特定條件下優(yōu)化沉井施工中的部分工作分析

高振中 （阜陽市市政工程管理處，安徽 阜陽 236000）

0 前言

一些工程中有深基坑需要采用沉井作為臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)，因深基坑支護(hù)牽涉到施工安全，各方主體都非常重視，所以，按照有關(guān)規(guī)定設(shè)計(jì)部門會(huì)將支護(hù)方案同時(shí)設(shè)計(jì)，并要求同時(shí)施工。但往往設(shè)計(jì)單位為了快速出圖或者過于保守而過度設(shè)計(jì)或超標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，將作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的沉井設(shè)計(jì)得非常復(fù)雜，并沒有根據(jù)具體條件優(yōu)化設(shè)計(jì)。在沉井僅作為支護(hù)結(jié)構(gòu)而不構(gòu)成工程實(shí)體這一特定條件下，施工單位在確保安全的前提下編制專項(xiàng)方案時(shí)是可以優(yōu)化的，但深基坑支護(hù)專項(xiàng)方案按照相關(guān)規(guī)定必須進(jìn)行專家論證。為此，現(xiàn)以工程實(shí)例來闡述作為項(xiàng)目部技術(shù)人員如何優(yōu)化沉井支護(hù)方案、如何優(yōu)化不必要的環(huán)節(jié)。

1 工程設(shè)計(jì)概況及地勘資料

1.1 工程設(shè)計(jì)概況

本工程是污水管網(wǎng)完善工程，位于阜陽市老阜南路兩側(cè)，其管道設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1

本次僅對(duì)頂管施工部分討論，開槽施工部分不再贅述。設(shè)計(jì)要求機(jī)械頂管部分，頂管工作井和接收井全部采用沉井支護(hù)，待頂管工作結(jié)束后，在工作井和接收井內(nèi)砌筑污水檢查井，故在此工程中，沉井只作為臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)而不形成工程實(shí)體的一部分。

沉井設(shè)計(jì)圖如圖1所示，可知沉井如下參數(shù)：

圖1 沉井設(shè)計(jì)圖

①圓筒形鋼筋混凝土沉井內(nèi)徑R=5m；主筒體墻厚40cm；高度根據(jù)管道埋深自由可調(diào)；

②沉井封底以下高度為1.123m；向外突出10cm；刃腳底寬20cm。

1.2 工程地勘狀況

1.2.1 水文地質(zhì)條件

擬建場地地下水屬于潛水，由大氣降水和地表水滲入補(bǔ)給，以蒸發(fā)和滲透方式為主要排泄方式，高程在27.910－28.690左右，而工程場地地面地勢平坦，高程均在29.780～30.525m左右；故地下水位線在地面以下1.87m。

1.2.2 天然地基設(shè)計(jì)參數(shù)

擬建場地土層分布和各土層承載力特征值fak及壓縮模量Es建議值見表2。

表2

1.2.3 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)

擬敷設(shè)管道地段基坑支護(hù)和管道頂進(jìn)所需土層參數(shù)如表3。

表3

2 沉井自重與下沉阻力計(jì)算

2.1 沉井自重

一般地，沉井制作多數(shù)都是在施工現(xiàn)場頂管工作井或接收井位置，所以制作之前放線定位也就是工作井和接收井定位，制作現(xiàn)場土基承載力是否能滿足要求非常關(guān)鍵，為計(jì)算施工現(xiàn)場承載力使其最大限度地滿足沉井制作要求，在此要以最深的沉井自重來考量地基承載力。由表1可知管道最大埋深為5.4m，管底以下至沉井封底是導(dǎo)軌和軌枕，D800的鋼筋混凝土Ⅱ級(jí)管頂級(jí)是導(dǎo)軌和軌枕，高度和一般為20cm，按照設(shè)計(jì)圖紙，封底以下沉井墻變截面部分高度是1.123m，所以沉井制作總高度是以上三者之和，即6.723m，鋼筋混凝土自重一般為2.5t/m3,由此可計(jì)算本工程中最大最深的沉井自重為114t，亦即1140kN。

隨著替代彈性增大，目標(biāo)價(jià)格政策帶來的消費(fèi)者福利增加量迅速減少并很快轉(zhuǎn)變?yōu)楦＠麚p失。目標(biāo)價(jià)格提高會(huì)刺激國產(chǎn)大豆供給增加，從而降低國產(chǎn)大豆市場價(jià)格，消費(fèi)者因此會(huì)增加福利；但由于替代效應(yīng)，消費(fèi)者對(duì)進(jìn)口大豆的消費(fèi)量會(huì)減少，而且替代彈性越大，進(jìn)口大豆的消費(fèi)量減少的越多，消費(fèi)者福利會(huì)因此減少。消費(fèi)者總福利的變化取決于這兩種效果的疊加。替代彈性從1增加到3的過程中，消費(fèi)者福利從增加3.86億元變成減少0.29億元，減少了107.42%。

2.2 下沉阻力

沉井下沉?xí)r的阻力F（kN/㎡）主要包括井外壁受土壁的摩阻力?和刃腳的豎向反力Rv，一般情況下，沉井下沉?xí)r都同時(shí)進(jìn)行排水，控制水位在刃腳以下，所以不考慮浮力，并且在下沉過程中掏土?xí)r刃腳以下取對(duì)稱掏空的辦法，所以Rv可以忽略不計(jì)，故下沉阻力F即是井外壁摩阻力?。

摩阻力?是井壁混凝土面與土壤的摩擦系數(shù)?m與側(cè)壓力E的乘積，由表3可知，基坑支護(hù)土層均在第三層以上，除雜填土外其余均為粘土，我們?nèi)匀话凑障鲁磷枇ψ畈焕囊蛩丶醋枇ψ畲蠡瓌t，按照摩擦系數(shù)最大的粘土層并按照直筒式沉井外壁考慮來計(jì)算摩阻力。在沉井下沉過程中外壁與土壁之間側(cè)壓力根據(jù)井壁受力情況看，土體對(duì)沉井外壁的側(cè)壓力E可以近似地按照擋土墻的主動(dòng)土壓力Ea計(jì)算，對(duì)于粘性土單位墻長的主動(dòng)土壓力

式中Ea—主動(dòng)土壓力（kN）；

γ—土的重度（kN/m3）；

h—沉井高度（m）；

Ka—主動(dòng)土壓力系數(shù)，Ka=tan2（45°-Φk/2）,Φk為土的內(nèi)摩擦角，由表三可計(jì)算Ka=0.49；

c—土的粘聚力（kPa）。

可見，沉井自重遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于下沉阻力，加之下沉施工時(shí)基本將刃腳下面的土壤掏空的辦法，所以不需要刃腳切土來減少下沉過程中的阻力，甚至也不需要階梯式外壁，即保持井墻壁縱斷面不變。

3 地基豎向支持力與沉井自重比較

如沉井墻壁縱斷面不變，即沒有刃腳，厚度均是40cm，那么沉井井壁環(huán)形底面積S=π（R2-r2），

式中R-沉井外壁半徑；

r-沉井內(nèi)壁半徑。

由圖1所示沉井尺寸可求得S=6.782㎡。

又根據(jù)地勘報(bào)告可知，第一層雜填土的承載力為160kPa，如果原地制作沉井時(shí)地面對(duì)沉井的豎向支持力T=160×6.782=1085.12kN,若沉井一次性澆筑完成,與沉井自重1140kN相比，豎向支持力不足，需要加墊木等工作來加強(qiáng)豎向支持力；但如果分兩次澆筑即可不用加墊木、砂石墊層等。

如果挖除第一層雜填土至第二層粘土層，將沉井制作放在粘土層時(shí)，其豎向支持力T=230×6.782=1559.86kN,如圖2所示。

圖2 在粘土層表面直接預(yù)制沉井

可見，此時(shí)，該支持力遠(yuǎn)大于整體沉井自重，故在制作時(shí)不需要加墊木、砂石墊層等來增強(qiáng)和改善土基的支持力T，直接將場地雜填土挖除后整平，能壓實(shí)或夯實(shí)更好，但挖除雜填土?xí)r注意地下水位，如果水位較高，則需要采取降水措施。

4 結(jié)語

通過對(duì)沉井自重和下沉阻力的計(jì)算對(duì)比，且其摩阻力計(jì)算是考慮最不利的因素，即井壁縱斷面不變且與土壁之間沒有空隙，亦即刃腳部分的外壁沒有向外放大，自重依然遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于下沉阻力，所以沉井在場地內(nèi)直接預(yù)制，無需加墊木、砂石墊層來增強(qiáng)地基承載力，只是要考慮如果在雜填土層上預(yù)制時(shí)需分兩次澆筑混凝土，第一節(jié)下沉后再澆筑第二節(jié)。如果挖除雜填土直接在粘土層上預(yù)制，地基承載力可滿足一次性澆筑完畢。這樣我們就可以將沉井預(yù)制工作中的刃腳和加、抽墊木等環(huán)節(jié)的工作優(yōu)化掉了，可以加快施工速度和降低成本，因?yàn)槿心_部分的鋼筋加工、綁扎及支模較復(fù)雜，還要單獨(dú)澆筑一次混凝土，加、抽墊木及砂石墊層工作也很緩慢，尤其是抽出墊木時(shí)還要時(shí)刻小心沉井傾斜。所以，當(dāng)沉井只作為臨時(shí)支護(hù)措施而不構(gòu)成工程實(shí)體時(shí)，合理優(yōu)化掉不必要的環(huán)節(jié)是很有必要和有利的。