款关于沉井设计与施工的一些探讨与分析

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1.引言

沉井，顾名思义，就是将事先在地面上用钢筋混凝土制成的井筒形状的结构作为基坑坑壁的支撑，在井壁的保护下，用机械和人工在井内挖土，并在其自重作用下沉人土中的结构物称为沉井。所以，沉井下沉，实质上就是将一个在地面上事先浇制好的构筑物通过挖土沉入到地下一定深度后成为地下构筑物的施工过程，沉井下沉到设计标高后，最后进行沉井的封底，作为地下构筑物使用。

沉井原先是用于桥梁墩台和重型厂房与各种工业构筑物(如煤气罐、高耸塔架等)的一种深基础。近年来，随着生产规模的扩大和生产技术的发展，沉井施工方法已逐渐发展成为埋入软土层内各种地下工业建筑和人民防空工程围护结构的一种形式，例如，大(重)型桥梁的墩台基础、岸边取水构筑物、城市雨污水泵站下部结构、大型设备基础、地下沉淀池和水池、地下油库以及矿用竖井等。各种类型深埋基础和地下构筑物的围壁都曾采用沉井法施工。根据现有的施工经验，在陆地上制作大型钢筋混凝土圆形沉井，直径已达68m，下沉深度36m，平面面积约3 600余m2。矩形沉井为48．5m×21．5m，高为20．6m，采用无承垫木施工，分节制作，一次下沉。在桥梁墩台基础沉井方面也有新的发展，在深水中采用浮运沉井就位下沉方法，使平面面积达数百平方米的大重型沉井的下沉深度达50余米。而且，目前矿用沉井的下沉深度已超过100m。当然，这个深度也不能认为已经达到了极限。因为一般说来，用沉井法修筑地下构筑物或深基础时，可以认为尚能争取达到更大的下沉深度。

上述沉井的设计和施工的要求，一般是要使沉井结构能安全下沉到达设计标高，下沉时要平稳，结构不开裂漏水，位置不歪斜．超沉量和基底沉降量小等。这就要求沉井结构设计要有足够的强度和刚度，在施工和使用阶段，能保证抗浮稳定性，井壁和底板有足够的抵抗水、土压力和地基反力的强度，如有战备防护要求的地下构筑物更需要具有一定的三防能力。此外，根据使用条件的不同，沉井尚布混凝土抗渗、防潮、隔热、防噪和通风等要求。

2.沉井的结构设计

沉井在下沉过程中，是一种工具性的护围结构。而下沉到位封底后，就成为深埋基础或是地下构筑物的组成部分。所以，沉井存在施工过程和建成永久使用这两个阶段，由于结构的传力体系、受力状态以及荷载作用状况均不相同。其结构设计也应划分施工阶段和使用阶段来分别进行。

根据沉井施工的特点，可以看出，沉井结构不仅要满足日后永久使用时的受力作用；同时还必须满足在施工过程中其各个部位的各种受力作用。例如沉井-土下框架横梁，就是仅由施工阶段的受力条件所控制，应该按这一阶段的受力作用进行其设计计算。对于某些不允许开裂或有裂缝限制要求的结构和构件，例如沉井的井壁、顶板和底板，均有防水要求，不允许在施工和日后正常使用中开裂或将裂缝宽度控制在很小的允许范围之内。因此，必须进一步对井壁和顶、底板的抗裂性进行验算。

大量实践证明，不少沉井结构物往往在施工阶段就出现了裂缝，造成质量事故。因此，对这一阶段的结构计算工作就应该特别重视，决不能认为它只是在施工中一个临时受力过程而稍加忽视。

沉井施工阶段的计算内容和计算方法往往与沉井施工方法紧密关联着，对于各种不同的施工方案，它在施工阶段设计计算的内容也不相同。例如，沉井下沉可采用排水下沉干封底，或采用不排水下沉水下封底，二者的计算方法也就有所不同。当沉井采用触变泥浆套助沉时，土壤对井壁的摩阻力将大大地减小。由于沉井在下沉阶段是一无底无盖的简体结构，在计算沉井井壁时，一般是在竖向截取单位高度的一段，按平面框架结构进行计算。如沉井平面尺寸较大，选用单孔平面框架难以满足强度和刚度要求，而在工艺构造条件允许时，可在沉井内部增设纵横隔墙和多个框架，使沉井结构经过平面传力再作竖向计算。

对于沉井在使用阶段的计算，这是指沉井下沉达到设计标高后，且沉井内部包括井内平台、顶板、底板和内隔墙以及上部结构和机电设备等全部施工完毕，这时，沉井构筑物的传力体系与施工阶段的受力状态就完全不同了，因此，应作为整体深基础或地下构筑物来进行结构受力的验算。此外，对有地下备战的构筑物，还必须按抗爆特载参与作用时静、动荷载共同组合来进行这一阶段的结构分析和计算。同时，应根据主体结构传力体系布置的特点，确定与受力特点相应的结构计算图式，再进行各个构件的内力分析与钢筋的计算。

因此，地下构筑物沉井在永久使用阶段的计算，通常还应再划分平时正常使用和战时特载共同作用两个阶段来分别进行计算。

3.沉井的构造要求

3.1沉井的埋置深度

沉井埋置深度，即沉井刃脚踏面的设计标高。设计时，应注意以下几点：根据抗冲刷要求，沉井的刃脚应埋置在冲刷线以下有足够的深度，并应满足抗倾覆和抗滑移等稳定性的要求。

(1)根据地基强度及变形(沉降)计算，应选择较好的持力层。

(2)用于地下或水中的空腹构筑物，应按使用净空要求的最低标高加封底混凝土和钢筋混凝土底板厚度。当刃脚边上余土不能挖去时，则刃脚插人土中的尺寸也应计入。

(3)沉井下沉接近设计标高时，根据下沉速率，预留一定的高度，准备进行沉井封底。此时，刃脚踏面标高尚未达到设计标高位置，或可能要少许超沉。按上海市《市政工程施工及验收技术规程》中的规定，终沉后，刃脚平均标高与设计标高的偏差一般不得超过100mm，在软土层中，其允许偏差值可根据使用条件和施工条件另行规定，这在设计时应予考虑。

3.2沉井的井顶标高

井顶的设计标高除满足工艺和使用要求外，在水中或岸边构筑物的井顶设计标高，还应高于施工期间最高水位0．6m以上；用于人工筑岛或在陆地制作的沉井，井顶设计标高宜高于岛面或地面0．3m以上，以防地面水流入井内。

3.3沉井平面尺寸和下沉到位的偏差

沉井制作平面上的内空尺寸，除满足设汁要求尺寸外，还应考虑沉井下沉到位后的施工允许竖向偏斜和水平位移，沉井四角(圆形为相互垂直两直径与圆周的交点)中任何两角的刃脚底面高差，不得超过该两角间水平距离的1％，且最大不得超过300mm如两角间水平距离小于10m时，其刃脚底面高差可为100mm。刃脚平面中心的水平位移，不得超过下沉总深度的1％；如下沉总深度小于10m时，其水平位移可为100mm。浮运沉井沉放时，其沉放至水中河床后，平面位置的偏差应符合设计要求，如设计无规定时，最大不能超过300mm。

3.4刃脚的形式与构造

3.4.1刃脚的形式一般有三种：

（a） 不设底板，刃脚上不留凹槽，适用于桥梁中墩台基础的沉井；

（b） 适用于小型沉井，干封底使用，其底板和垫层的厚度均不大的情况；

（c） 使用范围较广，也是常用的一种形式，如果是干封底，地板下只做素混凝土垫层，如水下封底，其厚度较厚，呈锅底形，封底混凝土的厚度可能超过刃脚。

3.4.2刃脚的一般构造要求

(1)刃脚踏面宽c一般采用150～400mm，刃脚斜面与水平面的夹角α常用50°～60°，当遇坚硬土时，宜取C＝150mm，α＝60°，并宜在踏面外侧设置钢板、角钢护角。对于松软土层可不设角钢，仅在刃脚底部配置2根Φ≥20的加强筋。圆形沉井刃脚下部，环向钢筋的连接应采用焊接。

(2)刃脚配筋

1)刃脚竖向钢筋应设置在水平钢筋的外侧，伸入刃脚根部截面以上其长度Ha≥1500mm。

2)刃脚内外壁的钢筋应用φ6～φ8横向拉结钢筋连接，沿高度的间距与水平钢筋相同，沿周围的间距按竖向钢筋配置。

3)刃脚内的水平(或环向)钢筋须用φ6～φ8水平短筋将里外层钢筋互相绑牢，沿刃脚长度每300～500mm设置―根。

(3)矩形沉井的刃脚在转角处，宜设腋角并配水平钢筋加强，这主要因为矩形沉井刃脚内的水平钢筋主要承受井壁纵向弯曲的拉应力及刃脚作为水平框架计算时的内力(拉弯或压弯)。在转角处，由于相邻刃脚斜面上的反力作用，容易发生裂缝，所以应在刃脚内侧设置足够的水平钢筋，并设置腋角和斜筋。

4.沉井的下沉

沉井下沉，就是通过在沉井内用机械或人工的方法均匀除土，消除或减小沉井刃脚下土的正面阻力，有时也采用减小井壁与外侧土体的摩阻力的方法，使沉井依靠自身的重量，逐渐地从地面沉入地下，其下沉施工方法有：排水下沉、不排水下沉或中心岛式下沉等。

对于陆地上的沉井是以排水下沉为主，可采用机械抓土，人工配合，或人工挖土，机械做垂直运输的排水明挖法施工，以及用水力机械来代替人工挖土的排水法下沉。也可用空气吸泥潜水员配合或机械抓土潜水员配合的不排水下沉。对于在河流中人工筑岛上的沉井、浮运沉井或者水边滩地粉砂层地段的沉井，应以水下除土的不排水法下沉为主。可见沉井下沉究竟采取排水下沉还是不排水下沉，这要根据沉井所处的位置和沉井穿过土层的情况来决定。

对人士深度较深，平面尺寸较大的沉井，下沉后期，沉井外壁的摩阻力将增加到很大；或者沉井井壁较薄，自重较轻，以及沉井下沉系数较小的沉井，下沉到一定深度后，由于外井壁摩阻力的增大，沉井下沉困难，有时可能就沉不下去。在设计和沉井制作之前，就应考虑在井壁外侧设置泥浆套，或者在井壁(外侧)内埋没管道，以便用高压射水或喷射压缩空气等方法来降低沉井外壁的摩阻力；以及在沉井下沉过程中采用在井壁亡压重或在井壁内降低地下水位等措施，帮助沉井下沉，使沉井能顺利下沉到位。

5.沉井的设计实例

以安徽某公司沉井设计为例，该公司因生产需要，在原有厂房内建设设备基础，设备基础距厂房柱基较近并且埋深大于厂房柱基。为不破坏原有厂房基础，该项目决定采用沉井法进行施工，沉井采用在基坑内制作再下沉的施工工艺，即在基坑内先制作开口钢筋混凝土筒身，待筒身达到一定强度，在井筒内分层挖土，运土，随着井内地面逐渐降低，沉井筒身借其自重克服与土壁之间的摩阻力，不断下沉就位，下沉时采用排水法。

在沉井施工前，要拆除厂房内原有设备基础和部分钢筋混凝土地面，设计沉井为钢筋混凝土结构，长38.6米，宽11.6米，壁厚1.5和1.55米，下沉深度10.5米。施工时先按沉井尺寸开挖深度为4米的基坑，在基坑内进行沉井下半部分的施工，待达到设计强度后，进行下沉作业，下沉到设计标高后，再进行上半部分的混凝土浇筑。考虑到施工在现有厂房内进行，基坑开挖不能采用放坡方法，因此必须先对基坑进行支护，防止基坑开挖后发生坍塌，同时因场地地下水比较丰富，地下水位较高，必须对基坑进行止水以保证在基坑内制作沉井的顺利进行。基坑开挖深度为4米，若采用深层搅拌桩进行支护及止水，不仅工程造价低且工期短，但现有厂房的高度不能满足深搅桩施工的高度要求，因此考虑采用二重管高压旋喷桩，其造价较高。

本工程沉井下沉采用排水法进行施工，沉井下沉前应先对井壁预留孔洞进行处理。沉井壁中有时预留有与外部设施连接的孔洞，为避免下沉时泥土与地下水大量涌入井内，影响施工操作，另外，较大孔洞还会造成沉井每边重量不等，影响重心偏移，易使沉井产生倾斜，在下沉前必须进行处理。对较大孔洞可在制作时在洞口预埋钢框，螺栓。用钢板，方木封闭。待沉井封底后再拆除。沉井位置标高的控制，是在沉井外部地面及井壁顶部四面设置纵横十字中心控制线，水准点，以控制位置和标高。挖土时采用两台经纬仪随时观测垂直度。用水平仪来观测沉降量，并做好记录。如有倾斜，位移和扭转，应及时进行纠正。沉井下沉至设计标高后，应立即清理坑底杂物，按设计图纸要求进行垫层，底板混凝土及防水施工。待封底完成后再进行沉井上半部分的结构施工。

目前，该工程设备已安装完毕并已投入生产使用，通过对原有厂房观测，未发现因沉井施工造成厂房基础沉降的情况，且该工程在施工过程中节省了大笔支护费用。该项目在离长江较近，地下水位丰富的情况下，至今仍无裂痕，可以说是一个成功的设计及施工的工程实例。