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1、9 沉井结构沉井结构 本章概要本章概要(1)沉井结构的概念、特点及应用；(2)沉井设计一般要求及施工工艺；(3)沉井结构的类型与构造；(4)沉井结构的施工计算；(5)沉井施工引起的土体移动。9.1 概述概述9.1.1 沉井结构的概念、特点及应用沉井结构的概念、特点及应用 概念：沉井结构主要以其施工方式命名，简言之，就是将已建的“井”通过某种方法“沉”到地下或水下的一定位置处后修筑而成的一种地下结构。具体来说，先在地表制作成一个井筒状的结构物，然后在井壁的围护下通过从井内不断挖土，借助井体自重及其它辅助措施而逐步下沉至预定设计标高，再浇筑底板、内部结构和顶盖，从而完成地下工程的建设。n特点：沉井
2、结构的刚度大，承载力高，抗渗能力强，可直接作为施工时的挡土和挡水结构物，不需要另设围护，且占地面积小，挖土量少，对邻近建筑物的影响比较小，适合近接施工；适应土质范围广，施工操作简便，技术上比较稳妥可靠，特别是近年来沉井的施工技术和施工机械都有了很大改进，如触变泥浆润滑套法、壁后压气法、钻吸排土及中心岛式下沉等施工技术，能较好地解决施工过程中的下沉困难、流砂、倾斜等问题；作为基础，其埋置较深，稳定性和抗震性能好，能支承较大的荷载。n应用：作为永久性地下构造物使用的地下储油罐、地下气罐、地下泵房、地下沉淀池、地下水池、地下防空洞、地下车库、地下变电站、地下料坑等多种地下设施，作为盾构隧道施工中的临
3、时性工作井(盾构机械的搬入、组装、进发、到达、解体、管片及场地)、盾构设备的接收井和永久性的隧道通风井、排水泵房井等，作为桥梁墩台、重型厂房和各种工业构筑物的深基础。大型沉井可用于地下工厂、车间、地下车库、地下娱乐场所等地下空间开发，大型浮运沉井可用来建造海上石油开采平台。1999年竣工通车的江阴长江大桥北锚超大沉井，其平面长69 m、宽51 m，面积足有10个篮球场大，下沉深达58 m，下沉过程长达20个月。江阴长江大桥北锚超大沉井江阴长江大桥北锚超大沉井 江阴长江大桥9.1.2 沉井设计一般要求沉井设计一般要求n沉井平面尺寸与形状力求简单对称，可使受力合理，施工方便；长短边之比越小越好，有
4、利于保证下沉时的稳定性。n沉井棱角处宜做成圆角或钝角，可使沉井在平面框架受力状态下减少应力集中，减少井壁摩阻面积和便于吸泥(不至于形成死角)。沉井顶面襟边的宽度不应小于沉井全高的1/50，且不得小于200 mm。浮式沉井另加200 mm。n为便于沉井制作和井内挖土出土，一般沉井应分节制作，每节高度不宜大5 m，且不宜小于3 m。沉井底节高度除应满足拆除支承时沉井纵向抗弯要求之外，在松软土层中下沉的沉井，底节高度不宜大于0.8b(b为沉井宽度)。如沉井高度小于8 m，地基土质情况和施工条件都允许时，沉井也可一次浇成。9.1.3 沉井的施工步骤沉井的施工步骤n图9.2为沉井施工步骤示意图。依次为：
5、n(1)场地平整(或筑岛)，铺垫木、制作底节沉井；n(2)拆模，刃脚下一边对称地抽出垫木、一边填塞砂土；n(3)均匀开挖下沉沉井，底节沉井下沉完毕，接筑第二节沉井，继续开挖下沉并接筑下一节井壁；n(4)下沉至设计标高，进行清基和封底处理，并施工井内设施，直至封顶。图9.2 沉井施工步骤示意图(a)筑岛、铺垫木、制作沉井底节；(b)抽除支承垫木；(c)挖土下沉；(d)清基及封底1-袋装粘土筑岛护壁；2-填土；3-铺设垫木；4-边对称抽除垫木，边回填砂土；5-封底混凝土；6-沉井顶板9.2 沉井结构的类型与构造沉井结构的类型与构造n虽然，随着地下连续墙结构的兴起，许多地下工程可用地下连续墙施工。但
6、是沉井结构的单体造价较低，主体的混凝土都在地面上浇筑，质量较易保证，不存在接头的强度和漏水问题，可采用横向主筋构成较经济的结构体系。因此，在一定的场合下，沉井是一种不可取代的较佳方案。9.2.1 沉井结构的类型沉井结构的类型n(1)按下沉环境可分为陆地沉井(包括在浅水中先筑岛制作的沉井)和浮运沉井(用于深水中施工的沉井)；n(2)按沉井平面形式可分为圆形、椭圆形、正方形、矩形和多边形等；也可分为单孔和多孔沉井，如图9.3所示；n(3)按沉井构造形式可分为独立沉井和连续沉井(用于隧道工程，见图9.4)；n(4)按沉井制作材料可分为混凝土、钢筋混凝土、钢、砖、石以及组合式沉井等。图9.3 沉井按平
7、面形式分类(a)圆形单孔沉井；(b)正方形单孔沉井；(c)矩形单孔沉井；(d)矩形双孔沉井；(e)椭圆形双孔沉井；(f)矩形多孔沉井图9.5 连续沉井的节段 图9.5 独立沉井的构造 9.2.2 沉井结构的构造沉井结构的构造n沉井一般由下列各部分组成：刃脚、井壁、内隔墙、取土井、凹槽、封底、顶板等，如图9.5所示。(1)井壁井壁n井壁是沉井的主要部分，应有足够的的强度、刚度及厚度。井壁厚度应根据结构强度、施工下沉需要的重力、便于取土和清基等因素而定。n设计时通常先假定井壁厚度，再进行强度验算。井壁厚度一般为0.41.2 m。有战时防护要求的，井壁厚度可达1.51.8 m。但钢筋混凝土薄壁沉井、
8、钢模薄壁浮式沉井的壁厚不受此限。n井壁的外壁有多种形式，如图9.6所示。图9.6 沉井外壁的形式(a)、(b)竖直；(c)、(d)台阶形；(e)锥形；(f)倒锥形(2)刃脚刃脚n刃脚为井壁下端部分，一般做成刀刃状，如图9.7(a)所示，故称为“刃脚”。其作用在于减小沉井的下沉阻力，使之能在自重作用下切土下沉。刃脚的脚底水平面称为踏面，踏面宽度b=0.350.7 m，软土地基取大值，斜面倾角=40o 60o。当沉井下沉较深且土质较坚硬时，刃脚面常以型钢(角钢或槽钢)加强见图9.7(b)；在坚硬地基上且需要用爆破方法清除刃脚下障碍物时可采用钢板刃脚，并不设踏面而直接做成尖角见图9.7(c)。刃脚的
9、高度应视井壁的厚度确定，并应考虑便于抽拔垫木和挖土，一般干封底时取0.6 m左右，湿封底时取1.5 m左右。图9.7 沉井刃脚的构造(a)混凝土刃脚；(b)角钢刃脚；(c)钢板刃脚(a)(b)(c)(3)内隔墙内隔墙n内隔墙的主要作用是增加沉井在下沉过程中的刚度并减小井壁跨径。同时又把整个沉井分隔成多个施工井孔（取土井），使挖土和下沉可以较均衡地进行，也便于沉井偏斜时的纠偏。n内隔墙的间距应满足井筒内挖土机械的操作要求，一般应使井筒短边大于挖土机张口尺寸0.51.0 m左右且一般不小于3m；n考虑到内隔墙既要对刃脚悬臂起支撑作用，又不宜受到土的支承，妨碍沉井下沉，因此一般要求隔墙底面高出刃脚底
10、面0.51.0 m。但当沉井穿越极软弱的土层时，为防止沉井“突沉”，也可将内隔墙底面做成与刃脚底面平齐。n内隔墙厚度一般为0.5 m左右。内隔墙下部应设过人孔(见图9.5)，便 于 施 工 人 员 在 各 井 筒 之 间 往 来。过 人 孔 尺 寸 一 般 为0.8m1.2m1.1m1.2m左右(4)凹槽n沉井内槽设凹槽是为了使封底混凝土嵌入井壁，形成整体，使传至沉井壁上的力能更好地传递给封底混凝土底面。同时，当遇到意外困难，还可在凹槽处浇筑钢筋混凝土盖板，将沉井改为沉箱。凹槽水平方向深约0.150.25 m，高约1.0 m左右，其底面距刃脚底面一般在2.5m以上。(5)射水管组、探测管、气管
11、和压浆管 n射水管组射水管组：当沉井下沉较深，土的摩阻力估计较大，下沉会有困难，可在沉井壁中埋设射水管，管口设在刃脚下端和井壁外侧，必要时可向射水管压入高压水把井壁四周和刃脚下的土冲松，以减少摩擦力和端部阻力。射水管应均匀布置在井壁横向四周，并将其连成沿沉井平面中轴线对称的相互独立的4组。这样通过每组水管的压力大小和水量可调整沉井的下沉方向和下沉速率。高压水的水压一般不小于0.6 MPa，每一射水管的排水量不小于200 L/min。n探测管探测管：在平面尺寸较大，且不排水下沉较深的沉井不排水下沉较深的沉井中可设置探测管。一般采用直径200500 mm的钢管或在井壁中预留管道。作用是探测刃脚和内
12、隔墙底面下的泥面标高，清基射水或破坏沉井正面土层以利下沉；沉井水下封底后，可用作刃脚和内隔墙下封面混凝土的质量检查孔。n气管气管：当采用空气幕下沉空气幕下沉沉井时，可沿井壁外缘埋设内径25 mm的硬塑料管作为气管。当下沉困难时，可向井壁四周的气管中压入高压空气，此高压空气沿井壁上的喷气孔喷出，并沿井壁外表面上升溢出地面，从而在井壁周围形成空气幕，从而达到减小下沉阻力的目的。n压浆管压浆管：当采用泥浆套技术泥浆套技术下沉沉井时使用。压浆管的设置有外管法和内管法。外管法是在井壁内侧或外侧布置管径为3850 mm的压浆管，间距为34 m，一般用于薄壁沉井；内管法是在井壁内预留孔道，其间距为34m，一
13、般用于厚壁沉井。压浆管的射口宜设在沉井底节台阶顶部处，射口方向与井壁周围须成45斜角；在射口处应设射口围圈，防止压浆时直接冲射上壁和减少压浆出口处的填塞。射口围圈一般可用短角钢制作。(6)封底及顶盖封底及顶盖n沉井下沉到设计标高，基底经校验能满足设计要求后，用混凝土浇筑底板，称为封底。当井中的水能被排干，即渗水量上升速度小于或等于6mm/min时，排干水后用C15或C20普通混凝土浇筑，称为干封底干封底；当井中的渗水量上升速度大于6mm/min时，宜采用导管法浇注C20级水下混凝土封底，称为湿封底湿封底。封底厚度按其承载力条件计算确定，一般其顶面应高出凹槽0.5 m。n封顶即沉井最好进行的顶盖
14、施工。一般采用钢筋混凝土顶板，厚度一般为1.02.0 m，配筋由承载力计算和构造要求确定。对用混凝土填芯的沉井可用素混凝土顶板。特殊地段可取消封顶，如局部的阳光大厅、小型广场等，这是由建筑功能决定的。9.3 沉井结构的施工计算沉井结构的施工计算9.3.1 下沉系数验算下沉系数验算 当沉井全部尺寸初步拟定后，应验算沉井自重是否能克服下沉阻力而顺利下沉，用下沉系数K1表示：式中 G沉井自重(kN)；F地下水对沉井的浮托力(kN)。排水下沉时为零，不排水下沉时取总浮托力的70%；T沉井下沉总阻力(kN)，为外井壁摩阻力Tf与刃脚、内隔墙或底梁阻力Rv之和；K1下沉系数(1.051.25)。位于软弱土
15、层中宜取下限值，位于坚硬土层中可取上限值。TFGk1n外井壁单位面积摩阻力f随深度而变化。一般假定从地表到5m深度范围内按直线规律由零增加至最大值，超过深度5m以后均为常数值，如图9.8所示。因此，Tf按下式计算：n式中 U沉井外壁周长(m)；H沉井的入土深度(m)；f 土对外井壁的单位面积摩阻力(kPa)。当下沉深度内有多层土时，按下式取值：图9.8 沉井外井壁摩阻力分布图 5.2HUfTfn式中 fi 不同土层的单位面积摩阻力(kPa)。其值与土的 种类及物理力学性能、井壁材料及其表面的粗 糙程度等有关，可根据实践经验、实测资料来 确定。如无资料，对下沉深度不超过30m的沉 井，可参考表9
16、.1选用。hi不同土层的相应厚度(m)。nnnniiiniihhhhfhfhfhhff 21221111n刃脚、内隔墙或底梁阻力Rv按下式计算：n式中 Ar刃脚、内隔墙或底梁的计算支承面积(m2)，刃脚 斜面按水平投影面积的一半计，其他全算；fu沉井底部地基土的极限承载力(kPa)，可按表9.2 取值。urvfARn下沉系数近似等于1.0，说明这个井的设计是比较经济的。万一在下沉过程中发生困难，可采用施工上的一些措施，如压重、多挖土或事先用泥浆套等。n实际上沉井的沉降系数在整个下沉过程中，不会是常数，有时可能大于1.0，有时接近于1.0，有时会等于1.0。如开始下沉时必大于1.0，在沉到设计标高时应近于1.0。n在分节浇筑分节下沉时，就在上节沉井混凝土浇筑完毕而还未开始下沉时，保持K1.0，并具有一定的安全系数。9.3.2 抗浮稳定验算抗浮稳定验算n在沉井下沉至设计标高，浇筑封底混凝土或底板后直至沉井内部结构、设备安装及顶盖施工完毕，所需时间可能较长，沉井底板下的水压力能逐渐增长到静力水头，从而对沉井产生最大的向上浮托力，因此应进行抗浮稳定计算。工程实践表明，沉井上浮时土的极限摩阻力很
