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第十八章 十、 沉井竖井工法 ( 二)
　　18．10．3 施工方法
　　本章将在详细介绍现浇混凝土筑井自沉工法的基础上, 再介绍近年国际上推出的刃脚改形卵砾自沉沉箱工法、 压沉沉井(沉箱)工法、 无人自动沉井工法、 无人自动沉箱等等工法。
　　18．10．3．1  现浇混凝土筑井自沉工法
　　现浇混凝土筑井自沉工法, 即在地表或基坑底面上现场浇筑混凝土制作井筒, 待混凝土强度达到设计要求后, 在井筒内挖土、 排土, 凭借井筒自身重力克服井筒与土层间的摩阻力, 使其井筒下沉的沉井工法。该工法是沉井、 沉箱的最基础的工法。后面几节介绍的各种工法均以此工法为基础, 这里详细介绍该工法的各个工序。
　　1．施工工序
　　施工工序如图18．10．22所示。
　　2．井筒制作
　　(1)井筒制作工序
　　井筒制作工序如图18．10．23所示。
　　(2)地基处理
　　对于天然较硬的地层, 只需将地表杂物清除、 整平后, 即可制作井筒。若在松软地层上制作井筒, 则应先对地基做填砂(或灰土、 砂砾等)夯实处理。在软硬不均的地面上制作井筒时, 为防止沉降不均致使井筒出现裂纹, 应先挖一个基坑, 然后铺砂压实(用打夯机、 振捣器压捣或碾压)。砂垫厚度不得小于0．5m。
　　当沉井、 沉箱是在水域区段施工时, 应先筑人工岛, 以备制作井筒(或箱体)。人工岛的高度应据工期内的最高水位及浪高等条件选定, 一般应高出最高水位1m左右。人工岛四周应留出护道, 护道的宽度应视有无围堰及施工机械的占地情况而定, 一般不得小于2m。人工岛的筑岛材料的选用, 因水深、 流速的不同而不同, 一般选用压缩性小的中砂、 粗砂或砾石。材料的粒径与水的流速有关, 当水深浅、 流速小时, 可用上述材料直接填筑; 当水深较深、 流速较大时, 须采用防止用料流失的措施: 如边坡用草袋堆筑等等。
　　(3)刃脚支设
　　刃脚的支设方法有垫架法、 半垫架法、 砖座法及土底模法等四种方法, 如图18．10．24所示。刃脚的支设方法与沉井的大小、 质量及土质(N值)等因素有关。对位于软土层, 较重、 较大的沉井来说, 多选用垫架法或半垫架法, 对土质较好的地层来说, 可采用砖座法。对土质条件好、 小而轻的沉井来说, 可选用砂垫、 灰土垫或直接在地层中挖槽作成土模。

图18．10．22 施工工序框图

图18．10．23井筒制作工序框图

　　垫架可使井筒自重均匀地作用于地基上, 可防止浇筑混凝土过程中出现裂缝。另外, 还有防止井筒倾斜、 便于支撑和拆除模板容易的优点。故垫架法适于软地基的情形。
　　砖座的水平抗力应大于刃脚斜面对其产生的水平推力, 方可使结构稳定。
　　(4)井筒制作
　　井筒的制作方式有: ①在基坑中制作, 这种方式适于在地下水位低的情况下使用; ②在构筑物的地面上制作, 这种方式适于在地下水位高的情况下使用; ③人工岛上制作, 这种方式适于在水中制作。情形①一般使用较多, 选用这种方式时, 基坑的平面尺寸应比沉井外围尺寸大2～3m; 四周须设排水沟、 集水井, 其目的是使地下水位降至基坑底面低0．5m以上; 用挖出来的土方在四周筑堤挡水, 堤的宽度不得小于2m。
　　一般井筒的一次沉设高度不得大于12m, 故井筒沉设一般是分节进行的。当在松软的土层和人工岛上施工时, 井筒第一节的长度L1≤0．5 B(B为沉井的等效宽度)。井筒模板多采用钢组合式定型模板。井筒前一节下沉结束时应高出基坑砂垫层面1～2m, 以防外模埋入砂垫层受损。内模支架不宜支承在地基土上, 以防沉降过大时, 内模和支架受损。一般内模支架支承选定在井格内钢梁上。
　　混凝土的浇灌方法有: 用皮带传输机、 手推车, 经过串桶浇灌; 用翻斗车直接浇灌; 用翻斗车、 吊斗, 经过漏斗串桶浇灌; 用混凝土泵浇灌等多种方法。下面着重谈谈浇筑混凝土的注意事项:
　　1)无论哪种浇灌方法均要求均匀, 浇后应严格检测混凝土的质量, 必须符合设计要求。
　　2)为了杜绝浇筑混凝土过程中, 由于进料速度差异造成的冷缝现象; 为了减小地层软硬不匀造成的浇筑后出现的非均匀沉降; 为了避免混凝土自重过大及捣实施工对模板形成过大侧压, 致使模板走模等, 要求浇筑混凝土的施工必须作到均匀、 对称及分层(层厚≤50cm, 一般为30cm)进行。

图18．10．24 刃脚支设方法

　　3)每层混凝土的浇捣应一次连续操作完成, 待强达到70％后, 再进行下一层的浇捣。
　　4)为提高井筒的抗渗性能, 应把井筒上下节的接缝作成凸形水平缝, 接缝处凿毛、 冲洗后先浇一层(薄层)石子减半的混凝土, 然后再续浇下节井筒。
　　5)混凝土一般采用自然养护。但在炎热的夏季, 应为养护创造一个湿润的环境(盖湿草包浇水等); 对严寒的冬季来说, 混凝土中应掺加一些防冻剂或用蒸气加热(在模板外侧悬挂一层帆布气罩), 然后通蒸气。
　　6)井壁预留孔口
　　有些工程要求在井筒的壁土预留与其它地下洞道连接的接合孔口。为了便于打通孔口, 这些孔口的用料往往与井筒主体的用料不同, 为此两者的强度和抗渗性能也不同, 故井筒下沉时应特别注意, 严防地下水的涌入。另外, 由于用料不同, 故沉井每边的重力也会不均匀, 有时也会致使整个井筒的重心偏移, 严重时会导致沉井发生倾斜, 为此应在设计阶段及施工之前制定好避免措施。
　　3．抽垫
　　井筒制作完工后, 接下来即井筒下沉施工。井筒下沉施工包括抽垫、 挖土、 排土、 下沉、 助沉及监测等几个步骤。这里叙述抽垫施工方法:
　　待井筒第一节的混凝土达到设计强度后, 即可抽除垫架。不过应注意抽除顺序, 要求对称、 同步、 分区及依次进行。对圆形断面沉井而言, 应按先一般垫架, 后定位垫架的顺序抽除; 对矩形沉井应按内隔墙下垫架→外墙短边下垫架→长边下垫架→定位垫架的顺序抽除。
　　4．水挖法
　　沉井、 沉箱的挖土方法有水挖法和干挖法两种常见方法。另对沉井而言, 还可选用中心岛法。
　　水挖法即不排水开挖法。这种方法和特点是沉井内外的水位基本一致, 因此地下水位以下的开挖是水中挖掘。该法适于渗水量大的砂砾层和流砂层等不稳定地层(可避免排水造成的涌砂等不良现象的发生), 或者施工现场环境条件限制不允许排水时(如大量排水影响周围构造物安全或排水污染水源等等)。水挖法因水挖设备的不同, 可分为中央抓斗法、 水力机械法、 钻吸法及水中自动反铲铲挖法。
　　(1)抓斗法  用吊车抓斗挖掘井筒的中央部位地层, 由于抓斗始终在井筒中心部位抓土, 即使抓得很深, 但刃脚下方的土体也始终抓不到。如果刃脚部位的土体强度较低, 则由于井筒自理的作用, 土体极易崩塌, 这种现象称为崩脚现象, 也就是说这种方法对软土层来说较有效。反之, 若地层有一定的强度(如密实砂层或砂砾层), 则崩脚现象就不太容易发生, 进而致使井筒下沉困难, 此时需用摇杆螺旋钻松动地层, 然后再进行抓土下沉施工。当然最好选用水中自动反铲铲挖法。
　　(2)水力机械法系用高压水枪破土, 用空气吸泥机(或泥浆泵)经过排泥管排泥。高压水枪破土顺序为, 选中央后四周, 对称分层冲挖。与抓斗法相比其优点是能够冲挖到刃脚的斜面处, 加上预设在井筒外侧的高压射水管的冲挖, 可满意地完成刃脚余面处的土体的冲挖。该方法的缺点是冲挖范围不易控制, 存在盲目性。
　　(3)钻吸法钻吸法即先钻孔松动土体, 然后向孔内射水冲挖, 因此挖土范围易于控制, 可避免盲目性, 效率高, 即使刃脚的斜面部位也能挖掘到位; 加之预埋在刃脚外侧和刃脚斜面上的射水孔的高压射水的冲挖作用, 可使刃脚斜面及踏面处的土体被挖走。钻吸法的原理框图如图18．10．25所示。

图18．10．25 钻吸法原理框图

　　(4)水中自动反铲铲挖法  即利用水中自动反铲铲挖机直接专门铲挖刃脚下方地层, 再利用(1)中介绍过的抓斗将反铲铲下来的土砂抓走的方法。自动反铲铲挖机是一种即可沿刃脚上方的井筒内侧圆形轨道周向自由运转, 又能沿径向水平摆动铲挖的反铲。该机的进铲深度、 平面铲挖宽度、 平面铲挖顺序及水平摆幅等参数, 均可自由选择。施工时可先设定上述参数, 由地表控制室内的计算机对其实施自动控制, 即自动挖掘。该机既可铲挖软土, 也可铲挖硬土。当沉井半径大于反铲的最大小平摆幅时, 反铲铲不到的中心部位的土体靠抓斗挖
掘。
　　水挖法要求地表配备泥浆沉淀设备及泥水分离设备, 同时水挖法还要求施工现场具备废泥、 废水的排放条件。
　　5．干挖法
　　水挖法的优点是不排水, 故对环境污染小、 地层沉降小, 对周围构造物的影响也小。但在下列情况下, 不宜采用:
　　①对卵石、 孤石、 密实粘土泥岩、 岩层等地层, 由于是水中挖掘, 故很难辨别刃脚下方的挖掘状况, 特别是在含有巨砾石的砂砾层中挖掘时, 常出现难以确认爆破钻孔位置等弊病, 由此引发沉井下沉受阻。尽管能够采取一些措施解决, 但也可能会延误工期、 增加工程开支等。
　　②不易发生隆胀、 涌砂、 涌水量不多, 以及即使排水也对环境污染不大, 致使地层沉降不大的地层。
　　③其它不适合水中开挖的情形。
　　对上述情形可选用干挖法, 所谓的干挖法即排水开挖法。为了确保干挖法的施工安全, 发挥其工期短、 成本低等成点, 控制好地下水位是其关键。必须依据施工地点以往的土质资料和现行调查的结果, 邻近构筑物、 水井的状况及施工条件, 制定出切合实际的排水措施。不过在考虑排水措施时, 必须严禁抽取地下水带来的周围地层的沉降、 井水干枯等现象的发生。
　　以下介绍地下水位的控制方法及注意事项。对于控制地下水的技术来说, 存在抽取地下水的排水工法和防止地下水渗人的防渗工法两大类。具体方法多种多样, 可据地层的渗水性能及其层厚, 要求的水位下降量, 施工场地、 工程规模等条件采用其中一种方法, 或者两方法并用。
　　(1)排水工法
　　排水工法有集水井排水法和外围排水法, 对沉井工程来说上述工法均有较多的应用实例。
　　1)集水井排水法
　　①方法
　　这种方法是在开口沉箱内部底面上设置集水井, 使渗向底面的地下水集中的集水井中, 然后用泵压送到井外的方法(见图18．10．26)。

图18.10.26 集水井排水法

　　②注意事项
　　如果水位下降量大, 则开挖底面时的动水坡度增大, 有可能产生流砂现象。另外, 由于排水致使周围土体冲填压实, 给箱体下沉带来困难。
　　2)外围排水法
　　①方法
　　这种方法是在开口沉箱的外侧设置几条深井, 在各深井中插人水泵一齐向外抽取地下水的方法(见图18.10.27)。

图18.10.27 外围排水法

　　②注意事项
　　地下水位下降后的水位分布形状, 因地层渗透系数的不同而异: 渗透系数越小, 水位的下降量和范。围越小; 渗透系数越大, 层厚越厚, 排水效果越好。该工法与集水井排水法相比, 排水量越大, 影响范围也越大。流人过滤管的地下水中夹有周围地层中的土砂, 会使过滤管堵塞, 同时也可能造成外围地层的沉降。作为防止排水工法造成周围地层沉降的防止措施, 还可并用设置防渗墙和抽取地下水再回灌地层的恢复水位工法(见图18．10．28)。

图18.10.28 复位法

　　(2)防渗工法
　　作为防渗工法有注浆工法、 冻结工法、 防渗墙工法、 压气工法等等。在开口沉箱工程中防渗墙工法使用较多, 这是由于注浆工法和冻结工法提高了地层的强度, 这对开口沉箱的开挖不利, 故这两种工法使用不多。
　　1)防渗墙工法
　　①方法
　　为了防止开口沉箱外侧地下水的涌入, 可采用在开口沉箱外侧设置防渗墙的方法(见图18．10．29)。

图18.10.29 防渗墙工法

　　这种方法有把防渗墙墙脚设置到不渗水层上的完全防渗的方法, 和把防渗墙墙脚设置茬中途, 使其地下水从墙脚下方渗入排水井, 进而用泵抽到地表排放的方法两种。防渗墙不但在施工时有防渗作用, 同时还起挡土的作用。防渗墙的种类有钢板桩法、 地下连续墙法及排柱桩等方法。
　　②注意事项
　　应注意从排水深井和防渗墙下端的相互位置, 讨论影响范围、 井底的涌砂现象。
　　2)变形压气工法
　　①方法
　　当开口沉箱在水中开挖有困难时, 采用干涸开挖工法。但干涸开挖有的会出现井底隆起、 涌砂、 周围地层松散等现象。这种情况下可采用在开口沉箱箱体内部的中间位置设置一层隔板的变形的压气沉箱工法(见图18．10．30)。

图18.10.30 变形的压气沉箱工法

　　②注意事项
　　由于中间隔板下方为作业室, 外墙上的作用内压为作业气压。因此, 为了抑制外墙内侧的扩张力, 因此希望隔板偏下设置为好。
　　(3)挖土设备及开挖方法
　　干挖法多使用小型反铲挖土机或设于地表的抓斗挖土机按区域分层、 对称开挖, 也有使用刃脚自动反铲+地表抓斗的开挖法。
　　对一般的软土层而言, 开挖前先在井筒内侧离刃脚踏面内沿边界线约1m的位置上, 画一条所围形状与井筒平面形状相似的闭合线。该闭合线与踏面内沿边界线间所夹的环状区域称分支撑带, 闭合线包围的内域称为中央内区。开挖按先中央内区后支撑带的原则进行。内区分层挖土层厚不得大于0．5m; 开挖支撑带之前, 先对支撑带分区, 即把环状支撑带按2~3m的间隔作均匀、 对称的分区。然后中对支撑带作同时、 对称的分层(层厚20cm左右)铲挖, 直至井筒发生崩脚下沉。整个过程见图18．10．31。

图18．10．31 一般软土层的开挖方法

　　对硬土层或夹卵石层而言, 因不易出现崩脚现象, 因此采取逐次对称掏空刃脚甚至超挖外壁以外5～10cm, 掏空后立即填塞小卵石, 待全部掏空填塞结束后, 再分层刮掉卵石层直至发生崩脚下沉。见图18．10．32。

图18．10．32 硬土层或卵石层的开挖方法(尺寸单位: mm)

　　对易液化的涌砂层而言, 应采用先铲挖支撑带后内区的顺序开挖, 见图18．10．33。

图18．10．33 涌沙层的开挖方法

　　6．中心岛法
　　有些沉井工程要求沉设沉井施工对周围构筑物无影响, 即要求周围的地层沉降极小。这种情况下水挖法已不能满足要求, 此时能够考虑采用中心岛法。中心岛法即保留井筒内侧土岛, 用吸泥机挖槽, 注入护壁泥浆, 使井筒在槽中下沉。一边挖槽一边向槽内补充泥浆, 泥浆有保证槽壁土体稳定的作用。当井筒达到终沉标高后, 把井壁外侧的泥浆置换并固化, 同时把刃脚斜面附近的地基适当加固, 以便支承井筒自重荷载。若沉井底板下面的支承地层是渗水砂层时, 则须对该地层进行注浆加固。以便保证开挖到井底时不出现液化隆起、 涌砂、 涌水等现象。
　　由于该方法系保留中心土岛挖槽下沉井筒, 故整个井筒下沉阶段对井筒周围的地下水位、 土体的扰动状况均远小于干挖法和水挖法。正因如此, 该工法又名微沉降沉井法, 概况如图18．10．34所示。

图18．10．34 中心岛法玑井概况

　　7．封底
　　当沉井下沉到比设计标高高0．1m左右时(视土层状况而定), 停止挖土使其自然下沉接近标高, 并稳定几天(3～5d), 随后立即封底。封底方法有干封法(即排水法)和水封法(不排水法)两种。干封法和水封法的选择原则与干挖法和水挖法的选择原则完全一样。
　　(1)干封底工序
　　干封底施工顺序如图18．10．35所示。

图18．10．35 干封底施工顺序

　　(2)水封底工序
　　水封底施工顺序如图18．10．36所示。

图18．10．36 水封底施工顺序

　　8．监测系统
　　沉井沉箱现场施工监测系统如图18．10．37所示。系统包括沉井自身状态监测系统, 及施工对周围环境影响的监测系统两部分。

图18．10．37 监测系统框图

　　沉井自身状态监测系统包括: 井筒自身位置(深度、 中心偏离)监测系统、 姿态(倾斜)监测系统及井筒受力状况的监测系统。
　　对周围环境影响的监测系统包括: 地层沉降的监测系统; 周围建筑物倾斜监测系统; 施工振动对人体及周围建筑物的影响, 噪声对周围居民的影响。
　　本节仅就图18．10．37中的沉井自身状态监测系统进行叙述, 有关液压姿态控制系统将在压入工法中叙述。
　　(1)井筒自身位置监测
　　1)平面位置监测
　　①圆形井筒几何中心偏离的测定
　　该项监测系指井筒几何中心偏离预定设计点的水平距离X、 Y的值(该偏离可用经纬仪水准仪测定)监测。
　　②非圆形井筒平面几何形状定位偏差的测定
　　该项监测系指井筒平面几何形状偏离预定位置的偏差的监测。
　　2)下沉深度的监测
　　监测沉井的下沉深度, 可用下沉计、 水准仪监测。
　　(2)姿态监测
　　井筒姿态主要指井筒的倾斜状况。井筒的倾斜系井筒外周面与地层间的摩阻力不均匀, 刃脚下方土体抗力存在差异及挖掘方式不当等多种原因所致。
　　一般进筒倾斜是用中心轴线与理想竖直线间的夹角θ, 即倾角定义的。一般θ很小, 故有θ≈tanθ。当θ≠0时, 井筒断面上的土压力≠0, 即井筒的内等效应力也不为0, 当该等效应力大于井筒材料的长期允许应力时, 井筒即会出现裂纹, 进而漏水。特别是井筒上无钢筋的预留开口处最容易出现上述现象, 因此施工中倾角的监测极为重要。现场测定多用固定测斜仪测定, 井筒下沉初期, 因地层阻力小, 故易产生倾斜, 不过纠正也容易。随着下沉深度的加深, 倾斜变化减小, 但倾斜的纠正较为困难。因此控制好初期倾斜极为关键。一般θ≤0．01。
 　　(3)井筒上各种作用力的监测
　　该项监测包括的内容如下:
　　1)刃脚下方土体对刃脚形成的抗力, 多用荷重计测定。开展该项测量的目的是掌握刃脚下方土体的软硬程度和分布状况, 进而为调整千斤顶的压人力和挖掘顺序提供信息依据。
　　2)用摩擦计测定周面摩阻力的大小及均匀状况, 为调整各个千斤顶的压人力; 判断是否出现倾斜(倾向哪一侧, 哪一侧的摩阻力大); 判断润滑护壁泥浆的老化程度(摩阻力大、 老化程度大)。
　　3)用土压力盒测定侧面作用土压, 判断井筒的内等效应力的分布状况。为防止井筒的破裂提供依据。
　　4)用钢筋计测定钢筋应力, 掌握井筒的安全状况。
　　5)用变形计测定混凝土的变形状况。
　　6)用液压计测定千斤顶的压人力。
　　9．小结
　　以上介绍了沉井沉箱施工中自身状态的监测系统。设置该监测系统的目的是使施工信息化, 它是确保施工质量的关键, 必须认真实施。近年来这项工作受到国内外施工单位的普遍重视。
　　18．10．3．2  SS沉井工法
　　上节叙述的自沉工法系完全依靠井筒自重力克服井筒外壁面与土层间的摩阻力及刃脚下方土体抗力而下沉, 故该工法也能够称为纯自沉工法。纯自沉工法的优点是施工设备简单、 操作容易、 成本低, 在一些软地层中及竖向施工精度要求不高的情况下使用是能够的。但对硬粘土层、 砂卵层等地层来说, 施工实践发现该工法存在棘手的难沉问题, 如: 沉不下去、 下沉速度极其缓慢或者发生严重倾斜等等。为了克服上述弊病, 以往人们开发过多种措施, 如: 采用在井筒外周面上涂润滑剂, 向井筒和地层间的缝隙中射气、 射水、 注入泥浆等方式减小摩阻力, 或在井筒上方施加块状钢材和混凝土构件荷载等增加下沉力的措施。尽管如此, 有时效果仍不理想。
　　鉴于上述原因, 人们近年来开发了对沉井刃脚钢靴改形及在井筒外壁面和地层之间的间  隙中充填卵砾的沉井工法。即刃脚改形卵砾填缝的自沉沉井工法, 又称SS沉井(Space System  caission)工法。由于采取了上述措施, 故井筒壁面摩阻系数大幅度下降, 进而形成仅靠井筒自重即可实现在粉砂层、 砂层、 砂卵层及巨卵层等多种地层中的下沉, 且具有周围地层无下沉, 下沉过程中可及时修正井筒倾斜的特点。
　　这里给出SS沉井工法的原理、 构成及施工方法。
　　1．SS沉井工法的原理及构成
　　(1)原理
　　前面已指出, 纯自沉工法施工中易出现难沉及倾斜问题。究其原因可归结为减小井壁与  地层间的摩阻力及防止井筒倾斜的措施的效果不理想所致。也就是说, 要想克服这两个棘手  的问题, 必须开发新的减小井壁与地层间的摩阻力及防止井筒倾斜的措施。SS沉井工法是基于这一思路而开发出来的一种新工法。
　　图18．10．38是SS沉井工法原理的示意图, 图18．10．39是SS沉井刃脚钢靴的详细构造图, 图18．10．40是SS沉井工法与上节中叙述的纯自沉沉井工法的对比图。沉井刃脚钢靴刃尖呈八字形, 距井筒外壁面外撇约20cm。因此, 井筒下沉时沉井外壁面与地层之间会出现缝隙, 随后卵砾自动地落人该缝隙中。缝隙充满卵砾后, 致使井筒外壁与地层间的摩擦由原来的滑动面摩擦变为球体滚动摩擦(井筒外壁与卵砾之间的摩擦, 地层与卵砾间的摩擦, 卵砾群内部卵砾石间的相互摩擦均为滚动摩擦), 故井筒下沉时的摩阻力大幅度下降, 形成仅靠井筒自重即可顺利下沉的局面。摩阻力与卵砾粒径的大小, 均匀程度有关, 与卵砾近似球体的程度有关, 与地层土质及下沉深度的关系不大。在粒径40mm近似球形河卵石的状况下, 该摩阻力为7×103N／m2左右。另外, 因缝隙中填充了卵砾, 使井筒与地层之间保持有一定的距离, 因此井筒位置稳定(即倾斜小)。再有, 由于刃尖上长时间的作用有井筒自重的压入力, 故保证井筒缓慢地贯入地层。调整刃尖下方土体的阻力能够及时地修正沉降过程中出现的倾斜。下沉施工完结后向充满卵砾的缝隙中注入固结浆液, 使进筒和地层固结在一起。

图18.10.38 SS沉井工法示意图

图18.10.39 SS沉井刃脚钢靴构造(尺寸单位: mm)

图18．10．40 工法对比图

　　(2)系统构成
　　1)导向墙
　　导向墙是观测沉井下沉状态的定位墙, 同时还兼作卵砾贮藏槽的保护墙。导向墙与沉井  外壁之间的间隔, 因地层与井筒外壁间的缝隙的大小和卵砾贮藏量的不同而不同, 一般定为  0．7～1．0m。
　　2)刃脚钢靴
　　刃脚钢靴在构筑井筒时是底座, 井筒下沉时是贯入地层的贯入头, 刃尖的作用是剪切地  层, 因此应为刃形。另外, 刃脚钢靴的刃尖应向外撇成八字形, 刃脚外侧钢板外撇约15～20cm(从沉井外壁算起), 使井壁与地层之间形成15～20cm的缝隙。内侧钢板的角度为60°。钢板厚度为6～9mm。在刃脚钢靴的中部离钢靴上顶1．5～2．0m的部位开设窗口, 由于窗口的存在故井筒内外两则的地下水能够流通, 从而消除井筒内外的水位差, 进而防止刃脚下方的土砂上涌, 必要时该窗口还可把井壁与地层间的缝隙中的卵砾排放到沉井内侧, 以此纠正沉井的倾斜, 即起控制沉井姿态的作用。
　　3)卵砾
　　伴随沉井的下沉, 卵砾自动下落到井外壁与地层之间的缝隙中, 即可保持沉井的垂直性,   还有降低井壁与地层间的摩阻力的作用。粒径均匀的球形卵砾的效果最好, 使用时必须选用  硬质卵砾。试验发现对于20cm的缝隙来说使用粒径40ram的非扁平的河卵砾最佳。
　　4)循环水设备
　　循环水设备, 即用循环水泵抽取井内积水, 再经过设置在井壁上的循环水管从上至下的射向卵砾, 由于高压射流水的冲击作用, 使缝隙中卵砾具有良好的流动性。最后循环水从设置在刃脚钢靴窗口正上方的循环水管的放水口流出, 把窗口周围的卵砾排向沉井内侧。循环水管采用φ50mm的钢管。
　　5)缝隙中注入水泥砂浆
　　沉井下沉到位后, 向卵砾缝隙中注入水泥砂浆使井筒、 卵砾及地层三者固结在一起。以此防止处理井底废泥时的沉降。砂浆注入管选用φ50ram的钢管, 设置在筒的外壁上, 设置间隔为5～6m。喷浆头设置在刃尖的上方离刃尖3～4m的位置上。
　　(3)壁面摩阻系数
　　以往的沉井是根据土质种类及下沉深度, 由规范来确定壁面摩阻系数, 然后确定必要的下沉荷重。而SS沉井工法中的壁面摩阻系数与土质种类、 下沉深度无关, 均为F=7×103N／m2, 故应以此数据设定作用在刃脚钢靴刃尖上的压入力。
　　2．施工顺序及适用范围
　　(1)施工顺序
　　SS沉井工法的施工顺序如图18．10．41所示。
　　(2)适用范围
　　SS沉井工法的主要应用领域如表18．10．16所示。SS沉井工法适用的土质概况如表18．10．17所示。

图18.10.41 SS沉井工法的施工顺序

SS沉井工法的主要应用领域            表18.10.16

SS沉井工法适用的土质                表18.10.17

　　3．施工实例
　　(1)工程概况
　　1)原子反应堆防辐安全规模试验工程
　　形状: 圆形沉井; 外径: φ12．5m; 内径: φ10．9m; 深度: 39．45m; 壁厚: 0．8m; 地质: 表土下方为粘土厚0．8m, 到GL一10．6m止是N=15～32的细砂层, 但再往下是N>50的砂质泥岩层。砂质泥岩层中, 最厚的砂层是3m, 最薄的砂层厚20～30cm。可是GL一31．8m附近是层厚15cm的花岗石类硬岩层, 该层下面是层厚2m的砂层。地下水位为GL一6．5m。
　　2)某下水道管渠工程
　　形状: 矩形沉井; 尺寸: 3．4m×3．4m; 深度: 12．35m; 壁厚: 0．70m; 地质: 是软冲积土层, N<16的松散细砂层、 粗砂层、 淤泥层的互交层。淤泥层极软层厚约5．5m, 地下水位GL—1．5m。
　　(2)施工结果
　　由上述两例施工结果能够确认以下几点:
　　1)仅井筒自重即可沉设;
　　2)沉设中能够修正倾斜;
　　3)施工中尚未发现周围地层沉降、 陷落现象;
　　4)施工适用范围宽;
　　5)沉井壁能够采用拼装方式;
　　6)工期短、 成本低(与以往的工法相比)。
　　4．小结
　　SS沉井工法是一种把沉井周面摩阻力抑制到极小, 适于多种土质的无需外加压入荷载, 仅靠井筒自重即可安全可靠地下沉的沉井工法。该工法已在32项工程中得到成功的应用。今后可望在桥梁基础、 竖井、 入孔、 地下室等地下构造物的构筑中推广应用。
　　18．10．3．3  压沉沉并工法
　　1．压沉工法的优点及适用条件
　　(1)优点
　　上节介绍的SS沉井工法虽然克服了纯自沉工法的一些弊病, 可是从当前的施工实例看, 该工法适用的沉井的口径较小, 缺少大深度、 大口径的施工实例报告。这里介绍另一种能够克服纯自沉工法弊病的压沉沉井工法, 即借助地锚反力装置强行(即压入力远大于自重力)把井筒压入地中的措施。采用这种压入措施的沉井工法称为压沉沉井工法。除地锚反力压入设备外, 压沉沉井工法的其它施工与纯自沉工法完全相同。与纯自沉工法相比, 压沉工法的优点是:
　　①促沉  能够克服井筒沉不下去或下沉速度慢的弊病。
 　　②控制井筒姿态  因为在挖土排土的起始阶段, 井筒下沉入土深度浅, 因此作用在井筒上的水平约束力小, 井筒容易产生倾斜。对纯自沉工法来说, 若想校正该倾斜不太容易。而对地锚反力压沉工法来说, 因可及时的经过调节地锚的条数及个自作用的井筒上的荷载的大小(即地锚反力), 及时修正井筒的下沉姿态。
　　③适于近接施工与纯自沉工法相比, 使用地锚反力压沉工法把井筒贯人地层的施工, 对周围地层的影响(水平位移、 垂直位移)小, 显然对近接构造物的影响也小。
　　④工期短、 成本低  因下沉速度快、 姿态易于控制、 不存在不必要的弯路, 故工期短; 井壁薄、 成本低。
　　(2)适用条件
　　上面介绍了压沉工法的优点, 但读者必须清楚选用压沉工法的前提条件, 即地层能够设置地锚、 且有效可靠。
　　2．地锚反力压入装置
　　(1)构造
　　地锚反力压入装置如图18．10．42所示。由地锚、 拉杆、 穿心千斤顶及支承千斤顶的压入梁、 承压板构成。由于千斤顶上端与抗拉杆是固定的, 故液压单元加压时, 液压千斤顶向下施压使压入梁压迫井筒下沉。

图18.10.42 地锚反力压入装置

　　地锚数量取决于每条地锚的允许拉力、 压入梁的设置形式及场地状况。地锚的设置位置与场地状况、 井筒形状及压入梁的设置形式有关。一般地锚设置在井筒外侧, 但也有设于井筒内侧的实例, 可根据场地状况选择。地锚拉杆多采用竹节形钢棒。
　　压入梁的平面形状。就圆形井筒而言, 多为三角形(3条压人梁, 6条地锚)、 正方形(4条压人梁, 8条地锚); 就矩形、 椭圆形井筒而言, 多为日字形(5条压入梁, 10条地锚)。压入梁的用料多为H型钢。
　　千斤顶多选用电动液压穿心千斤顶。
　　(2)设计内容
　　压沉工法的设计内容有以下几点:
　　1)估算压入力。
　　2)根据压入力确定穿心千斤顶性能规格和台数。
　　3)设计确保预定安全系数的压入梁、 承压板及地锚
　　(3)设定压入力
　　压入力可按下式设定:
　　　　　　　　 P=F+R+U一Wc                       (18．10．77)
　　式中: P——设定压入力(kN);
         　　 F——沉井外周面的摩阻力(kN);
         　　 R——沉井刃脚的下沉阻力(kN);
          　　U——作用于井筒上的浮力(kN);
          　　Wc——井筒自重力。
　　其中, R的估算较为关键, 它是确定地锚、 千斤顶、 压入梁等压入设备规格的依据。R可按斜面基础地层持力公式估算, 也能够用太沙基公式计算。因估算公式与土质参数c、 φ, 刃脚下的挖掘的剩余宽度及超挖量等多种因素有关, 因此R的估算精度不高。为此必须在估算的基础上参考以往的类似地层的经验数据。
　　3．自动压沉施工管理系统
　　自动压沉施工管理系统的概况如图18．10．43所示。该系统是经过自动采集、 处理设置在沉井井筒上的各种传感器测得的数据, 自动调整压入力的布局, 高精度控制沉井下沉姿态的施工管理系统。它由测量系统和控制系统构成。
　　测量系统由下沉计、 周面摩擦计、 测斜计、 水压计、 刃脚荷载计等测量传感器及其数据信号传送电缆、 显示器构成。可实时自动地把上述传感器测得的下沉量、 倾斜量及下沉阻力等原始数据送给控制系统, 并在CRT上以图表及曲线的形式显示出来, 必要时还可自动发出警告信号。

图18．10．43 自动压沉施工管理系统概况

　　控制系统由计算机、 操作键盘及显示器等构成。该系统可把测量系统送入的原始数据进行处理、 运算, 然后与施工规定的基准值进行对比, 找出纠止姿态所必须的压人力、 压入力矩, 进而实时调节各千斤顶的压入力, 使其处于最佳状态, 确保高精度的自动控制沉井的下沉姿态。
　　4．钢环拼接压入工法
  压沉工法不但适用于沉井施工, 同样还适用于沉箱; 压沉工法不但适用于现浇钢筋混凝土续接井筒的工法, 同样还适用于用钢筋混凝土预制环片拼接井环、 井筒的工法; 不但适用于钢筋混凝土环片, 同样还适用于其它材料的环片, 如: 夹心混凝土钢板外皮环片、 钢板环片等。这里仅就钢板环片拼接压人工法作一简单介绍, 其它各种工法将在第九章结合实例一一详细介绍。
　　钢环拼接压入工法的概况如图18．10．44所示。该工法系在地表面拼接井环、 续接井筒, 一边用抓斗挖除钢井筒内的土体, 一边用液压千斤顶形成的地锚反力, 把钢制井筒压入地下。如此重复直到最后把钢筒压到预定深度为止。钢筒的断面形状多为圆形、 椭圆形, 直径范围为3～6m。施工深度可达50m。

图18.10.44 钢环片拼接压入工法概况

　　钢环拼接压人工法的优点是:
　　①钢环的分割块数多, 故环片小、 质量轻, 吊运容易, 下沉过程容易控制, 安全性好。
　　②适于多土质。
　　③对邻近构造物和周围地层的影响小。
　　④施工场地占地面积小。
　　⑤该工法可在上部施工空间高度受限的工况下适用, 也是该工法的一大优势。
　　18．10．3．4  自动化沉井工法
　　由于沉井工法的施工设备简单、 成本低、 无需压气和使用稳定液等优点, 故在桥梁基础和竖井构筑中用得最多。可是, 在下列情况下施工也会出现一些棘手的问题。如: 大深度、 硬地层时很难确保高的施工精度; 当刃脚下方地层反力较大时, 易出现难沉甚至干脆沉不下去, 为解决难沉问题有时要超挖, 因此又带来周围地层的沉降增大等问题。
　　为了克服上述弊病, 大幅度扩大沉井工法的适用范围, 以适应施工现场作业环境要求的不断提高, 及减轻作业人员的劳动强度的安全性, 近年来开发了施工自动化、 合理化及高技术化的沉井工法, 即SOCS工法(Super Open caisson System)工法。所谓自动化沉井工法, 即采用预制管片拼接井筒, 自动挖土、 排土, 自动压沉并控制井筒姿态的高精度沉井工法。
　　1．SOCS工法的特点
　　(1)对外径φ≥8m、 深度≤100m的圆形断面沉井均适用。
　　(2)从一般土质到qu(一轴抗压强度)≤5MPa的软岩均可适用。
　　(3)噪声小、 振动小。
　　(4)由于井筒是靠地锚反力装置压沉, 且刃脚下方土层系自动化挖掘施工, 故对周围地层的扰动影响小。
　　(5)自动化施工, 省人、 省力、 工期短。
　　下面重点介绍自动化经沉井系统的构成、 设计方法、 施工管理及试验结果。
　　2．系统构成
　　自运输经沉井工法(SOCS)的自动化施工系统, 由井筒预制管片拼装系统、 自动挖土排土系统、 自动沉降管理系统三部分构成。系统概况如图18．10．45所示。

图18.10.45 SOCS工法系统概况

　　(1)预制管片拼装系统
　　预制管片拼装系统是一种现场组装预制管片构成井筒, 取代以往的现场浇注混凝土构筑沉井井筒的系统。该系统拼装井筒的工期短、 质量好、 省力。
　　1)井筒构造
　　井筒为预制管片交错布设构造, 管片之间靠水平接头竖向接头连接(见图18．10．46)。水平接头与以往的PC竖井工法相同靠PC钢棒拉紧。竖向靠钢楔接头连接, 或者混凝土接头连接。
　　在同时组合使用挖、 排土系统和自动沉降管理系统施工的场合下, 井筒上没有运行轨道和各种监测传感器。
　　2)设计方法的讨论及研究课题
　　井筒系统系现场拼接管片构筑井筒的系统。从井筒构筑方法方面看, 与以往的方法不同。其接头构造的刚性、 承载力, 对变形(井筒弯曲和水平力对应的变形)及断面力的影响较大。由于各种规范中的沉井设计法中均规定以现场浇注钢筋混凝土的整体井筒为前堤, 因此要求管片拼接型井筒接头处的刚性、 长期可靠性均应与整体井筒相同。为了确认各种接头的各种性能, 还应实施与实际沉井的井壁厚度一致的试体的荷载试验。
　　竖向接头上作用的外力如图18．10．46所示, 用楔形接头抵抗这些外力, 抵抗弯矩的是钢楔, 抵抗面外剪切力的是方形管钢(见图18．10．47), 靠上下管环的交错连接的特点抵抗面内剪切力。另外, 在混凝土接头处, 靠套管连接的钢筋抵抗弯矩和面外剪切力(见图18．10．48)。竖向接头的试验结果如图18．10．49所示。由图中曲线不难看出, 无论是弯曲试验的结果, 还是面外剪切力的试验结果, 均小于现行设计规范中规定的允许值。与整体化混凝土接头构造的刚性、 承载力大致相同。
　　就水平接头而言, 为了掌握接头的变形特性、 承载力还进行了荷载试验。除了荷载试验之外, 还有: FEM解析法, 就断面力对