井壁片螺栓連接的裝配式沉井

周書東 張彤煒 張 益 文 杰 麥鎮(zhèn)東 韓龍偉 劉正剛 田錦虎

1. 東莞市建筑科學研究所 廣東 東莞 523809；2. 中國水利水電第七工程局有限公司 四川 成都 611730

隨著建筑業(yè)的不斷發(fā)展，裝配式建筑、綠色施工、節(jié)能降耗已成為建筑業(yè)發(fā)展的時代要求，也是建筑企業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的必然選擇[1-3]。截污管網(wǎng)等沉井結構通常采用現(xiàn)澆方式建造，其施工所需要的作業(yè)面較大、施工周期長、受天氣變化影響大、工程成本高，隨著建筑的產(chǎn)業(yè)升級，開發(fā)出一種新的沉井建造技術是十分必要的。裝配式沉井技術采用濕接縫連接和通過預應力筋連接[4]將各井壁片連接成整體，實現(xiàn)了沉井裝配化施工，綠色環(huán)保，部分構件可回收利用，大大提高了工作效率，并節(jié)省造價。本文將以具體應用工程為例，闡述井壁片螺栓連接的裝配式沉井建造方式及其意義。

1 工程概況

茅洲河流域綜合整治（東莞部分）一期項目工程（包含長安鎮(zhèn)環(huán)山渠及新民排渠、霄邊排渠及陳蔡涌、東引運河子項截污次支管工程）為東莞市截水排污重點工程，項目地處東莞市長安鎮(zhèn)。項目所在區(qū)域地層自上而下主要為人工填土層、第四系全新統(tǒng)海陸交互相沉積層、第四系沖積層第四系殘積層，下伏基巖為第三系粉砂巖、層下古生界混合花崗巖（Pz1）。裝配式沉井所處地層主要為淤泥（表1）。

表1 物理力學參數(shù)

本項目沉井內(nèi)徑3～8 m。結合工程實際，選用工程量占比最大及市場上應用最廣，直徑分別為3、4、5 m的沉井，采用裝配式建造技術。

2 井壁片螺栓連接的裝配式沉井

2.1 裝配式沉井結構的構成與形式

裝配式沉井結構是由井片或含混凝土填充的頂管孔洞的井片、螺栓、止水橡膠條、混凝土封堵的頂管孔洞和吊耳構成[4-6]。

螺栓連接的裝配式沉井根據(jù)沉井大小分為2種形式：第1種為2.5 m≤D＜3.5 m的沉井（D為沉井內(nèi)徑)，結構組成統(tǒng)一采用D＝3 m，由上、下2種結構形式的預制井片裝配而成。下部結構井片分為2個半圓預制，井片高度2 m，下部設有刃腳，徑向井片間預留φ28 mm手孔及螺栓孔，通過2組共計4顆Q235的φ24 mm螺栓連接成一個環(huán)形整體。井片上部結構為一個完整的環(huán)形，單節(jié)高度1 m，上下圓環(huán)井片沿環(huán)向均分布8個φ28 mm手孔及螺栓孔，上下結構通過8顆Q235的φ24 mm螺栓連接成一個整體。上部具體圓環(huán)節(jié)數(shù)可根據(jù)沉井實際深度進行確定。第2種是沉井3.5 m≤D＜5.5 m時，結構組成統(tǒng)一采用直徑D為4 m和5 m，沉井下部由4片井片組成，每個井片高度為2 m，徑向井片間預留φ28 mm手孔及螺栓孔，通過4組共計8顆Q235的φ24 mm螺栓連接形成一個環(huán)形整體。上部井片則由2片半圓井片組成，半圓井片高度為1 m，徑向井片間預留φ28 mm手孔及螺栓孔，通過2組共計4顆Q235的φ24 mm螺栓連接成一個環(huán)形整體，上下圓環(huán)井片沿環(huán)向均分布8個φ28 mm手孔及螺栓孔，上下結構通過8顆Q235的φ24 mm螺栓連接成一個整體。上部具體半圓井片數(shù)量可根據(jù)沉井實際深度進行確定。沉井井壁片的上下、左右邊緣均設有與相鄰井片相連的凹槽或凸起，形成一道卡槽，并在卡槽中敷設止水橡膠條。

第1種形式：壁厚t＝0.3 m、內(nèi)徑D＝3 m、深度h＝6 m的裝配式沉井，應用BIM軟件建立對應的三維模型，如圖1～圖5所示。

圖1 裝配式沉井下部井片整圓結構

圖2 裝配式沉井下部 井片半圓結構

圖3 裝配式沉井承插式 豎向卡槽＋止水橡膠條

圖4 裝配式沉井上部井片

圖5 裝配式沉井整體結構

第2種形式：壁厚t＝0.4 m、內(nèi)徑D＝5 m、深度h＝6 m的裝配式沉井，其模型圖如圖6～圖11所示。

圖6 裝配式沉井下部井片1/4圓結構

圖7 裝配式沉井下部 井片整圓結構

圖8 裝配式沉井承插式 豎向卡槽＋止水橡膠條

圖9 裝配式沉井上部沉井1/2圓結構

圖10 裝配式沉井上部沉井整圓結構

圖11 裝配式沉井整體結構

2.2 螺栓連接

裝配式沉井在豎向和徑向都是采用螺栓連接的，具體以壁厚t＝0.4 m、內(nèi)徑D＝5 m、沉井深度h＝6.0 m的裝配式沉井為例，其連接方式如圖12～圖14所示。

圖12 裝配式沉井下部井片

圖13 裝配式沉井上部井片

圖14 裝配式沉井預埋彎管和連接螺栓實物

2.3 裝配式沉井施工流程

裝配式沉井預制→井位開挖1 m和墊層澆筑→下部井片拼裝和安裝就位→下部井片下沉1.5 m→上部井片安裝就位和下沉至設計標高→封底和底板澆筑→上部井片回收

2.4 技術創(chuàng)新點

1）根據(jù)沉井管徑不同將沉井分成多種井片。

2）井片采用工廠預制，現(xiàn)場拼裝，井片間通過螺栓干式連接拼裝成沉井結構；上下井壁錯位安裝，形成上下疊合錯縫拼接。

3）井片的上下、左右邊緣均設有與相鄰井片相連的凹槽或凸起，形成一道卡槽，并在卡槽中敷設止水橡膠條。

4）通過預留弧形井壁片螺栓孔和手孔，用螺栓可實現(xiàn)與上下、左右井片的有效連接或分離。

5）回填通過拆卸螺栓，可對上部井片進行部分回收重復利用。

2.5 沉井力學計算

以直徑3 m，深度6 m裝配式沉井為例：

1）沉井整體計算。按照最不利地質(zhì)條件（淤泥等軟弱地層），進行裝配式沉井結構核算，本次采用有限元軟件Abaqus對沉井進行仿真模擬，具體如圖15所示。

沉井計算結果如圖16～圖18所示。

圖15 裝配式沉井三維模型結構

圖16 裝配式沉井結構 整體應力云圖

圖17 裝配式沉井典型豎向鋼筋應力云圖

圖18 裝配式沉井典型下部應力云圖

由圖17可知，材質(zhì)為Q235的φ24 mm螺栓屈服應力為143.1 MPa，滿足規(guī)范[7]要求；由圖18可知，材質(zhì)為C30的混凝土屈服壓應力為8.6 MPa，滿足規(guī)范[8]要求。

2）沉井吊耳驗算。沉井吊耳采用材質(zhì)為Q235的φ 20 mm圓鋼，埋置深度為200 mm，構造彎曲長度為15D，單片沉井最大質(zhì)量為8 t。經(jīng)計算，吊耳強度、吊耳與混凝土黏結強度等均滿足規(guī)范[7-8]要求。

3 社會及經(jīng)濟效益

1）井壁片螺栓連接的裝配式沉井能有效地節(jié)約資源，降低施工噪聲，減少施工垃圾及污染環(huán)境的廢棄物，通過回收上部井壁片，可在同類型沉井結構中重復使用，從而減少井壁片的工程量和大量的建筑垃圾。

1）與同規(guī)格傳統(tǒng)現(xiàn)澆沉井對比（以直徑3 m，深度6 m裝配式沉井為例），采用井壁片螺栓連接的裝配式沉井，省去了模板制作量以及腳手架的搭設，減少了架管使用量，其節(jié)約材料及人工費約15 348元/座；從工期上分析，裝配式沉井建造時間短，可縮減12～15 d，從現(xiàn)場施工占地范圍分析，裝配式沉井占地面積較現(xiàn)澆沉井節(jié)約面積約8 m2。

4 結語

1）結合項目實際情況，選用工程占比最大以及市場應用最廣的沉井規(guī)格進行裝配式施工，通過標準化和模塊化設計，裝配式沉井分為直徑3 m和直徑4、5 m這2種類型。

2）直徑為3 m的沉井拆分為上部井片和下部井片，下部結構井片分為2個半圓預制，井片高2 m，下部設有刃腳，上部結構井片為一個完整環(huán)形，單節(jié)高1 m，上部圓環(huán)節(jié)數(shù)根據(jù)沉井深度確定；直徑為4、5 m的沉井拆分為上部井片和下部井片，下部結構井片分為4個1/4圓預制，井片高2 m，下部設有刃腳，上部結構為2個半圓預制，單節(jié)高1 m，上部圓環(huán)節(jié)數(shù)根據(jù)沉井深度確定。井片上下、左右邊緣均設有與相鄰井片相連的凹槽或凸起，形成一道卡槽。

3）井壁片通過已有的凹槽或凸起形成的卡槽進行拼裝，卡槽內(nèi)敷設止水橡膠條，能很好地起到止水效果。上下左右井壁片位置可以利用預留手孔和螺栓孔進行對準修正。井壁片間通過擰緊多根φ2 mm螺栓進行連接。待回填至上部井片最上一層井片位置時，拆卸連接螺栓，可將上部井片一節(jié)進行回收重復利用。

4）井壁片螺栓連接的裝配式沉井具有當前現(xiàn)澆沉井所不具有的快速施工、提高精度、節(jié)省造價、綠色環(huán)保等優(yōu)勢，在截污管網(wǎng)工程中具有較強的應用價值，隨著技術的不斷完善和推廣，井壁片螺栓連接的裝配式沉井將會得到大量的應用。