论沉井施工技术

王 红 云

(太原市政工程总公司，山西 太原　030002)



论沉井施工技术

王 红 云

(太原市政工程总公司，山西 太原030002)

根据晋阳污水厂中途提升泵站的工程条件，确定了沉井的施工方案，计算分析了沉井下沉时的相关参数及注意事项，并提出了沉井封底与底板的施工措施，为沉井工程施工积累了经验。

沉井，下沉系数，混凝土垫层，底板

1　工程概况

1.1工程简介

晋阳污水厂中途提升泵站位于太原市晋源区金胜镇古寨村内，进水泵房为钢筋混凝土沉井结构，地下主体内径为33.3 m×23.2 m，地基为天然地基。

1.2工程地质

根据岩土工程勘察报告，在勘探深度内的岩土层分布不均匀，自上而下分布如表1所示。

表1　岩土层参数表

地下水上层滞水的稳定水位为1.3 m～3.2 m，地下水位标高772.8 m～773.52 m,水位季节性变化幅度约0.5 m。

2　沉井施工方案选择

沉井分3节浇筑、分节下沉。刃脚下设25 cm厚C20混凝土，1.5 m厚砂垫层。

1)混凝土、砂垫层计算。由于沉井配筋比例高，自重单位体积重量取2.5 t/m3(25 kN/m3)，按施工程序的安排，拟在-16.18 m及-9.8 m，-4.8 m高程设施工分节，故计算结果如下：

-21.18 m～-16.18 m重2 859.04 t；

-16.18 m～-10.18 m重3 816.65 t；

-10.18 m～-4.8 m重2 623.75 t。

即沉井总重为9 299.44 t，沿周长单位长度重量为74.38 t/m，按沉井三次浇筑，三次下沉井计算，在浇筑到-16.18 m高程时，沿下沉自重为2 859.04 t，此时沿周长单位长度自重为22.872 t/m。

a.计算混凝土垫层宽度。

B=G/R=228.72/140=1.634 m，取2.1 m。

其中，G为第一节沉井的单位长度的重力，kN/m；R为砂垫层的承载力设计值，中粗砂垫层的承载力设计值取140 kN/m2。第一节沉井体积：V1=1 143.62 m3;混凝土容重：γ=25 kN/m3;沉井自重：Q1=γ·V1=25×1 143.62=28 590.4 kN；沉井井壁平均周长：C1=125 m，G=Q1/C1=28 590.4/125=228.7 kN/m。

b.砂垫层厚度计算。

其中，hC为砂垫层厚度，m；G为第一节沉井的单位长度的重力，kN/m；fak为砂垫层底层土层的承载力设计值，kN/m2；L为混凝土垫层的宽度，取为L=2.1 m；θ为砂垫层的压力扩散角，一般取22.5°。

砂垫层底层的土层为杂填土，其承载力设计值为85kN/m2。

砂垫层厚度：

需铺砂垫层的宽度：b=L+2hCtgθ=2.0+2×1.0×tg22.5°=2.828 m，取4.0 m。

c.混凝土垫层厚度计算：

HC≥N(b-b0)/(2N+1.2bfac)。

其中，N为第一节沉井的单位长度的重力，kN/m；b为混凝土垫层宽度；b0为刃脚踏面宽度；fac为折减后C20混凝土强度，为660 kN/m。

H=228.72×(2-0.4)/(2×228.72+1.2×2×660)=0.179 m，取0.25 m。

d.根据以上计算，混凝土垫层为C20，厚度为0.25 m,宽度为2.1 m,下设砂垫层厚度为1.5 m,宽度为4.0 m,刃脚下采用砖基础。

2)混凝土浇筑遵循混凝土常规施工方法，但应注意施工机械与熟料的合理配置，以及施工顺序的科学安排，避免冷缝的产生。

3　沉井下沉时相关计算

1)沉井下沉系数。

采用K≥1.15～1.25作为下沉的控制指标。本沉井分3节制作、下沉，故须分别计算各节的下沉系数。

第一节沉井的下沉系数：

第一节沉井体积：V1=1 143.62 m3；混凝土容重：γ=25 kN/m3。

沉井自重：Q1=γ·V1=25×1 143.62=28 590.4 kN。

沉井井壁平均周长：C1=125 m，G=Q1/C1=28 590.4/125=228.72 kN/m。

刃脚底面积：Aj=50 m2。

T1=C(H1-2.5)f=125×(5-2.5)×19.102=5 969.375kN。

R1=Aj·fak=50×170=8 500kN。

K1=(Q1-B)/(T1+R1)=(28 590.4-0)/(5 969.375+8 500)=1.98>1.25(符合要求)。

由于下沉系数过大，需采取阻沉措施，如刃脚及隔墙下土体不挖除，靠切土下沉。

第二节沉井的下沉系数：

沉井体积：V=2 670.280 m3,Q=γ·V=25×2 670.280=66 756.9kN。

T2=C(H2-2.5)f=125×(11.4-2.5)×19.102=21 250.975kN。

R2=Aj·fak=125×250=31 250kN。

K=(Q-B)/(T2+R2)=(66 756.9-0)/(21 250.975+31 250)=1.27>1.15(满足要求)。

第三节沉井的下沉系数：

沉井体积：V=3 719.78 m3，Q=γ·V=25×3 719.78=92 994.4kN。

T3=C(H3-2.5)f=125×(18.18-2.5)×19.102=37 439.920kN。

R2=Aj·fak=125×250=31 250kN。

K=(Q-B)/(T3+R2)=(92 994.4-0)/(37 439.920+31 250)=1.35>1.15(满足要求)。

由于下沉系数较大，故在沉井沉至接近底标高时，底梁及隔墙下土体不宜挖除，达到阻沉目的，以控制其设计标高。

2)沉井下沉稳定系数验算。

规范规定沉井下沉稳定系数范围为0.8～0.9。

K=(G-B)/(R1+R2+R3)。

R1=πD0(C+n/2)fC。

R2=A1fC。

其中，K为沉井下沉稳定系数；G为沉井自重力，kN；B为地下水浮力，排水下沉时，B=0，不排水下沉时取总浮力的70%；Rf为沉井外壁有效摩阻力的总和，kN；R1为刃脚踏面及斜面下土的支承力，kN；R2为沉井内部隔墙和底梁下土的支承力，kN；D0为沉井的平均直径，m；A1为隔墙和底梁的总支承面积，m2；fC为土的极限承载力，kN/m2。

第一节沉井的下沉稳定系数：

G=28 590.4kN，Rf=125×(10×5.26)=6 575kN。

R1=125×(0.4+1.1/2)×170=20 187.5kN。

R2=(4.6×1.5×2+23.2×1.5)+(16.8+9.8)×2×0.4+8.3×0.4=73.2×170=12 444kN。

K=(28 590.4-0)/(6 575+20 187.5+12 444)=0.73(符合要求)。

第二节沉井的下沉稳定系数：

G=66 756.9kN，Rf=125×(10×5.26+28×5.66+15×0.5)=27 322.5kN。

R1=125×(0.4+1.1/2)×250=29 687.5kN。

R2=(4.6×1.5×2+23.2×1.5)+(16.8+9.8)×2×0.4+8.3×0.4=73.2×250=18 300kN。

K=(66 756.9-0)/(27 322.5+29 687.5+18 300)=0.89(符合要求)。

第三节沉井的下沉稳定系数：

G=92 997.4kN,Rf=125×(10×5.26+28×5.66+15×5.16+28×2.1)=43 410kN。

R1=125×(0.4+1.1/2)×250=29 687.5kN。

R2=(4.6×1.5×2+23.2×1.5)+(16.8+9.8)×2×0.4+8.3×0.4=73.2×250=18 300kN。

K=(92 997.4-0)/(43 410+29 687.5+18 300)=1.01，略微过大，沉井到位后刃脚处及时回填片石或砂土，做好阻沉措施。沉井至设计标高稳定后，需及时回填砂砾，及时封底。

3)沉井抗浮计算。

根据地勘资料中对地下水的描述，稳定水位为-4.3 m～6.2 m，而沉井底高为-21.18 m，则地下水对沉井的浮力为：F=ρghAd。

其中，ρg为水的密度，取ρg=1kN/m3；h为水面至井底高度h=21.18-4.3=16.9 m；Ad为井底面积，Ad=36.3×23.2=842.16 m2；F为水对沉井的浮力，F=1×16.9×842.16=14 232.51kN。

井壁与土层的摩擦力：f=Abμ。

其中，Ab为井壁表面积，Ab=(36.3+23.2)×2×16.4=1 951.6 m2；μ为单位摩擦力，取μ=19.102kN/m2。

f=1 951.6×19.1=37 275.56kN。

井壁及封底混凝土自重：

沉井底板厚1.2 m，封底混凝土厚0.3 m,井内设置配重混凝土1 420 m3。

p=1 420×24=34 080kN；F=14 232.5kN

根据以上计算可知满足抗浮要求。

4　沉井下沉时应注意的问题

1)沉井下沉过程中应不间断对称挖土，以免出现井体搁置、倾斜的情况。

2)由于沉井下沉过程中，井周围不可避免的会出现塌陷情况，故需随时在塌陷处补充粗砂，从而避免塌陷范围扩大，同时减轻摩阻力。

3)沉井施工除满足常规施工方法外，由于土质原因，降水效果不理想，挖土机械下方需加垫钢板同时加设明排集水井。

4)挖出的土方用吊斗吊出，挖掘出来的泥土用散体物料运输车装载运往弃土场，不得堆在沉井附近。

5　沉井封底、底板施工

1)沉井封底采用排水封底工艺。封底混凝土厚0.3 m，需用砂石回填至持力层底板混凝土厚度为1.2 m。

2)沉井下沉距标高100 mm时停止挖土，靠自然下沉到位。到位后8 h的累积下沉量不大于1 cm时，立刻进行封底施工。

3)封底前，预留集水花管，待封底完成混凝土强度达到80%后将花管封堵。封堵方法是将集水管中水抽干，迅速用干硬性混凝土填塞并捣实。封堵后做沉井底板。

4)沉井终沉前，为保证不发生超沉现象，利用中隔梁作为支承反面，在中隔梁部位提前设置片石垫层抛高5 cm，待中隔梁落位后，及时在刃脚下填置片石，按照“先长边后短边，先支点后两边”的原则进行。待沉井到位后及时观测，收集数据进行分析。

5)做底板前应先将刃脚处新旧混凝土接触面打毛并冲洗干净，绑钢筋，两端伸入刃脚凹槽内，浇筑底板混凝土。

6　结语

在粉质粘土地层中实施沉井，由于土质渗透系数较小，下沉过程中降水效果较差，需增加明排措施同时在挖土期间机械垫钢板进行施工。刃脚设置混凝土垫层时，需按混凝土抗剪强度进行计算，封底时应考虑基底承压水作用，适当留置卸压井待沉井结构满足强度及抗浮要求时方可封井。

通过前述施工过程可以看出，在相似土层的沉井设计和施工中，沉井计算与施工应按实际情况进行。

Discussion on the caisson construction technology

Wang Hongyun

(Taiyuan Municipal Engineering Corporation, Taiyuan 030002, China)

According to the engineering conditions of midway improvement pumping station in Jinyang sewage treatment plant, this paper determined the caisson construction scheme, calculated and analyzed the related parameters and matters needing attention of caisson sinking, and proposed the construction measures of caisson cover and bottom plate, accumulated experience for caisson construction.

caisson, sinking coefficient, concrete cushion, bottom plate

1009-6825(2016)25-0101-03

2016-06-23

王红云(1978- )，男，工程师

TU745

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