【摘要】本文對沉井在在給排水工程中設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)考慮的若干問題進(jìn)行解說和討論。主要包括沉井設(shè)計(jì)中考慮的下沉系數(shù)與下沉穩(wěn)定系數(shù)、強(qiáng)度與抗裂、抗浮穩(wěn)定，沉井施工中基坑砂墊層及混凝土墊層的設(shè)置、沉井下沉施工中的一些要點(diǎn)。為以后此類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。
前言：
在給排水工程中，取水泵房、頂管工作井、接受井常采用了沉井結(jié)構(gòu)。沉井按材料分有混凝土沉井、鋼筋混凝土沉井、鋼板沉井、鋼殼沉井、圬工沉井等；沉井按平面形狀可分為圓形沉井、矩形沉井等。給排水工程中多采用鋼筋混凝土沉井。圓形沉井因其整體剛度較高，受力性能良好在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中被廣泛采用。在一定的條件下沉井具有經(jīng)濟(jì)合理、結(jié)構(gòu)簡單、易保證工程質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)。由于在沉井設(shè)計(jì)需要考慮的施工因素較多，因此設(shè)計(jì)與施工的緊密聯(lián)系在沉井結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)地尤為突出。
沉井設(shè)計(jì)中考慮的一些主要問題：
一、下沉系數(shù)與下沉穩(wěn)定系數(shù)
1．下沉系數(shù)
下沉系數(shù)是衡量沉井能否順利下沉的重要數(shù)據(jù)，下沉系數(shù)用kst表示：
kst=(Gk—Ffw，k)／Ffk
式中Gk一沉井自重標(biāo)準(zhǔn)值；
Ffw，k一下沉過程中水的浮托力標(biāo)準(zhǔn)值；
Ffk一井壁總摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值。
下沉系數(shù)表示沉井自重克服井壁摩阻力下沉，當(dāng)下沉系數(shù)為1．0時沉井處于平衡狀態(tài)；當(dāng)下沉系數(shù)大于1．0沉井開始下沉，下沉系數(shù)越大，下沉速度越快。沉井設(shè)計(jì)規(guī)程規(guī)定下沉系數(shù)大于等于1．05。如果依靠自重難以滿足下沉要求，可以采取如下措施：
(1)在井頂上架設(shè)平臺，根據(jù)下沉要求加載助沉；(2)一般情況下，在井壁外側(cè)加泥漿護(hù)套減少摩阻力。當(dāng)沉井特別深，摩阻力較大時，可采取空氣幕法減少摩阻力。
2．下沉穩(wěn)定系數(shù)
下沉穩(wěn)定系數(shù)是衡量沉井是否會發(fā)生突沉或超沉的重要數(shù)據(jù)，下沉穩(wěn)定系數(shù)用kst，s表示：
kst，s=(Gk—F’fw，k)/(F’fk+Rb)
式中，F(xiàn)’fw，k一驗(yàn)算狀態(tài)下水的浮托力標(biāo)準(zhǔn)值；
F’fk一驗(yàn)算狀態(tài)下井壁總摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值；
Rb一沉井刃腳、隔墻和底梁下地基土的極限承載力之和。
當(dāng)沉井下沉穩(wěn)定系數(shù)kst，s等于1．0，表明沉井地基已達(dá)到極限狀態(tài)，就不安全了。設(shè)計(jì)沉井時，乙類沉井工程取kst，s=0．8，丙類沉井工程取kst，s=0．9。如果在沉井設(shè)計(jì)時，下沉穩(wěn)定系數(shù)不能滿足要求時，須提高Rb，使下沉穩(wěn)定系數(shù)降下來。要提高Rb通常有兩種辦法：設(shè)置下框架橫梁以獲得支承力；對刃角以下的地基進(jìn)行預(yù)處理，一般采用高壓旋噴樁較為常見。
二、強(qiáng)度與抗裂
沉井結(jié)構(gòu)在使用階段須進(jìn)行抗裂驗(yàn)算，而在下沉階段有些構(gòu)件僅作強(qiáng)度計(jì)算。
1．沉井的刃腳僅作強(qiáng)度計(jì)算，不考慮裂縫寬度驗(yàn)算。
因?yàn)槿心_只在下沉階段使用，在使用階段就失去使用價值，所以刃腳的配筋只需保證下沉階段的強(qiáng)度。
2．沉井其它構(gòu)件下沉階段一般可按強(qiáng)度計(jì)算。如果進(jìn)行裂縫寬度驗(yàn)算的話，最大裂縫寬度可取0．3mm。這是由于規(guī)范公式計(jì)算出的裂縫寬度是長期裂縫寬度，而不是短期裂縫寬度。長期裂縫寬度一般是短期裂縫寬度的2倍。如果施工階段按公式計(jì)算出的裂縫寬度是0．3mm，實(shí)際出現(xiàn)的裂縫寬度應(yīng)是0．3mm／2，還是在允許范圍之內(nèi)，沉井下沉的工期通常是12個月，屬于短期范疇。
3．沉井使用階段各個構(gòu)件不僅要強(qiáng)度計(jì)算，還要根據(jù)規(guī)程進(jìn)行裂縫寬度驗(yàn)算。沉井的配筋既要滿足使用階段要求，也要滿足施工階段要求。
三、抗浮穩(wěn)定
沉井抗浮應(yīng)按沉井封底和使用兩個階段，分別根據(jù)實(shí)際可能出現(xiàn)的最高水位進(jìn)行驗(yàn)算。其計(jì)算中安全系數(shù)為1.0。
四、滑移和傾覆穩(wěn)定
位于江（河、湖、水庫、海）岸的沉井，若前后兩面水平作用相差較大應(yīng)對其進(jìn)行滑移和傾覆穩(wěn)定。其中抗滑移安全系數(shù)為1.3，抗傾覆安全系數(shù)為1.5。
五、其它計(jì)算
在沉井的設(shè)計(jì)中針對不同的地質(zhì)情況、不同用途、不同平面形狀還須考慮補(bǔ)充計(jì)算。
在軟土地區(qū)下沉沉井時，下沉系數(shù)一般都大于1.50，所以在軟土地區(qū)沉井不存在豎向拉斷問題，不再進(jìn)行豎向拉斷計(jì)算。土質(zhì)較好，沉井下沉系數(shù)接近1．05時．土對井壁下沉的摩阻力較大有可能出現(xiàn)刃腳懸空現(xiàn)象，仍需進(jìn)行豎向抗拉計(jì)算。
沉井用于頂管工作井時，還須考慮井壁在頂管推進(jìn)時內(nèi)力。
對于圓形大型沉井由于四周土質(zhì)不一定均勻，水土壓力有差異；沉井制作有誤差，難以做到是一個標(biāo)準(zhǔn)的圓形；沉井下沉?xí)r可能發(fā)生傾斜，導(dǎo)致井一側(cè)產(chǎn)生主動土壓力，另一側(cè)產(chǎn)生被動土壓力等原因，按承受均勻土壓力計(jì)算就不安全，因此在《給水排水工程鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》中假定在90度方向沉井井壁二點(diǎn)土的內(nèi)摩擦角相差5度～10度，以計(jì)算土壓力的差值。
尤其值得關(guān)注的是在軟土地基中進(jìn)行沉井施工，可能會發(fā)生超沉問題：在封底前井內(nèi)土體開挖施工作業(yè)中，可能會因?yàn)榫畠?nèi)土體隆起而使沉井突沉，從而超過設(shè)計(jì)封底標(biāo)高，造成沉井超沉現(xiàn)象。根據(jù)上海有關(guān)規(guī)范推薦的抗隆起安全系數(shù)的計(jì)算公式可以在設(shè)計(jì)中驗(yàn)算其抗抗隆起安全性，如果不能滿足要求則須對刃角以下的地基進(jìn)行預(yù)處理。抗隆起安全系數(shù)的計(jì)算公式如下：
Ks1=(γ2DNq+cNc)/[γ1(H+D)+q]
Ks1—抗隆起安全系數(shù)，一般取1．4～1．6：
H—開挖深度，m；
D—插入深度，m；
γ1—H+D深度范圍內(nèi)土體的加權(quán)重度，kN／m3；
γ2—D深度范圍內(nèi)土體的加權(quán)重度，kN／m3；
q—地面荷載，kPa；
c——滑移線范圍內(nèi)土體剪切強(qiáng)度指標(biāo)的加值，kPa；
Nq、Nc——地基承載力系數(shù)，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選用普朗德樂或太沙基公式計(jì)算。
六、排水下沉或不排水下沉
在設(shè)計(jì)中，對沉井的下沉方法也應(yīng)從以下幾方面綜合考慮：
(1)根據(jù)地質(zhì)報告，地下水位較高，在粉土或粉細(xì)砂層排水下沉有可能造成流沙以及飽和流塑土層、高靈敏土層中最好采用不排水下沉。
(2)由于排水設(shè)施日益完善，設(shè)計(jì)中可考慮排水下沉、干封底，但要考慮降水對周圍建筑物的影響。
(3)沉井周圍已有構(gòu)筑物離較近，須考慮井外降水漏斗半徑的范圍及井內(nèi)排水、挖土對周邊土體的影響，如無一定的措施，應(yīng)采用不排水下沉。
沉井施工
基坑砂墊層及混凝土墊層的設(shè)置
在以前大型沉井制作都要設(shè)置承墊木，這種方法操作困難，枕木損耗多，對沉井受力不利，容易引起井壁開裂，改用砂和混凝土墊層可避免以上缺點(diǎn)。通常，在采用排水施工情況下，一般在原地面開挖2m左右深的基坑，在刃腳底再挖溝槽，深1m左右，寬度根據(jù)地基承載力，按砂墊層受力擴(kuò)散角計(jì)算。在砂墊層上澆筑C10素混凝土層，每邊比刃腳寬出約100mm，下沉前將混凝土墊層打碎，并連同砂墊層一起挖出，沉井便很平穩(wěn)地沉至原狀地基。接著即可按常規(guī)方法下沉施工。
沉井下沉施工
1.排水下沉常用的排水方法及施工要點(diǎn)
(1)明溝集水井排水及施工要點(diǎn)：在離刃腳2m左右處挖一圈排水明溝，設(shè)3～4個集水井，深度比溝底深1～1．5m，溝與井底深度隨沉井挖土而不斷加深；在井內(nèi)或井壁上設(shè)水泵，將水抽出井外排走，井內(nèi)滲水量很少時，可設(shè)潛水泵排水。
(2)噴射井點(diǎn)排水及施工要點(diǎn)：在沉井周圍設(shè)置輕型井點(diǎn)、噴射井點(diǎn)以降低地下水水位，使井內(nèi)保持挖干土。
(3)井點(diǎn)與明溝排水相結(jié)合：在沉井上部周圍用井點(diǎn)截抽水，井壁下部挖明溝和集水井排水。
2.不排水下沉常用方法及施工要點(diǎn)：
(1)抓斗挖土及施工要點(diǎn)：用吊車吊抓斗挖掘井底中央部分的土，使之形成鍋底。
(2)水力機(jī)械沖土施工要點(diǎn)：利用高壓水槍的高壓水流在井底沖刷土層，使其形成泥漿匯流至集泥坑，用水力吸泥機(jī)將泥漿抽出；適宜于抽吸的泥漿比重為，砂類土1．08～1．18、粘性土1．09～1．20。
3.下沉輔助措施
(1)高壓射水：在較堅(jiān)硬的土層中，利用抓土斗或吸泥機(jī)在水下除土?xí)r，一般需輔以高壓射水以松動及沖散土層，以便抓吸。
(2)抽水下沉：不排水下沉的沉井，在刃腳下已掏空仍不下沉?xí)r，可在井內(nèi)抽水而減少浮力，使沉井下沉。對于易引起翻沙涌水的地層，不宜采用。
(3)壓重下沉：根據(jù)不同情況如下沉高度、施工設(shè)備、施工方法，采用壓鋼軌或型鋼、接筑沉井混凝土、勻壓砂袋土等方法。
(4)炮震下沉：沉井下沉至最后階段，一般下沉較困難。當(dāng)井中鍋底坑已較深，刃腳下土層業(yè)已掏空，沉井仍不下沉?xí)r，可在井孔中央的泥面上放置炸藥起爆，使刃腳已懸空的沉井受震下沉。
(5)觸變匯漿潤滑：在沉井刃腳外壁制作10~20cm臺階，下沉?xí)r在井壁與外圍土層間形成空隙，將特制的泥漿壓入空隙內(nèi)，使井下沉?xí)r僅與摩擦系數(shù)小的泥漿壁接觸，井壁潤滑后的摩阻力小得多，減小下沉的摩擦力從而加快下沉速度和深度。
(6)壁后壓氣法：通過井壁預(yù)埋的噴氣管向壁外噴射壓縮空氣，促使壁外土壤液化以降低井壁與土層的摩阻力。
4.沉井下沉注意事項(xiàng).
(1)無論采用何種下沉方式，其井內(nèi)除土應(yīng)先從中間開始，均勻、對稱地逐步地向刃腳處分層取土，以期沉井均勻下沉，防止偏斜。特別是下沉初期。沉井人土較淺，土層對沉井的平衡穩(wěn)定作用差，容易產(chǎn)生偏斜。
(2)下沉中應(yīng)隨時掌握土層變化情況，分析和檢驗(yàn)土壤阻力與沉井重量的關(guān)系，選用適宜的除土下沉方法，控制其除土部位及除土量，使沉井均勻平穩(wěn)地下沉。
(3)當(dāng)每節(jié)沉井接近下沉至預(yù)定標(biāo)高時，應(yīng)注意調(diào)平沉井，準(zhǔn)備接高。此時應(yīng)特別注意除土部位及深度，防止沉井下沉量過大或產(chǎn)生較大偏斜，增加接高的困難。
5.沉井終沉與封底
沉井封底后仍要繼續(xù)下沉，沉井終沉標(biāo)高要預(yù)留一定值，地基驗(yàn)收規(guī)范允許的標(biāo)高偏差為±10mm。沉井封底可分為排水封底和不排水封底兩種，當(dāng)沉井基底無滲水或少量滲水時，可采用排水封底；當(dāng)沉井基底有較大量滲水時須采用不排水封底，其方法有3種：垂直導(dǎo)管法灌注水下混凝土、堆石灌漿法和裝袋法灌注水下混凝土。
6.沉降觀測
沉井過程中加強(qiáng)對沉井的沉降觀測。
結(jié)語
總之，一方面在沉井的設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)不同的地質(zhì)情況、不同的環(huán)境條件、充分考慮各種不利因素的影響進(jìn)行設(shè)計(jì)；另一方面在施工單位在施工前要認(rèn)真進(jìn)行詳細(xì)的施工組織設(shè)計(jì)，對施工過程中可能出現(xiàn)的各種不利情況要預(yù)先分析，且要有相應(yīng)的行之有效的對策、措施，做到有備無患，同時在施工時要加強(qiáng)觀測，對于出現(xiàn)的問題要及時處理，針對性地提出合理的解決方法。
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