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【摘要】本文对沉井在在给排水工程中设计和施工中应考虑的若干问题进行解说和讨论。主要包括沉井设计中考虑的下沉系数与下沉稳定系数、强度与抗裂、抗浮稳定，沉井施工中基坑砂垫层及混凝土垫层的设置、沉井下沉施工中的一些要点。为以后此类结构的设计提供参考。
【关键词】沉井，下沉系数，刃脚混凝土垫层
中图分类号：TU37文献标识码：A 文章编号：
前言：
在给排水工程中，取水泵房、顶管工作井、接受井常采用了沉井结构。沉井按材料分有混凝土沉井、钢筋混凝土沉井、钢板沉井、钢壳沉井、圬工沉井等；沉井按平面形状可分为圆形沉井、矩形沉井等。给排水工程中多采用钢筋混凝土沉井。圆形沉井因其整体刚度较高，受力性能良好在结构设计中被广泛采用。在一定的条件下沉井具有经济合理、结构简单、易保证工程质量等优点。由于在沉井设计需要考虑的施工因素较多，因此设计与施工的紧密联系在沉井结构中表现地尤为突出。
沉井设计中考虑的一些主要问题：
一、下沉系数与下沉稳定系数
1．下沉系数
下沉系数是衡量沉井能否顺利下沉的重要数据，下沉系数用kst表示：
kst=(Gk—Ffw,k)／Ffk
式中Gk一沉井自重标准值；
Ffw,k一下沉过程中水的浮托力标准值；
Ffk一井壁总摩阻力标准值。
下沉系数表示沉井自重克服井壁摩阻力下沉，当下沉系数为1．0时沉井处于平衡状态；当下沉系数大于1．0沉井开始下沉，下沉系数越大，下沉速度越快。沉井设计规程规定下沉系数大于等于1．05。如果依靠自重难以满足下沉要求，可以采取如下措施：
(1)在井顶上架设平台，根据下沉要求加载助沉； (2)一般情况下，在井壁外侧加泥浆护套减少摩阻力。当沉井特别深，摩阻力较大时，可采取空气幕法减少摩阻力。
2．下沉稳定系数
下沉稳定系数是衡量沉井是否会发生突沉或超沉的重要数据，下沉稳定系数用kst,s表示：
kst,s=(Gk—F’fw,k)/(F’fk+Rb)
式中，F’fw,k一验算状态下水的浮托力标准值；
F’fk一验算状态下井壁总摩阻力标准值；
Rb一沉井刃脚、隔墙和底梁下地基土的极限承载力之和。
当沉井下沉稳定系数kst,s等于1．0，表明沉井地基已达到极限状态，就不安全了。设计沉井时，乙类沉井工程取kst,s=0．8，丙类沉井工程取kst,s=0．9。如果在沉井设计时，下沉稳定系数不能满足要求时，须提高Rb，使下沉稳定系数降下来。要提高Rb通常有两种办法：设置下框架横梁以获得支承力；对刃角以下的地基进行预处理，一般采用高压旋喷桩较为常见。
二、强度与抗裂
沉井结构在使用阶段须进行抗裂验算，而在下沉阶段有些构件仅作强度计算。
1．沉井的刃脚仅作强度计算，不考虑裂缝宽度验算。
因为刃脚只在下沉阶段使用，在使用阶段就失去使用价值，所以刃脚的配筋只需保证下沉阶段的强度。
2．沉井其它构件下沉阶段一般可按强度计算。如果进行裂缝宽度验算的话，最大裂缝宽度可取0．3mm。这是由于规范公式计算出的裂缝宽度是长期裂缝宽度，而不是短期裂缝宽度。长期裂缝宽度一般是短期裂缝宽度的2倍。如果施工阶段按公式计算出的裂缝宽度是0．3mm，实际出现的裂缝宽度应是0．3mm／2，还是在允许范围之内，沉井下沉的工期通常是12个月，属于短期范畴。
3．沉井使用阶段各个构件不仅要强度计算，还要根据规程进行裂缝宽度验算。沉井的配筋既要满足使用阶段要求，也要满足施工阶段要求。
三、抗浮稳定
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。其计算中安全系数为1.0。
四、滑移和倾覆稳定
位于江（河、湖、水库、海）岸的沉井，若前后兩面水平作用相差较大应对其进行滑移和倾覆稳定。其中抗滑移安全系数为1.3，抗倾覆安全系数为1.5。
五、其它计算
在沉井的设计中针对不同的地质情况、不同用途、不同平面形状还须考虑补充计算。
在软土地区下沉沉井时，下沉系数一般都大于1.50，所以在软土地区沉井不存在竖向拉断问题，不再进行竖向拉断计算。土质较好，沉井下沉系数接近1．05时．土对井壁下沉的摩阻力较大有可能出现刃脚悬空现象，仍需进行竖向抗拉计算。
沉井用于顶管工作井时，还须考虑井壁在顶管推进时内力。
对于圆形大型沉井由于四周土质不一定均匀，水土压力有差异；沉井制作有误差，难以做到是一个标准的圆形；沉井下沉时可能发生倾斜，导致井一侧产生主动土压力，另一侧产生被动土压力等原因，按承受均匀土压力计算就不安全，因此在《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》中假定在90度方向沉井井壁二点土的内摩擦角相差5度～10度，以计算土压力的差值。
尤其值得关注的是在软土地基中进行沉井施工，可能会发生超沉问题：在封底前井内土体开挖施工作业中，可能会因为井内土体隆起而使沉井突沉，从而超过设计封底标高，造成沉井超沉现象。根据上海有关规范推荐的抗隆起安全系数的计算公式可以在设计中验算其抗抗隆起安全性，如果不能满足要求则须对刃角以下的地基进行预处理。抗隆起安全系数的计算公式如下：
Ks1=(γ2DNq+cNc)/[γ1(H+D)+q]
Ks1—抗隆起安全系数，一般取1．4～1．6：
H—开挖深度，m；
D—插入深度，m；
γ1—H+D深度范围内土体的加权重度，kN／m3；
γ2—D深度范围内土体的加权重度，kN／m3；
q—地面荷载，kPa；
c——滑移线范围内土体剪切强度指标的加值，kPa；
Nq、Nc——地基承载力系数，可根据经验选用普朗德乐或太沙基公式计算。
六、排水下沉或不排水下沉
在设计中，对沉井的下沉方法也应从以下几方面综合考虑：
(1)根据地质报告，地下水位较高，在粉土或粉细砂层排水下沉有可能造成流沙以及饱和流塑土层、高灵敏土层中最好采用不排水下沉。
(2)由于排水设施日益完善，设计中可考虑排水下沉、干封底，但要考虑降水对周围建筑物的影响。
(3)沉井周围已有构筑物离较近，须考虑井外降水漏斗半径的范围及井内排水、挖土对周边土体的影响，如无一定的措施，应采用不排水下沉。
沉井施工
一、基坑砂垫层及混凝土垫层的设置
在以前大型沉井制作都要设置承垫木，这种方法操作困难，枕木损耗多，对沉井受力不利，容易引起井壁开裂，改用砂和混凝土垫层可避免以上缺点。通常，在采用排水施工情况下，一般在原地面开挖2m左右深的基坑，在刃脚底再挖沟槽，深1m左右，宽度根据地基承载力，按砂垫层受力扩散角计算。在砂垫层上浇筑C10素混凝土层，每边比刃脚宽出约100mm，下沉前将混凝土垫层打碎，并连同砂垫层一起挖出，沉井便很平稳地沉至原状地基。接着即可按常规方法下沉施工。
二、沉井下沉施工
1.排水下沉常用的排水方法及施工要点
(1)明沟集水井排水及施工要点：在离刃脚2m左右处挖一圈排水明沟，设3～4个集水井，深度比沟底深1～1．5m，沟与井底深度随沉井挖土而不断加深；在井内或井壁上设水泵，将水抽出井外排走，井内渗水量很少时，可设潜水泵排水。
(2)喷射井点排水及施工要点：在沉井周围设置轻型井点、喷射井点以降低地下水水位，使井内保持挖干土。
(3)井点与明沟排水相结合：在沉井上部周围用井点截抽水，井壁下部挖明沟和集水井排水。
2.不排水下沉常用方法及施工要点：
(1)抓斗挖土及施工要点：用吊车吊抓斗挖掘井底中央部分的土，使之形成锅底。
(2)水力机械冲土施工要点：利用高压水枪的高压水流在井底冲刷土层，使其形成泥浆汇流至集泥坑，用水力吸泥机将泥浆抽出；适宜于抽吸的泥浆比重为，砂类土1．08～1．18、粘性土1．09～1．20。
3.下沉辅助措施
(1)高压射水：在较坚硬的土层中，利用抓土斗或吸泥机在水下除土时，一般需辅以高压射水以松动及冲散土层，以便抓吸。
(2)抽水下沉：不排水下沉的沉井，在刃脚下已掏空仍不下沉时，可在井内抽水而减少浮力，使沉井下沉。对于易引起翻沙涌水的地层，不宜采用。
(3)压重下沉：根据不同情况如下沉高度、施工设备、施工方法，采用压钢轨或型钢、接筑沉井混凝土、匀压砂袋土等方法。
(4)炮震下沉：沉井下沉至最后阶段，一般下沉较困难。当井中锅底坑已较深，刃脚下土层业已掏空，沉井仍不下沉时，可在井孔中央的泥面上放置炸药起爆，使刃脚已悬空的沉井受震下沉。
(5)触变汇浆润滑：在沉井刃脚外壁制作10~20cm台阶，下沉时在井壁与外围土层间形成空隙，将特制的泥浆压入空隙内，使井下沉时仅与摩擦系数小的泥浆壁接触，井壁润滑后的摩阻力小得多，减小下沉的摩擦力从而加快下沉速度和深度。
(6)壁后压气法：通过井壁预埋的喷气管向壁外喷射压缩空气，促使壁外土壤液化以降低井壁与土层的摩阻力。
4.沉井下沉注意事项.
(1)无论采用何种下沉方式，其井内除土应先从中间开始，均匀、对称地逐步地向刃脚处分层取土，以期沉井均匀下沉，防止偏斜。特别是下沉初期。沉井人土较浅，土层对沉井的平衡稳定作用差，容易产生偏斜。
(2)下沉中应随时掌握土层变化情况，分析和检验土壤阻力与沉井重量的关系，选用适宜的除土下沉方法，控制其除土部位及除土量，使沉井均匀平稳地下沉。
(3)当每节沉井接近下沉至预定标高时，应注意调平沉井，准备接高。此时应特别注意除土部位及深度，防止沉井下沉量过大或产生较大偏斜，增加接高的困难。
5.沉井终沉与封底
沉井封底后仍要继续下沉，沉井终沉标高要预留一定值，地基验收规范允许的标高偏差为±10mm。沉井封底可分为排水封底和不排水封底两种，当沉井基底无渗水或少量渗水时，可采用排水封底；当沉井基底有较大量渗水时须采用不排水封底，其方法有3种：垂直导管法灌注水下混凝土、堆石灌浆法和装袋法灌注水下混凝土。
6.沉降观测
沉井过程中加强对沉井的沉降观测。
结语
总之，一方面在沉井的设计中应根据不同的地质情况、不同的环境条件、充分考虑各种不利因素的影响进行设计；另一方面在施工单位在施工前要认真进行详细的施工组织设计，对施工过程中可能出现的各种不利情况要预先分析，且要有相應的行之有效的对策、措施，做到有备无患，同时在施工时要加强观测，对于出现的问题要及时处理，针对性地提出合理的解决方法。
参考文献：
中国工程建设标准化协会标准，《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》CECS137:2002
中华人民共和国国家标准,《给水排水构筑物工程施工及验收规范》GB50141-2008
【关键词】沉井，下沉系数，刃脚混凝土垫层
中图分类号：TU37文献标识码：A 文章编号：
前言：
在给排水工程中，取水泵房、顶管工作井、接受井常采用了沉井结构。沉井按材料分有混凝土沉井、钢筋混凝土沉井、钢板沉井、钢壳沉井、圬工沉井等；沉井按平面形状可分为圆形沉井、矩形沉井等。给排水工程中多采用钢筋混凝土沉井。圆形沉井因其整体刚度较高，受力性能良好在结构设计中被广泛采用。在一定的条件下沉井具有经济合理、结构简单、易保证工程质量等优点。由于在沉井设计需要考虑的施工因素较多，因此设计与施工的紧密联系在沉井结构中表现地尤为突出。
沉井设计中考虑的一些主要问题：
一、下沉系数与下沉稳定系数
1．下沉系数
下沉系数是衡量沉井能否顺利下沉的重要数据，下沉系数用kst表示：
kst=(Gk—Ffw,k)／Ffk
式中Gk一沉井自重标准值；
Ffw,k一下沉过程中水的浮托力标准值；
Ffk一井壁总摩阻力标准值。
下沉系数表示沉井自重克服井壁摩阻力下沉，当下沉系数为1．0时沉井处于平衡状态；当下沉系数大于1．0沉井开始下沉，下沉系数越大，下沉速度越快。沉井设计规程规定下沉系数大于等于1．05。如果依靠自重难以满足下沉要求，可以采取如下措施：
(1)在井顶上架设平台，根据下沉要求加载助沉； (2)一般情况下，在井壁外侧加泥浆护套减少摩阻力。当沉井特别深，摩阻力较大时，可采取空气幕法减少摩阻力。
2．下沉稳定系数
下沉稳定系数是衡量沉井是否会发生突沉或超沉的重要数据，下沉稳定系数用kst,s表示：
kst,s=(Gk—F’fw,k)/(F’fk+Rb)
式中，F’fw,k一验算状态下水的浮托力标准值；
F’fk一验算状态下井壁总摩阻力标准值；
Rb一沉井刃脚、隔墙和底梁下地基土的极限承载力之和。
当沉井下沉稳定系数kst,s等于1．0，表明沉井地基已达到极限状态，就不安全了。设计沉井时，乙类沉井工程取kst,s=0．8，丙类沉井工程取kst,s=0．9。如果在沉井设计时，下沉稳定系数不能满足要求时，须提高Rb，使下沉稳定系数降下来。要提高Rb通常有两种办法：设置下框架横梁以获得支承力；对刃角以下的地基进行预处理，一般采用高压旋喷桩较为常见。
二、强度与抗裂
沉井结构在使用阶段须进行抗裂验算，而在下沉阶段有些构件仅作强度计算。
1．沉井的刃脚仅作强度计算，不考虑裂缝宽度验算。
因为刃脚只在下沉阶段使用，在使用阶段就失去使用价值，所以刃脚的配筋只需保证下沉阶段的强度。
2．沉井其它构件下沉阶段一般可按强度计算。如果进行裂缝宽度验算的话，最大裂缝宽度可取0．3mm。这是由于规范公式计算出的裂缝宽度是长期裂缝宽度，而不是短期裂缝宽度。长期裂缝宽度一般是短期裂缝宽度的2倍。如果施工阶段按公式计算出的裂缝宽度是0．3mm，实际出现的裂缝宽度应是0．3mm／2，还是在允许范围之内，沉井下沉的工期通常是12个月，属于短期范畴。
3．沉井使用阶段各个构件不仅要强度计算，还要根据规程进行裂缝宽度验算。沉井的配筋既要满足使用阶段要求，也要满足施工阶段要求。
三、抗浮稳定
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。其计算中安全系数为1.0。
四、滑移和倾覆稳定
位于江（河、湖、水库、海）岸的沉井，若前后兩面水平作用相差较大应对其进行滑移和倾覆稳定。其中抗滑移安全系数为1.3，抗倾覆安全系数为1.5。
五、其它计算
在沉井的设计中针对不同的地质情况、不同用途、不同平面形状还须考虑补充计算。
在软土地区下沉沉井时，下沉系数一般都大于1.50，所以在软土地区沉井不存在竖向拉断问题，不再进行竖向拉断计算。土质较好，沉井下沉系数接近1．05时．土对井壁下沉的摩阻力较大有可能出现刃脚悬空现象，仍需进行竖向抗拉计算。
沉井用于顶管工作井时，还须考虑井壁在顶管推进时内力。
对于圆形大型沉井由于四周土质不一定均匀，水土压力有差异；沉井制作有误差，难以做到是一个标准的圆形；沉井下沉时可能发生倾斜，导致井一侧产生主动土压力，另一侧产生被动土压力等原因，按承受均匀土压力计算就不安全，因此在《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》中假定在90度方向沉井井壁二点土的内摩擦角相差5度～10度，以计算土压力的差值。
尤其值得关注的是在软土地基中进行沉井施工，可能会发生超沉问题：在封底前井内土体开挖施工作业中，可能会因为井内土体隆起而使沉井突沉，从而超过设计封底标高，造成沉井超沉现象。根据上海有关规范推荐的抗隆起安全系数的计算公式可以在设计中验算其抗抗隆起安全性，如果不能满足要求则须对刃角以下的地基进行预处理。抗隆起安全系数的计算公式如下：
Ks1=(γ2DNq+cNc)/[γ1(H+D)+q]
Ks1—抗隆起安全系数，一般取1．4～1．6：
H—开挖深度，m；
D—插入深度，m；
γ1—H+D深度范围内土体的加权重度，kN／m3；
γ2—D深度范围内土体的加权重度，kN／m3；
q—地面荷载，kPa；
c——滑移线范围内土体剪切强度指标的加值，kPa；
Nq、Nc——地基承载力系数，可根据经验选用普朗德乐或太沙基公式计算。
六、排水下沉或不排水下沉
在设计中，对沉井的下沉方法也应从以下几方面综合考虑：
(1)根据地质报告，地下水位较高，在粉土或粉细砂层排水下沉有可能造成流沙以及饱和流塑土层、高灵敏土层中最好采用不排水下沉。
(2)由于排水设施日益完善，设计中可考虑排水下沉、干封底，但要考虑降水对周围建筑物的影响。
(3)沉井周围已有构筑物离较近，须考虑井外降水漏斗半径的范围及井内排水、挖土对周边土体的影响，如无一定的措施，应采用不排水下沉。
沉井施工
一、基坑砂垫层及混凝土垫层的设置
在以前大型沉井制作都要设置承垫木，这种方法操作困难，枕木损耗多，对沉井受力不利，容易引起井壁开裂，改用砂和混凝土垫层可避免以上缺点。通常，在采用排水施工情况下，一般在原地面开挖2m左右深的基坑，在刃脚底再挖沟槽，深1m左右，宽度根据地基承载力，按砂垫层受力扩散角计算。在砂垫层上浇筑C10素混凝土层，每边比刃脚宽出约100mm，下沉前将混凝土垫层打碎，并连同砂垫层一起挖出，沉井便很平稳地沉至原状地基。接着即可按常规方法下沉施工。
二、沉井下沉施工
1.排水下沉常用的排水方法及施工要点
(1)明沟集水井排水及施工要点：在离刃脚2m左右处挖一圈排水明沟，设3～4个集水井，深度比沟底深1～1．5m，沟与井底深度随沉井挖土而不断加深；在井内或井壁上设水泵，将水抽出井外排走，井内渗水量很少时，可设潜水泵排水。
(2)喷射井点排水及施工要点：在沉井周围设置轻型井点、喷射井点以降低地下水水位，使井内保持挖干土。
(3)井点与明沟排水相结合：在沉井上部周围用井点截抽水，井壁下部挖明沟和集水井排水。
2.不排水下沉常用方法及施工要点：
(1)抓斗挖土及施工要点：用吊车吊抓斗挖掘井底中央部分的土，使之形成锅底。
(2)水力机械冲土施工要点：利用高压水枪的高压水流在井底冲刷土层，使其形成泥浆汇流至集泥坑，用水力吸泥机将泥浆抽出；适宜于抽吸的泥浆比重为，砂类土1．08～1．18、粘性土1．09～1．20。
3.下沉辅助措施
(1)高压射水：在较坚硬的土层中，利用抓土斗或吸泥机在水下除土时，一般需辅以高压射水以松动及冲散土层，以便抓吸。
(2)抽水下沉：不排水下沉的沉井，在刃脚下已掏空仍不下沉时，可在井内抽水而减少浮力，使沉井下沉。对于易引起翻沙涌水的地层，不宜采用。
(3)压重下沉：根据不同情况如下沉高度、施工设备、施工方法，采用压钢轨或型钢、接筑沉井混凝土、匀压砂袋土等方法。
(4)炮震下沉：沉井下沉至最后阶段，一般下沉较困难。当井中锅底坑已较深，刃脚下土层业已掏空，沉井仍不下沉时，可在井孔中央的泥面上放置炸药起爆，使刃脚已悬空的沉井受震下沉。
(5)触变汇浆润滑：在沉井刃脚外壁制作10~20cm台阶，下沉时在井壁与外围土层间形成空隙，将特制的泥浆压入空隙内，使井下沉时仅与摩擦系数小的泥浆壁接触，井壁润滑后的摩阻力小得多，减小下沉的摩擦力从而加快下沉速度和深度。
(6)壁后压气法：通过井壁预埋的喷气管向壁外喷射压缩空气，促使壁外土壤液化以降低井壁与土层的摩阻力。
4.沉井下沉注意事项.
(1)无论采用何种下沉方式，其井内除土应先从中间开始，均匀、对称地逐步地向刃脚处分层取土，以期沉井均匀下沉，防止偏斜。特别是下沉初期。沉井人土较浅，土层对沉井的平衡稳定作用差，容易产生偏斜。
(2)下沉中应随时掌握土层变化情况，分析和检验土壤阻力与沉井重量的关系，选用适宜的除土下沉方法，控制其除土部位及除土量，使沉井均匀平稳地下沉。
(3)当每节沉井接近下沉至预定标高时，应注意调平沉井，准备接高。此时应特别注意除土部位及深度，防止沉井下沉量过大或产生较大偏斜，增加接高的困难。
5.沉井终沉与封底
沉井封底后仍要继续下沉，沉井终沉标高要预留一定值，地基验收规范允许的标高偏差为±10mm。沉井封底可分为排水封底和不排水封底两种，当沉井基底无渗水或少量渗水时，可采用排水封底；当沉井基底有较大量渗水时须采用不排水封底，其方法有3种：垂直导管法灌注水下混凝土、堆石灌浆法和装袋法灌注水下混凝土。
6.沉降观测
沉井过程中加强对沉井的沉降观测。
结语
总之，一方面在沉井的设计中应根据不同的地质情况、不同的环境条件、充分考虑各种不利因素的影响进行设计；另一方面在施工单位在施工前要认真进行详细的施工组织设计，对施工过程中可能出现的各种不利情况要预先分析，且要有相應的行之有效的对策、措施，做到有备无患，同时在施工时要加强观测，对于出现的问题要及时处理，针对性地提出合理的解决方法。
参考文献：
中国工程建设标准化协会标准，《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》CECS137:2002
中华人民共和国国家标准,《给水排水构筑物工程施工及验收规范》GB50141-2008