南通市市政工程设计院有限责任公司 江苏南通 226001
摘要：随着城市建设的发展，市政设施建设的局限性问题越来越突出。其中包括深基坑开挖的危险性，降水施工的困难性，市政建（构）筑物施工地形的狭小性、局限性等问题。钢筋混凝土沉井结构在市政工程上的应用越来越广泛。沉井结构的应用更好的解决了城市发展中带来的这些棘手的问题。
关键词：沉井结构；深基坑；泵站；结构设计
本文以南通市通甲路下穿隧道中的雨水泵站设计为例，对圆形沉井泵站结构设计原理进行剖析，以其为后续类似工程提供经验及参考。
一、工程概况
通甲路拓宽改造工程（校西路～世伦路），是崇川区东西方向的主干路，是南通市干线路网的重要组成部分。通甲路主道直行方向交通流采用隧道下穿通京大道形式，辅道与通京大道的辅道连接，既保证了直行方向的快速、无干扰，也引导了交通流采用“右进右出”的交通形式，交通组织有序。
下穿隧道雨水泵站设计概况：泵池采用直径11.3m圆形沉井水池，深度11.4m，圆形沉井受力情况好，池壁厚度和配筋能大大减少，降低工程的造价。由于沉井外池壁与周边建筑物基础仅3~4m距离，在周边建筑物基础外侧增加一排拉森钢板桩支护，采用不排水下沉，确保工程顺利实施。
二、沉井结构设计
1、泵站结构的选择
沉井结构应用的范围包括（1）构筑物类：工业建筑中的构筑物如果埋置地下较深，可以做成沉井，沉井下沉到指定标高后封底，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、提升泵站、取水头部泵房等；（2）基础类：桥梁工程中的桥墩可做成各种形状的沉井，沉井下沉后井内填充混凝土等材料，用作桥梁的支墩；某些高层建筑物的地下室也可以做成沉井，它是建筑物的基础，用于支承上部建筑；（3）基坑支护类：软土第几种的深基础施工、顶管工程中的临时工作井、接收井等，都可使用沉井技术挡土。当工程完成后，部分沉井就可能失去使用价值，其相应设计标准可以适当降低。
根据沉井的竖向剖面，沉井结构包括柱形、锥形和阶梯形；根据横截面的形状，沉井包括圆形、矩形和圆端形的。其中圆形沉井受力性能好，在均匀的径向压力作用下只产生轴向压力，特别适用于下沉深度比较深的沉井。故该工程选用圆形沉井结构形式。
2、沉井结构的下沉计算
沉井结构的下沉计算是沉井结构的重要设计参数，沉井下沉一般考虑沉井结构的自重，外部配重以及降低土体与池壁之间的摩阻力。沉井下沉系数应符合下式要求：
Kst≥1.05
当下沉系数大于1.20，或者下沉过程中遇有软弱土层时，应根据实际情况进行沉井的下沉稳定验算，沉井的下沉稳定系数取值在0.8~0.9之间。
本工程沉井下沉系数：Kst=（G1-B1）/T=1.22>1.05
下沉稳定系数：Kst，s==（G1-B1）/（T+ Rb）=0.84
沉井下沉系数及下沉稳定系数均满足规范要求，且不偏离沉井下沉系数太大，不会发生超沉或者突沉的情况。沉井下沉设计正常情况下考虑沉井结构的自重下沉，当地质情况好，沉井井壁外侧与土层间的摩阻力相对较大时，沉井设计一般考虑沉井外壁为阶梯式结构，以便于采用助砂等减小井壁外侧与土层间摩阻力的方式，让沉井自行下沉到指定标高。
3、沉井抗浮计算
沉井抗浮应按沉井封底和使用两个阶段，分别根据实际可能出现的最高水位进行验算，在不考虑沉井井壁摩阻力条件下符合下式的要求：
Kfw≥1.0
当封底混凝土与底板间有拉结钢筋等可靠连接时，封底混凝土自重可作为沉井抗浮重量的一部分。
本工程沉井抗浮计算：
（1）刚封底，未浇底板，井内未充水，平均封底砼厚1.4米：施工阶段最不利地下水位为2.00m，抗浮安全系数：Kw1=1.18<1.05，刚封底时满足抗浮要求。
（2）竣工后，考虑检修时外水内空：正常使用期间最高地下水位3.70m，抗浮安全系数：Kw2=（G1+G2+G3）/B3=1.22>1.05，竣工后，抗浮满足规范要求。
4、圆形沉井刃脚内力计算
刃脚竖向的向外弯曲受力，按沉井开始下沉刃脚已嵌入图中的工况计算（忽略刃脚外侧水土压力）。当沉井高度较大时，可采用分节浇筑多次下沉的方法减小刃脚向外弯曲受力。刃脚竖向的向内弯曲受力，可按沉井已沉至设计标高，刃脚下的土已被全部掏空的工况计算。
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5、圆形沉井定位支承条件下的井壁计算
不带隔墙下沉的圆形沉井，在下沉过程中井壁的水平内力按不同高度截取闭合圆环计算，并假定在互成90°的两点土壤内摩擦角相差±5°，支承刃脚井壁A、B点外侧的水平向水压力：
PA=1.27×[qm+γ1h1+（γ2-γs）（h2-hl-0.5hcal）] tan2（45°-（ΦD+5°）/2）hcal +1.27×γs（h2-hl-0.5hcal）hcal+ PtranA=284.30kPa
PB=1.27×[qm+γ1h1+（γ2-γs）（h2-hl-0.5hcal）] tan2（45°-（ΦD-5°）/2）hcal +1.27×γs（h2-hl-0.5hcal）hcal+ PtranB=332.10kPa
计算系数：ω’= PB/ PA-1=332.10/284.30-1=0.168
截面上弯矩：（井壁外侧受拉为负）：
MA=-0.1488 PArc2ω’=-207.24kn.m
MB=0.1366 PArc2ω’=190.25kn.m
截面上压力：
NA= PArc（1+0.7854ω’）=1737.8KN
NB= PArc（1+0.5ω’）=1664.18KN
按最小配筋计算配筋，取μmin=0.2%，Ag=650×1000×0.2%=1300mm2
池壁配筋选用φ16@150，（Ag=1340mm2，wma×=0.189mm）。
6、沉井结构的封底计算
水下混凝土封底的厚度除去了需要满足沉井抗浮的要求外，还需要对封底的强度进行计算，封底的混凝土通常质量较差，封底的混凝土不应出现拉应力。由于基地的地基反力主要是通过封底混凝土内或封底面相交，所以不会出现拉应力，可以忽略不计。水下封底混凝土的厚度应根据基底的向上净反力计算确定。水下封底混凝土的厚度，应按下式计算：
本工程设计封底混凝土计算：
M为每米宽度最大弯矩的设计值，根据基底向上的反力为浮托力111.89KN/m2，得到的弯矩为305.88KNm。
水下封底混凝土取2000mm，满足要求。
封底砼板的边缘冲剪验算：
τ=10309000/（1963.76×12000×3.14）=0.25N/mm2< ft
沉井下沉到位以后，刃脚含有圆砾细砂层，这一层具有渗透系数大的特点，容易产生流砂或管涌的情况。当前为了保持井内水位与地下水位的平衡，应采用水下混凝土对沉井进行封底，避免流砂和管涌情况的发生。沉井的混凝土封底应采取导管法进行灌注，其中导管的直径是25cm，主要应用钻孔灌注桩进行封底，从而有利于新老混凝土的融合，增强相互之间的粘结力，避免新老混凝土接触面出现渗水的现象。混凝土灌注的半径主要是由混凝土塌落度决定的，浇筑混凝土设计应符合塌落度为18cm，对于最大的平面尺寸可选择7.4mx5.5m，根据计算和以往采用的泵送商品混凝土灌注的施工经验，能够满足混凝土灌注半径的要求。
三、沉井结构的优缺点
将位于地下一定深度的建筑物或建筑物基础，先在地表制作成一个沉井，然后在井壁的围护下通过从井内不断挖土，使沉井在自重作用下逐渐下沉，达到预定设计标高后，再进行封底，构筑内部结构。技术上比较稳妥可靠，挖土量少，对邻近建筑物的影响比较小，沉井基础埋置较深，稳定性好，能支承较大的荷载。
优点
1、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。
2、沉井既是基础，又是施工时的挡土和挡水结构物，下沉过程中无需设置坑壁支撑或板桩围壁，简化了施工。
3、沉井施工时对邻近建筑物影响较小。
缺点
1、施工期较长。
2、施工技术要求高。
3、施工中易发生流砂造成沉井倾斜或下沉困难等。
四、结语
1、本文通过对沉井的设计总结，并结合南通软土地基的条件，将沉井进行了内力分析，对其构造作了一些简化，并力求使其分析与工程的实际状态相吻合。
2、地下水位较高地区，沉井的抗浮计算十分重要。南通地区工程实践证明，因设计施工时不够注意而不乏被浮起的事例。因此抗浮计算和施工中对抗浮采取的措施是应该引以为注的。
3、随着城市建设的进一步发展。沉井的应用也将越来越广泛，本文通过对沉井的结构设计和施工方法的总结，对同类工程起到抛砖引玉的作用。
参考文献
[1]陈策.沉井下沉过程中底部垂线流速分布试验研究[J].东北水利水电，2007，（11）：53-55.
[2]孙冬海.沉井工程施工技术及施工要点[J].水利规划与设计，2009，（2）：58-60
论文作者:曹泽伟
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第15期
论文发表时间:2018/10/25
标签：沉井论文; 封底论文; 混凝土论文; 井壁论文; 结构论文; 系数论文; 泵站论文; 《建筑学研究前沿》2018年第15期论文;