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1、沉井结构设计及案例分析摘要：沉井结构是井筒状的构筑物，在现代工程中，由于周边环境特别紧张， 采用基坑支护后的明挖，费用较高，且不能很好的控制周边构筑物的变形，本文 从沉井结构的优缺点、构造措施、设计原则、施工步骤等方面进行简单介绍，并 结合工程案例进行详细说明，对以后类似的沉井设计和施工作一定的参考。关键词：沉井结构、案例分析、设计与施工1、沉井结构简介 沉井是井筒状的结构物，它是以井内挖土，依靠自身重力克服井壁摩阻力后 下沉到设计标高，然后经过混凝土封底并填塞井孔，使其成为桥梁墩台或其它结 构物的基础。一般在施工大型桥墩的基坑、污水泵站、大型设备基础、人防掩蔽 所、盾构拼装井、地下车道与车站
2、水工基础施工围护装置时使用。2、沉井分类 按平面形状分类，有圆形沉井，其形状对称、挖土容易，下沉不易倾斜，但 与墩、台截面形状适应性差；矩形沉井，与墩、台截面形状适应性好，模板制作 简单，但边角土不易挖除，下沉易产生倾斜；圆端形沉井，适用于圆端形的墩身 立模不便，但控制下沉与受力状态较矩形好。按沉井的建筑材料分类有混凝土沉井，其下沉时易开裂；钢筋混凝土沉井， 比较常用；钢沉井，多用于水中施工。3、沉井特点 沉井技术上比较稳妥可靠，施工场地占地面积小，挖土量少，对邻近建筑物 的影响比较小；适用土质范围广，淤泥土、砂土、粘土、砾砂等均可施工；施工 深度大，最大深度可达100m ；沉井基础埋置较深，
3、稳定性好，能支承较大的荷 载。缺点是施工期较长、施工技术要求高、施工中易发生流砂造成沉井倾斜或下 沉困难等。4. 沉井结构组成井壁：沉井的外壁，是沉井的主要部分，它应有足够的强度，以便承受沉井 下沉过程中及使用时作用的荷载；同时还要求有足够的重量，使沉井在自重作用 下能顺利下沉。刃脚：井壁下端一般都做成刀刃状的“刃脚”，其功用是减少下沉阻力。 隔墙：设置在沉井井筒内，其主要作用是增加沉井在下沉过程中的刚度，同 时，又把整个沉井分隔成多个施工井孔（取土井），使挖土和下沉可以较均衡地 进行，也便于沉井偏斜时的纠偏。凹槽：设置在刃脚上方井壁内侧，其作用时使封底混凝土和底板与井壁间有 更好的联结，以传
4、递基底反力。封底：当沉井下沉到设计标高，经过技术检验并对井底清理整平后，即可封 底，以防止地下水渗入井内。顶盖：井顶浇筑钢筋混凝土顶盖，待顶盖达到设计强度后方可砌筑墩。5、施工步骤场地平整，铺垫木、制作底节沉井T拆模，刃脚下一边填塞砂、一边对称抽 拔出垫木T均匀开挖下沉沉井，底节沉井下沉完毕T建筑第二节沉井，继续开挖 下沉并接筑下一节井壁T下沉至设计标高，清基T沉井封底处理T施工井内设计 和封顶等。6、沉井应用现状从 20 世纪 50 年代，借鉴国外的设计理论及工程案例，我国建造的沉井不小 1000 座，世界上规模最大的桥梁沉井基础：沪通铁路大桥，长宽高依次为 87.3 米， 59.1米， 4
5、4米，重量10519 吨。另一规模较大的桥梁沉井基础：江阴长江公 路大桥，锚锭的钢筋混凝土沉井，平面尺寸为69米x51米，下沉58米。7、沉井设计要点及计算沉井平面尺寸及其形状与高度，应根据墩台的地面尺寸、地基承载力及施工 要求。力求结构简单对称、受力合理、施工方便。具体要求为：沉井棱角处宜做 成圆角或钝角、沉井的长短边之比越小越好、沉井分节制作。7.1、场地选择沉井场地应尽可能的选择开阔和平缓地带，如果场地坡度太大，不平衡土压 力可能导致沉井下沉时发生倾斜；沉井不能布置在土层部分不均匀和地下障碍未 探明的场地，以免后期下沉作业时出现无法下沉的情况。7.2、尺寸确定沉井内净尺寸根据工艺要求确定
6、；井顶标高，高出开挖后的地面300mm以 上。有时顶部有现浇板，通常预留一段井壁与顶板同时现浇；刃脚底标高，根据 工艺标高、底板厚度及持力层来确定；壁厚，涉及到强度、裂缝宽度、下沉系数、下沉稳定系数、抗渗、抗浮等诸 多因素，需逐项落实，最终确定壁厚。有时为增大下沉系数，需做成外台阶变截 面形式，以降低井壁与土的摩阻力，同时也减少了材料量；还有时为减小下沉系 数，需做成内台阶变截面形式，在不降低摩阻力的情况下降低自重，同时减少了 材料量。8、沉井设计计算8.1、下沉系数的计算kst=（Gk-Ffw， k）/FfkGk沉井自重标准值，Ffw, k下沉过程中水的浮托力标准值，Ffk井壁总 摩阻力标准
7、值。要求下沉系数kst1.05一般土质条件差（淤泥、淤泥质土）时 1.05，其他 1.25。下沉系数大时，应 设置底梁以增加阻力，降低下沉系数。沉井在软弱土层中下沉，当下沉系数较大时（一般大于 1.5），或在下沉过 程中遇有特别软弱土层时，需进行下沉稳定验算，以防止突沉或下沉标高难以控 制。kst， s=（Gk-Ffw， k）/（Ffk+Rb）kst, s下沉稳定系数，0.80.9； Ffw, k水的浮托力标准值；Ffk井壁总 摩阻力标准值；Rb沉井刃脚、隔墙和底梁下地基土的极限承载力之和。8.2 地基土极限承载力验算地基土极限承载力在岩土工程勘察报告中查取，未提供时按沉井结构设计规 程查取，
8、对每一种土是取上限还是下限，根据液性指数、标贯值等来判别，还可 以用土的地基承载力特征值的 2 倍来比较。8.3 抗浮验算抗浮问题常被忽略，沉井结构因其埋深大，承受的地下水浮托力大，设计中 必须进行抗浮验算。抗浮验算分为封底阶段和使用阶段，按可能出现的最高水位 验算。kfw=Gk/Fbfw, k1.0kfw抗浮系数，计入侧壁摩阻力时，kfw1.25, Fbfw, k水浮托力标准值。当沉井沉至设计标高并浇筑封底砼后应进行抗浮验算， Gk 包括井壁及封底砼 自重标准值；若在底板施工后停止降水，则Gk包括井壁、封底砼及底板砼自重 标准值，此时要求封底砼与底板砼间以插筋连接。若抗浮不能满足要求，则应延
9、长降水时间，再增加其他结构自重来加大抗浮 系数。若仍不能满足要求，则应考虑拉锚等措施。在使用阶段， Gk 除井壁、封底砼及底板砼自重外，再增加其他结构自重，如 内筒、顶板、抹坡砼等。8.4 沉井井壁计算8.4.1、圆形沉井沉井结构是个空间体系，实际中简化为平面体系计算其内力及配筋，而以构 造措施来保证其空间整体工作。按平面结构内力计算的方法是沿沉井竖向切取1m高的井壁，在水、土压力 作用下，如同一个水平框架。沉井沿深度方向荷载逐渐加大，截面也可能变化， 应截取若干段进行计算，以降低钢筋用量。在井筒稳定下沉条件下，井壁所承受 的荷载为均布荷载，计算的弯矩不大，一般只需构造配筋。但由于井壁外土质及
10、 扰动程度并不均匀，且在下沉过程中总要发生偏斜，从而使井壁在同一水平圆环 上的土压力呈不均匀分布，导致井壁弯矩加大。8.4.2矩形沉井沿沉井竖向截取1m高的水平框架，尽量多取，荷载取每段上、下端的平均 值。刃脚以上高度等于壁厚的一段，除承受水、土压力外，还要承受刃脚传来的 剪力。考虑支座宽度的因素，支座弯矩可进行折减：M 支=M1-AMM支一支座边缘处弯矩；M1支座中心处的计算弯炬；AM 弯炬折减值，M=1/3Vb，AM0.3M1时，取0.3M1； V支座边缘处的剪力；b支座宽度矩形沉井亦可用SAP 2000通用计算软件进行沉井的空间结构计算，可发现沿 高度方向内力的变化，从而进行配筋优化。8
11、.5、竖向弯曲计算沉井下沉前，抽除支承垫木的过程中，将使沉井落置在几个定位垫木上，将 沉井壁看作竖向的梁进行弯曲计算，按规程中的几种情况计算。即算出弯炬后， 计算井壁顶面及刃脚底面的纵向受拉钢筋。As=M0/（0.9fy h0）As=M0/ （fyz）（按深梁时，L/h1.5）时，可不验算竖向拉断。9、工程案例分析武汉新芯集成电路制造有限公司需新建一消防废水收集池，原结构设计净空 为 25*6 米规则矩形，顶板顶到底板顶高度 7 米，埋深 7.5 米。原作为基坑明挖设 计，由于周边有厂房基础需保护，采取桩顶放坡卸载+支护桩设计。由于某些原 因，支护桩在厂区内无法施工，应总承包单位要求，考虑作为
12、沉井开挖进行二次 设计。侧壁范围内土层主要为层素填土（Qml），厚度1.0-1.5米；层淤泥 质粉质粘土（Q4I），厚度3.0-3.5米；-1层粉质粘土（Q4al+pl），厚度2.5米 左右；基础底部为层残坡积粉质粘土（ Qdl+el）。根据地基承载力、土层的物理力学参数等条件，15kpa10 kpa-1层 35 kpa55 kpa。经过验算，下沉系数为1.051，刚刚符合1.05的规范要求。但 实际施工中，存在诸多不可控因素，所以采取了顶部配重堆载的预留措施。经过专家咨询，认为该沉井的长宽比过大，超过4.0，属于大型沉井。为避 免下沉过程中，长边中部的弯矩受力过大，容易产生向内部变形，建议采
13、取增加 两个隔墙的措施。原结构设计中，底板四周比侧壁外挑1.0米，不但可减小地基附加应力，还 可有利于抗浮验算。沉井的初次设计中，为方便施工，刃脚外侧自上而下为竖直 结构。但在水池施工完毕后这一工况进行抗浮验算时发现，水池有上浮可能。应 对措施：将竖直结构的刃脚修改为下部外挑500mm，则增加了 0.5*6.5*土体容重 *水池外侧壁长度的覆土重量；在满足水池施工功能的情况下，增加的两个内部 隔墙后期不予拆除，增加了水池的自重；减少底部砂石垫层、素砼垫层的厚度（因垫层不可作为水池自重参与计算），增加水池底板厚度，以增加水池自重。 通过种种措施，水池抗浮满足要求。沉井地层及结构剖面图参考文献1、葛春辉。钢筋混凝土沉井结构设计施工手册。北京：中国建筑工业出版社，2005；2、CECS137： 2015，中国工程建设协会标准给排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规 程；3、郭崧、龙琰。武汉新芯集成电路制造有限公司消防废水收集池沉井设计文件， 2018。4、刘建航、侯学渊。软土市政地下工程施工技术手册。上海：上海市政工程局， 1995。 作者简介：郭崧（1983.10-）；性别：男，籍贯：湖北省武穴市人，学历：硕士研究生，毕业于中国地质大学（武汉）；中级工程师；研究方向：主要从事岩土工程施工、设计及研 究。
