洱海區(qū)域流砂地質(zhì)條件下沉井設(shè)計計算研究

方 濤

(中建五局第三建設(shè)有限公司，湖南 長沙 410000)

0 引言

在頂管施工中，沉井技術(shù)在我國已是十分成熟的技術(shù)，避免了大面積開槽埋管所帶來的影響，特別是針對地下水豐富的區(qū)域，只要下沉條件允許時幾乎適應(yīng)任何土質(zhì)[1-3]，且能較大程度上承受水平推力，使得其在不開槽頂管作業(yè)中被廣泛推廣。同時，由于在設(shè)計與施工中所采用的計算方法及方案不科學(xué)[4,5]，可能會出現(xiàn)井壁混凝土開裂、分節(jié)、分段處施工縫處理不到位、滲水等問題，且在復(fù)雜地質(zhì)條件下，施工難度加大，就此，本文就以洱海區(qū)域流砂地質(zhì)條件下頂管沉井施工為實例，就現(xiàn)場施工技術(shù)組織深化設(shè)計沉井施工計算原理。經(jīng)工程實踐驗證，滿足類似洱海區(qū)域流砂地質(zhì)條件或其他不良地質(zhì)條件下的沉井設(shè)計施工。

1 工程概況

大理市洱海環(huán)湖截污工程二標(biāo)段主要收集和處理洱海旁上關(guān)片區(qū)內(nèi)居民生活污水，涉及工程量有：0.5萬t/d污水廠1座，提升泵站2座；沿湖主干管網(wǎng)17.1 km；河道支線19.6 km。由于毗鄰洱海，主干管網(wǎng)部分區(qū)域不易排水開挖，采用不開槽頂管作業(yè)，全線頂管井(6.5 m×3.5 m,φ6.5 m)18個、接收井(5.0 m×3.5 m,φ5.0 m)18個、騎馬井(φ1.6 m)31個，管徑600 mm～1 000 mm，埋深為3.6 m～10 m。所有工作井均采用沉井施工，分節(jié)、分段制作。其中，井壁混凝土采用C30P6，鋼筋采用12 mm,16 mm；封底混凝土采用水下C35P6。

2 工程地質(zhì)條件

由于工程毗鄰洱海，故場地附近最大的地面水體為洱海，則地下水與洱海水相互滲流補給，使得地下水為孔隙型潛水，其最高水位為1 966.0 m。根據(jù)勘察資料，具體各土層的物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。

表1 各土層的物理力學(xué)性質(zhì)

3 下沉過程中的計算與分析[6]

下沉高度達10 m，高度較大，為保證沉井的穩(wěn)定性和減少沉井刃腳下混凝土墊層的厚度，沉井采用分2節(jié)制作，2次下沉的方法，即第一節(jié)高為6.0 m、第二節(jié)高為4.0 m。

3.1 沉井分節(jié)、分段下沉驗算

在沉井下沉前，考慮現(xiàn)場實際情況，對擬定分節(jié)沉井下沉進行驗算。其下沉系數(shù)為克服井壁與土之間摩阻力和地層對刃腳的反力的比值，按下式進行計算：

其中，f1,f2,f3，…，fn均為各層土與井壁的摩阻系數(shù)，kN/m2；n1，n2，n3，…，nn均為各層土的厚度，m。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘探報告及沉井尺寸如圖1所示，取雜填土層f1=16 kN/m2，n1=3.8 m；粉質(zhì)黏土層f2=19 kN/m2，n2=1.7 m；粉土層f3=17 kN/m2，n3=4.5 m。故f0=16.96 kN/m2。

沉井尺寸為6 500 mm×3 500 mm，采用排水施工作業(yè)，且在下沉工程中將刃腳底面及斜面的土方挖空。則：

Q1=2 056.32 kN，Q2=1 370.88 kN；S=R=0；T=1 780.8 kN。

1)第一節(jié)沉井下沉。

K1=2 056.32/1 780.8=1.15≥1.15，滿足下沉要求。

2)第二、三節(jié)沉井下沉。

K2=(2 056.32+1 370.88)/1 780.8=1.92≥1.25，滿足下沉要求。

綜上所述：第一節(jié)高為6.0 m、第二節(jié)高為4.0 m均能滿足下沉要求。

3.2 下沉穩(wěn)定性驗算

沉井在軟臥土層中下沉?xí)r，可能發(fā)生突沉，需對沉井下沉進行穩(wěn)定性驗算。可按下式驗算：

其中，K′為沉井下沉穩(wěn)定系數(shù)，應(yīng)小于1；G為沉井的自重力；S為地下水浮力，排水下沉?xí)r，S=0，不排水下沉?xí)r取總浮力的70%；Rf為沉井外壁有效摩阻力的總和；R1為刃腳踏面及斜面下土的支撐力；B0,L0分別為沉井的平均長、寬度,m；C為刃腳踏面寬度,m；n為刃腳斜面與井內(nèi)土體接觸面的水平投影寬度,m；R2為沉井內(nèi)部隔墻和底梁下土的支承力；fu為持力層承載力設(shè)計值,取fu=125 kN/m2；A1為隔墻和底梁的總支承面積,m2,取0。則：

Rf=2×(6.5+3.5)×(16×3.8+19×1.7+17×4.5)=3 392 kN；

R1=2×(7.1+4.1)×(0.3+0.3/2)×125=1 260 kN。

故K′=(2 056.32 kN+1 370.88 kN)/(3 392 kN+1 260 kN)=0.74<1.0。據(jù)此可知：沉井在自重下能夠穩(wěn)定。

3.3 墊架拆除井壁強度驗算

由于所采用的沉井尺寸較小(6 500 mm×3 500 mm)，故采用4點對稱支承，以減少內(nèi)力。則：

其中，M支為支座彎矩，kN·m；M中為跨中彎矩，kN·m；V1為支座外側(cè)剪力,kN；V2為支座內(nèi)側(cè)剪力,kN；q為井墻單位長度重量,kN/m，得：q=102.82 kN/m；L為沉井長邊長度，m；B為沉井寬邊長度，m；L1為長邊兩支座間距離，取0.8L=5.2 m；L2為長邊支座外懸臂長度，取0.1L=0.65 m；b為井壁厚度，取0.6 m。則：

M支=-19.66 kN·m；M中=397.2 kN·m；V1=108.08 kN；V2=267.33 kN。故待刃腳部分混凝土強度達到100%，且井壁混凝土強度達到70%以上(以同條件養(yǎng)護的混凝土試塊強度為準(zhǔn))時，開始下沉。

3.4 滲透水量計算

由于沉井四側(cè)為混凝土壁，計算時可假定為一深井，其滲透水量可按下式計算：

其中，Q為單位時間內(nèi)的滲透水量，m3/d；K為粉砂的滲透系數(shù)，取0.5 m/d；A為水滲流的截面面積，得A=36.19 m2；i為水力坡度，即高水位與低水位之差與滲透距離之比值。其中，地下水位為h″=2.06 m，t=1.5 m；則：h′=6.44 m，i=0.68；Q=12.3 m3/d。由于地下水與洱海水相互滲流補給，擬進行水下混凝土封底。

3.5 封底計算

3.5.1矩形沉井封底

按周邊簡支支承的雙向板計算，承受均布荷載時，跨中彎矩M1,M2值可按下式計算：

其中，a1,a2均為彎矩系數(shù)，因l1/l2=0.35/0.65=0.54，取a1=0.098 1，a2=0.034 0；p為靜水壓力形成的荷載，得：p=95-1.5×24=59 kN·m；l1為矩形板計算跨度，取3.5 m。得：M1=70.9 kN·m，M2=26.49 kN·m。

3.5.2封底混凝土的厚度計算

根據(jù)求得的彎矩M按下式計算：

其中，h為封底混凝土厚度，m；F為安全系數(shù)，按抗拉強度計算的受壓、受彎構(gòu)件為2.65；M為板的最大彎矩，N·mm；b為板寬，一般取1 000 mm；fct為混凝土抗拉強度設(shè)計值，取1.57 N/mm2；D為考慮水下混凝土可能與井底泥土摻混的增加厚度，取0.35 m。得：h=1 m<1.5 m，封底混凝土厚度為1.5 m符合要求。

3.6 抗浮穩(wěn)定性驗算

沉井封底后，整個沉井受到被排除地下水的向上浮力作用，驗算其抗浮系數(shù)K(沉井外未填土)，不計抗浮的井壁與側(cè)面土反摩擦力的作用，按下式驗算：

其中，G為沉井自重力，kN；F為地下水向上的浮力，kN。則：

K=(2 056.32+1 370.88)/[(7.7×4.7-6.5×3.5)×7.94×10]=3.21≥1.15，故沉井抗浮穩(wěn)定。

4 結(jié)語

利用《簡明施工手冊》中的規(guī)范及經(jīng)驗估算公式對下沉過程進行驗算與分析，經(jīng)工程實際施工驗證滿足洱海區(qū)域流砂地質(zhì)條件下的沉井施工，為存在流沙層或其他不良地質(zhì)條件的情況下的沉井設(shè)計施工提供借鑒。