[摘要]根據(jù)工程實(shí)例介紹沉井施工中的各項(xiàng)受力計(jì)算和沉井施工技術(shù)。
一、工程概況
慈溪東部污水主干管工程中的沉井結(jié)構(gòu)，是該工程頂管施工中的前道工序。本文所介紹的主題是該工程296座沉井中的一座。其作用是頂管工作井，該沉井位于D標(biāo)段，井號(hào)為D45。沉井尺寸為9.2米×6.2米，井壁厚度為0.6米，下沉深度為9.5米。
二、水文地質(zhì)情況、氣候條件
D45＃沉井原地面高程2.300m，沉井底部高程為－7.206m。沉井場(chǎng)地土層自上而下分別為雜填土①、粉質(zhì)粘土②、淤泥質(zhì)粘土③、粉土④。場(chǎng)地地下水主要為貯存于土層②的底層滯水，穩(wěn)定水位為4.2～5.3m。慈溪?dú)夂驅(qū)儆诩撅L(fēng)性氣候，冬夏稍長(zhǎng)，春秋短暫，降雨多集中在5～9月份，占全年降水量的24％左右。
三、沉井施工方案
沉井根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式，采取分2次制作、2次下沉，施工順序?yàn)椋和诨?mdash;—鋪設(shè)墊層——第一節(jié)沉井制作——保養(yǎng)——第一節(jié)沉井下沉——第二節(jié)沉井制作——保養(yǎng)——第二節(jié)沉井下沉——封底。
四、沉井結(jié)構(gòu)
根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，沉井高度大于8m，一次性澆筑困難，下沉易引起傾斜，本沉井高達(dá)9.5m，故采取分節(jié)制作，分節(jié)高度應(yīng)保證其穩(wěn)定性，使沉井能在自重下順利下沉。分節(jié)高度為：第一節(jié)高度6.0米，第二節(jié)高度3.5米。分節(jié)高度的合理性，在下述的計(jì)算中逐步敘述。
五、沉井施工過(guò)程
5.1施工坑開(kāi)挖
沉井采取在基坑中制作，以減少下沉深度，降低施工作業(yè)面。開(kāi)挖深度應(yīng)高于地下水位1.0米左右為宜。本座沉井開(kāi)挖深度為1.5米，考慮到支模操作和坑底排水溝的需要，基坑比沉井寬2米，四周挖排水溝，集水井，挖土采用1臺(tái)1.0m3反鏟挖掘機(jī)進(jìn)行，配合人工修坡和平整坑底。
5.2沉井制作
5.2.1刃腳支設(shè)
首先對(duì)于傳統(tǒng)砂墊層上假設(shè)枕木的支設(shè)方法，計(jì)算砂墊層的厚度：
砂墊層厚度：（1）
式中：G—沉井第一節(jié)單位長(zhǎng)度的重力（kN/m）；
f—砂墊層底部土層的承載力設(shè)計(jì)值（kN/m2）；
--墊木的長(zhǎng)度（m）；
--砂墊層的壓力擴(kuò)散角（。），不大于45。，一般取22.5。。
混凝土比重取：24kN/m3；基坑底為土層②上，f?。?10kN/m2；若不采用枕木?。?。通過(guò)計(jì)算h＝4.48cm。然本工程沉井?dāng)?shù)量眾多，沿線土質(zhì)變化頻繁，基坑底土層的承載力不完全相同，故原設(shè)計(jì)的支設(shè)方式由下向上為，變尺寸h厚度的砂墊層、10cm厚C10素混凝土和刃角斜面處的M10磚砌體。
改種支設(shè)方法是在坑底原土整平夯實(shí)后，直接澆注C10素混凝土墊層，沉井刃腳斜面增設(shè)M10磚砌體。
沉井第一節(jié)高度為6.0米，在圖二所示的支設(shè)方法下計(jì)算基底承載力是否可以滿足第一節(jié)沉井高度的施工要求：沉井自重G＝2453.76kN，地基承載力F＝110kN/m2×40.896m2=4498.56kN，F(xiàn)>>G，故基底承載力可以滿足第一節(jié)沉井6.0米高度的施工要求。
5.2.2模板支設(shè)和鋼筋綁扎
沉井制作的模板支設(shè)和鋼筋綁扎與普通結(jié)構(gòu)施工要求一樣，只不過(guò)本工程沉井采用對(duì)拉螺桿來(lái)控制井壁厚度。螺桿的橫向間距為0.8米，縱向間距為0.6米，對(duì)于螺桿直徑的選取，計(jì)算如下：
混凝土對(duì)模板的側(cè)壓力計(jì)算
新澆混凝土作用在模板的最大側(cè)壓力，可按下列二式計(jì)算，并取二式中的較小值：
（2）
?。?）
式中：F－新澆混凝土作用在模板的最大側(cè)壓力（kN/m2）；
?。炷恋闹亓γ芏龋╧N/m3）；
?。聺不炷恋某跄龝r(shí)間（h），可按實(shí)測(cè)確定。當(dāng)缺乏試驗(yàn)資料時(shí)，可采用計(jì)算，T－混凝土的溫度（C0）；
V－混凝土的澆灌速度（m/h）；
H－混凝土側(cè)壓力計(jì)算位置至新澆混凝土頂面的總高度（m）；
?。饧觿┯绊懶拚禂?shù)，不摻加外加劑時(shí)取1.0，摻加緩凝劑時(shí)取1.2；
?。炷撂涠扔绊懶拚禂?shù)，當(dāng)坍落度小于30mm時(shí)，取0.85；50～90mm時(shí)，取1.0；110～150時(shí)。取1.15。
通過(guò)計(jì)算，新澆混凝土對(duì)模板的最大側(cè)壓力為F＝144kN/m2
模板對(duì)拉螺栓計(jì)算(4)
式中：P－模板對(duì)拉螺栓承受的拉力（N）；
F－混凝土的側(cè)壓力（N/m2）；
A－模板對(duì)拉螺栓分擔(dān)的受荷面積（m2），其中A＝a×b；
a— 對(duì)拉螺栓的橫向間距（m）；
b— 對(duì)拉螺栓的縱向間距（m）。
通過(guò)計(jì)算螺桿所承受的拉力為P＝69.12kN
P計(jì)算出結(jié)果后可根據(jù)下表查出所需的對(duì)拉螺栓的規(guī)格：
對(duì)拉螺栓力學(xué)性能表
故，選用M12的螺桿。根據(jù)以往的施工經(jīng)驗(yàn)，在混凝土澆注過(guò)程中，因螺桿產(chǎn)生的爆模多數(shù)不是螺桿被拉斷，而是螺桿的絲口滑絲。所以，在加固模板時(shí)，下方2米范圍內(nèi)的螺桿采用雙螺帽并緊，以防出現(xiàn)爆?，F(xiàn)象。
5.2.3混凝土澆筑
混凝土采用商品砼，并用砼輸送泵，送至沉井澆筑部位，沿井壁均勻?qū)ΨQ澆筑。澆筑采用分層平鋪法，每層厚度不超過(guò)50cm，保持對(duì)稱均勻下料，以避免一側(cè)澆筑，使沉井傾斜，澆注速度控制在2米/小時(shí)內(nèi)。兩節(jié)混凝土的接縫處設(shè)凹型水平施工縫。
5.3沉井下沉控制
5.3.1下沉前的準(zhǔn)備工作
必須等到混凝土強(qiáng)度達(dá)到100％時(shí)，才可以進(jìn)行下沉工作。除此之外，沉井筒身自重小，沉井下沉系數(shù)可能較小，在沉井挖土下沉中可采取在井壁外側(cè)自來(lái)水沖刷及在沉井筒身上加載的措施，加大下沉系數(shù)。故在沉井下沉之前應(yīng)對(duì)其在自重下能否下沉進(jìn)行必要的驗(yàn)算，驗(yàn)算公式如下：
…………………(5)
式中：K－下沉安全系數(shù)，一般應(yīng)大于1.15～1.25；
Q－沉井自重及附加荷載（kN）；
B－被井壁排出的水量（kN），如采用排水下沉?xí)r，B＝0；
T－沉井外壁與土之間的摩阻力（kN），；
D－沉井外徑（m）；H－沉井全高（m）h－刃腳高度（m）；
R－刃腳反力（kN），如采用將刃腳處土挖空，則R＝0；
f—井壁與土的摩阻系數(shù)，沉井下沉范圍內(nèi)由不同土質(zhì)構(gòu)成時(shí)，；f1、f2…fn－各層土與井壁的摩阻系數(shù)（kN/m2）；
n1、n2…nn－各層土的厚度（m）。
對(duì)于公式中的T－沉井外壁與土之間的摩阻力（kN），本例為矩形沉井，而非圓形，故可更改為T(mén)＝（a+b）×2×H×f，其中a、b表示沉井外圍尺寸、H表示沉井全高。第一節(jié)下沉范圍內(nèi)土層：粉質(zhì)粘土②，f=12kN/m2，n=1.4m；淤泥質(zhì)粘土③，f=11kN/m2，n=3.1m；粉土④，f=15kN/m2，n=1.0m。采用自重排水下沉，刃角土挖空，并且為了第二節(jié)制作方便，第一節(jié)只下沉5.5米。通過(guò)計(jì)算，k＝1.21。故，第一節(jié)制作6米高滿足沉井靠自重下沉的要求。
5.3.2沉井第一節(jié)下沉
沉井下沉速度的控制，根據(jù)土質(zhì)情況采用臺(tái)階形挖土自重破土方式。采用從中間開(kāi)始向四周逐漸開(kāi)挖，并始終均衡對(duì)稱地進(jìn)行，每層挖土厚度為1.0～1.5m。沉井挖土下沉采長(zhǎng)臂挖土機(jī)挖土。研究沉井下沉的安全控制，沉井下沉速度控制為200～250cm/天。下沉觀測(cè)沉井位置的控制是在井外地面設(shè)置縱橫十字控制樁、水準(zhǔn)基點(diǎn)。下沉?xí)r，在井壁上設(shè)十字控制線，并在四側(cè)設(shè)水平點(diǎn)。于壁外側(cè)用紅鉛油畫(huà)出標(biāo)尺，以測(cè)沉降，井內(nèi)中心線與垂直度的觀測(cè)系在井內(nèi)壁四邊標(biāo)出垂直軸線，各吊垂球一個(gè)，對(duì)準(zhǔn)下部標(biāo)志板來(lái)控制，并定時(shí)用兩臺(tái)經(jīng)緯儀進(jìn)行垂直偏差觀測(cè)。挖土?xí)r隨時(shí)觀測(cè)垂直度，當(dāng)垂球離墨線邊達(dá)50mm或四面標(biāo)高不一致時(shí)，立即糾正，沉井下沉過(guò)程中，每班至少觀測(cè)兩次，并在每次下沉后進(jìn)行檢查，做好記錄，當(dāng)發(fā)現(xiàn)傾斜、位移、扭轉(zhuǎn)時(shí)，及時(shí)通知值班隊(duì)長(zhǎng)，指揮操作工人糾正，使允許偏差范圍控制在允許范圍以內(nèi)。沉井在下沉過(guò)程中，最大沉降差均控制在250mm以內(nèi)。當(dāng)預(yù)制段頂高于基坑底1米左右時(shí)，控制下沉速度，降低每層的挖土深度。保證預(yù)制段頂高于基坑底50cm，此時(shí)刃腳范圍應(yīng)在未被擾動(dòng)的原土層中。
5.3.3沉井第二層制作
沉井第二節(jié)制作時(shí)，第一節(jié)并未下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高。所以，第二節(jié)制作之前，必須驗(yàn)算第二節(jié)制作過(guò)程中第一節(jié)的穩(wěn)定性。驗(yàn)算公式可采用公式（5）計(jì)算，計(jì)算點(diǎn)在第二節(jié)混凝土澆注完畢的瞬間。此時(shí)，沉井內(nèi)幾乎水，故B=0；R＝130kN/m2×17.04m2＝2215.2Kn；T＝2029.412kN。通過(guò)計(jì)算，k＝0.915。故，第二節(jié)制作過(guò)程中，沉井穩(wěn)定性可靠。也可說(shuō)明沉井的分節(jié)高度是合理的。接下來(lái)的計(jì)算、施工與前述相同。
5.4下沉到位、封底技術(shù)
當(dāng)沉井沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，即刻進(jìn)行封底。因?yàn)榈叵滤惠^高，持力層位于粉土中，極易出現(xiàn)流沙、管涌。其他標(biāo)段采用先觀察2～3天，等沉井穩(wěn)定后再封底的常規(guī)封底方法，結(jié)果出現(xiàn)大量流沙，只有降水后再封底，浪費(fèi)了大量的人力、物力。
D45#沉井在封底施工采用非常規(guī)的封底方法。因?yàn)楫?dāng)沉井沉井下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高，鍋底形成時(shí)，坑底并未出現(xiàn)流沙，只有少量積水，所以即刻進(jìn)行封底。首先，填筑50cm左右的毛片；然后鋪筑20cm左右的碎石；再立刻綁扎底板鋼筋，注意要與壁板預(yù)留鋼筋焊接，同時(shí)將刃腳混凝土鑿毛處洗刷干凈，澆筑40cm厚的防水混凝土底板?；炷翝仓瓿珊?，在底板表面覆蓋雙層彩條布，然后往沉井內(nèi)注水，注水高度與地下水位基本相平。待底板混凝土達(dá)到90%設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，將水抽除，即可交付給頂管作業(yè)隊(duì)。
六、結(jié)束語(yǔ)
沉井施工的每道工序都相當(dāng)?shù)膰?yán)謹(jǐn)，都應(yīng)經(jīng)過(guò)詳細(xì)的計(jì)算，盡可能排除一切潛在的隱患。環(huán)境、地質(zhì)的不同，施工方法也應(yīng)該隨之改變，切不可墨守陳規(guī)想當(dāng)然從事。
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