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【摘 要】 本文从沉井开挖施工方法进行论述，提出了沉井排水下沉及干封底的施工方法，并在某污水处理工程中实际进行了施工研究，达到了沉井施工质量及安全保障的效果，解决了沉井施工困难的难题。
【关键词】 沉井；下沉；抗浮
【中图分类号】 TU753.6 【文献标识码】 A 【文章编号】 1727-5123（2011）04-047-02
1 沉井简介
1.1 本工程的进水泵房沉井为钢筋混凝土方形形构筑物，短边长10.8m，长边长12.7m，外壁厚0.95m，井内挖方约1600m3。
1.2 沉井总高度为13.70m，其顶面标高为2.90（绝对标高，下同），刃脚底标高为-10.80。对照进水泵房室外地坪的设计标高2.60，沉井的埋置深度为13.40m。
2 工程地质状况简介
2.1 地形地貌及地下水。
2.1.1 拟建场地的地貌单一，属潮坪区，地形较平坦，无暗浜等不良地质现象。场内自然土平均标高（绝对标高）在1.50m左右。
2.1.2 场内浅层地下水属潜水类型，受大气降水和地表迳流补给，地下水位埋深0.4~0.8m，相应地下水位标高为0.38~1.92m。
2.2 地层特征。与沉井相关的各层土质的特征见下表所示：
3 沉井的主要施工方法选择
沉井是用于深基础和地下构筑物施工的一种工艺技术，其原理是：在地面上或地坑内，先制作开口的钢筋混凝土筒身，待筒身混凝土达到一定强度后，在井内挖土使土体逐渐降低，沉井筒身依靠自重克服其与土壁之间的摩阻力，不断下沉直至设计标高，然后经就位校正后再进行封底处理。
沉井方法有多种选择，如：排水下沉和不排水下沉；一次制作、一次下沉和分节制作、分节下沉等。根据本工程的特点和设计的具体要求，沉井的主要施工方法将作以下选择：
3.1 沉井方法：采用排水下沉和干封底的工艺技术。根据对拟建场地的土层特征、地下水位及施工条件的综合分析，设计要求本工程的沉井采用排水下沉和干封底的施工方法。
该方法可以在干燥的条件施工，挖土方便，容易控制均衡下沉，土层中的障碍物便于发现和清除，井筒下沉时一旦发生倾斜也容易纠正，而且封底的质量也可得到保证。
3.2 降水方法：井外真空深井泵与井内明排水相结合。采用排水下沉和干封底的施工技术，关键是选择合理可行的降水方法，使降水效果满足排水下沉的技术要求。根据本工程的沉井施工特点分析，可供选择的井外降水方法主要有两级轻型井点降水、喷射井点降水及真空深井泵降水等。
经对上述方法的比较与论证，采用井外真空深井泵与井内明排水相结合的降水方法。与其他降水方法相比，采用该方法降水不但施工方便、降水效果好，而且能有效防止③夹粉土层可能发生的流砂或管涌等不良现象发生，以此保证沉井施工的安全和顺利进行。
3.3 制作与下沉方法：两节制作、两次下沉。沉井施工的一般方法为：一次制作、一次下沉；分节制作、一次下沉；多节制作、分节下沉（制作与下沉交替进行）。沉井过高，施工技术难度较大，而且在下沉时容易发生倾斜，因此应采用分节制作、分节下沉方法。沉井分节制作的高度，应保证其稳定性并能使其顺利下沉。根据本工程的特点与设计要求，对沉井应采用两节制作、两次下沉的方法。
沉井分节制作与下沉的要求是：第一节沉井高度为7.2m，起沉标高为±0.000（绝对标高，下同）；第二节沉井高度为5.2m，接高处（后浇段标高）为＋2.500。
3.4 沉井底部地基加固方法：压密注浆。本工程的沉井持力层处在③夹砂质粉土内。该层土体湿度达到饱和，为流塑状态，属高压缩性，Ps平均值较低，承载强度也相应较低。针对这一不利的地质情况，设计要求对该层土体采取压密注浆的措施，使地基得到加固，并防止或减少渗透和不均匀的沉降。
4 沉井下沉方法与技术措施
4.1 沉井下沉的作业顺序安排。下沉准备工作→设置垂直运输机械设备→挖土下沉→井内外排水、降水→边下沉边观测→纠偏措施→沉至设计标高→核对标高、观测沉降稳定情况→井底设盲沟、集水井→铺设井内封底垫层→底板防水处理→底板钢筋施工与隐蔽工程验收→底板混凝土浇筑→井内结构施工→上部建筑及辅助设施→回填土。
4.2 沉井下沉验算。沉井下沉时，必须克服井壁与土间的摩阻力和地层对刃脚的反力，其比值称为下沉系数K，一般应不小于1.15~1.25。井壁与土层间的摩阻力计算，通常的方法是：假定摩阻力随土深而加大，并且在5m深时达到最大值，5m以下时保持常值。
沉井下沉系数的验算公式为：K=（Q-B）/（T+R）
式中：K——下沉安全系数，一般应大于1.15~1.25
Q——沉井自重及附加荷载（kN）
B——被井壁排出的水量（kN），如采取排水下沉法时，B=0
T——沉井与土间的摩阻力（kN），T=πD（H-2.5）·f
D——沉井外径（m）
H——沉井全高（m）
f——井壁与土间的摩阻系数（KPa），由地质资料提供
R——刃脚反力（kN），如将刃脚底部及斜面的土方挖空，则R=0
本工程沉井的验算的条件为：
沉井尺寸为：12.7×10.8m
沉井全高12.40m，分二节制作、二次下沉，第一节高度7.2m，第二节高度5.20m。第一节沉井自重为43.2×0.95×7.2×25=7387.2kN。沉井总重为43.2×0.95×12.4×25=12722.4kN
井壁摩阻系数为：③夹层土均为12KPa；③夹层土为20KPa， 但5m以上为12KPa；③夹层土为15KPa。第一节沉井下沉系数验算：K1=7387.2/43.2×（7.2-2.5）×12=5473/4860.72 = 3.03
第一节沉井的下沉系数满足安全验算要求。第二节沉井下沉系数验算：K2=12722.4/43.2×（12.6-2.5）×15=9851.44/8182.2=1.9。第二节沉井的下沉系数满足安全验算要求。
4.3 沉井封底后的抗浮稳定性验算。沉井封底后，整个沉井受到被排除地下水向上浮力的作用，如沉井自重不足于平衡地下水的浮力，沉井的安全性会受到影响。为此，沉井封底后应进行抗浮稳定性验算。
沉井外未回填土，不计井壁与侧面土反摩擦力的作用，抗浮稳定性计算公式为：
K=G/F≥1.1
式中：G——沉井自重力（kN）
F——地下水向上的浮力（kN）
验算条件：
沉井自重为井壁和封底混凝土重量：12722.4+3204=15926.4 kN。
地下水向上浮力：由地质勘察资料得知，验算浮力的地下水深度按10.8m考虑，则：F=10.8×12.7×10×10.8=14813.28 kN
K=15926.4/14813.28=1.07
根据上述计算可知，沉井封底后如停止降水，沉井自重可以抵抗地下水的浮力。但沉井封底后，井外的深井降水与井内的集水井排水任继续进行，直到沉井内部结构和上部结构完成后再停止，确保施工安全。
5 使用效果及结论
5.1 使用效果。本沉井工程，自工程开始施工至沉井施工完毕，整个施工过程中，沉井下沉稳定，施工过程中未出现沉井大幅度下沉，沉井施工完毕至上部构筑物施工完成，沉井未出现明显沉降或上浮，其附近建筑物均未受影响，效果较好。
5.2 结论。①施工中，沉井四周深井井点降水深度需严格验算，以防止开挖过程中出现管涌等状况。②沉井施工在开挖过程中，需四周同时开挖，避免单独挖一面，引起意外倾斜，同时开挖沉井时，沉降观测随时进行，以控制下沉速度及下沉深度。③沉井施工完毕至上部结构施工完成中沉降观测不能中断，同时做好应急措施。
【关键词】 沉井；下沉；抗浮
【中图分类号】 TU753.6 【文献标识码】 A 【文章编号】 1727-5123（2011）04-047-02
1 沉井简介
1.1 本工程的进水泵房沉井为钢筋混凝土方形形构筑物，短边长10.8m，长边长12.7m，外壁厚0.95m，井内挖方约1600m3。
1.2 沉井总高度为13.70m，其顶面标高为2.90（绝对标高，下同），刃脚底标高为-10.80。对照进水泵房室外地坪的设计标高2.60，沉井的埋置深度为13.40m。
2 工程地质状况简介
2.1 地形地貌及地下水。
2.1.1 拟建场地的地貌单一，属潮坪区，地形较平坦，无暗浜等不良地质现象。场内自然土平均标高（绝对标高）在1.50m左右。
2.1.2 场内浅层地下水属潜水类型，受大气降水和地表迳流补给，地下水位埋深0.4~0.8m，相应地下水位标高为0.38~1.92m。
2.2 地层特征。与沉井相关的各层土质的特征见下表所示：
3 沉井的主要施工方法选择
沉井是用于深基础和地下构筑物施工的一种工艺技术，其原理是：在地面上或地坑内，先制作开口的钢筋混凝土筒身，待筒身混凝土达到一定强度后，在井内挖土使土体逐渐降低，沉井筒身依靠自重克服其与土壁之间的摩阻力，不断下沉直至设计标高，然后经就位校正后再进行封底处理。
沉井方法有多种选择，如：排水下沉和不排水下沉；一次制作、一次下沉和分节制作、分节下沉等。根据本工程的特点和设计的具体要求，沉井的主要施工方法将作以下选择：
3.1 沉井方法：采用排水下沉和干封底的工艺技术。根据对拟建场地的土层特征、地下水位及施工条件的综合分析，设计要求本工程的沉井采用排水下沉和干封底的施工方法。
该方法可以在干燥的条件施工，挖土方便，容易控制均衡下沉，土层中的障碍物便于发现和清除，井筒下沉时一旦发生倾斜也容易纠正，而且封底的质量也可得到保证。
3.2 降水方法：井外真空深井泵与井内明排水相结合。采用排水下沉和干封底的施工技术，关键是选择合理可行的降水方法，使降水效果满足排水下沉的技术要求。根据本工程的沉井施工特点分析，可供选择的井外降水方法主要有两级轻型井点降水、喷射井点降水及真空深井泵降水等。
经对上述方法的比较与论证，采用井外真空深井泵与井内明排水相结合的降水方法。与其他降水方法相比，采用该方法降水不但施工方便、降水效果好，而且能有效防止③夹粉土层可能发生的流砂或管涌等不良现象发生，以此保证沉井施工的安全和顺利进行。
3.3 制作与下沉方法：两节制作、两次下沉。沉井施工的一般方法为：一次制作、一次下沉；分节制作、一次下沉；多节制作、分节下沉（制作与下沉交替进行）。沉井过高，施工技术难度较大，而且在下沉时容易发生倾斜，因此应采用分节制作、分节下沉方法。沉井分节制作的高度，应保证其稳定性并能使其顺利下沉。根据本工程的特点与设计要求，对沉井应采用两节制作、两次下沉的方法。
沉井分节制作与下沉的要求是：第一节沉井高度为7.2m，起沉标高为±0.000（绝对标高，下同）；第二节沉井高度为5.2m，接高处（后浇段标高）为＋2.500。
3.4 沉井底部地基加固方法：压密注浆。本工程的沉井持力层处在③夹砂质粉土内。该层土体湿度达到饱和，为流塑状态，属高压缩性，Ps平均值较低，承载强度也相应较低。针对这一不利的地质情况，设计要求对该层土体采取压密注浆的措施，使地基得到加固，并防止或减少渗透和不均匀的沉降。
4 沉井下沉方法与技术措施
4.1 沉井下沉的作业顺序安排。下沉准备工作→设置垂直运输机械设备→挖土下沉→井内外排水、降水→边下沉边观测→纠偏措施→沉至设计标高→核对标高、观测沉降稳定情况→井底设盲沟、集水井→铺设井内封底垫层→底板防水处理→底板钢筋施工与隐蔽工程验收→底板混凝土浇筑→井内结构施工→上部建筑及辅助设施→回填土。
4.2 沉井下沉验算。沉井下沉时，必须克服井壁与土间的摩阻力和地层对刃脚的反力，其比值称为下沉系数K，一般应不小于1.15~1.25。井壁与土层间的摩阻力计算，通常的方法是：假定摩阻力随土深而加大，并且在5m深时达到最大值，5m以下时保持常值。
沉井下沉系数的验算公式为：K=（Q-B）/（T+R）
式中：K——下沉安全系数，一般应大于1.15~1.25
Q——沉井自重及附加荷载（kN）
B——被井壁排出的水量（kN），如采取排水下沉法时，B=0
T——沉井与土间的摩阻力（kN），T=πD（H-2.5）·f
D——沉井外径（m）
H——沉井全高（m）
f——井壁与土间的摩阻系数（KPa），由地质资料提供
R——刃脚反力（kN），如将刃脚底部及斜面的土方挖空，则R=0
本工程沉井的验算的条件为：
沉井尺寸为：12.7×10.8m
沉井全高12.40m，分二节制作、二次下沉，第一节高度7.2m，第二节高度5.20m。第一节沉井自重为43.2×0.95×7.2×25=7387.2kN。沉井总重为43.2×0.95×12.4×25=12722.4kN
井壁摩阻系数为：③夹层土均为12KPa；③夹层土为20KPa， 但5m以上为12KPa；③夹层土为15KPa。第一节沉井下沉系数验算：K1=7387.2/43.2×（7.2-2.5）×12=5473/4860.72 = 3.03
第一节沉井的下沉系数满足安全验算要求。第二节沉井下沉系数验算：K2=12722.4/43.2×（12.6-2.5）×15=9851.44/8182.2=1.9。第二节沉井的下沉系数满足安全验算要求。
4.3 沉井封底后的抗浮稳定性验算。沉井封底后，整个沉井受到被排除地下水向上浮力的作用，如沉井自重不足于平衡地下水的浮力，沉井的安全性会受到影响。为此，沉井封底后应进行抗浮稳定性验算。
沉井外未回填土，不计井壁与侧面土反摩擦力的作用，抗浮稳定性计算公式为：
K=G/F≥1.1
式中：G——沉井自重力（kN）
F——地下水向上的浮力（kN）
验算条件：
沉井自重为井壁和封底混凝土重量：12722.4+3204=15926.4 kN。
地下水向上浮力：由地质勘察资料得知，验算浮力的地下水深度按10.8m考虑，则：F=10.8×12.7×10×10.8=14813.28 kN
K=15926.4/14813.28=1.07
根据上述计算可知，沉井封底后如停止降水，沉井自重可以抵抗地下水的浮力。但沉井封底后，井外的深井降水与井内的集水井排水任继续进行，直到沉井内部结构和上部结构完成后再停止，确保施工安全。
5 使用效果及结论
5.1 使用效果。本沉井工程，自工程开始施工至沉井施工完毕，整个施工过程中，沉井下沉稳定，施工过程中未出现沉井大幅度下沉，沉井施工完毕至上部构筑物施工完成，沉井未出现明显沉降或上浮，其附近建筑物均未受影响，效果较好。
5.2 结论。①施工中，沉井四周深井井点降水深度需严格验算，以防止开挖过程中出现管涌等状况。②沉井施工在开挖过程中，需四周同时开挖，避免单独挖一面，引起意外倾斜，同时开挖沉井时，沉降观测随时进行，以控制下沉速度及下沉深度。③沉井施工完毕至上部结构施工完成中沉降观测不能中断，同时做好应急措施。