沉井在城市有限空间背景下的应用.pdf

水电站设计 第 卷第 期年 月修回日期：作者简介：谭祖勇（），男，四川达州人，本科，高级工程师，从事水利水电工程设计工作。沉井在城市有限空间背景下的应用谭祖勇，（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 ；四川省城市水环境治理工程技术研究中心，四川 成都 ）摘要：沉井依靠井筒自重克服井壁与地层的摩擦阻力逐步沉入地下，当沉井不能有效下沉时，需要一定的助沉力才能满足要求，常用的助沉措施有压重法、触变泥浆减阻、空气幕减阻、桩基反压法、沉井工法等。通过总结在城市有限空间背景下采用沉井助沉措施的相关应用，为类似项目提供一定的工程经验。关键词：触变泥浆减阻；空气幕减阻；沉井工法中图分类号：文献标志码：文章编号：（）前言沉井是在预制好的钢筋混凝土井筒内挖土，依靠井筒自重克服井壁与地层的摩擦阻力逐步沉入地下，以实现工程目标的一项施工技术。沉井技术具有结构可靠、所需机械设备简单、施工安全等优点，尤其在用地比较紧张的区域采用沉井技术能大幅度减少征地，减少工程投资。从 世纪 年代借鉴国外设计理论和经验至今，我国建造的沉井不下 座，本文结合工程案例主要研究沉井助沉的相关工程应用。沉井设计要点 沉井选址沉井选址应尽可能选在平缓和开阔地带，以最大限度减小因沉井周边土压力不均匀可能导致下沉时发生倾斜的风险；沉井不应布置在地质不均匀或地下障碍物未完全探明的场地，以免造成下沉作业困难；若拟建沉井周边范围内有已建建（构）筑物或其他设施，应采取相应的措施加固沉井周边土体，减小周边一定范围内的土体下沉。沉井施工方法选择沉井施工方法与沉井设计计算有非常紧密的关系，应根据工程地质、水文地质、周边环境等条件，因地制宜，合理选择施工工艺，常用的施工方法有排水下沉、不排水下沉。结构设计要点（）沉井平面形状选择。沉井平面形状可细分为圆形沉井、矩形沉井、圆端沉井、多格沉井和尖端沉井。圆形沉井因受力性能较好，在静水压力作用下只产生轴向压力，特别适用于下沉深度较深的沉井；矩形沉井使用性能好，容易布置，但在侧压力作用下产生力矩较大；圆端沉井和尖端沉井适用于作桥墩和河中心的取水构筑物；多格沉井常因工艺功能要求或受力要求而进行分隔。（）沉井井体厚度确定。沉井井体厚度由以下几方面因素确定：下沉需要，满足受力及适用性要求，抗浮要求。下沉需要。沉井设计应优先考虑沉井依靠其自重克服土层摩阻力而下沉到设计标高的原则，当重量不足时，应采取外加压重或其他助沉措施（触变泥浆减阻 、空气幕减阻 、压重法 、桩基反压法 、沉井工法 等）。满足受力及适用性要求。在施工阶段，井体的各部分厚度应满足受力的要求；在使用阶段，井体作为结构的一部分，则井体除了强度外，还应满足相应的适用性要求。抗浮要求。当井位处于水中或存在地下水场地时，沉井必须满足抗浮要求（考虑摩阻力时，抗浮系数一般应不小于 ），故依靠自重抗浮的井体各部分也要有适当的厚度。（）封底混凝土厚度计算。沉井沉至设计标高，在浇筑底板之前，先浇筑封底混凝土，根据不同的施工方法、工程地质及水文地质条件，封底可采用干封底和水下封底。干封底混凝土厚度一般以能够保证钢筋混凝土底板顺利施工即可；水下封底混凝土厚度按 给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程 中下列公式计算。槡。（）式中：为沉井水下封底混凝土厚度，；为计算宽度，；为 混 凝 土 抗 拉 强 度 设 计值，；为附加厚度，；为每 宽度最大弯矩设计值，。（）冲剪验算。封底混凝土板边缘处剪力较大，应进行冲剪验算。抗剪验算按照式（）计算：。（）式中：为剪切面周长，；从封底砼板边计算；为最大剪力设计值，；其余参数意义同式（）。冲切验算按照式（）计算：。（）式中：为冲切面临界截面周长，即距封底混凝土周边 的周长；为设计冲切力，在 范围内封底混凝土承受的均布竖向荷载的总和；其余参数意义同式（）。工程应用某活水工程位于广东省佛山市南海区，拟在河涌附近建设一座提水泵站，活水泵站总设计流量 ，拟采用 台水泵取水（单泵设计流量为 ，水泵型号为 ，装机容量 ，水泵淹没深度 ），经计算，需建设一座容积为 的集水池，水泵置于集水池内，通过补水管道方式将水体引往河涌上游，以改善河涌水动力条件，达到改善水质的目的。提水泵站周边地形如图 所示，提水泵站周边分布有光纤、路灯、燃气、供电、供水等地下综合管线。图 提水泵站周边地形由于提水泵站周边遍布地下综合管线，对于这些管线的迁改或保护，涉及协调单位众多、消耗时间较长且费用较高等诸多问题，基于这些因素，在有限空间背景下建设提水泵站难度较大，需要从工程占地、施工难度、经济性、安全性等诸多方面予以综合考虑，最终选定设计方案。本工程周边地形复杂，考虑开挖施工可能对已有建筑物产生不利影响、开挖场地面积较大、降水措施费较多，本工程拟采用沉井技术建设集水井。地质情况工程区覆盖层主要为第四纪人工填土（）、第四纪冲积层（）和第四纪风化残积层（）组成，下伏基岩为古近纪华涌组（）砂岩或泥岩。场地地层工程地质特性表见表 。表 场地地层工程地质特性层号年代及成因岩土名称层厚 土层特征描述 素填土 黄褐色 红褐色，湿 很湿，稍密。主要以粉质黏土或黏性土混少量砂为主，局部为 混凝土路面，含植物根系，回填时间大于 年 粉质黏土 黄褐色 红褐色，可塑状态，局部硬塑状态 淤泥质粉质黏土 灰褐色 灰黑色，软塑 流塑状态 粉质黏土 黄褐色 红褐色，可塑状态，局部硬塑状态 粉质黏土 红褐色 灰黑色，可塑 硬度状态，砂岩风化后形成，局部含少量细砂，约含 ，遇水软化强风化砂岩 灰色 褐红色，节理裂隙发育，砂质结构，泥质胶结，层状构造，岩芯呈短柱状，局部碎块状，岩石坚硬程度整体属较软岩，完整程度破碎，岩体基本质量等级为级中风化砂岩 灰色 褐红色，节理裂隙发育，砂质结构，泥质胶结，层状构造，岩芯呈短柱状，局部长柱状，岩石坚硬程度整体属较软岩，完整程度为较完整，岩体基本质量等级为级 沉井尺寸初拟本工程所需集水池容积为 ，选用的水泵淹没深度为 ，常水位为 。初拟圆形沉井内径为 ，沉井底板高程 ，井壁厚度 ，底板厚度为 ，凹槽深度 ，刃脚到底板底 ，刃脚斜面高度及宽度为 ，沉井高度 ，沉井共分 节，沉井为 混凝土，因各土层渗透系数均小于 ，故本工程下沉施工方式适合选用不排水下沉，下沉系数 。沉井平面示意见图 ，沉井剖面示意见图 ，刃脚示意见图 ，土层示意见图 。图 沉井平面示意（单位：）图 沉井剖面示意（单位：）设计基本信息沉井选址位置地面标高 ，土压力计算方法为主动土压力法，主要土层信息见表 。图 刃脚示意（单位：）图 土层示意（单位：）计算成果及分析此处仅列出沉井下沉验算结果，并重点研究沉井助沉措施（见表 ）。下沉系数计算：。（）表 土层信息层号岩性层厚天然重度（）饱和重度（）内摩擦角（）单位摩阻力 单位反摩阻力 极限承载力 地基承载力特征值 深度修正系数宽度修正系数渗透系数（）素填土 淤泥质粉质黏土 粉质黏土 表 分别下沉至不同标高时的下沉系数验算成果计算标高 井壁自重 浮力 摩阻力 下沉系数 验算所需助沉力 （土层分界）满足 （接高位置）满足 （接高位置）满足 （土层分界）满足 （设计标高）不满足 注：接高位置自重取已下沉的井壁自重，不包含刚接高那节的井壁自重。从表 中可以看出，下沉至淤泥质粉质黏土高程时下沉系数满足规范要求，但系数偏大，究其原因，一是素填土和淤泥质粉质黏土的地基承载力不足以支撑沉井结构自重，二是沉井入土深度较浅，沉井外侧井壁与土壤接触面小，侧阻力小，致使沉井下沉的总阻力远小于结构自重。本工程淤泥质粉质黏土厚度达 深，为了防止沉井下沉施工中出现超沉、突沉、井底涌土等现象，沿沉井周边从淤泥质粉质黏土层开始至砂岩层布置了 水泥搅拌桩（水泥与土发生物理化学反应，使周边软土硬结，提高沉井周边土体强度），间距 ，搅拌桩实体桩长 。沉井平面布置见图 ，沉井剖面见图 。?注：尺寸标注为 ；高程为 。图 沉井平面布置注：尺寸标注为 ；高程为 。图 剖面示意从表 中可以看出，当下沉至 高程时下沉系数验算不满足要求，需要一定的助沉力才能满足要求，本工程可采用以下助沉措施以解决问题，常用的助沉措施有触变泥浆减阻、空气幕减阻、沉井工法等。触变泥浆减阻 ，触变泥浆润滑套减阻措施原理为在下沉过程使沉井与周围土体隔离，以达到减小摩阻力的目的，并维护土壁不产生坍塌使沉井周围土体稳定，减小沉井下沉时对周边建筑物沉降的影响。泥浆润滑套示意见图 。沉井下沉用触变泥浆由水、黏土、化学处理剂及其他一些惰性物质组成，例如在泥浆中加入纯碱（）可以除去黏土中部分钙离子，把钙质土转变为钠质土，使土颗粒水化作用加强，加速黏土分散，提高黏土造浆率。沉井下沉时，常用膨润土、淡水、纯碱作为泥浆润滑套材料。结合本工程土层情况，触变泥浆物理力学性能指标见表 。图 泥浆润滑套示意表 触变泥浆物理力学性能指标指标取值范围密度（）黏度 值含砂率 泥浆润滑套减阻工艺可归纳如下：拌制泥浆压浆机进行管路压浆（下沉过程）砂浆置换排除泥浆（下沉到设计标高或沉井封底之后）。沉井内压浆管布置示意见图 （两种布置方式）。注：尺寸标注为 ；压浆钢管；泥浆槽。图 沉井内布置压浆管注：尺寸标注为 ；压浆钢管；泥浆槽。图 沉井外布置压浆管砂浆置换泥浆的原理类似于浇筑水下混凝土，将砂浆从隔离层底部压入，使泥浆被压进的砂浆挤出。空气幕减阻 ，空气幕减阻措施原理为在沉井井壁内预埋若干管路，每根管上钻有小孔，然后向管内通具有一定压力的压缩空气，通过小孔向沉井外面喷射，沉井周围将形成一层空气帷幕，降低井壁与土层之间摩阻力，增加沉井下沉深度。空气幕助沉时间一般不宜超过。空气幕压气流程见图 。气龛为预设在沉井井壁上的凹槽，空气幕的喷气孔即开孔于此（范围内设置 个喷气孔，刃脚顶以上 内不宜设喷气孔，喷气孔直径 ）。气龛示意见图 。注：电动空压机；气包；供气总管；气龛；空气分流器；井壁。图 空气幕压气流程注：水平管；供气管；沉井井壁；喷气孔。图 气龛示意 沉井工法 沉井（）工法即刃脚改形卵砾填缝的自沉沉井工法，沉井刃脚钢靴呈八字形，其刃尖伸出井筒外壁面约 。井筒下沉时井壁与地层之间留下一道间隙，卵砾石不断填入其中。这样井筒外壁与地层之间的摩擦由原来的滑动变为卵砾石之间的滚动，摩阻力大大降低，仅靠井筒自重即可完成沉井下沉。当采用粒径为 近似球形的河卵石时，该摩阻力为 左右。由于间隙中充填了卵砾，使井筒与地层之间保持一定距离，所以井筒位置稳定，倾斜度小。又由于钢靴刃尖上长时间作用有井筒自重的压入力，故可保持井筒持续地贯入地层，通过调整刃尖下方土体的阻力便可以及时地修正沉井沉降过程中出现的倾斜。下沉到达设计位置后，向充满卵砾的间隙中注入水泥砂浆，使井筒和地层紧密固结在一起。工法示意见图 。本项目助沉力的选择本地区淤泥质粉质黏土及粉质黏土层较厚，可就地取材选用触变泥浆减阻进行沉井助沉。下沉过程中应重点注意的问题（）为保证沉井均匀下沉及沉井安全，沉井内除土作业应对称、均匀进行。（）本工程软土层较厚，在下沉时，除土位置应距刃脚有一定的安全距离，并随时注意沉井状态，防止沉井失控。（下转第 页）黄宰胜，陈钦 基于造林成本法的林业碳汇成本收益影响因素分析 资源科学，（）：刘梅娟，钱怡霖，郑根水 基于造林成本法的森林碳汇成本影响因素研究 财会月刊，（）：，：，：陈则生 杉木人工林经济成熟龄的研究 林业经济问题，（）：仲伟周，邢治斌 中国各省造林再造林工程的固碳成本收益分析 中国人口 资源与环境，（）：（编辑：全力立檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲）（上接第 页）（）沉井下沉过程应做好沉井状态的观测工作，随时采取各种措施对沉井进行调整、纠正和控制，确保沉井处于安全、可控状态。（）沉井内取土应远离沉井，防止弃土堆在沉井一侧造成偏压，使沉井倾斜。（）本工程沉井由节组成，沉井在接高前不得将刃脚掏空，必要时应在刃脚下回填或加支垫，防止在接高过程中突然下沉。（）沉井下沉至距离设计标高时，应控制四角高差及下沉速度，下沉深度距设计标高应有 的预留量。（）混凝土强度对于沉井后续施工起决定性作用，首节沉井是井体接高和下沉时的主要受力构件，首节混凝土强度必须达到设计强度，其余各节不得低于设计强度 。（）在沉井接高之前，可在井内回填部分黄砂，以增加接触面，减少沉井沉降。图 工法示意注：刃脚钢靴；缝隙宽度 ，填充卵砾；沉井外壁到导向墙间填充卵砾；导向墙厚度。结语由于沉井具有自身整体刚度大、稳定性较好、井壁可以起到支护作用而且施工工艺相对简单、造价相对低廉等优势，在城市建筑、市政和水利等深基础或结构中发挥着非常重要的作用，尤其在用地比较紧张的区域采用沉井技术能大幅度减少征地，减少工程投资。沉井对周边环境有一定的影响，如何更加有效地降低沉井施工过程中对环境产生的影响仍需进行更加深入的研究，让沉井这一古老的施工工艺可以得到进一步的发展。参考文献：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，上海市基础工程集团有限公司，舜杰建设（集团）有限公司 沉井与气压沉箱施工规范：北京：中国计划出版社，王卫星 法沉井在深基坑防护中的运用 铁道建筑技术，（）：，王理想 大型沉井施工中的常见问题及应对措施 建筑施工，（）：（编辑：惠方方）