■許能權(quán) ■上海綠地建設設計研究院有限公司，上海 200065

沉井作為一種施工方法，在地下構(gòu)筑物和深基礎工程中運用越來越廣泛。它具有占地面積小，挖土少，對臨近建構(gòu)筑物影響小、結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、質(zhì)量可靠、適應型強等優(yōu)點。沉井結(jié)構(gòu)形式多樣，圓形、長方形、正方形、多邊形等較為多見。沉井一般采用分段制作、分段開挖下沉的方式進行，待下沉至設計標高，然后進行封底作業(yè)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)、上部結(jié)構(gòu)的施工。大部分沉井既作為施工過程中一種圍護措施存在，又作為永久結(jié)構(gòu)的一部分存在，沉井的設計不僅受地質(zhì)條件、地下水位、周邊環(huán)境影響，還與沉井所處的實際受力工況有關。因此沉井設計時必須根據(jù)不同工況采用不同的的受力模型進行結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析計算。下面就以某軟土區(qū)取水泵站為例，對軟土區(qū)沉井的結(jié)構(gòu)設計進行說明。

1 工程概況

該取水泵站是江蘇省某企業(yè)長江取水工程的一部分，泵站作為頂管施工的接收井，設在長江大堤內(nèi)側(cè)不遠處，兩根直徑DN700的取水管接入泵站內(nèi)。取水泵站為圓形，內(nèi)徑尺寸Ф16m，基礎底板頂面距離現(xiàn)有場地9.1m。該泵站穿越的主要土層為流塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層。根據(jù)結(jié)構(gòu)初步計算分析，泵站形狀、擬定尺寸如下圖。

2 參數(shù)

(1)地質(zhì)參數(shù)，見表1。

表1 地質(zhì)參數(shù)

(2)抗浮水位:按當?shù)亻L江歷史最高水位標高5.30m考慮。

(3)施工期間承壓水水頭(⑥1粉細砂)按絕對標高1.63m考慮。

(4)施工期間地下水水位1.80m。

3 方案選擇

取水泵站緊靠長江大堤，泵站穿越的主要土層為流塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土。若采用大開挖施工，施工難度很大(需設置隔滲帷幕，并對基坑坑底和邊坡土體進行加固，同時外側(cè)降水處理)，施工周期長、對長江大堤影響大，同時也不經(jīng)濟;采用連續(xù)墻、排樁等其它基坑圍護措施不經(jīng)濟，最終采用沉井法施工。

4 結(jié)構(gòu)分析

4.1 基坑底抗?jié)B流穩(wěn)定性計算

由于泵站底板底距離承壓含水層⑥1粉細砂頂面距離7.8m，而承壓水水頭為16.62m，直接采用干式封底基坑底抗?jié)B流穩(wěn)定性不足。該區(qū)域下部幾個土層均為透水層、承壓水水頭大，綜合考慮到基坑底抗隆起穩(wěn)定性、基坑底抗?jié)B流穩(wěn)定性經(jīng)濟性、和施工難度，最終采用不排水下沉、水下封底方案。

施工期間基坑底承壓水水頭和沉井內(nèi)水位均按絕對標高1.63m考慮。水下封底施工時，基坑底抗?jié)B流穩(wěn)定性:Kty=(γw*hw+γm*△t)/PW=(10.73*10+5.5*17.8)/(16.3+146)=1.26＞1.1滿足要求。

4.2 基坑底抗隆起穩(wěn)定性計算

沉井設計時，抗隆起穩(wěn)定性驗算經(jīng)常是容易被設計人員忽略的環(huán)節(jié)。但很多工程沉井下沉到設計標高后出現(xiàn)坑內(nèi)隆起，沉井外側(cè)土體塌陷現(xiàn)象都是抗隆起穩(wěn)定性不足造成的。軟土地區(qū)沉井設計，特別是坑底位于軟土層的沉井設計時，無論采用干封底或水下封底，抗隆起穩(wěn)定性驗算都很重要。

該泵站沉井施工期間沉井內(nèi)水位按絕對標高1.63m考慮。水下封底施工時，基坑底抗隆起穩(wěn)定性:

7.158 *24)/［(17.5*7.6+17.8*4.6)+10］=1.66 ＞1.6，滿足要求。

4.3 下沉計算

5.000 m以下沉井自重:Gk=16665kN;施工期間水浮托力Ffw，k=5136kN;

井壁摩阻力:Ffk=93.9*3.14159*17.8=5251kN;

下沉系數(shù):Kst=(Gk－Ffwk)/Ffk=(16665－5136)/5251=2.20＞1.05滿足要求。

4.4 下沉穩(wěn)定驗算

(1)施工期間水浮托力F'fw，k=5136kN;(2)井壁摩阻力:F'fk=93.9*3.14159*17.8=5251kN;(3)刃腳下地基土極限承載力Rb=［(17.82－16.72)*0.7854*170=5383kN;(4)下沉系數(shù):Kst=(Gk－Ffwk)/Ffk=(16665－5136)/(5251+5383)=1.09＞0.90 下沉穩(wěn)定不滿足要求。

經(jīng)過計算可知，按照目前截面尺寸，該沉井存在下沉不穩(wěn)定的可能。為了解決沉井下沉不穩(wěn)定、并嚴格控制沉井下沉標高，本工程采用沉井外側(cè)布樁的方式來控制沉井下沉的標高。本工程沉井外側(cè)布置了33mPHC600AB110樁12套(@300，弧長間距～5m)，樁中心到沉井外壁間距600mm。為了確保安全，樁承載力按忽略刃腳反力時樁承當平均反力的2倍進行設計(即考慮相鄰樁破壞失去作用)。單樁最大反力為1046KN＜1700KN(樁承載力特征值)，滿足。

4.5 封底混凝土厚度計算

待沉井下沉到設計標高后，即進行水下素混凝土封底工作。待素混凝土底板達到強度后，將沉井內(nèi)的水排干后進行鋼筋混凝土底板的施工作業(yè)，此時素混凝土底板需滿足強度和抗浮要求。

在不考慮井壁側(cè)摩阻力作用下，素混凝土底板承受的凈反力(水浮力+地基反力)為底板頂面以上混凝土井壁自重。封底前按井壁施工到5.0m考慮(剩余部分在封底以后與泵站頂板一同施工)，素混凝土底板承受的凈反力qk=55.50KPa。

底板彎矩設計值M=kqr2=0.1979*1.27*55.5*8.02=892.9kN.m。

實際底板厚度取ht=2300mm

4.6 抗浮驗算

沉井抗浮驗算需要復核施工期間和使用階段兩種不同工況下的抗浮穩(wěn)定性。施工期間需要考慮素混凝土底板封底后，鋼筋混凝土底板施工前抗浮穩(wěn)定性，施工期間沉井外側(cè)地下水水位按1.80m考慮。使用階段抗浮水位按勘察要求驗算，即抗浮水位按當?shù)亻L江歷史最高水位標高5.30m考慮。

(1)施工階段抗浮驗算:抗浮系數(shù)Kfw=Gk/Fbfw，k=(55.5+2.3*2.3*9.8)/(1.8+6.8+2.3)*9.8=1.005＞1.0滿足要求。

(2)使用階段抗浮設計:沉井頂板及上部結(jié)構(gòu)恒載結(jié)構(gòu)恒載總量Gk=38822KN。使用期間水浮托力Fbfw，k=31245kN，抗浮系數(shù)Kfw=Gk/Fbfw，k=38872/31245=1.24＞1.0滿足要求。

4.7 沉井側(cè)壁計算

(1)主動土壓力:由于沉井下沉區(qū)域主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，該部分因此按水土合算進行土壓力計算。主動土壓力公式:Pa=1.27［(qk地面堆積荷載標準值按qk=10KPa，計算結(jié)果如表2。

表2 計算結(jié)果

(2)下沉過程井壁內(nèi)力計算

不帶隔墻下沉的圓形沉井，在下沉過程中井壁的水平內(nèi)力可按不同高度截取閉合圓環(huán)計算，并假定在互成90°的兩點處土壤內(nèi)摩擦角的差值為5°～10°(本次取等效內(nèi)摩擦角φD±2.5°進行計算)。土壓力產(chǎn)生的內(nèi)力可按下式計算:

最不利截面為④1層底或⑤1層側(cè)壁，按1米高側(cè)壁進行計算，結(jié)果如表3:

表3 結(jié)果

經(jīng)計算，④1底位置為承受彎矩最大位置，該位置沉井內(nèi)側(cè)水壓對側(cè)壁產(chǎn)生軸向拉力(無彎矩)，NAS=NBS=－1.27*104*8.45=－1116kN。水土共同作用下，側(cè)壁最不利位置內(nèi)力如下:

NA MA(外拉) NB MB(內(nèi)拉)725.5 －388.1 637.2 356.2

4.8 刃腳設計

(1)刃腳計算分剛?cè)胪霖Q向向外彎曲受力和下沉到底部刃腳懸空時豎向向內(nèi)彎曲受力兩種情況，由于是軟土，刃腳根部彎矩均較小，其中向外彎矩(取刃腳入土位置)Mk=39.6kN.m。內(nèi)彎曲受力彎矩Mk===75.9kN.m(計算略)。

4.9 底板及其它結(jié)構(gòu)受力計算

泵站上部結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土底板、內(nèi)隔墻以及形成整體后沉井側(cè)壁的內(nèi)力可以通過SAP2000模擬確定最低水位和最高水位兩種不同工況不同截面內(nèi)力，通過截面最不利內(nèi)力(側(cè)壁需要與下沉過程側(cè)壁內(nèi)力取最不利結(jié)果)確定鋼筋面積。

其它結(jié)構(gòu)受力計算內(nèi)容包括樁基的抗沖切計算、抗剪計算、封底素混凝土沿沉井壁的抗剪計算、鋼筋混凝土底板局部承壓計算以及表面砂墊層的換填厚度計算。

5 結(jié)語

(1)軟土地區(qū)若坑底抗隆起穩(wěn)定性驗算不足時，無論采用干封底或水下封底，均可考慮采用對坑底內(nèi)外側(cè)土體進行加固處理，增加土體的抗剪切強度來實現(xiàn)，亦可考慮增加刃腳進入坑底長度的方式實現(xiàn)。當出現(xiàn)坑內(nèi)涌土、隆起現(xiàn)象時，需及時向坑內(nèi)注水或填砂處理。避免進一步涌土、隆起引起沉井超沉。待采取好應對措施后方可進行下一步的施工。

(2)對于位于軟土地基的沉井，即使是采用水下封底方案，施工清底時也要嚴格控制坑內(nèi)的水位，避免因坑內(nèi)水位過低出現(xiàn)流沙、流泥現(xiàn)象或者因承壓水上部土體被承壓水破壞整體向上涌土問題。

(3)當設計采用通過增加隔墻方式增加沉井自重(或者通過加隔墻方式減少側(cè)壁厚度)滿足施工階段抗浮穩(wěn)定性驗算時，要充分考慮到隔墻的對稱性，避免因為不對稱照成沉井下沉傾斜偏轉(zhuǎn)。必要時，可以通過表層降水降低沉井的浮托力或加載下沉來實現(xiàn)。若使用階段工程抗浮驗算不足時，可以考慮將封底素混凝土自重作為沉井抗浮重量的一部分，此時封底素混凝土需要通過鋼筋與底板形成可靠連接。

(4)解決軟土地區(qū)沉井下沉不穩(wěn)定的辦法有多種，可以通過在加刃腳寬度、坑底設隔墻、地梁、頂部設突出井壁的環(huán)梁、加固坑底土體(或者加固刃腳底部土體)方法解決，但采用樁基是解決水下封底沉井下沉不穩(wěn)定并嚴格控制沉井下沉標高的最有效的辦法。為了避免外側(cè)土體內(nèi)涌使樁位產(chǎn)生偏位或者破壞，施工過程中要求嚴格采用先中央后邊緣，中間深，邊緣淺對稱均勻取土的原則。待下沉基本到位情況下再將邊緣土體清除干凈。

(5)軟土地區(qū)沉井盡可能不采用坑內(nèi)布置PHC樁承擔豎向荷載的布樁形式。

(6)當軟土地區(qū)地基承載力低同時沉井井壁較厚時，設計需要根據(jù)確定的第一節(jié)沉井的重量計算確定換填的砂墊層厚度，第一節(jié)不宜過高，以免需要鋪設的砂墊層太厚。

［1］給水排水工程結(jié)構(gòu)設計手冊(第2版).中國建筑工業(yè)出版社出版.

［2］地下建筑結(jié)構(gòu).中國建筑工業(yè)出版社出版.

［3］軟土地基和地下工程.中國建筑工業(yè)出版社出版.