論大型沉井在取水泵房中的應用

何劍平

（1.上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海市200092；2.上海水業(yè)設計工程有限公司，上海市200092）

0 引 言

沉井是利用自重來抵抗井壁摩阻力后下沉到設計標高，經(jīng)過混凝土封底，使其成為結(jié)構(gòu)物本體或基礎，主要由刃腳、井壁、底板、內(nèi)隔墻、支撐梁柱等構(gòu)成。沉井埋置深度范圍較廣，其作為基坑開挖整體性強、安全性好，能承受較大的水平及豎向荷載作用。沉井作為擋土、擋水構(gòu)筑物，在下沉過程中本體可以作為圍護結(jié)構(gòu)，故簡化了施工。

取水泵房是市政給水工程建設中一個非常重要的構(gòu)筑物，其對施工要求非常高，一般建成地下式或半地下式結(jié)構(gòu)。由于需要保證在枯水位時水泵能夠取水的功能，故其埋深往往較大。

隨著城市不斷發(fā)展，城市內(nèi)建（構(gòu)）筑物數(shù)量逐年增加，新建取水泵房鄰近必然存在施工開挖時所影響的建（構(gòu)）筑物，沉井具有防滲性能好、質(zhì)量可靠、變形小、造價較低等優(yōu)勢，近些年，沉井作為圍護形式在實際工程中應用越來越多。本文通過對城南水廠取水泵房沉井的有限元計算分析，為大型沉井施工提供理論依據(jù)。

1 工程背景

南京城南水廠取水口整合工程取水規(guī)模為35萬m3/d，取水自流管采用2 根DN1800 鋼管，施工方式為取水泵房頂管+ 水下沉管+ 鋼管樁樁架。取水泵房作為頂管工作井，由進水室、吸水井、泵房合建而成。該工程取水泵房平面尺寸為43.74 m×30.1 m，內(nèi)設隔墻、框架梁、壁柱，深度13.05 m，設計地坪標高9.00 m（吳淞高程），現(xiàn)狀地坪標高8.50 m。

2 場地周邊環(huán)境及工程地質(zhì)條件

取水泵房位于夾江南側(cè)現(xiàn)狀綠地內(nèi)，施工期間影響范圍內(nèi)的建（構(gòu)）筑物包括夾江大堤、梅山礦業(yè)泵房等；其中井體邊距離夾江土石大堤堤腳27.5 m，距梅山礦業(yè)泵房最近距離為37.2 m。

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告，取水泵房場地土層主要為①1層雜填土、①2層素填土、②1層粉質(zhì)黏土，C=21.0 kPa，Φ=12.8°、②2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土～粉質(zhì)黏土，C=12.0 kPa，Φ=11.9°、②3層粉質(zhì)黏土夾粉土粉砂，C=10.0 kPa，Φ=11.1°、③2層粉細砂，C=8.0 kPa，Φ=35.0°。底板底位于②3層粉質(zhì)黏土夾粉土粉砂，刃腳底落于③2層粉細砂。

3 取水泵房圍護形式選型

根據(jù)南京地區(qū)多年來軟土地下工程建設的實踐經(jīng)驗，通過對基坑周邊環(huán)境條件和水文地質(zhì)條件的研究，取水泵房圍護一般有沉井、單排灌注樁+支撐+止水帷幕、SMW 工法、雙排灌注樁+止水帷幕等形式。

沉井施工工藝成熟，在國內(nèi)外各地區(qū)各行業(yè)，特別是市政行業(yè)，得到了廣泛的應用，適用于各種深度的基坑。隨著沉井施工工藝的不斷發(fā)展和工程經(jīng)驗的不斷累積，近些年，沉井深度越來越深，平面尺寸越來越大。沉井作為頂管井施工完成后即可作為工藝永久井使用，無需在坑內(nèi)另作井，其造價較低，施工周期較短，頂管施工過程中安全系數(shù)較高。但沉井下沉時對周邊環(huán)境有影響，需通過井外施工止水帷幕保護樁進行隔水及加固，以減小其施工帶來的影響。

灌注樁+內(nèi)支撐作為圍護結(jié)構(gòu)，高壓旋噴樁或水泥土攪拌樁作為止水帷幕，灌注樁+止水帷幕的墻體剛度大，施工過程中對周邊地基擾動小，對鄰近建（構(gòu)）筑物的影響小，支護開挖深度可達20 m，由于灌注樁施工周期長，同時需要設置內(nèi)支撐，故施工工期較長。

SMW 工法井為三軸攪拌樁插H 型鋼作為圍護結(jié)構(gòu)，具有擋土、擋水作用。具有經(jīng)濟性好，施工速度快的優(yōu)勢，但南京地區(qū)一般用于開挖探度≤12 m 的頂管井。

雙排灌注樁圍護結(jié)構(gòu)為無支撐懸臂結(jié)構(gòu)，方便土方開挖，在場地受限地區(qū)深基坑支護工程中具有廣泛的應用，一般應用于開挖探度8～14m 基坑。

在經(jīng)濟方面，以上幾者相較而言，沉井的費用較低；單排及雙排灌注樁圍護需另外本體結(jié)構(gòu)或加設鋼筋混凝土內(nèi)襯，費用較高；SMW 工法的費用不高，但適用深度較淺。

結(jié)合工程地質(zhì)水文條件、經(jīng)濟性、周邊環(huán)境、施工工期、安全性等方面綜合比較后，確定取水泵房采用沉井結(jié)構(gòu)形式，平面及剖面圖分別如圖1、圖2 所示。

圖1 取水泵房平面圖（單位：mm）

圖2 取水泵房剖面圖（單位：mm）

由于取水泵房距已建夾江大堤及梅山礦業(yè)泵房較近，故四周設置高壓旋噴樁止水帷幕兼做保護樁。該工程取水泵房沉井的下沉深度范圍內(nèi)有地下水且在下沉范圍內(nèi)的土層內(nèi)存在粉土層、粉細砂層，排水下沉容易，但可能造成流砂現(xiàn)象導致井體傾斜及周邊地面下陷，同時排水下沉時降水施工可能增加大堤及梅山礦業(yè)泵房沉降或傾斜，故該工程沉井采用不排水下沉，濕封底沉井施工。

4 取水泵房沉井穩(wěn)定性驗算

（1）根據(jù)《給水排水工程鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)設計規(guī)程》（CECS 137：2015）[1]表5.1.4，沉井應進行封底階段和使用階段的抗浮驗算，該工程封底混凝土與底板間有拉結(jié)鋼筋連接，封底混凝土的自重可作為沉井抗浮重量的一部分，抗浮安全系數(shù)：Kf=Gik/B≥1.00。

Gik為取水泵房自重標準值，B為浮托力標準值。通過計算表明，施工階段（地下水位取下沉標高下0.50 m）Gik=205347 kN，B=153916 kN，Kf=1.334；使用階段（地下水位取設計地面下0.50 m）Gik=222415 kN，B=193414 kN，Kf=1.15，滿足規(guī)范要求。

（2）驗算下沉時的下沉系數(shù)：Kst=（Gik-Ffw，k）/Ffk≥1.05，以保證沉井能夠順利下沉。

kst為下沉系數(shù)，Gik為下沉階段沉井自重標準值，F(xiàn)fw，k為下沉階段浮托力標準值，F(xiàn)fk為井壁摩阻力標注值。通過計算表明，Gik=119827 kN，F(xiàn)fw，k=22 062 kN（不排水下沉），F(xiàn)fk=27092 kN，kst=3.6＞1.05，滿足規(guī)范要求。

（3）根據(jù)下沉方式，驗算下沉穩(wěn)定性系數(shù)：Kst，s=（Gik-F’fw，k）/（F’fk+Rb）=0.8～0.9，避免突沉發(fā)生。

kst，s為下沉穩(wěn)定系數(shù)，F(xiàn)’fw，k為驗算狀態(tài)下浮托力標準值，F(xiàn)’fk為驗算狀態(tài)下井壁摩阻力標注值，Rb為刃腳、隔墻下地基土的極限承載力之和。通過計算表明，Gik=119827 kN，F(xiàn)’fw，k=15443 kN，F(xiàn)’fk=27092 kN，Rb=97820 kN，Kst，s=0.85。

（4）該工程沉井四周地坪標高均為9.00 m，不存在前后兩面水平作用值不一樣，故可不進行驗算沉井的滑移和傾覆穩(wěn)定性。

5 計算原則及設計分析

沉井圍護結(jié)構(gòu)的主要計算原則為：側(cè)向土壓力按照郎金主動土壓力公式計算，采用水土分算；地面超載：基坑施工期間按20 kN/m2計；側(cè)向基床系數(shù)、地基土極限承載力根據(jù)地勘報告及結(jié)合規(guī)范有關(guān)條文取值；底板與井壁間，有預留插筋連接，底板計算按彈性固定考慮；底板計算時作用在底板上的反力假定按直線分布（計算反力時不考慮井壁與土的側(cè)摩阻力作用）；永久結(jié)構(gòu)池體最大裂縫寬度限值為0.20 mm。

常用沉井內(nèi)力的計算方法按照《給水排水工程結(jié)構(gòu)設計手冊》[2]：在水土壓力作用下，施工工況壁板分別截取刃腳底部、池壁底部、池壁變截面處進行水平框架驗算，使用工況壁板采用按三邊固定、頂邊自由的雙向板計算。扶壁柱及支撐梁組成的橫向框架按照荷載分配原則進行一榀框架驗算，此方法計算結(jié)果較大。Midas 有限元計算考慮了水平支撐的軸向變形及壁板、扶壁柱結(jié)構(gòu)整體的共同作用，更接近實際沉井受力狀態(tài)。

該工程為大型沉井且內(nèi)部布置較復雜，采用盈建科軟件進行建模，通過模型轉(zhuǎn)換接口導入至有限元軟件Midas/Gen 來分析計算沉井的內(nèi)力、變形和配筋。梁、扶壁柱均采用梁單元模擬，壁板采用板單元，網(wǎng)格尺寸為0.5 m。計算分為施工工況及使用工況。其中，在沉井的使用階段，其結(jié)構(gòu)應根據(jù)底板及后澆隔墻澆筑完成后的結(jié)構(gòu)體系和實際作用進行計算，Midas 模型如圖3 所示。

圖3 取水泵房三維模型

提取各壁板有限元計算得到的內(nèi)力結(jié)果，采用強度配筋及相關(guān)裂縫驗算，具體計算結(jié)果詳見表1，其中上壁板為標高。由于篇幅文字受限，本文僅列取施工工況X，Y 向壁板彎矩圖，如圖4、圖5所示。

底板按照雙向板進行強度及裂縫計算，按與壁板鉸接考慮。底板計算時，荷載主要為兩個工況：（1）水浮托力；（2）地基土凈反力（地下水位取值底板底面）。經(jīng)計算，工況（1）（2）底板凈反力分別為95.5 kPa 和174.9 kPa。計算所得，底板最大跨中彎矩設計值為1437 kN·m，上層配筋取為32@100，裂縫為0.13 mm，下層配筋為32@200。

表1 X 向壁板取水泵房內(nèi)力包絡配筋表

6 沉井施工的監(jiān)測

由于沉井下沉時會帶動周邊土體產(chǎn)生沉降及水平位移，故對井體四周土體及夾江大堤、梅山礦業(yè)泵房進行每日沉降及位移監(jiān)測，并做好記錄。施工過程中，特別要加強對沉井北側(cè)夾江大堤的監(jiān)測，同時及時對測量數(shù)據(jù)進行分析，如超過報警值，應立即采取防護措施。施工階段需做好沉井周圍空隙內(nèi)觸變泥漿的灌入、補漿和置換等工作，以防止周圍土體坍塌。

目前沉井已竣工驗收，在監(jiān)測期間內(nèi)，沉井四周土體最大沉降為45 mm，未發(fā)現(xiàn)裂縫、坍塌，北側(cè)大堤及西側(cè)泵房無發(fā)生沉降及傾斜，屬于安全可控狀態(tài)。

7 結(jié) 論

（1）通過對取水泵房周邊環(huán)境條件、水文地質(zhì)條件的研究和穩(wěn)定性驗算，選擇沉井作為取水泵房基坑本體方法是科學、經(jīng)濟、安全、可行的。

（2）該工程取水泵房沉井采用不排水下沉+止水帷幕的方式對周邊環(huán)境影響較小，此方法尤其適用于下沉范圍內(nèi)有砂性土且沉井周邊有沉降、位移限制規(guī)定要求的工程。

（3）通過采用Madis 有限元軟件對沉井的計算分析，能優(yōu)化構(gòu)筑物水池的壁厚及配筋，節(jié)省工程投資。