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在地面下沉预制井筒的施工方法。在井口位置, 预制好沉井刃脚和一段井壁, 边掘边沉,再在地面浇筑,接长井壁, 继续下沉。此法开始多用于水利工程, 工艺简单, 一般采用砖井壁, 人工挖掘, 自重下沉。沉井深度一般仅20m左右。1839年法国创造了压气沉井法,因下沉深度有限, 并有损工人健康, 到20世纪50年代渐被淘汰。1894年德国创造了淹水沉井法。1944年日本向沉井壁后施放压缩空气, 减少井壁与土层的摩擦阻力获得成功。1952年匈牙利和瑞士创造了触变泥浆液体减阻的新方法。中国于1958年创造了震动沉井法; 1969年起采用壁后泥浆淹水沉井, 建成了30多个井筒, 最深井达192.5m。
　　沉井结构  由套井、 井壁和刃脚三部分组成。套井(即锁口)是靠近地表预先作好的一段大于沉井外径1.5m左右的井筒, 用以保护井口, 安设导向装置和贮存减阻材料。沉井井壁就是井筒的永久井壁, 应有足够的强度, 并满足下沉所需的重量。一般为钢筋混凝土结构, 壁厚1m左右, 随沉井下沉不断在井口浇筑接长。刃脚位于沉井井壁最下端, 多用钢材制造, 刃尖角一般为 30°, 刃脚高3m, 刃脚外半径比井壁外半径大100～300mm, 以便下沉后在井壁四周形成一个环形空间。
　　施工时沉井利用钢刃脚插入土层, 工作面不断破土排渣, 依靠井壁自重不断下沉, 当沉井刃脚达到基岩后, 即行封底与壁后注浆固井。
　　沉井法分类  按井内淹水与否分为不淹水沉井和淹水沉井两种。淹水沉井又分壁后泥浆淹水沉井和壁后施放压气淹水沉井。按井壁下沉动力可分为自重沉井和加载沉井。后者又分为震动沉井和压水沉井。
　　不淹水沉井  在沉井内排水, 工人在井底工作面掘进。除井壁在地面浇筑、 随掘进随下沉外, 其它工序和普通凿井法相同。由于排水造成井内外压力不平衡, 下沉深度受到限制, 本法不宜在涌水大、 流砂层厚的表土层采用。
　　淹水沉井  特点是: 井内淹水, 保持井内外压力平衡, 可防止涌砂冒泥; 壁后灌注减阻介质; 掘进与排渣均在水下完成; 一般采用水枪或钻机破土、 压气排液器排渣。该法工艺较简单, 需用设备少,机械化程度高,工人不下井, 作业条件好, 成本较低, 除砾卵石层外, 一般均可采用。但由于量测和纠偏技术尚未完全解决, 沉井下沉速度和偏斜程度较难掌握, 往往影响工期。
　　壁后泥浆淹水沉井  在整个施工过程中保持井筒内淹水水位高于地下水位 1～2m。在沉井壁后环形空间灌注触变泥浆, 它是以膨润土为主要原料, 加水和化学处理剂( 碱、 羧甲基纤维素) 混合搅拌而成的一种液态减阻材料, 其特性是静止时为不易流动的凝胶状态, 搅动时变成易于流动的溶胶状态。经过埋设在井壁内的管路, 将触变泥浆灌注在沉井壁后的环形空间内, 把井壁和地层隔开, 借助泥浆柱压力, 维护土层稳定, 防止塌陷并可在沉井下沉时减少沉井外壁的摩擦阻力。用触变泥浆减阻, 经济效益较好; 但在恢复井壁与土层的固着力和保证泥浆护壁的可靠性方面, 还有待研究改进。
　　壁后压气淹水沉井  在沉井外壁上, 按压缩空气可能克服的作用面积, 预留气龛, 在气龛底部设喷气小孔与井壁内的压气管路相连, 构成施放压气的通道。沉井需下沉时, 按施工的要求压力依次打开管路阀门, 压气由喷气孔喷出,沿井壁外围扩散上升,形成一个空气帷幕, 减少周边的摩擦阻力, 促使井筒下沉( 见图) 。该法可控制施放压气的时间, 有利于控制井筒偏斜。日本用本法施工, 最深沉井达200.3m, 偏斜仅为0.1％。
震动沉井  在预制的薄壁长段井筒上部装有井帽, 在其上安置震动机, 带动井筒震动, 加大井筒的下沉力, 并促使井壁四周土壤液化,减少沉井周边的摩擦阻力,加快下沉速度。本法由建桥工程使用的震动管柱法移植而来, 自1958年起, 在中国淮北矿区用该法相继建成了十多个井筒, 优点是机械化程度高, 成井速度快, 成本低。由于震动机的加载有一定限度, 在遇到砾卵石层时, 井壁容易断裂, 且地面及井筒周围受震动影响, 适用条件受到限制。
　　压水沉井  加载沉井的另一种形式, 在沉井刃脚上增设伞形钢结构底罩,把井筒和刃脚隔开, 伞上灌水,增加荷载。伞下作为破土排渣的空间, 破土使用五组装在刃脚四周斜面处和伞顶部的固定水枪, 泥渣水自伞顶中心的排渣管排出。本法在中国开滦建井工程处首次试用, 下沉深度达30.1m。
沉井法

地下工程沉井法施工
　在土层中修筑地下建筑物的方法之一。沉井在施工期间是一个上无盖、 下无底的筒状结构, 一般见钢筋混凝土制成,在其井壁的挡土和防水的围护作用下,从井内取土, 借其自重使之下沉至设计标高。沉井多用作桥梁墩台或重型工业建筑物的深基础, 后来逐渐发展成为利用其内部空间供生产使用或其它用途的地下建筑物。如各种泵房、 地下沉淀池、 水池、 储存槽、 各种地下厂房或车间和仓库( 包括地下热电站、 地下油库) 、 地下人防工程以及地下铁道或水底隧道的通风井、 盾构拼装和拆卸井等。沉井的类型是指它的平面和立面形式, 而其形式又决定于使用要求。
　　沉井组成 　一般由井壁、 刃脚、 隔墙、 凹槽、 封底( 包括底板) 和顶盖等部分组成( 图1) 。

　　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 　位于井壁的最下端, 多做成有利于切入土中的形状。另外, 还要求有一定的强度, 以免挠曲或损坏。刃脚下部的水平面称为踏面, 其宽度视土质的软硬和井壁重量、 厚度而定。
　　隔墙 　为了加强沉井的刚度, 或由于使用需要设置隔墙。
　　凹槽 　位于刃脚的上方, 使混凝土底板能和井壁更好地连接。
　　封底 　下沉到设计标高后, 在沉井底面用素混凝土封底, 作地下建筑物的基础, 再在凹槽处灌筑钢筋混凝土底板。
　　顶盖 　作为地下建筑物, 在修筑好满足内部使用要求的各种结构后, 还要修筑顶盖。
　　沉井法的施工 　施工顺序 　先在建筑地点平整地面或筑岛, 分段( 或一次) 制作井筒; 然后从井内不断取土, 随着土体的挖深, 沉井因自重作用克服井壁和土体之间的摩擦力和刃脚下土的阻力而逐渐下沉; 达到设计标高后,用混凝土封底;并按使用要求修筑内部结构; 最后修筑顶盖和出入口(图2)。

　　施工方法 　一般可分为制作和下沉两个过程。根据不同情况和条件( 如沉井高度、 地基承载力、 施工机械设备等) , 沉井可采取一次制作( 灌筑) ,一次下沉;分段制作、 接高, 一次下沉; 或制作与下沉交替进行。也有在陆上制作, 浮运至水中沉放地点后下沉和接高的浮式沉井施工。
　　为了将沉井重量扩散到更大的面积上, 避免沉井倾斜或不均匀沉降而产生裂缝, 对于大型沉井, 当表土地基承载力很低时, 于制作第一段沉井前, 应在地基表面铺设砂垫层, 并沿井壁周边刃脚下铺设承垫木。在沉井下沉之前, 应分区、 依次、 对称、 同步地将承垫木抽除。
　　沉井的下沉方法视沉井所穿过的土层和水文地质条件而定。一般分为排水下沉和不排水下沉两种。当土质透水性很小或涌水量不大时, 可采用排水( 或不灌水) 下沉; 在沉井穿过涌水量较大的亚砂土或砂层时, 为了防止砂子涌入井中影响施工, 则采用不排水( 或灌水) 下沉。下沉时常采用抓斗或水力机械等方法取土。
　　沉井施工中的问题和防止措施 　常遇到的问题有: 突然下沉、 涌砂、 倾斜和偏移、 沉不下去。①防止突然下沉的方法有: 适当加大下沉系数; 控制挖土深度, 即锅底不要挖得太深; 结构上合理分隔, 设置一定数量的底梁; 采用泥浆套法或壁后压气法(见沉井基础), 以减小摩擦力等措施。②涌砂的处理方法是向井内灌水, 使井内水位恒大于井外地下水位。③下沉时应均匀对称挖土, 以防止沉井偏斜。若发生偏斜, 可调整挖土先后次序和方法; 采取偏心压重, 部分壁外冲水等措施。④沉井设计和施工时一般见下沉系数( 沉井施工阶段自重与阻止下沉的井壁四周土的摩擦力、 刃脚踏面阻力等的比值) 估算沉井能否顺利下沉, 一般要求下沉系数为1.10～1.25。当下沉系数不满足时, 要采取上述减小摩擦力的方法, 以及增加重量等措施。如在下沉中发生重量不够时, 也可采用壁外冲水和井内抽水、 加压重、 接高井壁等措施。
　　沉井在施工和使用阶段, 将受到土压力、 水压力、 浮力、 摩擦力、 底面反力、 自重以及施工荷载等作用, 沉井结构的设计计算应满足各阶段的受力要求, 保证沉井结构有足够的强度和刚度以及防水能力。
　　沉井法施工的特点 　沉井下沉过程中无需设置坑壁支撑或板桩围壁, 与明挖法相比, 简化了施工; 可就地制作, 所需机械设备简单; 作为地下建筑使用, 其单体造价较低; 主体部分的混凝土在地面上灌筑, 质量较易保证, 整体刚度亦较大; 防水可靠; 且对邻近建筑物的影响较明挖法少。因此在一定场合下, 沉井法是一种较好的方案。

沉井法的创始
井是人类取水、 用水的地方。据《吕氏春秋．勿躬篇》载伯益作井一说, 中国大约在新石器时代后期才由伯益创造了凿井技术。而那时所掘的均为土井, 形似漏斗状的土坑, 一般比较浅, 渗入的地下水既少, 又易在天旱少雨的季节枯竭。大约经过了一二千年漫长岁月, 到了春秋战国时期, 生活在江汉地区的楚国人把掘井技术大大提高了一步, 其中所创造的沉井法影响更为深远。
位于荆州城北五公里的楚都遗址－－纪南城, 当时是一个相当繁华的都市, 在其附近有许多手工业作坊。1976年, 考古工作者在一处遗址发掘中, 发现了大量的水井, 有的井深7米以上, 同时还出土了不少完整的陶器及大块的陶片、 草木灰、 木炭、 红烧土块5等遗物。这显然是一个烧制陶器的作坊区, 其水井是供伴泥用水制陶器而开凿的。
从遗址发掘的水井来看, 除其有土井、 竹圈井、 木圈井外, 数量最多的是陶圈井。这种陶圈井, 是将制好的陶井圈一节一节地放入圆筒形的土坑内构成的, 其陶质以灰陶为主, 也有红陶, 一般火候较高, 陶质坚硬。考古发掘资料表明, 陶圈井的建造是首先烧制好陶井圈, 其圈一般高约80厘米, 直径约80厘米左右, 圈壁口比中部稍厚, 约1．5至3厘米, 形如一个没有上下底的大圆筒。为造井时便于提系搬运及地下水能渗入井内, 在井圈壁的中部制有两个对称的小圆孔。其次, 挖掘井时, 圆洞的直径要比陶井圈稍大。当达到一定的深度便放入一节陶井圈, 然后在井圈内继续下挖, 并取出泥土, 使之陶井圈渐渐下沉, 进而到一定深度时又从井口放入第二节陶井圈, 与第一节陶井圈相连接。这样如此重复, 一直挖到所预定的深度。再次, 用井字形或其它形式的木框架从下面托住井圈, 并在底部铺上一些竹席、 芦苇等材料起过滤作用, 使水保持干净, 以防井底淤塞。由此最后一道工序, 陶圈井的建造工程就千结束。这种陶圈井在开掘时不必象土井那样上口的直径要挖得很大, 可减少施工量, 并因陶井圈的作用, 不但可保护掘好的井壁不易崩塌, 防止流沙, 还可开挖得比土进深, 水源也随之丰富, 不会在干旱的季节干枯。
楚人所创立的陶圈井, 从其建造的过程可看出, 是一种将陶井圈随着井筒的开掘而逐步下沉的掘井方法, 较之现代工程中称之为沉井法的施工方法, 其基本原理如出一辙。虽然现代用的沉井是采用钢筋混凝土结构, 但外形一般均为圆筒形, 与楚国的陶井圈相似。在施工时, 同样要在选定的位置上筑好井筒, 并在井筒内挖土使之下沉, 到一定的深度后再从上部连接新的井筒, 如此重复, 直到预定的深度为止。若是在水中施工, 只是先在岸上筑好井筒, 在筒的下面加一个临时性的底板, 待运到选定的位置后, 拆去底板使之下沉, 然后抽去积水, 再在井筒内挖土使井筒下沉, 余下的工序同地面施工一样。现代一些重要的桥梁施工, 在建造桥墩时采用所谓气压沉箱法, 应该说是沉井法的一种改进, 或者说是在沉井法的基础上的一咱技术革新。
陶圈井是人类凿井技术的重要发展。从其现代的沉井法, 以及气压沉箱法的施工技术原理, 追溯到两千多年楚国劳动人民所创立的这种陶圈井, 可看出其中的渊源关系。

企业沉井施工技术标准
1一般规定
1.1 沉井施工前应具备工程地质钻探资料、 水文资料并根据现场情况对沉井进行施工计算。
1.2 沉井施工前应编制施工专项方案并向施工人员进行交底, 并留有交底纪录。
1.3 沉井下沉前, 应对周围的建筑物、 构筑物和地下管线采取有效的保护措施, 并在下沉过程中进行监视测量。
1.4 沉井所用的材料应进行检验, 合格并取得监理工程师同意后方可用于工程施工。
1.5 施工前应制定工程施工的应急预案并进行演练。
2沉井的类型及特点
沉井的类型及特点见表2-1
沉井的类型
特点

按沉井的横截面形状划分
圆形单孔沉井
井筒的受力合理, 下沉时所受的摩阻力小, 对沉井周围土体扰动小, 内部空间有时不能充分利用。
矩形单孔沉井
矩形的四角有应力集中现象, 空间面积可合理使用, 下沉时易倾斜。
椭圆形、 菱形沉井、 矩形多孔沉井
对水流的阻力较小, 有利于抵抗流水, 在沉井内设几道纵、 横交叉的内隔墙, 使沉井成为刚度较好的空间结构, 适用于平面尺寸大而重的地下构筑物。这种形状利于沉降均匀下沉。

按其竖向剖面形状划分
锥形沉井
井筒下沉时所受周围土的摩阻力较小, 必要时还能够在土体与井筒外壁间灌注触变泥浆、 以减小井筒所受的摩阻力, 井筒下沉时对其周围的土体扰动较大。
柱形沉井
井筒的整个水平断面几何形状及尺寸相同, 下沉时对井筒周围的土体扰动较小, 但所受摩阻力较大
阶梯形沉井
适用于沉井自重比较大、 土质松软、 预防沉井下沉过快的情况, 或为了减薄井筒筒壁, 以节省材料。

3 沉井的施工计算
3.1整体稳定的计算
整体稳定是指由于井内、 外土体的高差达到一定程度后, 井外土体在自重的作用下挤入井内而造成周围土体和沉井一起下沉。对软土地质应进行整体稳定的计算。
验算采用瑞典条分法进行, 计算土体稳定示意图见下图;

计算公式采用:
Ks＝
R∑Wisinαi
R∑( cli＋Wiconαitanφ)
I＝1
n
n
I＝1

式中 Ks——稳定安全系数;
R——圆弧的半径, ( m) ;
L——弧长, ( m) ;
W——滑动土块的重量, ( KN) ;
C——粘聚力, Kpa;
φ——土的内摩擦角, 度;
αi——第i土条底面中点的法线与竖直线的夹角, 度;
如验算不能满足要求, 应采用搅拌桩或白灰桩对基底进行加固处理, 处理后方可进行沉井的施工。
3.2摩阻力的计算
沉井下沉时, 作用在沉井外壁上的土的摩阻力及其沿筒高的分布, 应根据施工
现场工程地质水文条件、 井筒的外形及施工方法确定。
3.2.1、 极限摩阻力标准值的分布
1、 筒柱形沉井
极限摩阻力标准值的分布见图3.2.1:
2、 外壁呈阶梯形
极限摩阻力标准值的分布见图3.2.2:

3.2.2极限摩阻力标准值的确定
施工现场各土层的极限摩阻力标准值应由勘察单位经过试验确定并提供勘察报告。没有勘察报告的可按土壤的类别按下表估算:
序号
土壤的类别
f( Kpa)

序号
土壤的类别
f( Kpa)
1
2
3
4
砂卵石
砂砾石
砂土
硬塑粘性土
18—30
15—20
12—25
25—50

5
6
7
可塑软塑粘性土
流塑粘土、 粘土
泥浆套
12—25
10—15
3—5

注: 当采用泥浆助沉时: 取f＝0.3—0.5KN/m2, 当沉井外壁为阶梯形, 在灌砂段可取f＝0.7—1.0KN/m2。
3.2.3土体作用在沉井上的摩阻力的计算
土体作用在沉井上的摩阻力可按下式计算:
1、 筒柱形沉井
Tf＝π∑Dhifi,
式中: D—沉井的外径( m) ;
hi—i土层的厚度( m) ;
fi—i土层的极限摩阻力标准值; 对地面以下5米范围内为平均值( Kpa) 。
2、 外壁呈阶梯形
Tf＝π∑D1h1ifi＋0.6π∑D2h2ifi,
式中: D1—阶梯沉井下部的外径( m) ;
D2—阶梯沉井上部的外径( m) ;
H1i—阶梯下部i土层的厚度( m) ;
H2i—阶梯上部i土层的厚度( m) ;
fi—i土层的极限摩阻力标准值; 对地面以下5米范围内为平均值( Kpa) 。
3.3沉井下沉系数的计算
沉井按自重下沉时, 计算公式如下: G－Pfw/ Tf≥Ks;
式中: G—沉井自重( KN) ;
Pfw—沉井承受的水的浮托力( KN) ;
Tf—沉井外壁承受的土的总摩擦力( KN) ;
Ks—下沉系数。Ks≥1.05, 当沉井在软土层中下沉时, 宜取1.05; 在其它一般土层中下沉时, 宜取1.15。
3.4沉井施工过程中的抗浮稳定验算
抗浮稳定验算应根据可能出现的最高水位进行计算, 公式如下:
Kw＝( G＋0.5 Tf) / Pfw≥1.1—1.25;
式中: G—沉井自重( KN) ;
Tf—沉井外壁的总摩阻力( KN) ;
Pfw—沉井承受的浮力( KN) ; 采用不排水下沉时, 为沉井壁浸入水或泥水中的体积乘以水或泥水的比重; 排水封底后, 为沉井浸入地下水面的体积。
Kw—沉井抗浮安全系数。一般取Kw≥1.1—1.25。
3.5沉井的抗滑移和抗倾覆计算
沉井下沉封底后, 由于使用的需要, 常开
挖进、 出水管道的基槽, 或由于其它原因造
成的沉井侧面土压力不均匀, 因此需作抗滑
移和抗倾覆计算, 计算简图见右图。
3.5.1抗滑移计算
抗滑移计算公式如下:
Kp＝( ηEp＋Tf) / Ea;
式中: η—被动土压力利用系数。施工阶段
取0.8, 使用阶段取0.65;
Ea—沉井外较高侧单位长度上的主动土压力( KN/m) ;
Ep—沉井外较高侧单位长度上的被动土压力( KN/m) ;
Tf—沉井底与土面间单位长度上的摩阻力( KN/m) ;
Tf＝fu×G/L
fu—摩擦系数, fu＝tgφ;
G—沉井自重( KN) ;
L—垂直于D方向的长度( m) 。
Ea＝γH2Ka/2－2cH＋2c2/γ;
Ep＝γH2Kp/2＋2cH;
＝tg2( 452－φ/2) ;
＝tg2( 452＋φ/2) ;
式中: γ—土的重度( KN/m3) ;
H—沉井外侧较高土体的高度( m) ;
h—沉井外侧较低土体的高度( m) ;
φ—土的内摩擦角( 度) ;
c—土的凝聚力( Kpa) 。
3.5.2抗倾覆计算
抗倾覆计算按下式公式进行:
Kq＝∑Mk/∑Ma≥1.5;
式中: ∑Mk—沉井抗倾覆弯矩之和( KN.m) ;
∑Ma—沉井倾覆弯矩之和( KN.m) 。
3.6沉井内涌水量的计算
3.6.1含水层为均质土时:
Q＝KsUq;
式中: Q-沉井总渗水量, m3/h;
s-地下水面至沉井底面的距离, m;
U-沉井刃脚周长, m;
q-单位渗流量, 即每延米刃脚周长在
单位水头( 等于1) 作用下, 当渗透系数为1时的渗流量, 其值可由上图查得, m3/h;
K-渗透系数, m/h。
3.6.2缺地质水文资料时:
Q＝Aq;
式中: A-沉井底面积, m2;
q-沉井每平方米底面积平均渗流量( 见下图) , m3/h。
基底面每平方米的渗水量

序号
土类
土的特征及粒径
渗水量( m3/h)
1
细粒土质砂, 松软粉质土
土的天然含水量＜20%, 土粒径＜0.05mm
0.14—0.18
2
较密实的粘质土

有空隙水的粘质土层
0.15—0.25
3
粘土质砂、 黄土层、 紧密砾石土
细砂粒径0.05mm—0.25mm, 大孔土质量800kg/m3—950kg/m3, 砾石土空隙率在20%以下
0.16—0.32
4
中粗砂、 利砾砂层

砂粒径0.25mm—1.00mm, 砾石含量在30%以下, 平均粒径10mm以下,
0.24—0.8
5
粗粒砂、 砾石层
砂粒径1.00mm—2.50mm, 砾石含量在30%—70%以下, 平均最大粒径150mm以下,
0.8—3.0

3.7砂垫层的计算
1、 承载力的验算
1) 、 承载力验算公式
承载力的验算按下式进行
R＞q,
式中: R—砂垫层的允许承载力( Kpa) ,
q—素混凝土垫下的均布荷载KN/m2。
2) 、 砂垫承载力的计算
砂垫承载力特征值的计算公式
fa＝mbγb＋mdγmd＋mcck;
式中: fa—地基承载力特征值( Kpa) ;
mb、 md、 mc—承载力系数, 按φk值由下表查取;

b—基础底面宽度( m) , 对于砂土小于3m时
按3m取值;
γ—基础底面以下土的重度KN/m3;
γm—基础底面以上土的加全平均
重度KN/m3;
d—基础埋深( m) ;
ck, φk—基底下一倍短边宽深度内
土的粘聚力( Kpa) 、 内摩擦角
标准值( 0) 。
根据现场实际确定的相对密度, 按
右图进行内摩擦角的计算。
2、 砂垫层厚度、 宽度的计算
1) 、 砂垫层厚度的计算
采用下式进行砂垫层厚度的计算:
P≥G0/( L＋2 hstanα) ＋γshs;
式中: P—砂垫层下地基土的承载力( KN/m2) ;
G0—沉井下沉前单位长度的重量( KN) ;
L—素混凝土承垫层的宽度( m) ;
h—素混凝土承垫层的厚度( m) ;
hs—砂垫层的厚度( m) ;
α—砂垫层的压力扩散角( 0) ,
γs—砂的重度( KN/m3) , 一般为
γs＝18KN/m3。
砂垫层厚度的计算简图见图3
2) 、 砂垫层宽度的计算
采用下式进行砂垫层宽度的计算
B≥L＋2 hstanα且B≥b＋2L
式中: b—沉井刃脚踏面的宽度( m) ,
B—砂垫层底面的宽度( m) ,
L—混凝土垫的宽度( m) 。
3.8承垫层的计算
采用素混凝土垫时, 根据《混凝土结构设计规范》GB 50010— 附录A的规定, 应进行抗压和抗弯强度计算。
1、 抗压强度计算
抗压强度采用下式进行计算:
N≤φfccA’c,
式中: N—轴向压力设计值, 即素混凝土垫上的荷载设计值( N) ;
φ—素混凝土构件的稳定系数; ( 本工程取1)
fcc—素混凝土轴心抗压强度设计值( Mpa) , ( fc×0.8取用)
A’c—混凝土受压区的面积( mm2) ;
fc—混凝土轴心抗压强度设计值( Mpa) 。
2、 抗弯强度计算
抗弯强度采用下式进行计算
M≤γfctW,
式中: M—弯矩设计值, 即由沉井单位长度自重和模板等引起的地基反力对素混凝土垫产生的最大弯矩;
γ—截面抵抗矩塑性影响系数, 对矩形截面取1.55;
fct—素混凝土轴心抗拉强度设计值( Mpa) , ( ft×0.55取用)
W—抗弯截面系数。
ft—混凝土轴心抗拉强度设计值( Mpa) 。
3、 荷载产生的弯矩的计算
按均布荷载倒T梁进行计算,
M＝qL2/2
式中: M—单位长度上由沉井自重、 模板等
产生的弯矩KN.m;
q—单位长度上由沉井自重、 模板等在混凝土垫下
部产生的均布反力KN/ m2;
L—混凝土垫悬臂最大长度( m) 。
计算简图见右图。
4沉井施工
4.1沉井制作场地
4.1.1沉井在地面上施工时, 为了减少下沉的深度, 一般在沉井制作前开挖基坑, 基坑的位置应根据设计的坐标确定, 基坑底的平面尺寸应满足施工的需要。基坑底面四周应设断面不小于30cm×30cm的排水沟, 并接入基坑内的集水井中, 集水井应比排水沟深50cm, 用排水泵将集水井内的水排到基坑外指定的地方。基坑开挖的深度应根据土质、 地下水位、 现场施工条件等确定。
4.1.2沉井在浅水中施工时, 可采用无围堰人工筑岛法和有围堰人工筑岛法, 作为沉井制作和下沉的场地。
1、 无围堰人工筑岛法, 即土岛。当在水深较浅( 小于2m) , 流速较小( 小于0.5m/s) 时, 水中筑岛宜采用填土筑岛。填筑的方法为从岛的设计位置中间开始向水中填土, 逐步向四周扩展; 在靠近岸边的半岛水中筑岛时, 应从岸边平行向前推进填筑。筑岛材料宜用粘土、 砂质粘土、 中粗砂等, 不得使用细砂、 淤泥和大块砾石等。
2、 有围堰人工筑岛法, 围堰的构造应简单, 强度、 稳定性、 防冲和防渗应符合设计的要求, 并便于施工、 维修和拆除。常见的有草袋围堰、 板桩围堰、 石笼围堰等。
4.1.3沉井地基处理
1、 当地基承载力不能满足制作沉井的需要时, 刃脚下应铺设垫木或混凝土承垫层, 并根据计算决定是否在其下铺砂垫层。
2、 当地基承载力能够满足制作沉井的需要时, 可采用土胎模或砖模做刃脚。
4.2沉井井筒
4.2.1刃脚的制作
1、 刃脚的支模
沉井刃脚的支模方法视沉井自重、 施工荷载和地基土的承载力等情况, 分为垫木支模、 混凝土承垫层支模和土模, 其适用范围见下表:
支模方法
适用范围
垫模支模
适用较大较重的沉井, 在软土的地基上制作
混凝土垫支模
适用于中、 小沉井的制作
土模
适用于土质好, 重量轻的小型沉井
3、 井壁的制作
1) 、 模板施工
模板一般采用18cm厚的胶合板; 6×8cm的木内楞, 间距0.2—0.3m; 双扣件式钢管, 间距0.5—0.6m; 用φ12—φ16螺栓对拉固定。有抗渗要求的, 在螺栓中间应设止水板。
2) 、 钢筋
( 1) 、 钢筋的加工应符合设计的要求, 设计无要求时, 应按《城市桥梁工程施工与质量验收规范》CJJ2— 的规定进行。
( 2) 钢筋的连接应符合设计的要求, 设计无要求时, 应按《城市桥梁工程施工与质量验收规范》CJJ2— 的规定进行。
( 3) 、 钢筋的安装
可根据结构情况和运输条件, 先分部预制成钢筋骨架或钢筋网片, 入模后再焊接或绑扎成整体骨架。并应符合《城市桥梁工程施工与质量验收规范》CJJ2— 的有关规定。
3) 、 混凝土
( 1) 、 应将沉井井壁四周分成若干段, 浇筑混凝土时应对称、 均匀、 分层进行, 避免高差悬殊, 压力不均匀造成地基不均匀下沉或产生倾斜。
( 2) 有抗渗要求时, 应按设计采用抗渗混凝土。上、 下节井壁的施工缝要处理好, 以防渗水。施工缝可作成凹式或凸式。施工缝处凿毛并冲洗干净后, 先浇一层砂浆, 然后再继续正常浇筑混凝土。
4) 、 允许偏差
项目
允许偏差
平面尺寸
长宽
±0.5%, 且不得大于100mm
曲线部分半径
±0.5%, 且不得大于50mm
两对角线差
对角线长的1%
井壁厚度
±15mm
4.3沉井下沉
4.3.1沉井下沉准备
1、 当沉井井筒的混凝土强度达到设计强度的75%以上时, 方可拆除模板、 承垫层进行下沉。
2、 沉井下沉前, 应封堵井壁全部预留孔洞, 对较大的孔洞可用水泥砂浆砌砖封堵, 并在靠土的一侧用水泥砂浆抹平。
3、 沉井下沉前应检查降、 排水效果, 符合设计要求后方可开始下沉。
4、 放线定位: 沉井下沉前先在内外井壁上各对称弹出4条垂线, 以测定沉井下沉时的倾斜度。在沉井内部4条垂线的顶端悬挂垂球, 并在刃脚处设标盘, 观察沉井偏斜度, 以便及时纠偏。在沉井外壁沿4条垂线绘制水平测量标尺, 并在基坑的相对位置设水平指示标尺, 以此测定沉井的下沉量及下沉偏差。
4.3.2破垫
抽除垫木或破除混凝土垫层之前, 应对垫木或混凝土垫层进行分组编号, 从沉井平面上互相垂直的两条轴线等距点开始, 同时分组, 依次对称的向轴线方向抽出垫木或破除混凝土垫层。
1 如沉井内有内隔墙时, 应先抽出内隔墙下垫木或破除垫层, 然后再抽除外墙垫木或破除垫层。
2 破垫的方法是分段将垫木底部的土挖空抽出并用砂填实, 或将混凝土垫破除并用砂填实。
3 施工时必须有专人指挥、 互相协调、 各段进度一致, 并连续作业直至完成。
4.3.3下沉
根据沉井处的地质、 水文情况, 施工现场已有建筑物、 构筑物和地下管线的要求, 施工队伍的施工能力等方面可采用不排水下沉或排水下沉的施工方法。
1 排水挖土下沉
1) 、 排水
( 1) 井点降水
降水深度在6m以内可采用轻型井点进行降水, 超过6m应采用深井降水。井点的布置应沿沉井的四周, 布置的数量应经过计算确定。
( 2) 明沟集水井排水
明沟集水井排水同基坑排水。
2) 、 挖土
( 1) 施工机械
一般采用人工挖土, 吊车垂直提升运土, 或使用抓斗挖土机、 长臂挖土机挖土, 自卸车运土。
( 2) 挖土方法
应分层进行挖土, 每层厚度约为30cm, 应从中央向四周挖土, 中央部分的土面应始终低于四周土面30cm以上; 双孔和多孔沉井中的土面应相平, 其高差不大于20cm。沿刃脚内壁应保留土台, 土台的宽度可根据土质决定, 一般为1m左右。沉井下沉时, 按平面轴线的位置逐层沿四周挖去土台。当土台经不住沉井刃脚的挤压时土体破坏塌落, 沉井便均匀地下沉, 每次下沉宜控制在20cm左右。在挖除刃脚附近和刃脚下部的土时要求对称均匀, 挖土的速度要相同, 土面高程要保持一致( 纠偏时除外) 。
2不排水挖土下沉
当沉井在水中施工, 或沉井穿过的土层不稳定、 涌水量较大, 或防止由于沉井施工降水而影响附近建筑物、 管线的稳定时, 一般采用带水下沉施工方法。
1） 施工机械和施工方法
（1） 抓土下沉
用吊车吊抓斗挖掘井底中央的土, 使之形成锅底状。在砂或砂砾石类土中, 当锅底比刃脚底1—1.5m时, 沉井可靠自重下沉, 同时将刃脚下的土挤向井中央, 再从井中央挖土, 则沉井可继续下沉。若土质为粘土, 刃脚下土不易向中央塌落,
应配以射水松土。
（2） 吸泥下沉
采用吸泥机除土适用于砂、 砂夹卵石、 粘砂土等土层。在粘土、 胶结层及风化岩层中, 当用高压射水冲碎土层后, 用吸泥机吸出碎块。
吸泥机有水力吸泥机、 水力吸石筒及空气吸泥机, 应根据施工现场的实际情况确定采用。
沉井内采用吸泥除土时, 一般见吊机或吊架等维持其在悬吊状态管身垂直, 并能在井内移动。吸泥时, 吸泥管口离泥面的高度能够上下调整, 一般情况下为0.15m—0.5m, 以保持最佳效果。吸泥时应经常变换位置, 增加吸泥效果, 并使井底泥面均匀下降, 防止沉井偏斜。靠近刃脚及隔墙下的土层, 如不能向中间锅底自行坍落时, 可用高压射水赶向中间后再行吸出。
4.4沉井封底
当沉井沉到设计标高, 经观测8h累计下沉量不大于10mm时, 即应进行沉井封底, 沉井封底的施工方法有排水封底和不排水封底。
4.4.1排水封底
1、 施工准备
1) 、 当沉井下沉到设计标高后, 井内继续降水, 地下水位在基底以下不少于0.5m, 清除井底余土, 整平土基, 使土基由沉井内壁四周向集水井倾斜, 在集水井处为最低点。
2) 、 由集水井向井壁四周辐射挖排水沟, 然后在土基上铺5—10cm粗砂或细石, 在其上及排水沟底和壁上铺土工布, 在土工布上及排水沟内填铺碎石滤料, 使沉井底的地下水经过滤料层及排水盲沟汇集到集水井中用泵排出。
3) 、 为防止浇筑垫层混凝土时污染滤料, 以及防止新浇筑的混凝土在凝固前被地下水冲刷, 应在滤料上铺土工布或塑料布, 作为混凝土和滤料的隔离层, 在隔离层上浇筑混凝土垫层和钢筋混凝土底板。垫层和底板应留出集水井的位置, 待强度达到要求时封底。
2、 施工方法
1) 、 法兰盘短管封底法
浇筑沉井底板混凝土时, 在集水井处预埋带止水环的法兰钢管, 其内径一般为60cm左右。法兰钢管盘面的高程, 应低于底板混凝土面20—30cm, 从法兰钢管中排除地下水。待底板混凝土强度达到设计要求, 且满足抗浮要求时, 停止抽水, 将排水泵从法兰钢管中拔出, 并迅速盖上法兰盖和止水垫圈, 用螺栓拧紧至不漏水。然后将该处底板混凝土补齐。补浇混凝土前应将新旧混凝土接茬处冲洗干净。
2) 、 快硬水泥封底法
当地下水涌水量较少, 集水井内的地下水抽干后, 水面上升到土基的时间在4h以上时, 可不使用法兰钢管, 而采用直接封底法, 即在排净集水井内的地下水后, 用快硬水泥拌制的混凝土, 或掺入速凝剂的混凝土( 控制终凝时间少于4h) , 将集水井处预留的垫层和混凝土底板铺上。在补浇混凝土前应将新旧混凝土接茬处冲洗干净, 剔除浮石、 杂物, 以利于新旧混凝土的结合。
4.4.2 不排水封底
1、 施工准备
1) 、 封底前, 应将基底的浮泥、 沉积物和风化岩块等清除干净。如沉井基底为软土时, 应铺碎石垫层。
2) 、 在沉井封底前, 应检查封底用的设备、 材料、 运输工具等是否准备齐全、 完好。
2、 施工方法
一般采用混凝土导管法施工。导管的数量、 位置和导管上漏斗箱的容积等, 均应根据沉井底的面积大小、 形状及导管灌注的半径等计算确定。
1) 、 导管
导管为钢制法兰短管连接而成, 直径为200—300mm; 导管应有足够的强度和钢度, 导管内壁应光滑, 内径一致, 短管接头应密封良好, 不漏水, 且便于拆装。
2) 、 导管的放置
在浇筑水下封底混凝土前, 将混凝土导管按预先设定的位置准确地放入沉井内。导管的下端距井底土基的距离, 当采用球塞时, 应比球塞直径大5—10cm; 采用隔板或扇形活门时, 其距离宜不大于10 cm。导管的有效半径一般为3m左右, 其布置应使各导管的浇筑面积互相覆盖, 拐角或空白处可加设导管。在导管
内用钢丝吊住安放略小于导管直径的球塞( 球塞为混凝土或木料制成) , 然后向导管灌注混凝土, 每根导管及漏斗内均应储备足够的混凝土量,