大型沉井施工的技术运用

施宝忠

上海市第二市政工程有限公司宝钢分公司

项目副经理

四平路泵站是我市政二公司宝钢分公司承建的大型沉井工程项目，主泵房沉井尺寸为34.5m×22.1m×12.0m，下沉深度为11.8m，其沉井规模在目前上海市范围内属于最大型的沉井之一。我有幸参加了该工程的施工，从中总结了一些施工技术经验，也发现了一些问题。现在我就从以下几个方面谈谈我的体会：

一、垫层制作

泵站主沉井制作时，为解决地基承载力的不足，我们采用了垫层法。即在刃脚下设素砼垫层、素砼垫层下再设砂垫层，逐层扩大，类似扩大基础。设置垫层作为一项施工措施，往往被我们施工单位所忽视，有的单位仅作粗略的计算，也有的单位根据经验设置，因此在施工中曾发生如下情况：

1、因垫层过于单薄，地基和垫层不能承受沉井的自重而受到破坏，沉井在砼浇筑时就发生突沉、偏沉，造成钢筋砼报废并危及相邻的建筑物和构筑物。 2、垫层偏大过厚，给拆除带来困难，如不能及时拆除完，则沉井带垫层下沉，将给沉井平稳下沉带来很大的困难，并造成浪费。

因此，我们对沉井制作阶段的刃脚垫层作了详细的检算，选择了较合理的施工参数，即在沉井刃脚踏面及中隔墙下都采用了1.5m宽C20素砼垫层，厚度为30cm；以及90cm厚、2.5m宽的砂垫层。沉井在制作时十分平稳，只产生了0.019m的压缩沉降。在沉井下沉前，垫层的拆除也比较容易，取得了理想的效果。 计算图式及方法如下：

1、刃脚受力计算：取单位长井壁计算，即b = 1.0m （1）砼垫层厚度计算：（极限应力法）

σ11 = σ12 = N/S = 037.5/［（34.5+22.1）×2×0.55+（20.1×2+32.5）×0.8］KN/m2

= 531.78KN/m2

其中：σ11 ---- 刃脚对砼垫层的应力（KN/m2） σ12 ---- 中隔墙对砼垫层的应力（KN/m2） 再加施工荷载，取σ11 = σ故：σ

21

12

= 550KN/m2

=（550×0.55+25Lh）/L = 25h+302.5/L

MA1 =（σ21－25h）×a2/2 其中：σ

21

---- 砂垫层对砼垫层的应力（KN/m2）

MA1 ---- 刃脚边缘砼垫层截面所受弯距（KN-m） a 1 ---- （L－0.55）/2 （m） 而C20砼边缘应力：σ

A1

= MA1/W = MA1×6/h12≤［σ］= 1.5Mpa

拟定砼垫层宽度L为1.50m

故砼垫层厚度：h1≥29.997cm，取h1 = 30cm （2）砂垫层厚度计算：（换基法） 设砂垫层厚度为hs1，则

L×b×σσ

H1

21

= ──────────────────── + γs×hs1≤80Kpa

L×b +（L+b+4/3×hs1×tgф）×hs1×tgф 其中：σH1---- 砂垫层对土体的应力（KN/m2） L ---- 砼垫层宽度，取1.5m b ---- 砼垫层单位长度，取1.0m ф ---- 砂垫层扩散角，取45° γs---- 砂垫层容量，取16KN/m3 通过计算：hs1≥0.9m，取hs1 = 0.9m

2、中隔墙受力计算：取单位长井壁计算，即b = 1.0m （1）砼垫层厚度计算：（极限应力法）

σ

22

=（550×0.80+25Lh）/L = 25h+440/h

MA2 =（σ22－25h）×a22/2 其中：σ

22

---- 砂垫层对砼垫层的应力（KN/m2）

MA2 ---- 刃脚边缘砼垫层截面所受弯距（KN-m） a 2 ---- （L－0.8）/2 （m） 而C20砼边缘应力：σ

A1

= MA2/W = MA2×6/h22≤［σ］= 1.5Mpa

拟定砼垫层宽度L为1.50m

故砼垫层厚度：h2≥26.8cm，取h2 = 30cm （2）砂垫层厚度计算：（换基法） 设砂垫层厚度为hs2，则

L×b×σσ

H2

22

= ──────────────────── + γs×hs2≤80Kpa

L×b +（L+b+4/3×hs2×tgф）×hs2×tgф 其中：σH2---- 砂垫层对土体的应力（KN/m2） L ---- 砼垫层宽度，取1.5m b ---- 砼垫层单位长度，取1.0m ф ---- 砂垫层扩散角，取45° γs---- 砂垫层容量，取16KN/m3 通过计算：hs2≥0.85m，取hs2 = 0.9m

二、沉井下沉

沉井下沉是泵站项目的关键工序，下沉质量的好坏将直接影响到工程质量等级的评定。因此，我们项目部非常重视该工序的施工，主要从以下几个问题上作了详细的准备和具体的落实。

1、沉井排水下沉系数验算 ---- 判断下沉后期是否需要压重

验算公式： K＝(Q－B)/(T+R)

＝(Q－B)/(c×(h－1.3)×f+R)≥1.15 式中： Q－沉井自重及附加荷重

B－被井壁排出的水重（KN），采取排水下沉时B＝0 T－沉井与土间的摩阻力（KN） c－沉井周长（m） h－沉井下沉高度（m）

R－刃脚反力（KN），采取排水下沉时

R=75×（（34.5+22.1）×0.55×2+88.1×0.5） =7973.25KN

f－井壁与土的摩擦力

K＝(67155－0)/(（34.5+22.1）×2×(12－1.7)×20+7973.25) ＝2.146≥1.15

由于下沉系数足够大，故推断沉井下沉后期不需要压重。 2、沉井挖土方式选择 ---- 将直接影响沉井的下沉质量

沉井排水下沉采用人工挖土，并用50T履带吊将土方运出井外。在沉井挖土下沉过程中，我们分了三个阶段（详见附图）：

第一阶段：即拆除垫层开始下沉至下沉深度3～4m时。该阶段的挖土方式主要为在由刃脚、框架梁及中隔墙分成的24个格子中对称、均匀地挖土，从格子中间开始逐渐挖向格子四周，每层挖土厚0.5～0.6m，不掏挖刃脚、框架梁及中隔墙下的土层，在每个格子中形成一个1m左右深的“锅底”，使沉井在自重作用下均匀切土下沉，避免因掏挖而降低出土的效率。

第二阶段：自下沉深度4m至下沉深度7m左右时。该阶段由于外井壁与土的摩阻力逐渐增大，抵消了一部分沉井的自重，使沉井切土下沉产生困难。该阶段的挖土方式为挖“锅底”深度至1.5～2.0m，并逐渐全面、对称、均匀地削薄框架梁及中隔墙下的土层，每层削10～20cm，使沉井均匀地切土下沉，但不削薄刃脚边的土层，防止沉井发生突沉及侧倾现象。

第三阶段：从沉井下沉深度8m左右开始至下沉结束。该阶段由于摩阻力极大地抵消了沉井的自重，故我们的挖土方式调整为：保持“锅底”深度，全部挖除框架梁及中隔墙下的土层，并开始对称、均匀地削薄刃脚边的土层，每层削10～20cm。到沉井下沉深度还剩1.0m左右时，停止挖“锅底”， 开始全面、对称、均匀地掏挖刃脚下的土体，使沉井平稳下沉到位。

由于合理安排了这三个阶段的挖土方式，我们的沉井下沉曲线非常平稳（详见附图），基本处于一条一元函数直线附近，没有发生突沉或因沉不下去而使沉井周围土体固结等现象。

另外，在沉井下沉过程中加强观测和对下沉资料的分析，发现倾斜及时纠正，在高的一侧加强取土，低的一侧少挖土和不挖土，待正位后再均匀分层取土，下沉过程中做到勤纠、勤测、缓纠。初沉阶段纠偏根据“沉多则少挖”、“沉少则多挖”的原则进行，刃脚下挖土应逐步扩大，不能一次掏挖。刃脚标高每4小时测量一次，轴线位移2～3天测量一次。初沉阶段标高测量每2小时一次，终沉阶段每小时测量一次。

3、下沉抛高值设定 ---- 避免沉井发生超沉现象

当沉井下沉标高接近设计标高时，按沉井当时的下沉速率设定下沉抛高值。由于下沉标高与设计标高差±10cm都属于规范所允许的标准范围，故我们的下沉抛高值设定为12cm。如抛高值过大，则沉井有可能沉不到规范所允许的标准范围，而过小或不设抛高值，则沉井有可能发生超沉现象。

事实证明我们的大型沉井下沉工序施工是成功的，不管是挖土方式的确定、纠偏措施的实施还是下沉抛高值的设定。我们四平路泵站主沉井的四角刃脚停沉及终沉标高如下：

项 目 刃脚位置 实测标高 平均标-7.378 -7.422 -7.375 -7.361 -7.381 -7.396 -7.417 -7.416 -7.427 -7.429 东南 西南 西北 东北 东南 西南 西北 东北 停 沉 标 高 （m） 终 沉 标 高 （m） 高 设计标高 最大高差 允许高差 0.30 0.30 0.035 0.013 -7.50 -7.50 三、沉井下沉所引起的周围土体沉降

由于我们泵站的主沉井下沉深度为11.80m，并在沉井外四周采用了喷射井点进行降水，故沉井四周的土体沉降较大，在离外井壁3m范围内沉降量达1m以上，最大处接近1.5m。

经过实际测量及仔细分析（详见附图），我们发现本次沉井的沉降影响面基本上为一中心与泵站主沉井几何中心相吻合的椭圆，其长边为32m左右，短边约为25m。沉降量离中心越近越大，向外逐渐减小，同时我们还发现在离外井壁5～6m内的沉降走势落差较大，以后逐渐减小。对此，我们查阅了许多有关的书籍，但没有发现任何可以说明问题的理论计算或经验公式。我想这也许就是我们在以后的工作、学习中需要去攻克的课题吧。