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[摘要]根据工程实例介绍沉井施工中的各项受力计算和沉井施工技术。
[关键词]沉井, 刃脚, 封底
中图分类号：TU74文献标识码：A文章编号：
[Abstract] according to the practical engineering examples of the open caisson, the paper talks about construction stress calculation and open caisson construction technology.
[Key Words] open caisson, blade's feet, back cover
一、工程概况
慈溪东部污水主干管工程中的沉井结构，是该工程顶管施工中的前道工序。本文所介绍的主题是该工程296座沉井中的一座。其作用是顶管工作井，该沉井位于D标段，井号为D45。沉井尺寸为9.2米×6.2米，井壁厚度为0.6米，下沉深度为9.5米。
二、水文地质情况、气候条件
D45＃沉井原地面高程2.300m，沉井底部高程为－7.206m。沉井场地土层自上而下分别为杂填土①、粉质粘土②、淤泥质粘土③、粉土④。场地地下水主要为贮存于土层②的底层滞水，稳定水位为4.2～5.3m。慈溪气候属于季风性气候，冬夏稍长，春秋短暂，降雨多集中在5～9月份，占全年降水量的24％左右。
三、沉井施工方案
沉井根据设计结构形式，采取分2次制作、2次下沉，施工顺序为：挖基坑——铺设垫层——第一节沉井制作——保养——第一节沉井下沉——第二节沉井制作——保养——第二节沉井下沉——封底。
四、沉井结构
根据以往经验，沉井高度大于8m，一次性浇筑困难，下沉易引起倾斜，本沉井高达9.5m，故采取分节制作，分节高度应保证其稳定性，使沉井能在自重下顺利下沉。分节高度为：第一节高度6.0米，第二节高度3.5米。分节高度的合理性，在下述的計算中逐步叙述。
五、沉井施工过程
5.1施工坑开挖
沉井采取在基坑中制作，以减少下沉深度，降低施工作业面。开挖深度应高于地下水位1.0米左右为宜。本座沉井开挖深度为1.5米，考虑到支模操作和坑底排水沟的需要，基坑比沉井宽2米，四周挖排水沟，集水井，挖土采用1台1.0m3反铲挖掘机进行，配合人工修坡和平整坑底。
5.2 沉井制作
5.2.1刃脚支设
首先对于传统砂垫层上假设枕木的支设方法，计算砂垫层的厚度：
砂垫层厚度：（1）
式中：G—沉井第一节单位长度的重力（kN/m）；
f—砂垫层底部土层的承载力设计值（kN/m2）；
--垫木的长度（m）；
--砂垫层的压力扩散角（。），不大于45。，一般取22.5。。
混凝土比重取：24kN/m3；基坑底为土层②上，f取：110 kN/m2；若不采用枕木 取：0。通过计算h＝4.48cm。然本工程沉井数量众多，沿线土质变化频繁，基坑底土层的承载力不完全相同，故原设计的支设方式由下向上为，变尺寸h厚度的砂垫层、10cm厚C10素混凝土和刃角斜面处的M10砖砌体。
改种支设方法是在坑底原土整平夯实后，直接浇注C10素混凝土垫层，沉井刃脚斜面增设M10砖砌体。
沉井第一节高度为6.0米，在图二所示的支设方法下计算基底承载力是否可以满足第一节沉井高度的施工要求：沉井自重G＝2453.76 kN,地基承载力F＝110 kN/m2×40.896m2=4498.56 kN，F>>G，故基底承载力可以满足第一节沉井6.0米高度的施工要求。
5.2.2模板支设和钢筋绑扎
沉井制作的模板支设和钢筋绑扎与普通结构施工要求一样，只不过本工程沉井采用对拉螺杆来控制井壁厚度。螺杆的横向间距为0.8米，纵向间距为0.6米，对于螺杆直径的选取，计算如下：
混凝土对模板的侧压力计算
新浇混凝土作用在模板的最大侧压力，可按下列二式计算，并取二式中的较小值：
（2）
（3）
式中：F－新浇混凝土作用在模板的最大侧压力（kN/m2）；
－混凝土的重力密度（kN/m3）；
－新浇混凝土的初凝时间（h）,可按实测确定。当缺乏试验资料时，可采用 计算，T－混凝土的温度（C0）；
V－混凝土的浇灌速度（m/h）；
H－混凝土侧压力计算位置至新浇混凝土顶面的总高度（m）；
－外加剂影响修正系数，不掺加外加剂时取1.0，掺加缓凝剂时取1.2；
－混凝土坍落度影响修正系数，当坍落度小于30mm时，取0.85；50～90mm时，取1.0；110～150时。取1.15。
通过计算，新浇混凝土对模板的最大侧压力为F＝144kN/m2
模板对拉螺栓计算(4)
式中：P－模板对拉螺栓承受的拉力（N）；
F－混凝土的侧压力（N/m2）；
A－模板对拉螺栓分担的受荷面积（m2），其中A＝a×b；
a— 对拉螺栓的横向间距（m）；
b— 对拉螺栓的纵向间距（m）。
通过计算螺杆所承受的拉力为P＝69.12kN
P计算出结果后可根据下表查出所需的对拉螺栓的规格：
对拉螺栓力学性能表
故，选用M12的螺杆。根据以往的施工经验，在混凝土浇注过程中，因螺杆产生的爆模多数不是螺杆被拉断，而是螺杆的丝口滑丝。所以，在加固模板时，下方2米范围内的螺杆采用双螺帽并紧，以防出现爆模现象。
5.2.3 混凝土浇筑
混凝土采用商品砼，并用砼输送泵，送至沉井浇筑部位，沿井壁均匀对称浇筑。浇筑采用分层平铺法，每层厚度不超过50cm ，保持对称均匀下料，以避免一侧浇筑，使沉井倾斜，浇注速度控制在2米/小时内。两节混凝土的接缝处设凹型水平施工缝。
5.3 沉井下沉控制
5.3.1 下沉前的准备工作
必须等到混凝土强度达到100％时，才可以进行下沉工作。除此之外，沉井筒身自重小，沉井下沉系数可能较小，在沉井挖土下沉中可采取在井壁外侧自来水冲刷及在沉井筒身上加载的措施，加大下沉系数。故在沉井下沉之前应对其在自重下能否下沉进行必要的验算，验算公式如下：
…………………(5)
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），如采用排水下沉时，B＝0；
T－沉井外壁与土之间的摩阻力（kN）， ；
D－沉井外径（m）；H－沉井全高（m）h－刃脚高度（m）；
R－刃脚反力（kN），如采用将刃脚处土挖空，则R＝0；
f—井壁与土的摩阻系数，沉井下沉范围内由不同土质构成时， ；f1、f2…fn－各层土与井壁的摩阻系数（kN/m2）；
n1、n2…nn－各层土的厚度（m）。
对于公式中的T－沉井外壁与土之间的摩阻力（kN），本例为矩形沉井，而非圆形，故可更改为T＝（a+b）×2×H×f，其中a、b表示沉井外围尺寸、H表示沉井全高。第一节下沉范围内土层：粉质粘土②，f=12kN/m2，n=1.4m；淤泥质粘土③，f=11kN/m2，n=3.1m；粉土④，f=15 kN/m2，n=1.0m。采用自重排水下沉，刃角土挖空,并且为了第二节制作方便，第一节只下沉5.5米。通过计算，k＝1.21。故，第一节制作6米高满足沉井靠自重下沉的要求。
5.3.2沉井第一节下沉
沉井下沉速度的控制，根据土质情况采用台阶形挖土自重破土方式。采用从中间开始向四周逐渐开挖，并始终均衡对称地进行，每层挖土厚度为 1.0～1.5m。沉井挖土下沉采长臂挖土机挖土。研究沉井下沉的安全控制，沉井下沉速度控制為200～250cm/天。下沉观测沉井位置的控制是在井外地面设置纵横十字控制桩、水准基点。下沉时，在井壁上设十字控制线，并在四侧设水平点。于壁外侧用红铅油画出标尺，以测沉降，井内中心线与垂直度的观测系在井内壁四边标出垂直轴线，各吊垂球一个，对准下部标志板来控制，并定时用两台经纬仪进行垂直偏差观测。挖土时随时观测垂直度，当垂球离墨线边达50mm 或四面标高不一致时，立即纠正，沉井下沉过程中，每班至少观测两次，并在每次下沉后进行检查，做好记录，当发现倾斜、位移、扭转时，及时通知值班队长，指挥操作工人纠正，使允许偏差范围控制在允许范围以内。沉井在下沉过程中，最大沉降差均控制在250mm以内。当预制段顶高于基坑底1米左右时，控制下沉速度，降低每层的挖土深度。保证预制段顶高于基坑底50cm，此时刃脚范围应在未被扰动的原土层中。
5.3.3沉井第二层制作
沉井第二节制作时，第一节并未下沉到设计标高。所以，第二节制作之前，必须验算第二节制作过程中第一节的稳定性。验算公式可采用公式（5）计算，计算点在第二节混凝土浇注完毕的瞬间。此时，沉井内几乎水，故B=0；R＝130 kN/m2×17.04m2＝2215.2Kn；T＝2029.412kN。通过计算，k＝0.915。故，第二节制作过程中，沉井稳定性可靠。也可说明沉井的分节高度是合理的。接下来的计算、施工与前述相同。
5.4 下沉到位、封底技术
当沉井沉到设计标高时，即刻进行封底。因为地下水位较高，持力层位于粉土中，极易出现流沙、管涌。其他标段采用先观察2～3天，等沉井稳定后再封底的常规封底方法，结果出现大量流沙，只有降水后再封底，浪费了大量的人力、物力。
D45#沉井在封底施工采用非常规的封底方法。因为当沉井沉井下沉到设计标高，锅底形成时，坑底并未出现流沙，只有少量积水，所以即刻进行封底。首先，填筑50cm左右的毛片；然后铺筑20cm左右的碎石；再立刻绑扎底板钢筋，注意要与壁板预留钢筋焊接，同时将刃脚混凝土凿毛处洗刷干净，浇筑40cm厚的防水混凝土底板。混凝土浇筑完成后，在底板表面覆盖双层彩条布，然后往沉井内注水，注水高度与地下水位基本相平。待底板混凝土达到90%设计强度后，将水抽除，即可交付给顶管作业队。
六、结束语
沉井施工的每道工序都相当的严谨，都应经过详细的计算，尽可能排除一切潜在的隐患。环境、地质的不同，施工方法也应该随之改变，切不可墨守陈规想当然从事。
参考文献：
[1]段良策殷奇.沉井设计与施工[M].同济大学出版社，2006年.
[2]江正容.建筑施工计算手册[M].中国建筑工业出版社，2001年.
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
[关键词]沉井, 刃脚, 封底
中图分类号：TU74文献标识码：A文章编号：
[Abstract] according to the practical engineering examples of the open caisson, the paper talks about construction stress calculation and open caisson construction technology.
[Key Words] open caisson, blade's feet, back cover
一、工程概况
慈溪东部污水主干管工程中的沉井结构，是该工程顶管施工中的前道工序。本文所介绍的主题是该工程296座沉井中的一座。其作用是顶管工作井，该沉井位于D标段，井号为D45。沉井尺寸为9.2米×6.2米，井壁厚度为0.6米，下沉深度为9.5米。
二、水文地质情况、气候条件
D45＃沉井原地面高程2.300m，沉井底部高程为－7.206m。沉井场地土层自上而下分别为杂填土①、粉质粘土②、淤泥质粘土③、粉土④。场地地下水主要为贮存于土层②的底层滞水，稳定水位为4.2～5.3m。慈溪气候属于季风性气候，冬夏稍长，春秋短暂，降雨多集中在5～9月份，占全年降水量的24％左右。
三、沉井施工方案
沉井根据设计结构形式，采取分2次制作、2次下沉，施工顺序为：挖基坑——铺设垫层——第一节沉井制作——保养——第一节沉井下沉——第二节沉井制作——保养——第二节沉井下沉——封底。
四、沉井结构
根据以往经验，沉井高度大于8m，一次性浇筑困难，下沉易引起倾斜，本沉井高达9.5m，故采取分节制作，分节高度应保证其稳定性，使沉井能在自重下顺利下沉。分节高度为：第一节高度6.0米，第二节高度3.5米。分节高度的合理性，在下述的計算中逐步叙述。
五、沉井施工过程
5.1施工坑开挖
沉井采取在基坑中制作，以减少下沉深度，降低施工作业面。开挖深度应高于地下水位1.0米左右为宜。本座沉井开挖深度为1.5米，考虑到支模操作和坑底排水沟的需要，基坑比沉井宽2米，四周挖排水沟，集水井，挖土采用1台1.0m3反铲挖掘机进行，配合人工修坡和平整坑底。
5.2 沉井制作
5.2.1刃脚支设
首先对于传统砂垫层上假设枕木的支设方法，计算砂垫层的厚度：
砂垫层厚度：（1）
式中：G—沉井第一节单位长度的重力（kN/m）；
f—砂垫层底部土层的承载力设计值（kN/m2）；
--垫木的长度（m）；
--砂垫层的压力扩散角（。），不大于45。，一般取22.5。。
混凝土比重取：24kN/m3；基坑底为土层②上，f取：110 kN/m2；若不采用枕木 取：0。通过计算h＝4.48cm。然本工程沉井数量众多，沿线土质变化频繁，基坑底土层的承载力不完全相同，故原设计的支设方式由下向上为，变尺寸h厚度的砂垫层、10cm厚C10素混凝土和刃角斜面处的M10砖砌体。
改种支设方法是在坑底原土整平夯实后，直接浇注C10素混凝土垫层，沉井刃脚斜面增设M10砖砌体。
沉井第一节高度为6.0米，在图二所示的支设方法下计算基底承载力是否可以满足第一节沉井高度的施工要求：沉井自重G＝2453.76 kN,地基承载力F＝110 kN/m2×40.896m2=4498.56 kN，F>>G，故基底承载力可以满足第一节沉井6.0米高度的施工要求。
5.2.2模板支设和钢筋绑扎
沉井制作的模板支设和钢筋绑扎与普通结构施工要求一样，只不过本工程沉井采用对拉螺杆来控制井壁厚度。螺杆的横向间距为0.8米，纵向间距为0.6米，对于螺杆直径的选取，计算如下：
混凝土对模板的侧压力计算
新浇混凝土作用在模板的最大侧压力，可按下列二式计算，并取二式中的较小值：
（2）
（3）
式中：F－新浇混凝土作用在模板的最大侧压力（kN/m2）；
－混凝土的重力密度（kN/m3）；
－新浇混凝土的初凝时间（h）,可按实测确定。当缺乏试验资料时，可采用 计算，T－混凝土的温度（C0）；
V－混凝土的浇灌速度（m/h）；
H－混凝土侧压力计算位置至新浇混凝土顶面的总高度（m）；
－外加剂影响修正系数，不掺加外加剂时取1.0，掺加缓凝剂时取1.2；
－混凝土坍落度影响修正系数，当坍落度小于30mm时，取0.85；50～90mm时，取1.0；110～150时。取1.15。
通过计算，新浇混凝土对模板的最大侧压力为F＝144kN/m2
模板对拉螺栓计算(4)
式中：P－模板对拉螺栓承受的拉力（N）；
F－混凝土的侧压力（N/m2）；
A－模板对拉螺栓分担的受荷面积（m2），其中A＝a×b；
a— 对拉螺栓的横向间距（m）；
b— 对拉螺栓的纵向间距（m）。
通过计算螺杆所承受的拉力为P＝69.12kN
P计算出结果后可根据下表查出所需的对拉螺栓的规格：
对拉螺栓力学性能表
故，选用M12的螺杆。根据以往的施工经验，在混凝土浇注过程中，因螺杆产生的爆模多数不是螺杆被拉断，而是螺杆的丝口滑丝。所以，在加固模板时，下方2米范围内的螺杆采用双螺帽并紧，以防出现爆模现象。
5.2.3 混凝土浇筑
混凝土采用商品砼，并用砼输送泵，送至沉井浇筑部位，沿井壁均匀对称浇筑。浇筑采用分层平铺法，每层厚度不超过50cm ，保持对称均匀下料，以避免一侧浇筑，使沉井倾斜，浇注速度控制在2米/小时内。两节混凝土的接缝处设凹型水平施工缝。
5.3 沉井下沉控制
5.3.1 下沉前的准备工作
必须等到混凝土强度达到100％时，才可以进行下沉工作。除此之外，沉井筒身自重小，沉井下沉系数可能较小，在沉井挖土下沉中可采取在井壁外侧自来水冲刷及在沉井筒身上加载的措施，加大下沉系数。故在沉井下沉之前应对其在自重下能否下沉进行必要的验算，验算公式如下：
…………………(5)
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），如采用排水下沉时，B＝0；
T－沉井外壁与土之间的摩阻力（kN）， ；
D－沉井外径（m）；H－沉井全高（m）h－刃脚高度（m）；
R－刃脚反力（kN），如采用将刃脚处土挖空，则R＝0；
f—井壁与土的摩阻系数，沉井下沉范围内由不同土质构成时， ；f1、f2…fn－各层土与井壁的摩阻系数（kN/m2）；
n1、n2…nn－各层土的厚度（m）。
对于公式中的T－沉井外壁与土之间的摩阻力（kN），本例为矩形沉井，而非圆形，故可更改为T＝（a+b）×2×H×f，其中a、b表示沉井外围尺寸、H表示沉井全高。第一节下沉范围内土层：粉质粘土②，f=12kN/m2，n=1.4m；淤泥质粘土③，f=11kN/m2，n=3.1m；粉土④，f=15 kN/m2，n=1.0m。采用自重排水下沉，刃角土挖空,并且为了第二节制作方便，第一节只下沉5.5米。通过计算，k＝1.21。故，第一节制作6米高满足沉井靠自重下沉的要求。
5.3.2沉井第一节下沉
沉井下沉速度的控制，根据土质情况采用台阶形挖土自重破土方式。采用从中间开始向四周逐渐开挖，并始终均衡对称地进行，每层挖土厚度为 1.0～1.5m。沉井挖土下沉采长臂挖土机挖土。研究沉井下沉的安全控制，沉井下沉速度控制為200～250cm/天。下沉观测沉井位置的控制是在井外地面设置纵横十字控制桩、水准基点。下沉时，在井壁上设十字控制线，并在四侧设水平点。于壁外侧用红铅油画出标尺，以测沉降，井内中心线与垂直度的观测系在井内壁四边标出垂直轴线，各吊垂球一个，对准下部标志板来控制，并定时用两台经纬仪进行垂直偏差观测。挖土时随时观测垂直度，当垂球离墨线边达50mm 或四面标高不一致时，立即纠正，沉井下沉过程中，每班至少观测两次，并在每次下沉后进行检查，做好记录，当发现倾斜、位移、扭转时，及时通知值班队长，指挥操作工人纠正，使允许偏差范围控制在允许范围以内。沉井在下沉过程中，最大沉降差均控制在250mm以内。当预制段顶高于基坑底1米左右时，控制下沉速度，降低每层的挖土深度。保证预制段顶高于基坑底50cm，此时刃脚范围应在未被扰动的原土层中。
5.3.3沉井第二层制作
沉井第二节制作时，第一节并未下沉到设计标高。所以，第二节制作之前，必须验算第二节制作过程中第一节的稳定性。验算公式可采用公式（5）计算，计算点在第二节混凝土浇注完毕的瞬间。此时，沉井内几乎水，故B=0；R＝130 kN/m2×17.04m2＝2215.2Kn；T＝2029.412kN。通过计算，k＝0.915。故，第二节制作过程中，沉井稳定性可靠。也可说明沉井的分节高度是合理的。接下来的计算、施工与前述相同。
5.4 下沉到位、封底技术
当沉井沉到设计标高时，即刻进行封底。因为地下水位较高，持力层位于粉土中，极易出现流沙、管涌。其他标段采用先观察2～3天，等沉井稳定后再封底的常规封底方法，结果出现大量流沙，只有降水后再封底，浪费了大量的人力、物力。
D45#沉井在封底施工采用非常规的封底方法。因为当沉井沉井下沉到设计标高，锅底形成时，坑底并未出现流沙，只有少量积水，所以即刻进行封底。首先，填筑50cm左右的毛片；然后铺筑20cm左右的碎石；再立刻绑扎底板钢筋，注意要与壁板预留钢筋焊接，同时将刃脚混凝土凿毛处洗刷干净，浇筑40cm厚的防水混凝土底板。混凝土浇筑完成后，在底板表面覆盖双层彩条布，然后往沉井内注水，注水高度与地下水位基本相平。待底板混凝土达到90%设计强度后，将水抽除，即可交付给顶管作业队。
六、结束语
沉井施工的每道工序都相当的严谨，都应经过详细的计算，尽可能排除一切潜在的隐患。环境、地质的不同，施工方法也应该随之改变，切不可墨守陈规想当然从事。
参考文献：
[1]段良策殷奇.沉井设计与施工[M].同济大学出版社，2006年.
[2]江正容.建筑施工计算手册[M].中国建筑工业出版社，2001年.
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。