井壁片螺栓連接的裝配式沉井

周書東 張彤煒 張 益 文 杰 麥鎮東 韓龍偉 劉正剛 田錦虎

1. 東莞市建筑科學研究所 廣東 東莞 523809；2. 中國水利水電第七工程局有限公司 四川 成都 611730

隨著建筑業的不斷發展，裝配式建筑、綠色施工、節能降耗已成為建筑業發展的時代要求，也是建筑企業生產發展的必然選擇[1-3]。截污管網等沉井結構通常采用現澆方式建造，其施工所需要的作業面較大、施工周期長、受天氣變化影響大、工程成本高，隨著建筑的產業升級，開發出一種新的沉井建造技術是十分必要的。裝配式沉井技術采用濕接縫連接和通過預應力筋連接[4]將各井壁片連接成整體，實現了沉井裝配化施工，綠色環保，部分構件可回收利用，大大提高了工作效率，并節省造價。本文將以具體應用工程為例，闡述井壁片螺栓連接的裝配式沉井建造方式及其意義。

1 工程概況

茅洲河流域綜合整治（東莞部分）一期項目工程（包含長安鎮環山渠及新民排渠、霄邊排渠及陳蔡涌、東引運河子項截污次支管工程）為東莞市截水排污重點工程，項目地處東莞市長安鎮。項目所在區域地層自上而下主要為人工填土層、第四系全新統海陸交互相沉積層、第四系沖積層第四系殘積層，下伏基巖為第三系粉砂巖、層下古生界混合花崗巖（Pz1）。裝配式沉井所處地層主要為淤泥（表1）。

表1 物理力學參數

本項目沉井內徑3～8 m。結合工程實際，選用工程量占比最大及市場上應用最廣，直徑分別為3、4、5 m的沉井，采用裝配式建造技術。

2 井壁片螺栓連接的裝配式沉井

2.1 裝配式沉井結構的構成與形式

裝配式沉井結構是由井片或含混凝土填充的頂管孔洞的井片、螺栓、止水橡膠條、混凝土封堵的頂管孔洞和吊耳構成[4-6]。

螺栓連接的裝配式沉井根據沉井大小分為2種形式：第1種為2.5 m≤D＜3.5 m的沉井（D為沉井內徑)，結構組成統一采用D＝3 m，由上、下2種結構形式的預制井片裝配而成。下部結構井片分為2個半圓預制，井片高度2 m，下部設有刃腳，徑向井片間預留φ28 mm手孔及螺栓孔，通過2組共計4顆Q235的φ24 mm螺栓連接成一個環形整體。井片上部結構為一個完整的環形，單節高度1 m，上下圓環井片沿環向均分布8個φ28 mm手孔及螺栓孔，上下結構通過8顆Q235的φ24 mm螺栓連接成一個整體。上部具體圓環節數可根據沉井實際深度進行確定。第2種是沉井3.5 m≤D＜5.5 m時，結構組成統一采用直徑D為4 m和5 m，沉井下部由4片井片組成，每個井片高度為2 m，徑向井片間預留φ28 mm手孔及螺栓孔，通過4組共計8顆Q235的φ24 mm螺栓連接形成一個環形整體。上部井片則由2片半圓井片組成，半圓井片高度為1 m，徑向井片間預留φ28 mm手孔及螺栓孔，通過2組共計4顆Q235的φ24 mm螺栓連接成一個環形整體，上下圓環井片沿環向均分布8個φ28 mm手孔及螺栓孔，上下結構通過8顆Q235的φ24 mm螺栓連接成一個整體。上部具體半圓井片數量可根據沉井實際深度進行確定。沉井井壁片的上下、左右邊緣均設有與相鄰井片相連的凹槽或凸起，形成一道卡槽，并在卡槽中敷設止水橡膠條。

第1種形式：壁厚t＝0.3 m、內徑D＝3 m、深度h＝6 m的裝配式沉井，應用BIM軟件建立對應的三維模型，如圖1～圖5所示。

圖1 裝配式沉井下部井片整圓結構

圖2 裝配式沉井下部 井片半圓結構

圖3 裝配式沉井承插式 豎向卡槽＋止水橡膠條

圖4 裝配式沉井上部井片

圖5 裝配式沉井整體結構

第2種形式：壁厚t＝0.4 m、內徑D＝5 m、深度h＝6 m的裝配式沉井，其模型圖如圖6～圖11所示。

圖6 裝配式沉井下部井片1/4圓結構

圖7 裝配式沉井下部 井片整圓結構

圖8 裝配式沉井承插式 豎向卡槽＋止水橡膠條

圖9 裝配式沉井上部沉井1/2圓結構

圖10 裝配式沉井上部沉井整圓結構

圖11 裝配式沉井整體結構

2.2 螺栓連接

裝配式沉井在豎向和徑向都是采用螺栓連接的，具體以壁厚t＝0.4 m、內徑D＝5 m、沉井深度h＝6.0 m的裝配式沉井為例，其連接方式如圖12～圖14所示。

圖12 裝配式沉井下部井片

圖13 裝配式沉井上部井片

圖14 裝配式沉井預埋彎管和連接螺栓實物

2.3 裝配式沉井施工流程

裝配式沉井預制→井位開挖1 m和墊層澆筑→下部井片拼裝和安裝就位→下部井片下沉1.5 m→上部井片安裝就位和下沉至設計標高→封底和底板澆筑→上部井片回收

2.4 技術創新點

1）根據沉井管徑不同將沉井分成多種井片。

2）井片采用工廠預制，現場拼裝，井片間通過螺栓干式連接拼裝成沉井結構；上下井壁錯位安裝，形成上下疊合錯縫拼接。

3）井片的上下、左右邊緣均設有與相鄰井片相連的凹槽或凸起，形成一道卡槽，并在卡槽中敷設止水橡膠條。

4）通過預留弧形井壁片螺栓孔和手孔，用螺栓可實現與上下、左右井片的有效連接或分離。

5）回填通過拆卸螺栓，可對上部井片進行部分回收重復利用。

2.5 沉井力學計算

以直徑3 m，深度6 m裝配式沉井為例：

1）沉井整體計算。按照最不利地質條件（淤泥等軟弱地層），進行裝配式沉井結構核算，本次采用有限元軟件Abaqus對沉井進行仿真模擬，具體如圖15所示。

沉井計算結果如圖16～圖18所示。

圖15 裝配式沉井三維模型結構

圖16 裝配式沉井結構 整體應力云圖

圖17 裝配式沉井典型豎向鋼筋應力云圖

圖18 裝配式沉井典型下部應力云圖

由圖17可知，材質為Q235的φ24 mm螺栓屈服應力為143.1 MPa，滿足規范[7]要求；由圖18可知，材質為C30的混凝土屈服壓應力為8.6 MPa，滿足規范[8]要求。

2）沉井吊耳驗算。沉井吊耳采用材質為Q235的φ 20 mm圓鋼，埋置深度為200 mm，構造彎曲長度為15D，單片沉井最大質量為8 t。經計算，吊耳強度、吊耳與混凝土黏結強度等均滿足規范[7-8]要求。

3 社會及經濟效益

1）井壁片螺栓連接的裝配式沉井能有效地節約資源，降低施工噪聲，減少施工垃圾及污染環境的廢棄物，通過回收上部井壁片，可在同類型沉井結構中重復使用，從而減少井壁片的工程量和大量的建筑垃圾。

1）與同規格傳統現澆沉井對比（以直徑3 m，深度6 m裝配式沉井為例），采用井壁片螺栓連接的裝配式沉井，省去了模板制作量以及腳手架的搭設，減少了架管使用量，其節約材料及人工費約15 348元/座；從工期上分析，裝配式沉井建造時間短，可縮減12～15 d，從現場施工占地范圍分析，裝配式沉井占地面積較現澆沉井節約面積約8 m2。

4 結語

1）結合項目實際情況，選用工程占比最大以及市場應用最廣的沉井規格進行裝配式施工，通過標準化和模塊化設計，裝配式沉井分為直徑3 m和直徑4、5 m這2種類型。

2）直徑為3 m的沉井拆分為上部井片和下部井片，下部結構井片分為2個半圓預制，井片高2 m，下部設有刃腳，上部結構井片為一個完整環形，單節高1 m，上部圓環節數根據沉井深度確定；直徑為4、5 m的沉井拆分為上部井片和下部井片，下部結構井片分為4個1/4圓預制，井片高2 m，下部設有刃腳，上部結構為2個半圓預制，單節高1 m，上部圓環節數根據沉井深度確定。井片上下、左右邊緣均設有與相鄰井片相連的凹槽或凸起，形成一道卡槽。

3）井壁片通過已有的凹槽或凸起形成的卡槽進行拼裝，卡槽內敷設止水橡膠條，能很好地起到止水效果。上下左右井壁片位置可以利用預留手孔和螺栓孔進行對準修正。井壁片間通過擰緊多根φ2 mm螺栓進行連接。待回填至上部井片最上一層井片位置時，拆卸連接螺栓，可將上部井片一節進行回收重復利用。

4）井壁片螺栓連接的裝配式沉井具有當前現澆沉井所不具有的快速施工、提高精度、節省造價、綠色環保等優勢，在截污管網工程中具有較強的應用價值，隨著技術的不斷完善和推廣，井壁片螺栓連接的裝配式沉井將會得到大量的應用。