大型沉井下沉施工力學分析與工程應用

簡青松（廣州開發區財政投資建設項目管理中心，廣東 廣州 510670）

0 引 言

大型沉井在下沉施工過程中，經常因場地的地質條件復雜而發生偏斜、突沉、難沉、超沉等施工事故。因此，在下沉施工前，對大型沉井結構進行施工控制研究，建立合適的力學模型顯得尤為重要。根據沉井結構的施工特點，研究刃腳反力，圍繞下沉系數法，分析所受力之間的關系，建立沉井下沉過程的力學模型，指導現場沉井制作，確定沉井分節、制作高度與下沉次數的方案。通過工程實例，驗證下沉系數法實際應用的可行性。

1 沉井下沉力學模型

1.1 沉井的受力分析

沉井在自重作用下，克服井壁與土體摩阻力、浮力和刃腳支撐反力而下沉。建立沉井在整個下沉過程中所受力的力學模型，如圖1所示。沉井在施工及使用階段主要受到沉井自重（G）、井壁外側的摩阻力（Rf）、土壓力、井底反力（Rj）、浮力（Nw）及上部結構傳來的荷載等。

圖1 沉井下沉過程所受力示意圖

1.2 側摩阻力分析計算

沉井下沉主要通過井孔內持續取土或鉆吸取土去泥，利用沉井自重、井壁與土之間的摩阻力、刃腳反力的動態平衡而實現。在設計時估算井壁與土的摩擦力，然后按沉井容量、下沉深度、土壓力結合下沉系數計算井壁厚度。摩阻力主要與井壁材料、表面粗糙程度、內摩擦角（φ）、黏聚力（c）、土的含水率、側土壓力、土的重度以及下沉深度等有關。在實踐應用中，土的流動性、土體施工擾動和下沉速度也會影響下沉，施工中應動態調整。

如圖2所示，根據側摩阻力與下沉高度變化關系的研究[1]，當沉井初始下沉時，土的淺層隨下沉深度增加，其土壓值變化較大，呈直線上升；當下沉深度達到某一數值（5 m左右）時，土壓值趨于穩定，變化不大。隨著沉井繼續下沉，土壓值不再繼續增長而趨于穩定（略有減少），接近常數，原因是井筒下沉過程中已進入土密實層，同時下沉也與井體周圍土體產生擠壓密實效應，使土壓值在同樣地質層漸趨穩定。

圖2 不同直徑的側摩阻力與下沉深度變化關系曲線圖

根據土力學理論，土壓力作用在側壁的側摩阻力的變化也基本與圖2所示的變化關系類似。由圖2分析可知，不同直徑沉井，隨著下沉深度的增加，其側摩阻力在下沉5 m后趨于穩定。所以在實踐上，可假定地表5 m深度范圍內，側摩阻力與下沉深度簡化為線性計算；下沉5 m后，按趨于常數考慮。綜上分析，單位面積的側摩阻力與下沉深度的力學關系成梯形變化[2]，如圖3所示。

圖3 沉井外側摩阻力分布圖

當h＜5 m時：

當h＞5 m時：

式中：U1——井外壁周長，m；

f——單位面積側摩阻力（取加權平均值），kPa；

h——井外壁入土深度，m；

U2——井內壁周長，m；

h1——井內壁入土深度，m。其取值按式（3）計算。

式中：fi——第i層土層與井壁單位摩阻力，kN/m2；

hi——不同土層的厚度，m。

按照土壤的類別，可根據實際土壤勘察單位摩阻力數據，如無相關數據，可根據DBJ 15－31－2003《建筑地基基礎與設計規范》提供的數值（如表1所示），結合土樣情況選用。

表1 不同土壤單位摩阻力經驗參考值

1.3 刃腳反力與土的極限承載力計算

為保證沉井順利下沉，上部荷載下傳至刃腳上的壓力應略大于土的極限承載力，如式（4）所示。

式中：

φ、φ1——內摩擦角；

kp——井內壁被動土壓力系數；

kp1——井外壁被動土壓力系數。

2 下沉系數與下沉穩定系數的計算

2.1 下沉系數

假設土壤均質，開挖均勻，在土介質中只做向下的下沉運動，不偏移。在此假設下，沉井下沉所受的阻力主要包括：內外井壁側摩阻力和刃腳踏面地基反力。下沉系數計算方法如式（8）。

式中：KS——下沉系數；

G——自重及上部荷載，kN；

Nw——浮力，即沉井排出的水重，kN；

Rj——刃腳支撐反力，kN；當刃腳底面被挖空時，Rj＝0；

Rf——總摩阻力，kN。在實際施工中，應適當考慮下沉速度對下沉系數的影響。初始階段下沉或下沉速度快，位于淤泥質土層時，KS的取值要取小值，位于其他土層中，適當取大值。KS的經驗取值一般為1.15～1.25。

2.2 下沉穩定系數

沉井下沉到設計標高后，需考慮沉井的穩定，并防止突沉、超沉等問題，封底后也需考慮抗浮對沉井穩定的影響。一般利用井內隔墻、底橫梁等，或在結構上部預埋鋼筋吊件，加設防沉裝置，井壁回填砂石增加摩阻力。下沉穩定系數計算方法如式（9）。

式中：K'

S——下沉穩定系數；

Gi——第i節沉井自重與上部荷載，kN；

Nw——浮力，即沉井排出的水重，kN；

Rj——刃腳反力，kN；

Rf——總摩阻力，kN；

Rq——隔墻、底部橫梁反力，kN。

3 穩定驗算

3.1 抗浮穩定驗算

抗浮穩定驗算分封底施工與使用2個階段，按最不利水位驗算。

（1）封底施工階段驗算方法如式（10）。

式中：Kfs——抗浮系數，一般取值≥1.1。

（2）使用階段：抗浮重量包括沉井自重和上部建筑的重量，考慮到日常維護檢修等要求，設計時需按沉井排空水設置抗浮錨桿。

3.2 抗滑移驗算

抗滑移主要綜合考慮沉井前后側土壓力和底面的摩阻力作用，根據現有土力學理論，抗滑移系數[3]按式（11）計算。

式中：Ksh——抗滑移系數；

η——被動土壓力系數，施工階段取0.8，使用階段取0.65；

Ep——沉井前側被動土壓力之和，kN；

Rfd——井底摩阻力之和，kN；

Ea——沉井后側被動土壓力之和，kN；

γi——第i層土的天然重度，kN/m3；

hi——第i層土層厚度，m；

kpi——第i層土層被動土壓力系數；

kai——第i層土層主動土壓力系數。

被動土壓力系數計算方法如式（12）。

主動土壓力系數計算方法如式（13）。

式中：kp——被動土壓力系數；

φ——內摩擦角；

ka——主動土壓力系數。

4 工程應用

4.1 工程概況

廣州市某污水處理廠位于珠江北岸，屬于I級河流階地，其地勢低平，距珠江邊約180 m。地質分布主要由人工堆積層、沖積層及殘積層等組成。自上而下分布為：①回填層，層厚0.5～3.5 m；②沖積層，層厚1.8～15 m，表層以淤泥為主，層厚5.0～13.1 m，主要以粉質黏土為主，層厚2.8 ～4.0 m；③殘積層，以粉質黏土為主，呈可塑狀，層厚4.0～5.5 m；④基巖層，以泥質粉砂巖、細砂巖為主，層厚11.5～22.0 m。該工程污水提升泵站采用沉井結構，沉井按照六井格設計，外圍長41.0 m，寬27.5 m，深12.8 m，四周外圍井壁厚1.0 m，隔墻厚0.6 m。沉井平面布置圖如圖4所示。

圖4 污水提升泵站沉井平面圖

開工前，按照前述力學分析計算下沉系數。確定按照“分節制作，分節下沉”的施工方案施工。工程所處地段土層以淤泥質、軟狀粉質黏土為主，地處江岸，地下水位較高。施工方經綜合分析比較，采用“不排水鉆吸法”施工，采用2節分沉，第一節沉井高7.5 m，第二節沉井高5.3 m。

4.2 下沉系數計算

4.2.1 終沉穩定驗算

終沉階段按井外壁自下而上依次回填4.0 m粗砂層、1.0 m黏土方案施工。沉井受力情況如圖5所示。

圖5 受力分析示意圖

第一節沉井自重G：沉井體積×混凝土容重＝1 396 m3×24 kN/m3＝33 504 kN。淤泥質層允許承載力[f]為50 kN/m2，外井墻底部反力R1為[f]×S＝（39+27.5）×2×1×50＝6 650 kN，內井墻底部反力R2為[f]×S＝（39+13×2+11.9×2）×0.6×50＝2 664 kN。

粗砂與側壁的摩阻力為37.5 kN/m2，外壁回填夯實4 m粗砂，粗砂與側壁的摩阻力Rf1：（41+27.5）×2×4×37.5＝20 550 kN。

黏土與側壁的摩阻力為25 kN/m2，外壁回填1.0 m黏土，黏土與側壁的摩阻力Rf2：（41+27.5）×2×1×25＝3 430 kN。

井內保持1.5 m施工水位，浮力F浮：259.7 m3×10 kN/ m3＝2 597 kN。

下沉系數K1：（G－F浮）/（R1+R2+Rf1+Rf2）＝0.94＜1。符合終沉穩定要求，可按此終沉回填方案施工。

4.2.2 下沉驗算

沉井下沉時，井內土體挖至刃腳以下，不考慮其底部支撐反力，則下沉系數K2：（G－F浮）/（Rf1+Rf2）＝1.30＞1.15。自重可克服摩阻力和浮力，滿足下沉要求。

4.3 第一節沉井預制

現進行刃腳制安，按照設計圖用16 mm厚鋼板與刃腳底預埋鋼板焊接。按如圖6所示現場放線，定位墊木，按照施工圖綁扎鋼筋，安裝模板，澆注混凝土，澆注導管控制在2 m以內，且每層澆注厚度≤400 mm。按施工圖在第一節沉井上部結合帶預留止水帶，設置施工縫。

圖6 定位墊木布置示意圖

4.4 第一節井下沉

待沉井混凝土的強度達到75%時拆除側模，并立即在外壁側回填粗砂，增加外壁摩阻力，防止通過淤泥層時發生突沉。

4.4.1 墊木拆除

遵循“先短邊，后長邊；先隔墻，后井壁”“分區、依次、對稱、同步”的原則。定位墊木要同時快速抽出，保證刃腳平穩均勻落入土層。墊木抽出后，立即回填中砂并灑水分層夯實。

4.4.2 下沉施工

（1）本沉井采用不排水鉆吸下沉法工藝。按照“先中后邊、對稱鉆吸，深度適當”的原則，采用高壓水槍射水沖泥，泥漿泵抽吸泥漿。施工過程中，井底開挖面保持下凹鍋底型面，相鄰井格高差控制在1 m以內，使沉井保持平穩下沉。工藝示意圖如圖7所示。

圖7 不排水鉆吸下沉法工藝示意圖

（2）預防“突沉”。沉井通過淤泥層時，在井外壁回填3～4 m高、50 cm厚粗砂，夯實壓密增加沉井摩阻力，同時保持井內水位在1～1.5 m高。施工中外刃腳邊保留約1.5 m寬土堤面，減少對沉井周邊土體擾動。

（3）下沉觀測與糾偏。在沉井4個角設置沉降觀測點，在井壁內設置垂直中心線。全程監測沉井位移、傾斜等下沉情況，及時調整下沉速度與下沉量，及時糾偏。按照“沉多則少取，沉少則多取”的原則控制下沉速度與糾偏，待正位后再均勻分層鉆吸。在沉井兩側各準備1臺吊機，用于輔助糾偏，控制下沉速度。

4.5 第二節井下沉

第一節井下沉到預設的位置并穩定一段時間后，即開始第二節井的制作、下沉，其具體施工方法基本與第一節井相同。

注意事項：制作第二節井時，需保證第一節井地基穩定，可采取在刃腳、井壁回填夯實粗砂，平衡井內外水位差等措施；第二節井下沉，第一節井所通過的土層較上層土硬度大，高壓水槍的流量和壓力均應加大，并通過調整射嘴角度，分層沖削刃腳土層；對于中風化、微風化巖層，采用風鎬輔助作業。現場施工中，根據下沉速度，結合下沉系數適時調整井內水位、回填粗砂厚度等。

4.6 封底施工

當沉井下沉接近設計標高約15 cm時，停止下沉作業，觀測12 h，如沉井自沉累計不超過30 mm，可繼續進行人工下沉作業至接近設計標高；否則，讓沉井自沉再以人工輔助作業至設計標高，觀測12 h，如沉井自沉累計不超過20 mm，即可聯合驗收，驗收合格后立即進行封底。

封底采用導管法澆筑水下混凝土，混凝土采用水下絮狀不離析混凝土，具有水下不分離、自密實、低泌水和緩凝等特性。導管直徑為25 cm，每節長1～2 m，用法蘭盤連接，底部設有自動開關閥門，頂部裝設漏斗，如圖8所示。其澆注順序是由長邊的邊側井格向中間井澆注，先四周后中間。

圖8 封底操作平臺示意圖

封底混凝土初凝前，插入底板預留鋼筋，待混凝土強度達到70%后，再依序進行底板鋼筋制作、安裝、隔墻、上部結構等施工。

4.7 完工效果

初沉施工時，先用2套泥漿泵從中間2個井格開始吸泥，泥漿排出15 cm后，再用4套泥漿泵同時從兩側4個井格吸泥。重復上述方法，10 d內第一節沉井下沉7.5 m，12 d內第二節沉井下沉5.3 m。經監測，平均每天下沉量為58 cm。封底后實測平均標高比設計標高低3.5 cm，對角最大高差6.0 cm；下沉過程中四角高差基本控制在20 cm以內，最大沉降量為7.0 cm，最小沉降量為2.5 cm。各項數據指標均符合施工規范要求，工程質量優良，滿足設計要求。

5 結 語

大型沉井作為地下工程，在污水處理等工程中應用越來越廣泛。通過對沉井施工下沉過程的受力特點分析，建立了下沉系數、穩定系數等計算模型。通過工程實際應用，驗證了計算模型的適用性，證實了施工技術措施的可行性與合理性。實踐表明，所采用的沉井施工法，減少了沉井地下基坑支護與止水費用，節約成本，縮短工期，對以后類似的沉井工程施工具有一定的參考價值。