原因，降水效果不理想，挖土機械下方需加墊鋼板同時加設明排集水井。

4)挖出的土方用吊斗吊出，挖掘出來的泥土用散體物料運輸車裝載運往棄土場，不得堆在沉井附近。

5　沉井封底、底板施工

1)沉井封底采用排水封底工藝。封底混凝土厚0.3 m，需用砂石回填至持力層底板混凝土厚度為1.2 m。

2)沉井下沉距標高100 mm時停止挖土，靠自然下沉到位。到位后8 h的累積下沉量不大于1 cm時，立刻進行封底施工。

3)封底前，預留集水花管，待封底完成混凝土強度達到80%后將花管封堵。封堵方法是將集水管中水抽干，迅速用干硬性混凝土填塞并搗實。封堵后做沉井底板。

4)沉井終沉前，為保證不發生超沉現象，利用中隔梁作為支承反面，在中隔梁部位提前設置片石墊層拋高5 cm，待中隔梁落位后，及時在刃腳下填置片石，按照“先長邊后短邊，先支點后兩邊”的原則進行。待沉井到位后及時觀測，收集數據進行分析。

5)做底板前應先將刃腳處新舊混凝土接觸面打毛并沖洗干凈，綁鋼筋，兩端伸入刃腳凹槽內，澆筑底板混凝土。

6　結語

在粉質粘土地層中實施沉井，由于土質滲透系數較小，下沉過程中降水效果較差，需增加明排措施同時在挖土期間機械墊鋼板進行施工。刃腳設置混凝土墊層時，需按混凝土抗剪強度進行計算，封底時應考慮基底承壓水作用，適當留置卸壓井待沉井結構滿足強度及抗浮要求時方可封井。

通過前述施工過程可以看出，在相似土層的沉井設計和施工中，沉井計算與施工應按實際情況進行。

Discussion on the caisson construction technology

Wang Hongyun

(Taiyuan Municipal Engineering Corporation, Taiyuan 030002, China)

According to the engineering conditions of midway improvement pumping station in Jinyang sewage treatment plant, this paper determined the caisson construction scheme, calculated and analyzed the related parameters and matters needing attention of caisson sinking, and proposed the construction measures of caisson cover and bottom plate, accumulated experience for caisson construction.

caisson, sinking coefficient, concrete cushion, bottom plate

1009-6825(2016)25-0101-03

2016-06-23

王紅云(1978- )，男，工程師

TU745

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