沉井施工工藝技術(shù)研究

閆冬梅

一、概述

水利工程建設(shè)項(xiàng)目深基坑較多，常遇到軟土基礎(chǔ)土質(zhì)不良的問題，且受地下水滲透壓力的影響，當(dāng)項(xiàng)目臨近密集的建筑物和房屋時(shí)，采用大面積開挖的方法顯然行不通，在此情況下只能采用沉井施工方法。沉井施工占地面積小、開挖土方量少、可減少施工對周邊建筑物安全影響，工藝簡單，便于采用。

沉井是一種豎直的井筒結(jié)構(gòu)，用鋼筋混凝土制成，依據(jù)基礎(chǔ)深度要求，分節(jié)制作，一般井筒深度在15m 以內(nèi)，可就地預(yù)制成形，待井筒混凝土強(qiáng)度達(dá)到70%以上時(shí)，就在井筒內(nèi)挖土，下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高。沉井形狀一般為圓形、方形、異形等，沉井由刃腳、井筒、內(nèi)隔墻、封底底板及頂蓋等部分組成。

山東省濟(jì)寧市某供水河道臨近的排污處理廠工程，提水泵站泵室與廊道的基礎(chǔ)部分采用沉井下沉施工工藝。該沉井平面尺寸為24m×17.8m（外包尺寸），矩形結(jié)構(gòu)，井壁0.65m，井內(nèi)有底梁，縱向二道，橫向三道，采用倉內(nèi)挖土的方法。制作層平面高程▽30m，井筒總高度為12.9m。本文就該沉井的施工技術(shù)進(jìn)行實(shí)例研究，通過分析與總結(jié)，為類似項(xiàng)目的施工提供技術(shù)參考。

二、沉井施工計(jì)算

1.沉井制作分段

依據(jù)沉井總高度，分段確定各井筒高度。

（1）分段劃分的條件。一是與井體高度有關(guān)，不能大于沉井平面的短邊尺寸，以免沉井發(fā)生傾斜；二是與下沉系數(shù)有關(guān)（K 值），滿足1.25 ＞K ＞1.05（K=沉井自重/沉井阻力）；三是與結(jié)構(gòu)剛體有關(guān)。

（2）分段基本數(shù)據(jù)。①刃腳高2.4m（▽24.6～27m）（地梁）；②井墻4.7m（▽27～31.7m）（柱、梁）；③井墻3.4m（▽31.7～35.1m）；④▽35.1m 以上井體與頂板部分，待沉井底板澆筑后再接高。

（3）構(gòu)件重量計(jì)算結(jié)果。刃腳717t，第一節(jié)井筒955t，第二節(jié)井筒632t。

2.下沉系數(shù)計(jì)算

（1）摩阻力計(jì)算。按照沉井下沉通常計(jì)算方法，采用假定摩阻力隨井筒下沉深度而加大，到5m 深度為最大值，5m 以下時(shí)保持常值；由于士層呈傾斜狀，計(jì)算層厚采用算術(shù)平均值。從土層分布情況分析，沉井在②、③、④類土層中下沉。為了計(jì)算摩阻力采用統(tǒng)一數(shù)值，井壁外摩阻力按加權(quán)平均值計(jì)算見表1，井壁摩阻力計(jì)算見表2。

表1 井壁摩阻力加權(quán)平均值計(jì)算表

表2 井壁摩阻力計(jì)算表

（2）刃腳踏面阻力Rt

1）刃腳踏面反力計(jì)算之一（按規(guī)范參數(shù)值計(jì)算）：

沉井底部井壁、縱梁面積F3＝2×0.8（24+16.2）+2×0.9×22.4+（4×0.6×0.75）=106.44（m2）；入土10.3m 時(shí)地基承載力fd＝70×0.101972=7.13（t/m2）；地基總反力T=759t。

2）沉井刃腳踏面反力計(jì)算之二（按地質(zhì)報(bào)告值計(jì)算），見表3。

表3 沉井刃腳踏面反力計(jì)算成果表

F2＝0.35×（24+17.1）×2+（4×0.6×0.75）+（0.6×23.3×2）+3×5.1×（0.6×2+0.4）＝28.77+1.8+27.96+24.48 ＝83.01m2。

計(jì)算沉井井壁、縱梁、橫梁、隔墻全部刃腳踏面面積，采用地質(zhì)報(bào)告中地基承載力設(shè)計(jì)值第④層fd＝70kPa，則地基承載力為70kPa×0.101972=7.13（t/m2）。

3）沉井下沉到位進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，刃腳斜面同時(shí)受地基支承時(shí)支持面積擴(kuò)大，僅考慮井壁與縱梁部分面積的反力。

3.穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算

（1）下沉系數(shù)規(guī)范規(guī)定K ＝1.05～1.25（流塑淤土層K值取1.05），排水井下沉穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算表見表4。

表4 排水沉井（干沉）下沉穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算成果表

（2）以上計(jì)算表明：①制作時(shí)井筒地基要先加固；②應(yīng)防止下沉過快產(chǎn)生失控情況，避免發(fā)生傾斜和平面位移；③為穩(wěn)定下沉，達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)土質(zhì)土層實(shí)際情況，盡量減輕沉井下沉的重量。

4.砂墊層與混凝土墊層驗(yàn)算

（1）基本假設(shè)與參數(shù)。刃腳斜面砌筑為磚模；混凝土墊層C20，厚度為160mm，寬1200mm；黃砂墊層Ψ=30°，厚度為500mm，寬1700mm；刃腳寬800mm；混凝土傳力線按45°擴(kuò)散，砂層傳力線按30°擴(kuò)散。

（2）擴(kuò)散面積的計(jì)算?；炷灵L為11200mm，寬為1200mm；砂層長1698mm，寬1700mm。

（3）砂層厚度承載力驗(yàn)算: 承載重量Σq=19.81t/m，則p=19.82/1.7=11.66t/m2（砂墊層對應(yīng)②層基礎(chǔ)土面壓力）。

P=11.66/0.101972=114.3kPa ＜115kPa（②層承載力），安全。

（4）混凝土墊層驗(yàn)算。C20 軸心抗壓w=102kg/cm2， 抗剪Vc=0.07fc×b×h=0.07×102×100×16=11.424t/m，因刃腳為兩側(cè)，則2Vc=22.85t/m ＞Σq=19.81t/m，安全。

5.抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算

沉井封底后，整個(gè)沉井受到地下水的向上浮力作用，應(yīng)驗(yàn)算其抗浮系數(shù)K。

（1）墻外未回填土：K=自重（G）/F（地下水向上的浮力）≥1.1。

（2）外側(cè)有回填土：K=[G+f（摩阻系數(shù)）]/F ≥1.25。

三、沉井施工

1.井筒制作層的開挖

因井筒第一節(jié)與刃腳重量相對較重，為減少下沉深度，基礎(chǔ)選擇土質(zhì)承載高的層面，同時(shí)需滿足地下水在地層面以下不小于50cm。沿刃腳位置挖槽，鋪墊黃砂，并進(jìn)行水密式碾壓，確保黃砂墊層密實(shí)。

2.沉井制作

刃腳選擇磚底模支墊，墊層的尺寸應(yīng)根據(jù)土體承載力、沉井結(jié)構(gòu)形式確定；模板與腳手架支撐應(yīng)堅(jiān)固牢靠，確?；炷潦┕r(shí)不變形；考慮內(nèi)外支撐和模板拆除時(shí)易脫開，不得出現(xiàn)連帶拉扯問題，以免對下沉造成干擾。

3.井外降水

沉井開挖前，必須做好管井降水布置。利用直徑40cm 無砂混凝土管作深井導(dǎo)管，通過水力計(jì)算，布置相應(yīng)管井個(gè)數(shù)與深度，要確保水位線控制在封底以下不低于0.5m。

4.沉井下沉

本例采用干法沉井（分干沉與濕沉），利用人工倉內(nèi)挖土，由吊車吊出倉外，人工沿倉內(nèi)四周均勻開挖，每坯厚度控制在10～20cm，下沉速度控制在每天0.5～0.8m。隨著下沉深度的增加，外排水井在含水層中抽水時(shí)，周邊地下水位形成與抽水強(qiáng)度相當(dāng)?shù)穆┒窢钕陆祬^(qū)，地下水位明顯變化，周邊的土粒含水量減少，從而使摩阻力增大。沿外井壁四周澆水濕潤，可減小井壁與土之間摩阻力，有利于井筒的下沉。

5.沉井封底

當(dāng)沉井達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，應(yīng)著手進(jìn)行混凝土封底。仍需控制好外側(cè)水位，防止?jié)B壓力對混凝土澆筑產(chǎn)生影響（封不?。豢梢暻闆r在混凝土中加早強(qiáng)劑，力求一次性澆筑到位。混凝土封底過程前后，局部段可能有滲漏點(diǎn)，可采用封堵水泥盡快處理到位，不留后患。

四、結(jié)語

沉井作為水下深層基礎(chǔ)處理的施工工藝，已在水利與市政行業(yè)應(yīng)用多年。本文通過工程實(shí)例探討了沉井施工技術(shù)的應(yīng)用，并就施工參數(shù)技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)論述。在具體的沉井施工過程中，應(yīng)結(jié)合地質(zhì)特征有針對性地制定沉井下沉方案，包括降水方案、降水井等。施工前須布置應(yīng)急預(yù)案，對關(guān)鍵工序要進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)糾正，以確保沉井順利安全下沉，使工程質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求■