沉井在軟土地區(qū)的設(shè)計施工措施

程棟柱

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

1 概 述

沉井是一種在地面制作后，從井內(nèi)部取土下沉至預(yù)定標(biāo)高的結(jié)構(gòu)。沉井用途廣泛，在工業(yè)建筑中尤為常見，如取水頭部、吸水井、沉井泵房、頂管工作井及接收井等。常見的沉井采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，按平面形狀分為圓形沉井、矩形沉井和多格沉井。

沉井設(shè)計時應(yīng)踏勘沉井周邊環(huán)境，探明周邊外一定范圍內(nèi)土層分布及均勻性，查清有無軟弱土層、洞穴或其他障礙物及其分布情況，收集土的物理力學(xué)指標(biāo)、沉井下沉側(cè)摩阻力及其場地水文資料。沉井常規(guī)的施工方法分為排水下沉、不排水下沉，或者結(jié)合土層特征綜合這兩種方法施工。

軟土地區(qū)主要指沉井井深范圍內(nèi)的土層主要由淤泥、淤泥質(zhì)土、沖填土、雜填土或其他高壓縮性、低承載力土層構(gòu)成。這些土層主要特征是高壓縮性、低強(qiáng)度、高靈敏性。沉井在軟土地區(qū)施工存在歪沉、超沉、井內(nèi)涌土等風(fēng)險，應(yīng)引起設(shè)計人員和施工人員的重視。

2 工程概況

某市位于我國東部濱海地區(qū)，陸地多為圍海造陸形成，屬于典型的軟土地區(qū)。該市原水輸水管線工程中管道需跨越道路、避開市政天然氣及污水管線，擬采用頂管跨越，頂管采用沉井結(jié)構(gòu)形式，主要考慮沉井施工周期快、造價經(jīng)濟(jì)。

輸水管道管徑為DN2000鋼管，頂進(jìn)距離約600 m，工作井采用矩形沉井，外圍尺寸為13.6 m×10.6 m，壁厚下部1.3 m、上部 0.9 m，刃腳底埋深14.25 m；接收井采用圓形沉井，外圍尺寸為D8.6 m，壁厚下部0.8 m、上部0.5 m，刃腳底埋深14.65 m。根據(jù)勘察報告，工作井井位鉆孔土層信息如圖1所示。顯而易見，井深范圍內(nèi)的1-22層、2-2層、2-31層為灰色淤泥或灰色淤泥質(zhì)黏土，頂管處土層2-2層為灰色淤泥質(zhì)黏土，刃腳底土層2-31層為灰色淤泥，且厚度接近8 m，其均為軟土，承載力低至45～50 kPa，液性指數(shù)均大于1，壓縮模量均小于3 MPa；接收井位置鉆孔土層剖面結(jié)構(gòu)類似，結(jié)構(gòu)整體均位于軟土中，土體結(jié)構(gòu)性能很差，設(shè)計和施工時均應(yīng)采取相應(yīng)應(yīng)對措施，保證結(jié)構(gòu)施工安全。

3 設(shè)計施工措施討論

為了保證沉井在軟土地區(qū)的結(jié)構(gòu)安全和施工安全，可以從兩方面考慮安全應(yīng)對措施。

3.1 設(shè)計方面

沉井設(shè)計過程主要包括沉井形狀、深度及平面尺寸確定、壁厚確定、下沉穩(wěn)定性及下沉系數(shù)驗算、封底混凝土厚度確定、封底抗浮驗算、施工和使用過程抗浮驗算、沉井側(cè)壁及底板底梁配筋計算等。在軟土地區(qū)設(shè)計沉井時，可根據(jù)以上設(shè)計過程逐一細(xì)化，確定具體的相應(yīng)安全應(yīng)對措施。

圖1 工作井勘探孔剖面圖（單位：mm）

常規(guī)的沉井形狀有矩形、圓形，沉井外部荷載主要來自于側(cè)壁土體、地下水的側(cè)向水平壓力，深度越大壓力越大。沉井下沉過程無底板、無頂板側(cè)向支撐，且側(cè)壁土體受擾動較大，土體結(jié)構(gòu)性能下降，是沉井受力最危險的時候。根據(jù)目前的沉井計算理論，矩形沉井側(cè)壁計算以水平截條法為主，即取1m高的井壁截條，施加環(huán)向水平土體壓力進(jìn)行內(nèi)力配筋計算；圓形沉井以《給水排水工程鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》（CECS 137—2015）中第6.2.3條計算理論為依據(jù)，假定井壁互成90°的兩點處土體的內(nèi)摩擦角差值為8°。兩種沉井形狀的井壁彎矩分布圖如圖2、圖3所示。

圖2 矩形沉井井壁彎矩分布圖（單位：kN·m）

圖3 圓形沉井井壁彎矩分布圖（單位：kN·m）

以四種沉井平面面積分別為200 m2、180 m2、150 m2、120 m2為例，矩形沉井和圓形沉井對應(yīng)面積一致，矩形沉井長寬比為1.2～2.0，計算井壁深度分別為地面下5 m、10 m處。沉井井壁計算彎矩最大值見表1。由表中彎矩比結(jié)果可見，矩形沉井在同等井內(nèi)面積下，井壁彎矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于圓形沉井，故在同樣裂縫控制標(biāo)準(zhǔn)下，井壁壁厚、配筋量均會增大不少。顯然圓形沉井環(huán)向受力更加合理，沉井井壁可減小，結(jié)構(gòu)自重可減輕，相應(yīng)大大減少沉井下沉過程的危險性，同時節(jié)省工程造價，建議軟土地區(qū)在環(huán)境允許、功能滿足條件下優(yōu)先采用圓形沉井作為頂管工作井及接收井。

表1 圓形、矩形沉井井壁最大彎矩比計算結(jié)果

沉井深度一般是由頂管深度決定，沉井平面尺寸是由沉井井內(nèi)空間的正常使用功能需求決定。無論沉井是永久井或臨時井，均應(yīng)以滿足正常使用功能、頂管施工需求為前提，盡可能減少井內(nèi)深度、平面尺寸。井深、平面尺寸減少，沉井結(jié)構(gòu)自重減少，在軟土地區(qū)下沉、接高時可大大減少安全風(fēng)險。減小沉井壁厚也是相同原因。

沉井下沉系數(shù)和下沉穩(wěn)定性是軟土地區(qū)設(shè)計的關(guān)鍵。常見的問題是沉井下沉系數(shù)過大、下沉穩(wěn)定系數(shù)過大。根據(jù)《給水排水工程鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》（CECS 137—2015） 第 6.1.2、6.1.3條及其條文說明，沉井下沉系數(shù)宜在1.05～1.5（一般控制下限值即可），下沉穩(wěn)定系數(shù)宜在0.8～0.9。沉井下沉系數(shù)過大，會有突沉風(fēng)險；沉井下沉穩(wěn)定系數(shù)過大，會有歪沉、突沉風(fēng)險。故在設(shè)計過程中，應(yīng)控制沉井下沉系數(shù)和下沉穩(wěn)定系數(shù)在合理范圍內(nèi)。根據(jù)沉井規(guī)程：

式中：Gik為沉井結(jié)構(gòu)自重標(biāo)準(zhǔn)值；Ffw,k為水浮力標(biāo)準(zhǔn)值；Ffk為沉井側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值；Rb為沉井刃腳、底梁、隔墻下的土體極限承載力之和。

根據(jù)以上公式可知，沉井下沉系數(shù)、下沉穩(wěn)定系數(shù)與四個因素相關(guān)，即Gik、Ffw,k、Ffk、Rb，故可考慮從這四個因素著手，合理控制沉井下沉系數(shù)、下沉穩(wěn)定系數(shù)。以該工程矩形工作井為例，勘察期間地下水位為地面下1.00 m，在未采取任何安全應(yīng)對措施時，結(jié)構(gòu)自重Gik=1.99×104kN（不做底梁），水浮力Ffw,k=7.82×103kN，井壁側(cè)摩阻力Ffk=8.05×103kN，刃腳土體極限承載力Rb=5.05×103kN，對應(yīng)計算結(jié)果如下：下沉系數(shù)kst=1.51；下沉穩(wěn)定系數(shù)kst,s=0.92。

可見下沉系數(shù)與下沉穩(wěn)定系數(shù)均超出了正常范圍，擬采用以下幾種措施調(diào)整：減輕結(jié)構(gòu)自重、調(diào)整水位、增設(shè)底梁或增大刃腳寬度、調(diào)整刃腳底土體承載力。減輕結(jié)構(gòu)自重一般是調(diào)整不同壁厚區(qū)域的分段高度或直接減小壁厚；調(diào)整水位則是通過抽水或灌水來調(diào)整井外水位，以達(dá)到調(diào)整沉井水浮力的目的；設(shè)置底梁是常規(guī)做法，既能提供底梁反力增加下沉穩(wěn)定性，又能增加結(jié)構(gòu)整體性能，在不影響機(jī)械挖土的前提下盡量設(shè)置，與沉井一起下沉；增大刃腳寬度亦是提高刃腳反力的類似做法，在刃腳底地基土承載力低下時，可考慮此做法；調(diào)整刃腳底土體承載力的規(guī)范依據(jù)是《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB 50007—2011）中第5.2.4條地基承載力深寬修正公式，即在沉井分段接高或即將下沉就位時，保留井內(nèi)一定厚度土體或井內(nèi)回填一部分土體，以保證或提高部分刃腳底土體承載力。井下軟土靈敏度高、結(jié)構(gòu)性能差，稍有擾動承載力都會急劇下降，在沉井下沉接近至設(shè)計標(biāo)高時，更應(yīng)保留部分土體，防止沉井超沉或井內(nèi)涌土。以該工程地質(zhì)條件為例，就以上常見安全措施進(jìn)行調(diào)整試算，并將計算結(jié)果列于表2。

由表2下沉系數(shù)和穩(wěn)定系數(shù)調(diào)整前后對比可知，五種措施均可減小沉井穩(wěn)定系數(shù)，下沉系數(shù)則在原方案結(jié)果上下浮動。其中增底梁、加寬刃腳、增地基土承載力等措施對下沉穩(wěn)定系數(shù)控制效果較為明顯，最大降幅達(dá)8%，但前兩種措施會增加結(jié)構(gòu)自重，相應(yīng)增大下沉系數(shù)；該工程實例勘察水位較高，增水浮力空間較小，故效果不明顯。在軟土地區(qū)，土體透水性差，利于水位穩(wěn)定控制，可在沉井即將下沉就位時，可利用水浮力進(jìn)行沉井減速或沉井穩(wěn)定作用；減沉井自重既能減小下沉穩(wěn)定系數(shù)，又能減小下沉系數(shù)，對沉井下沉過程的積極作用明顯，在滿足強(qiáng)度和裂縫控制時推薦采用。

表2 設(shè)計下沉系數(shù)及下沉穩(wěn)定系數(shù)調(diào)整方案對比

沉井封底混凝土的作用一般是提供沉井抗浮力、提供底板邊抗沖切力、提供底板施工時的操作面。水下封底混凝土厚度按下式確定：

式中：M為每米寬度最大彎矩設(shè)計值；b為計算寬度，取1 000 mm；ft為混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計值；hu為附加厚度，取300～500 mm。

可見封底混凝土厚度ht主要與彎矩M相關(guān)，即與沉井底部平面尺寸大小相關(guān)，與軟土地區(qū)無關(guān)。一般軟土地區(qū)沉井應(yīng)盡量減小平面尺寸，即封底厚度ht會相應(yīng)減小，但考慮其抗浮和井內(nèi)防涌土的有利作用，應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)放大，保證沉井施工過程安全。

沉井設(shè)計過程的抗浮驗算一般包括封底抗浮、頂管施工過程中抗浮及使用過程抗浮驗算。封底抗浮時可進(jìn)行適當(dāng)降水減小水浮力，保證結(jié)構(gòu)抗浮穩(wěn)定性；一般頂管施工和使用過程的周期長，不可能一直采取降水措施，所以應(yīng)考慮利用沉井結(jié)構(gòu)自重、內(nèi)部素混凝土、封底素混凝土和頂部覆土等進(jìn)行抗浮，即在后期不采取人工干預(yù)的情況下保證抗浮穩(wěn)定性。軟土地區(qū)自然水位一般較高、水浮力大，結(jié)構(gòu)抗浮安全應(yīng)引起足夠重視。

沉井井壁和底板、底梁配筋計算一般是以裂縫控制為主，強(qiáng)度控制為輔。軟土地區(qū)土體c、φ一般較小，土體自穩(wěn)性能差，含水量高甚至接近飽和狀態(tài)，對沉井井壁的側(cè)向壓力、沉井頂部的豎向壓力均會比常規(guī)區(qū)域略大一些，設(shè)計時應(yīng)考慮配筋量適當(dāng)放大。在沉井頂管洞口封堵區(qū)域，應(yīng)采取高壓旋噴樁或水泥土攪拌樁進(jìn)行土體加固，既能保證頂管機(jī)進(jìn)出洞口安全，又能進(jìn)行洞口止水和部分洞口封堵作用。

3.2 施工方面

在軟土地區(qū)，沉井施工過程是一個施工難度大、施工要求高、影響范圍廣、多風(fēng)險并存的過程，應(yīng)引起施工單位、監(jiān)理單位及建設(shè)單位的高度重視。

沉井施工前，應(yīng)制定詳細(xì)的沉井施工組織方案，并經(jīng)專家組評審?fù)ㄟ^后方可開展施工準(zhǔn)備工作。施工準(zhǔn)備工作主要包括以下內(nèi)容：沉井現(xiàn)場障礙物排除及地下障礙物探查、沉井井位復(fù)核、沉井周邊環(huán)境確認(rèn)、結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙及地勘報告研讀等。如為頂管工程，還需確認(rèn)頂管沿線是否已存在其他市政管線，是否存在沖突或小于頂管安全距離。

施工單位應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況及周邊環(huán)境制定完備的應(yīng)急安全預(yù)案。如沉井出現(xiàn)下沉速度過快、歪沉、超沉、井內(nèi)涌土等現(xiàn)象時，應(yīng)采取何種應(yīng)對措施，以確保沉井安全順利下沉就位。

沉井施工前，施工單位應(yīng)根據(jù)表層土體承載力、第一段沉井自重、刃腳底面積計算砂墊層厚度。軟土地區(qū)一般表層土體承載力低、靈敏度高，且不均勻可能性大，開始下沉?xí)r歪沉的可能性較大，故砂墊層厚度應(yīng)考慮適當(dāng)放大。

軟土地區(qū)沉井下沉過程中，應(yīng)優(yōu)先考慮不排水下沉方式。水浮力對沉井下沉過程的穩(wěn)定性和安全性至為關(guān)鍵。由前述設(shè)計方面安全措施的沉井下沉系數(shù)和下沉穩(wěn)定系數(shù)計算可知，水浮力對兩者均有較為重要的積極作用。故在軟土地區(qū)沉井下沉過程中，可考慮井內(nèi)回灌水或其他提高浮力措施，保證下沉過程安全，避免出現(xiàn)下沉過快、超沉、歪沉等風(fēng)險。

沉井封底時應(yīng)優(yōu)先考慮水下封底。水下封底可維持井內(nèi)外水壓平衡，減少涌土風(fēng)險；且水下封底可利用水浮力支托，減緩沉井即將就位時的下沉速度，減少超沉風(fēng)險。

軟土地區(qū)沉井施工對施工單位的施工水平是一個很大的考驗，既要保證工期，又要滿足安全順利施工就位，同時還需兼顧造價、環(huán)境影響，是一個復(fù)雜、繁重的任務(wù)。當(dāng)然，軟土地區(qū)沉井施工還有其他許多注意事項、安全措施，如下沉就位前一定距離停止挖土、刃腳形狀采用矩形而非梯形、井壁外表面做一些凸出造型等。

4 結(jié) 語

軟土地區(qū)進(jìn)行沉井施工時，為避免出現(xiàn)下沉速度過快、歪沉、超沉、井內(nèi)涌土等風(fēng)險，而導(dǎo)致不可挽救的后果，本文從設(shè)計和施工兩方面出發(fā)，結(jié)合工程實例，探討了一些常見的安全應(yīng)對措施。現(xiàn)簡要總結(jié)如下，以期對未來的軟土地區(qū)設(shè)計和施工提供一些積極的指導(dǎo)意義：

（1）在環(huán)境允許、功能滿足的條件下，優(yōu)先采用圓形沉井結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)受力更合理。

（2）盡可能減小平面尺寸、井深、沉井壁厚，減輕結(jié)構(gòu)自重，極大地減少設(shè)計難度，降低施工風(fēng)險。

（3）沉井盡可能設(shè)置底梁，加寬刃腳底面寬度，采取有效措施保留或提高刃腳底土體承載力，并利用水浮力保證下沉穩(wěn)定。

（4）施工過程應(yīng)優(yōu)先采用不排水下沉、水下封底，利用水浮力減緩下沉速度，提高下沉穩(wěn)定安全性。