沉井在軟土地區的設計施工措施

程棟柱

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

1 概 述

沉井是一種在地面制作后，從井內部取土下沉至預定標高的結構。沉井用途廣泛，在工業建筑中尤為常見，如取水頭部、吸水井、沉井泵房、頂管工作井及接收井等。常見的沉井采用鋼筋混凝土結構，按平面形狀分為圓形沉井、矩形沉井和多格沉井。

沉井設計時應踏勘沉井周邊環境，探明周邊外一定范圍內土層分布及均勻性，查清有無軟弱土層、洞穴或其他障礙物及其分布情況，收集土的物理力學指標、沉井下沉側摩阻力及其場地水文資料。沉井常規的施工方法分為排水下沉、不排水下沉，或者結合土層特征綜合這兩種方法施工。

軟土地區主要指沉井井深范圍內的土層主要由淤泥、淤泥質土、沖填土、雜填土或其他高壓縮性、低承載力土層構成。這些土層主要特征是高壓縮性、低強度、高靈敏性。沉井在軟土地區施工存在歪沉、超沉、井內涌土等風險，應引起設計人員和施工人員的重視。

2 工程概況

某市位于我國東部濱海地區，陸地多為圍海造陸形成，屬于典型的軟土地區。該市原水輸水管線工程中管道需跨越道路、避開市政天然氣及污水管線，擬采用頂管跨越，頂管采用沉井結構形式，主要考慮沉井施工周期快、造價經濟。

輸水管道管徑為DN2000鋼管，頂進距離約600 m，工作井采用矩形沉井，外圍尺寸為13.6 m×10.6 m，壁厚下部1.3 m、上部 0.9 m，刃腳底埋深14.25 m；接收井采用圓形沉井，外圍尺寸為D8.6 m，壁厚下部0.8 m、上部0.5 m，刃腳底埋深14.65 m。根據勘察報告，工作井井位鉆孔土層信息如圖1所示。顯而易見，井深范圍內的1-22層、2-2層、2-31層為灰色淤泥或灰色淤泥質黏土，頂管處土層2-2層為灰色淤泥質黏土，刃腳底土層2-31層為灰色淤泥，且厚度接近8 m，其均為軟土，承載力低至45～50 kPa，液性指數均大于1，壓縮模量均小于3 MPa；接收井位置鉆孔土層剖面結構類似，結構整體均位于軟土中，土體結構性能很差，設計和施工時均應采取相應應對措施，保證結構施工安全。

3 設計施工措施討論

為了保證沉井在軟土地區的結構安全和施工安全，可以從兩方面考慮安全應對措施。

3.1 設計方面

沉井設計過程主要包括沉井形狀、深度及平面尺寸確定、壁厚確定、下沉穩定性及下沉系數驗算、封底混凝土厚度確定、封底抗浮驗算、施工和使用過程抗浮驗算、沉井側壁及底板底梁配筋計算等。在軟土地區設計沉井時，可根據以上設計過程逐一細化，確定具體的相應安全應對措施。

圖1 工作井勘探孔剖面圖（單位：mm）

常規的沉井形狀有矩形、圓形，沉井外部荷載主要來自于側壁土體、地下水的側向水平壓力，深度越大壓力越大。沉井下沉過程無底板、無頂板側向支撐，且側壁土體受擾動較大，土體結構性能下降，是沉井受力最危險的時候。根據目前的沉井計算理論，矩形沉井側壁計算以水平截條法為主，即取1m高的井壁截條，施加環向水平土體壓力進行內力配筋計算；圓形沉井以《給水排水工程鋼筋混凝土沉井結構設計規程》（CECS 137—2015）中第6.2.3條計算理論為依據，假定井壁互成90°的兩點處土體的內摩擦角差值為8°。兩種沉井形狀的井壁彎矩分布圖如圖2、圖3所示。

圖2 矩形沉井井壁彎矩分布圖（單位：kN·m）

圖3 圓形沉井井壁彎矩分布圖（單位：kN·m）

以四種沉井平面面積分別為200 m2、180 m2、150 m2、120 m2為例，矩形沉井和圓形沉井對應面積一致，矩形沉井長寬比為1.2～2.0，計算井壁深度分別為地面下5 m、10 m處。沉井井壁計算彎矩最大值見表1。由表中彎矩比結果可見，矩形沉井在同等井內面積下，井壁彎矩遠遠大于圓形沉井，故在同樣裂縫控制標準下，井壁壁厚、配筋量均會增大不少。顯然圓形沉井環向受力更加合理，沉井井壁可減小，結構自重可減輕，相應大大減少沉井下沉過程的危險性，同時節省工程造價，建議軟土地區在環境允許、功能滿足條件下優先采用圓形沉井作為頂管工作井及接收井。

表1 圓形、矩形沉井井壁最大彎矩比計算結果

沉井深度一般是由頂管深度決定，沉井平面尺寸是由沉井井內空間的正常使用功能需求決定。無論沉井是永久井或臨時井，均應以滿足正常使用功能、頂管施工需求為前提，盡可能減少井內深度、平面尺寸。井深、平面尺寸減少，沉井結構自重減少，在軟土地區下沉、接高時可大大減少安全風險。減小沉井壁厚也是相同原因。

沉井下沉系數和下沉穩定性是軟土地區設計的關鍵。常見的問題是沉井下沉系數過大、下沉穩定系數過大。根據《給水排水工程鋼筋混凝土沉井結構設計規程》（CECS 137—2015） 第 6.1.2、6.1.3條及其條文說明，沉井下沉系數宜在1.05～1.5（一般控制下限值即可），下沉穩定系數宜在0.8～0.9。沉井下沉系數過大，會有突沉風險；沉井下沉穩定系數過大，會有歪沉、突沉風險。故在設計過程中，應控制沉井下沉系數和下沉穩定系數在合理范圍內。根據沉井規程：

式中：Gik為沉井結構自重標準值；Ffw,k為水浮力標準值；Ffk為沉井側摩阻力標準值；Rb為沉井刃腳、底梁、隔墻下的土體極限承載力之和。

根據以上公式可知，沉井下沉系數、下沉穩定系數與四個因素相關，即Gik、Ffw,k、Ffk、Rb，故可考慮從這四個因素著手，合理控制沉井下沉系數、下沉穩定系數。以該工程矩形工作井為例，勘察期間地下水位為地面下1.00 m，在未采取任何安全應對措施時，結構自重Gik=1.99×104kN（不做底梁），水浮力Ffw,k=7.82×103kN，井壁側摩阻力Ffk=8.05×103kN，刃腳土體極限承載力Rb=5.05×103kN，對應計算結果如下：下沉系數kst=1.51；下沉穩定系數kst,s=0.92。

可見下沉系數與下沉穩定系數均超出了正常范圍，擬采用以下幾種措施調整：減輕結構自重、調整水位、增設底梁或增大刃腳寬度、調整刃腳底土體承載力。減輕結構自重一般是調整不同壁厚區域的分段高度或直接減小壁厚；調整水位則是通過抽水或灌水來調整井外水位，以達到調整沉井水浮力的目的；設置底梁是常規做法，既能提供底梁反力增加下沉穩定性，又能增加結構整體性能，在不影響機械挖土的前提下盡量設置，與沉井一起下沉；增大刃腳寬度亦是提高刃腳反力的類似做法，在刃腳底地基土承載力低下時，可考慮此做法；調整刃腳底土體承載力的規范依據是《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007—2011）中第5.2.4條地基承載力深寬修正公式，即在沉井分段接高或即將下沉就位時，保留井內一定厚度土體或井內回填一部分土體，以保證或提高部分刃腳底土體承載力。井下軟土靈敏度高、結構性能差，稍有擾動承載力都會急劇下降，在沉井下沉接近至設計標高時，更應保留部分土體，防止沉井超沉或井內涌土。以該工程地質條件為例，就以上常見安全措施進行調整試算，并將計算結果列于表2。

由表2下沉系數和穩定系數調整前后對比可知，五種措施均可減小沉井穩定系數，下沉系數則在原方案結果上下浮動。其中增底梁、加寬刃腳、增地基土承載力等措施對下沉穩定系數控制效果較為明顯，最大降幅達8%，但前兩種措施會增加結構自重，相應增大下沉系數；該工程實例勘察水位較高，增水浮力空間較小，故效果不明顯。在軟土地區，土體透水性差，利于水位穩定控制，可在沉井即將下沉就位時，可利用水浮力進行沉井減速或沉井穩定作用；減沉井自重既能減小下沉穩定系數，又能減小下沉系數，對沉井下沉過程的積極作用明顯，在滿足強度和裂縫控制時推薦采用。

表2 設計下沉系數及下沉穩定系數調整方案對比

沉井封底混凝土的作用一般是提供沉井抗浮力、提供底板邊抗沖切力、提供底板施工時的操作面。水下封底混凝土厚度按下式確定：

式中：M為每米寬度最大彎矩設計值；b為計算寬度，取1 000 mm；ft為混凝土抗拉強度設計值；hu為附加厚度，取300～500 mm。

可見封底混凝土厚度ht主要與彎矩M相關，即與沉井底部平面尺寸大小相關，與軟土地區無關。一般軟土地區沉井應盡量減小平面尺寸，即封底厚度ht會相應減小，但考慮其抗浮和井內防涌土的有利作用，應進行適當放大，保證沉井施工過程安全。

沉井設計過程的抗浮驗算一般包括封底抗浮、頂管施工過程中抗浮及使用過程抗浮驗算。封底抗浮時可進行適當降水減小水浮力，保證結構抗浮穩定性；一般頂管施工和使用過程的周期長，不可能一直采取降水措施，所以應考慮利用沉井結構自重、內部素混凝土、封底素混凝土和頂部覆土等進行抗浮，即在后期不采取人工干預的情況下保證抗浮穩定性。軟土地區自然水位一般較高、水浮力大，結構抗浮安全應引起足夠重視。

沉井井壁和底板、底梁配筋計算一般是以裂縫控制為主，強度控制為輔。軟土地區土體c、φ一般較小，土體自穩性能差，含水量高甚至接近飽和狀態，對沉井井壁的側向壓力、沉井頂部的豎向壓力均會比常規區域略大一些，設計時應考慮配筋量適當放大。在沉井頂管洞口封堵區域，應采取高壓旋噴樁或水泥土攪拌樁進行土體加固，既能保證頂管機進出洞口安全，又能進行洞口止水和部分洞口封堵作用。

3.2 施工方面

在軟土地區，沉井施工過程是一個施工難度大、施工要求高、影響范圍廣、多風險并存的過程，應引起施工單位、監理單位及建設單位的高度重視。

沉井施工前，應制定詳細的沉井施工組織方案，并經專家組評審通過后方可開展施工準備工作。施工準備工作主要包括以下內容：沉井現場障礙物排除及地下障礙物探查、沉井井位復核、沉井周邊環境確認、結構設計圖紙及地勘報告研讀等。如為頂管工程，還需確認頂管沿線是否已存在其他市政管線，是否存在沖突或小于頂管安全距離。

施工單位應根據現場情況及周邊環境制定完備的應急安全預案。如沉井出現下沉速度過快、歪沉、超沉、井內涌土等現象時，應采取何種應對措施，以確保沉井安全順利下沉就位。

沉井施工前，施工單位應根據表層土體承載力、第一段沉井自重、刃腳底面積計算砂墊層厚度。軟土地區一般表層土體承載力低、靈敏度高，且不均勻可能性大，開始下沉時歪沉的可能性較大，故砂墊層厚度應考慮適當放大。

軟土地區沉井下沉過程中，應優先考慮不排水下沉方式。水浮力對沉井下沉過程的穩定性和安全性至為關鍵。由前述設計方面安全措施的沉井下沉系數和下沉穩定系數計算可知，水浮力對兩者均有較為重要的積極作用。故在軟土地區沉井下沉過程中，可考慮井內回灌水或其他提高浮力措施，保證下沉過程安全，避免出現下沉過快、超沉、歪沉等風險。

沉井封底時應優先考慮水下封底。水下封底可維持井內外水壓平衡，減少涌土風險；且水下封底可利用水浮力支托，減緩沉井即將就位時的下沉速度，減少超沉風險。

軟土地區沉井施工對施工單位的施工水平是一個很大的考驗，既要保證工期，又要滿足安全順利施工就位，同時還需兼顧造價、環境影響，是一個復雜、繁重的任務。當然，軟土地區沉井施工還有其他許多注意事項、安全措施，如下沉就位前一定距離停止挖土、刃腳形狀采用矩形而非梯形、井壁外表面做一些凸出造型等。

4 結 語

軟土地區進行沉井施工時，為避免出現下沉速度過快、歪沉、超沉、井內涌土等風險，而導致不可挽救的后果，本文從設計和施工兩方面出發，結合工程實例，探討了一些常見的安全應對措施。現簡要總結如下，以期對未來的軟土地區設計和施工提供一些積極的指導意義：

（1）在環境允許、功能滿足的條件下，優先采用圓形沉井結構形式，結構受力更合理。

（2）盡可能減小平面尺寸、井深、沉井壁厚，減輕結構自重，極大地減少設計難度，降低施工風險。

（3）沉井盡可能設置底梁，加寬刃腳底面寬度，采取有效措施保留或提高刃腳底土體承載力，并利用水浮力保證下沉穩定。

（4）施工過程應優先采用不排水下沉、水下封底，利用水浮力減緩下沉速度，提高下沉穩定安全性。