湖北省神龙地质工程勘察院 湖北武汉 430000
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，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→拆模，刃脚下一边填塞砂、一边对称抽拔出垫木→均匀开挖下沉沉井，底节沉井下沉完毕→建筑第二节沉井，继续开挖下沉并接筑下一节井壁→下沉至设计标高，清基→沉井封底处理→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，44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×51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；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）/Ffk
Gk—沉井自重标准值，Ffw，k—下沉过程中水的浮托力标准值，Ffk—井壁总摩阻力标准值。要求下沉系数kst≥1.05
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-F’fw，k）/（F’fk+Rb）
kst，s—下沉稳定系数，0.8~0.9；F’fw，k—水的浮托力标准值；F’fk—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，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，k≥1.0
kfw—抗浮系数，计入侧壁摩阻力时，kfw≥1.25，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-ΔM
M支—支座边缘处弯矩；M1—支座中心处的计算弯炬；ΔM—弯炬折减值，ΔM=1/3Vb，ΔM＞0.3M1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。
8.5、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/h≤2.5），M0以自重标准值乘以1.27算得
8.5、竖向抗拉验算
沉井下沉至接近设计标高时，刃脚下已被掏空，沉井靠井壁与土之间的摩阻力来维持平衡，井壁自重产生竖向拉力。或沉井上部某处被土层卡住，下部处于悬吊状态，亦出现竖向拉力。土质较好，沉井下沉系数接近1.05时，井壁最大拉力：
Nmax=G/4 （G=井壁自重×1.27） As= Nmax/fy
土质均匀的软土地基，下沉系数较大（≥1.5）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，考虑作为沉井开挖进行二次设计。侧壁范围内土层主要为①层素填土（Qml），厚度1.0-1.5米；②层淤泥质粉质粘土（Q4l），厚度3.0-3.5米；③-1层粉质粘土（Q4al+pl），厚度2.5米左右；基础底部为④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，①15kpa②10 kpa③-1层35 kpa④55 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[S]。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。
论文作者:郭崧,尹旭,胡仁涛
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年17期
论文发表时间:2019/11/26
标签：沉井论文; 井壁论文; 系数论文; 自重论文; 封底论文; 标高论文; 结构论文; 《建筑学研究前沿》2019年17期论文;