關(guān)于沉井的設(shè)計(jì)與施工研究

韓 偉 平

(太原市市政工程設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030002)

關(guān)于沉井的設(shè)計(jì)與施工研究

韓 偉 平

(太原市市政工程設(shè)計(jì)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(shù)驗(yàn)算、結(jié)構(gòu)及刃腳的設(shè)計(jì)方法，從場(chǎng)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(shù)，對(duì)沉井技術(shù)的推廣有促進(jìn)作用。

沉井，構(gòu)造，設(shè)計(jì)，制作

0 引言

經(jīng)調(diào)查和研究發(fā)現(xiàn)，將沉井結(jié)構(gòu)用于地下建筑物建造是一個(gè)較好的選擇，沉井結(jié)構(gòu)不僅施工方便，而且對(duì)其他建筑物影響較小。隨著建筑業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，沉井結(jié)構(gòu)也得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，如南京汽輪電機(jī)廠壓力容器車間改造中的裝配地坑，江南光學(xué)儀器廠的電鍍廠房地下室的施工等，由于沉井已成為當(dāng)代建筑業(yè)必不可少的結(jié)構(gòu)方式，因此對(duì)于沉井設(shè)計(jì)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(jiǎn)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(jiǎn)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(shù)量為兩個(gè)及兩個(gè)以上，各孔之間有內(nèi)隔墻，可以提高整個(gè)沉井的剛度和硬度。多排孔沉井的內(nèi)隔墻較多，且縱橫交錯(cuò)，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(jù)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(huì)隨深度的變化而變化。因?yàn)槭艿街車馏w的影響，柱形沉井不易發(fā)生傾斜，對(duì)周圍土體的影響也較小，但是如果遇到土體的阻力過(guò)大而平面尺寸過(guò)小、深度過(guò)大，土體過(guò)于密實(shí)的情況時(shí)，就容易出現(xiàn)井壁破裂的現(xiàn)象，因此柱形沉井一般適用于土質(zhì)松散的情況。階梯形沉井的井壁及其平面尺寸會(huì)隨著深度的變化而變化，刃腳處的臺(tái)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(gòu)造包括頂蓋、井壁、凹槽、刃腳、內(nèi)隔墻以及封底等幾個(gè)部分。其中頂蓋是為了承托上部結(jié)構(gòu)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(gòu)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(shí)，為了讓井壁與封底的混凝土連接得更好而做的構(gòu)造，位于刃腳內(nèi)側(cè)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(jìn)入土體時(shí)易于下沉，位于沉井井壁最下端的尖角部分。內(nèi)隔墻是沉井的內(nèi)壁，是為了將井孔分隔開(kāi)來(lái)，并加強(qiáng)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(yù)防地下水進(jìn)入。圖1是沉井構(gòu)造的基本示意圖。

3 沉井的設(shè)計(jì)

3.1 沉井尺寸的確定

首先是沉井高度的計(jì)算，沉井深度需要滿足深基礎(chǔ)或者地下建筑物的使用要求和持力層地基承載力標(biāo)準(zhǔn)這兩個(gè)基本要求。通常情況下，持力層會(huì)選擇較為密實(shí)的土層，沉井會(huì)下沉到堅(jiān)實(shí)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(jié)構(gòu)，考慮到沉井下沉?xí)r發(fā)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(nèi)的工藝要求和結(jié)構(gòu)要求。

最后是沉井的井壁厚度問(wèn)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(jù)實(shí)際工藝要求確定井壁厚度。

3.2 沉井下沉驗(yàn)算及系數(shù)的確定

沉井下沉?xí)r應(yīng)當(dāng)考慮到井壁與土體之間的摩阻力以及地基土體對(duì)刃腳的反作用力的影響，另外在地下水位過(guò)高時(shí)，還應(yīng)當(dāng)注意地下水對(duì)沉井的浮力大小。在沉井驗(yàn)算過(guò)程中最主要的工作就是下沉系數(shù)的驗(yàn)算，一般采用兩種方法：第一是假設(shè)摩擦阻力會(huì)隨著土體的深度而變大，并假定在深度為5 m時(shí)阻力達(dá)到最大，在大于5 m后保持不變；第二是假設(shè)摩擦阻力隨著土體深度而加大，在刃腳處達(dá)到最大值。

3.3 沉井結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

沉井受力情況不同，其土體承受壓力就會(huì)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(gè)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(jù)施工情況不同而有所變化，使用階段的土體壓力由設(shè)計(jì)確定。由于在實(shí)際的施工過(guò)程中，施工方式和下沉方式的不同，數(shù)據(jù)變化差異較大，即使是精確的計(jì)算在施工中也會(huì)隨時(shí)調(diào)整，因此最重要的是在實(shí)際施工過(guò)程中具體問(wèn)題具體分析，從而根據(jù)實(shí)際情況作出針對(duì)性指導(dǎo)。

3.4 沉井刃腳的設(shè)計(jì)

刃腳是沉井的一個(gè)空間結(jié)構(gòu)，橫向是與井壁連接的一個(gè)水平框架，豎向是懸臂梁，在沉井下沉過(guò)程中，刃腳的內(nèi)壁和外壁以及底部都會(huì)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(huì)對(duì)刃腳產(chǎn)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(xiàn)傾斜時(shí)會(huì)出現(xiàn)拉力，因此水平方向一般根據(jù)構(gòu)造配筋。刃腳不挖空時(shí)，刃腳的內(nèi)側(cè)會(huì)使刃腳向外彎曲，挖空時(shí)外部土體壓力又會(huì)使刃腳向內(nèi)彎曲。

4 沉井的施工

施工現(xiàn)場(chǎng)的水文條件和工程地質(zhì)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(chǎng)地清理

沉井的施工現(xiàn)場(chǎng)要求平整整潔，因此需要清理地表雜物，或在刃腳處鋪設(shè)砂石，以保持地面土質(zhì)均勻，避免沉井澆筑時(shí)發(fā)生不均勻沉降的現(xiàn)象。

4.2 沉井的制作

這里主要介紹第一節(jié)沉井的制作問(wèn)題，首先是在刃腳處鋪設(shè)樹(shù)木墊層，并保持對(duì)稱，由此保證可以支撐第一節(jié)沉井的重量，墊木一般采用方木或者枕木，具體采用的數(shù)量和尺寸間距取決于計(jì)算結(jié)果，墊木鋪設(shè)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(dāng)?shù)谝还?jié)沉木澆筑的混凝土達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后(一般為設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%)，就可以撤除墊木并準(zhǔn)備下沉，撤除時(shí)墊木應(yīng)當(dāng)按照一定的順序依次進(jìn)行，由此可以防止井壁出現(xiàn)縱向破裂的現(xiàn)象，拆除順序一般是內(nèi)隔墻下、短邊井壁下、長(zhǎng)邊下，拆除時(shí)應(yīng)隔根拆除。

4.4 下沉施工

井壁混凝土澆筑達(dá)到要求的設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，就可以開(kāi)始挖土下沉。依據(jù)地質(zhì)條件的不同，沉井下沉可以分為排水和不排水兩種情況。當(dāng)下沉經(jīng)過(guò)的土層透水性不高時(shí)，地下水進(jìn)入量不大，不會(huì)由于排水導(dǎo)致大量流沙的涌入時(shí)，或者沉井傾斜可能性大并容易影響周圍建筑物使用時(shí)，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(wěn)定，地下水涌入量過(guò)大，排水易導(dǎo)致大量流沙進(jìn)入時(shí)，則應(yīng)當(dāng)采用不排水下沉的方法，保持井內(nèi)水位始終高于井外水位并利用吸泥機(jī)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(shí)，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(dāng)沉井下沉達(dá)到設(shè)計(jì)高度時(shí)，就可以停止挖土下沉，進(jìn)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(shí)采用水下封底方法，水量不大時(shí)采用干封底方法。

4.7 沉井內(nèi)部結(jié)構(gòu)的施工

沉井封底和澆筑底板都完成后就需要對(duì)沉井的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工，內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工包括頂板和內(nèi)隔墻。由于沉井是深基礎(chǔ)的一種特殊形式，對(duì)地質(zhì)條件和水文條件要求較高，因此在實(shí)際施工過(guò)程中應(yīng)當(dāng)做到設(shè)計(jì)周全，考慮周到。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著沉井技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，沉井的設(shè)計(jì)和施工問(wèn)題值得進(jìn)行深入探討，目前沉井應(yīng)用中還存在一些技術(shù)性問(wèn)題，例如土壓力的理論計(jì)算與實(shí)際應(yīng)用不吻合，突沉現(xiàn)象的處理和應(yīng)對(duì)方法不完善等等，這就需要相關(guān)專業(yè)人員的進(jìn)一步探討和研究，從而為沉井技術(shù)的應(yīng)用推廣做出貢獻(xiàn)。

[1] 應(yīng) 俊.沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工方法[J].中國(guó)市政工程,2013(5):56-57,65.

[2] 謝章龍,黃愛(ài)林.沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工方法[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì),2015(2):273-274,426.

[3] 王文舉.“沉井施工技術(shù)”在工程中的應(yīng)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

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