沉井施工工艺在给排水工程中的应用

詹志伟，张倬博，张 贤

（广东省源天工程有限公司 广州 511338）

0 引言

很多城镇、农村污水处理厂水工构筑物（如粗格栅渠和泵房、倒虹井等）因为管网的埋深设计要求，需要设计成地埋式，且埋深要求7 m 以上，甚至10 m 以上，已属于深基坑工程支护设计，基坑开挖采用钢板桩支护费用很高，且当地不一定能找到专业的钢板桩施工单位，若采用钻孔灌注桩（支护桩）+水泥土搅拌桩（深层搅拌法止水帷幕）则费用高、工期长，因此采用沉井设计与施工是一种安全、适用、经济的方案。同行们对沉井的设计与施工都有探讨研究：认为沉井的埋置深度可以很大，整体性强、稳定性好，有较大的承载面积，能承受较大的垂直荷载和水平荷载，可作为支护结构挡土，施工工艺并不复杂。沉井施工时对邻近建筑物尤其是软土中地下建筑物的基础影响较小。沉井的缺点是施工期较长，对粉细砂类土在井内抽水易发生流砂现象，造成沉井倾斜，沉井下沉过程中遇到的大孤石或井底岩层表面倾斜过大，均会给施工带来一定困难。

1 适用条件

1.1 沉井的类型较多，其用途也不相同，设计沉井时应根据沉井的用途和具体条件选用合适的沉井形式。工业建筑中的构筑物如果埋置地下较深.可以做成沉井，沉井下沉就位封底后，成为工业工艺流程中的一座构筑物.如给排水工程中的集水井、水泵房、废水池、顶管井等。

1.2 在给排水工程中，沉井应用广泛，运用范围大致如下：

⑴沉井泵站

当取水泵站和排水泵站埋深较大，采用大开挖施工有困难时，可以采用沉井施工工艺。

⑵吸水井

吸水井一般埋深较深，宜采用沉井。

⑶取水头部

取水头部不但埋置较深，且一般均布布置在岸边或江心，是采用沉井形式最为普遍的构筑物。

⑷顶管工作井和接收井

采用顶管施工的给排水工程输水管线要求设置顶管工作井和顶管接受井，特别是顶管工作井承受顶推力，采用沉井是比较合适的，这些井的平面尺寸不大，但深度较大，采用沉并可减少土方开挖量。

2 设计要点

2.1 水文及工程地质资料

⑴探明沉井周边外的一定范围内土层分布及其均匀性。

⑵查清有无软弱土层、洞穴或其他障碍物及其分布情况。

⑶各土层对沉井下沉的摩阻力。

⑷各土层的渗透系数。

⑸土的物理力学指标，包括各层土的极限承载力。

⑹地下水位资料。

2.2 计算内容

⑴下沉验算

⑵抗浮验算

⑶地基承载力验算

⑷刃脚、井壁、底板内力配筋计算

⑸井壁、底板裂缝计算

⑹水下封底混凝土厚度计算

⑺对坑底进行抗隆起、抗管涌等相关的稳定验算。

3 工程实例

茂名市水东湾片区城镇支次管网完善工程项目临近海边，地下水位很高，地质有较厚的淤泥质土层和微风化花岗岩层，且靠近民用建筑，某污水处理池长6.0 m，宽4.5 m，深度4m，初步基坑支护方案采用振压钢板桩+高压旋喷桩（止水帷幕），但经过专家评审讨论，认为根据类似工程施工经验，施压和拔出钢板桩过程整个施工区域场地震动会非常严重，势必会造成附近民用建筑的破坏，因此不建议采用振压钢板桩+高压旋喷桩（止水帷幕）的基坑支护方案；另考虑采用钻孔灌注桩（支护桩）+高压旋喷桩（止水帷幕）的支护开挖方案，经专家的评审讨论，技术可行，但施工工期长，造价高，且施工现场没有足够的场地摆放施工机械，因此也不建议使用钻孔灌注桩（支护桩）+高压旋喷桩（止水帷幕）的支护开挖方案，经多方案认真对比研究，最后评审讨论建议使用沉井排水施工工艺进行废水处理池的设计与施工。污水处理池浅部土层为素填土层和淤泥质土层，压缩性高，地下水位很高，软弱土呈流塑状态，基坑开挖施工困难、对周边建筑有很大安全隐患，采用沉井设计施工方案能安全、适用、经济、高效地解决了高压缩性软土地基中给排水构筑物基坑开挖的结构设计与施工问题。该方案得到了建设单位的一致认可确定。

工程地质柱状图如图1 所示，土层分布及土层主要参数如表1所示，沉井平面图及断面图如2所示。

表1 土层分布及土层主要参数Tab.1 Soil Layer Distribution and Main Parameters of Soil Layer

图1 工程地质柱状图Fig.1 Engineering Geologic Columnar Profile

图2 污水池底平面及A-A剖面Fig.2 Bottom Plan A-A Profile of the Cesspool （mm）

3.1 几何信息（见表2、图3）

表2 几何信息Tab.2 Geometry Information

图3 沉井几何简图Fig.3 Sketch of Sinking Geometry （mm）

3.2 土层信息（见表3）

表3 土层信息Tab.3 Soil Layer Information

3.3 荷载信息

荷载信息（见表4）

表4 荷载信息Tab.4 Load Information

组合系数（见表5）

表5 组合系数Tab.5 Combination Coefficient

3.4 钢筋混凝土信息（见表6）［1］

表6 钢筋混凝土信息Tab.6 Reinforced Concrete Information

纵筋保护层厚度（mm）：井壁（内40，外40）、底板（上40，下40）、刃脚（内40，外40）。

纵筋as（mm）：井壁顶部50、刃脚底部50。

4 构造要求

⑴矩形沉井的长宽比不宜大于2 的限定，主要是考虑沉井空间刚度和满足沉井下沉稳定控制的需要。在有经验时可放宽，但应有相应的构造和施工措施。沉井高宽比不宜大于2.5［4］，如果不满足要求，可考虑采用分段制作、多次下沉的方法，降低地面以上沉井的高度。

⑵沉井克服土摩阻力下沉，沉井外壁受土摩擦［5］，土层外层钢筋的混凝土保护层宜适当加大。

⑶沉井起沉标高应在水位以上，以满足浇筑混凝土的要求。如水位高于沉井起沉标高，应采取筑岛、围堪或降水措施［6］。

⑷ 刃脚的长度应满足封底混凝土厚度的要求。封底前有可能发生涌土时，应采取必要措施。

5 结论

沉井设计与施工在给水排水工程一些构筑物中得到了很好应用，是一种安全、适用、经济的方案；缺点是施工期较长，对粉细砂类土在井内抽水易发生涌水涌砂现象，造成沉井结构倾斜，沉井下沉过程中遇到的大孤石或井底岩层表面倾斜过大，均会给施工带来一定困难［7］。沉井下沉过程中遇到软弱土层时，应根据实际情况进行沉井的下沉稳定验算。存在粉细砂层时，设计与施工应事先制定防止流砂产生的措施；在泥炭、淤泥或淤泥质黏土等软弱土层中下沉时，应采取有效措施防止发生突沉［8］；下沉过程中应结合沉井附近的建（构）筑物的重要程度以及地下设施、地下管线和地表对沉降的承受能力综合考虑后采取适当的保护措施［9］。沉井下沉方式有排水下沉和不排水下沉两种，建议按排水下沉的方式下沉。水下封底混凝土设计强度等级不宜低于C20 。当地下水或井内贮水对混凝土和钢筋有腐蚀作用时，应采取相应的防腐措施［10］。持力层未经修正的地基承载力特征值一般取80 kPa，当沉井下沉较深，且井上部又没有建筑时，则不需要验算地基承载力。沉井作为顶管工作井使用时，顶管力限值应计算并按相关规范要求取值。