某软土区沉井的结构设计与分析

■许能权 ■上海绿地建设设计研究院有限公司，上海 200065

沉井作为一种施工方法，在地下构筑物和深基础工程中运用越来越广泛。它具有占地面积小，挖土少，对临近建构筑物影响小、结构简单、造价低廉、质量可靠、适应型强等优点。沉井结构形式多样，圆形、长方形、正方形、多边形等较为多见。沉井一般采用分段制作、分段开挖下沉的方式进行，待下沉至设计标高，然后进行封底作业和内部结构、上部结构的施工。大部分沉井既作为施工过程中一种围护措施存在，又作为永久结构的一部分存在，沉井的设计不仅受地质条件、地下水位、周边环境影响，还与沉井所处的实际受力工况有关。因此沉井设计时必须根据不同工况采用不同的的受力模型进行结构内力分析计算。下面就以某软土区取水泵站为例，对软土区沉井的结构设计进行说明。

1 工程概况

该取水泵站是江苏省某企业长江取水工程的一部分，泵站作为顶管施工的接收井，设在长江大堤内侧不远处，两根直径DN700的取水管接入泵站内。取水泵站为圆形，内径尺寸Ф16m，基础底板顶面距离现有场地9.1m。该泵站穿越的主要土层为流塑状淤泥质粉质粘土层。根据结构初步计算分析，泵站形状、拟定尺寸如下图。

2 参数

(1)地质参数，见表1。

表1 地质参数

(2)抗浮水位:按当地长江历史最高水位标高5.30m考虑。

(3)施工期间承压水水头(⑥1粉细砂)按绝对标高1.63m考虑。

(4)施工期间地下水水位1.80m。

3 方案选择

取水泵站紧靠长江大堤，泵站穿越的主要土层为流塑状淤泥质粉质粘土。若采用大开挖施工，施工难度很大(需设置隔渗帷幕，并对基坑坑底和边坡土体进行加固，同时外侧降水处理)，施工周期长、对长江大堤影响大，同时也不经济;采用连续墙、排桩等其它基坑围护措施不经济，最终采用沉井法施工。

4 结构分析

4.1 基坑底抗渗流稳定性计算

由于泵站底板底距离承压含水层⑥1粉细砂顶面距离7.8m，而承压水水头为16.62m，直接采用干式封底基坑底抗渗流稳定性不足。该区域下部几个土层均为透水层、承压水水头大，综合考虑到基坑底抗隆起稳定性、基坑底抗渗流稳定性经济性、和施工难度，最终采用不排水下沉、水下封底方案。

施工期间基坑底承压水水头和沉井内水位均按绝对标高1.63m考虑。水下封底施工时，基坑底抗渗流稳定性:Kty=(γw*hw+γm*△t)/PW=(10.73*10+5.5*17.8)/(16.3+146)=1.26＞1.1满足要求。

4.2 基坑底抗隆起稳定性计算

沉井设计时，抗隆起稳定性验算经常是容易被设计人员忽略的环节。但很多工程沉井下沉到设计标高后出现坑内隆起，沉井外侧土体塌陷现象都是抗隆起稳定性不足造成的。软土地区沉井设计，特别是坑底位于软土层的沉井设计时，无论采用干封底或水下封底，抗隆起稳定性验算都很重要。

该泵站沉井施工期间沉井内水位按绝对标高1.63m考虑。水下封底施工时，基坑底抗隆起稳定性:

7.158 *24)/［(17.5*7.6+17.8*4.6)+10］=1.66 ＞1.6，满足要求。

4.3 下沉计算

5.000 m以下沉井自重:Gk=16665kN;施工期间水浮托力Ffw，k=5136kN;

井壁摩阻力:Ffk=93.9*3.14159*17.8=5251kN;

下沉系数:Kst=(Gk－Ffwk)/Ffk=(16665－5136)/5251=2.20＞1.05满足要求。

4.4 下沉稳定验算

(1)施工期间水浮托力F'fw，k=5136kN;(2)井壁摩阻力:F'fk=93.9*3.14159*17.8=5251kN;(3)刃脚下地基土极限承载力Rb=［(17.82－16.72)*0.7854*170=5383kN;(4)下沉系数:Kst=(Gk－Ffwk)/Ffk=(16665－5136)/(5251+5383)=1.09＞0.90 下沉稳定不满足要求。

经过计算可知，按照目前截面尺寸，该沉井存在下沉不稳定的可能。为了解决沉井下沉不稳定、并严格控制沉井下沉标高，本工程采用沉井外侧布桩的方式来控制沉井下沉的标高。本工程沉井外侧布置了33mPHC600AB110桩12套(@300，弧长间距～5m)，桩中心到沉井外壁间距600mm。为了确保安全，桩承载力按忽略刃脚反力时桩承当平均反力的2倍进行设计(即考虑相邻桩破坏失去作用)。单桩最大反力为1046KN＜1700KN(桩承载力特征值)，满足。

4.5 封底混凝土厚度计算

待沉井下沉到设计标高后，即进行水下素混凝土封底工作。待素混凝土底板达到强度后，将沉井内的水排干后进行钢筋混凝土底板的施工作业，此时素混凝土底板需满足强度和抗浮要求。

在不考虑井壁侧摩阻力作用下，素混凝土底板承受的净反力(水浮力+地基反力)为底板顶面以上混凝土井壁自重。封底前按井壁施工到5.0m考虑(剩余部分在封底以后与泵站顶板一同施工)，素混凝土底板承受的净反力qk=55.50KPa。

底板弯矩设计值M=kqr2=0.1979*1.27*55.5*8.02=892.9kN.m。

实际底板厚度取ht=2300mm

4.6 抗浮验算

沉井抗浮验算需要复核施工期间和使用阶段两种不同工况下的抗浮稳定性。施工期间需要考虑素混凝土底板封底后，钢筋混凝土底板施工前抗浮稳定性，施工期间沉井外侧地下水水位按1.80m考虑。使用阶段抗浮水位按勘察要求验算，即抗浮水位按当地长江历史最高水位标高5.30m考虑。

(1)施工阶段抗浮验算:抗浮系数Kfw=Gk/Fbfw，k=(55.5+2.3*2.3*9.8)/(1.8+6.8+2.3)*9.8=1.005＞1.0满足要求。

(2)使用阶段抗浮设计:沉井顶板及上部结构恒载结构恒载总量Gk=38822KN。使用期间水浮托力Fbfw，k=31245kN，抗浮系数Kfw=Gk/Fbfw，k=38872/31245=1.24＞1.0满足要求。

4.7 沉井侧壁计算

(1)主动土压力:由于沉井下沉区域主要为淤泥质粉质粘土，该部分因此按水土合算进行土压力计算。主动土压力公式:Pa=1.27［(qk地面堆积荷载标准值按qk=10KPa，计算结果如表2。

表2 计算结果

(2)下沉过程井壁内力计算

不带隔墙下沉的圆形沉井，在下沉过程中井壁的水平内力可按不同高度截取闭合圆环计算，并假定在互成90°的两点处土壤内摩擦角的差值为5°～10°(本次取等效内摩擦角φD±2.5°进行计算)。土压力产生的内力可按下式计算:

最不利截面为④1层底或⑤1层侧壁，按1米高侧壁进行计算，结果如表3:

表3 结果

经计算，④1底位置为承受弯矩最大位置，该位置沉井内侧水压对侧壁产生轴向拉力(无弯矩)，NAS=NBS=－1.27*104*8.45=－1116kN。水土共同作用下，侧壁最不利位置内力如下:

NA MA(外拉) NB MB(内拉)725.5 －388.1 637.2 356.2

4.8 刃脚设计

(1)刃脚计算分刚入土竖向向外弯曲受力和下沉到底部刃脚悬空时竖向向内弯曲受力两种情况，由于是软土，刃脚根部弯矩均较小，其中向外弯矩(取刃脚入土位置)Mk=39.6kN.m。内弯曲受力弯矩Mk===75.9kN.m(计算略)。

4.9 底板及其它结构受力计算

泵站上部结构、钢筋混凝土底板、内隔墙以及形成整体后沉井侧壁的内力可以通过SAP2000模拟确定最低水位和最高水位两种不同工况不同截面内力，通过截面最不利内力(侧壁需要与下沉过程侧壁内力取最不利结果)确定钢筋面积。

其它结构受力计算内容包括桩基的抗冲切计算、抗剪计算、封底素混凝土沿沉井壁的抗剪计算、钢筋混凝土底板局部承压计算以及表面砂垫层的换填厚度计算。

5 结语

(1)软土地区若坑底抗隆起稳定性验算不足时，无论采用干封底或水下封底，均可考虑采用对坑底内外侧土体进行加固处理，增加土体的抗剪切强度来实现，亦可考虑增加刃脚进入坑底长度的方式实现。当出现坑内涌土、隆起现象时，需及时向坑内注水或填砂处理。避免进一步涌土、隆起引起沉井超沉。待采取好应对措施后方可进行下一步的施工。

(2)对于位于软土地基的沉井，即使是采用水下封底方案，施工清底时也要严格控制坑内的水位，避免因坑内水位过低出现流沙、流泥现象或者因承压水上部土体被承压水破坏整体向上涌土问题。

(3)当设计采用通过增加隔墙方式增加沉井自重(或者通过加隔墙方式减少侧壁厚度)满足施工阶段抗浮稳定性验算时，要充分考虑到隔墙的对称性，避免因为不对称照成沉井下沉倾斜偏转。必要时，可以通过表层降水降低沉井的浮托力或加载下沉来实现。若使用阶段工程抗浮验算不足时，可以考虑将封底素混凝土自重作为沉井抗浮重量的一部分，此时封底素混凝土需要通过钢筋与底板形成可靠连接。

(4)解决软土地区沉井下沉不稳定的办法有多种，可以通过在加刃脚宽度、坑底设隔墙、地梁、顶部设突出井壁的环梁、加固坑底土体(或者加固刃脚底部土体)方法解决，但采用桩基是解决水下封底沉井下沉不稳定并严格控制沉井下沉标高的最有效的办法。为了避免外侧土体内涌使桩位产生偏位或者破坏，施工过程中要求严格采用先中央后边缘，中间深，边缘浅对称均匀取土的原则。待下沉基本到位情况下再将边缘土体清除干净。

(5)软土地区沉井尽可能不采用坑内布置PHC桩承担竖向荷载的布桩形式。

(6)当软土地区地基承载力低同时沉井井壁较厚时，设计需要根据确定的第一节沉井的重量计算确定换填的砂垫层厚度，第一节不宜过高，以免需要铺设的砂垫层太厚。

［1］给水排水工程结构设计手册(第2版).中国建筑工业出版社出版.

［2］地下建筑结构.中国建筑工业出版社出版.

［3］软土地基和地下工程.中国建筑工业出版社出版.