沉井法演示稿

第五章岩土工程沉井施工技术§5-1沉井法的发展现状

1.沉井法定义:沉井法是通过不稳定松软含水地层的一种特殊施工方法。其实质是在地下工程设计位置上，预先制作好沉井的刃脚和一段护壁，在其掩护下，边掘进边下沉，随着下沉在地面相应接长护壁，直到下沉到设计深度的一种施工方法。普通沉井法（如图所示）极为简易，但下沉深度较浅，容易发生涌砂冒泥和沉井偏斜，仅用于浅部岩土工程。图5-1普通沉井法示意图1-吊挂天轮，2-提升天轮，3-简易龙门架，4-井口工作盘，5-木垛，6-提升吊桶，7-水泵，8-沉井，9-超前小井主要原因：一是在沉井内排水，造成井内外水压差，井外流砂涌入井内，引起壁后或地面塌陷导致沉井偏斜或井壁断裂事故；二是沉井下沉需要克服刃脚下面土层的抵抗力（正面阻力）和井壁四周与土层接触的摩擦阻力（侧面阻力）。下沉越深，侧面阻力越大，当下沉深度达到一定值后，侧面阻力就成为沉井能否下沉的决定性因素。有时，即使把刃脚下部的土层全部挖空，沉井也不下沉。因此，普通沉井法的适用范围受到了很大的限制，下沉深度一般在20m左右。2.沉井法的特点:沉井法在深基础施工中具有独特的优点：占地面积小，技术比较稳妥可靠；与大开挖相比，挖土量小，节省投资；无需特殊专业设备，操作简便；既可作为各类地下构筑物的结构，也可作为构筑物的围护结构。3.沉井技术的发展随着施工机械与施工技术的不断革新，沉井法在国内外得到了广泛的应用和发展。国外沉井技术的应用规模较大。如前苏联在1963-64年间建造了两座长78.6m、宽28.6m、深26.0m的矩形沉井；瑞士日内瓦圆柱型地下车库，施工中沉井直径为57m，深为28m。日本在60年代末发展采用壁外喷射压缩空气（即气囊法）的办法降低井壁与土之间摩擦力技术，先后下沉了8个沉井，最大下沉速度达到200.3m。随后向井壁与土之间压入触变泥浆降低侧面摩擦阻力的方法，在欧洲广泛应用。据统计，国外某公司1975年前施工的105个沉井项目中有36个采用了触变泥浆助沉，护壁厚度一般为40-50cm。我国沉井技术也取得了很大成就。如桥梁堆台基础、取水构筑物、大型设备基础、地下仓（油）库、人防掩护体、盾构拼装井、矿山立井以及地下车道和车站等大型深埋基础等，都采用过沉井法施工。最大沉井深度已达192.75m；面积数百平方米的大型沉井的下沉深度也超过50m（长江大桥工程，下沉20.2m*24.9m巨型沉井58.87m)。

4.沉井施工技术现状:沉井法的施工方法很多，发展到今天，通常将沉井法分为两大类：不淹水沉井与淹水沉井。具体应用要根据工程地质条件和工程要求来决定。不淹水沉井：多采用人工掘进，吊桶提升，护壁自重下沉。有普通沉井、壁后河卵石沉井、壁后泥浆沉井和震动沉井等。工作面开挖超前小井，以排除井内涌水。涌水量较小、无承压水，流砂层厚度较薄、又无粉细砂层的情况下可采用不淹水沉井施工，由于下沉深度不大、安全性较差，不淹水沉井法适用范围受到限制。

淹水沉井：

是井内灌满水，高压水枪水下破土、用压气排渣，这种方法平衡了井内外的水压差，只要保证井内水位始终高于地下水位，一般不会发生涌砂冒泥链锁反应。图5-2壁后泥浆淹水沉井示意图1-泥浆，2-套井，3-导向木柱，4-混合器，5-泥浆泵，6-泥浆池，7-搅拌机，8-绞车，9-抓斗，10-供水管，11-排渣管，12供气管，13-提升绳该方法在地面操作，劳动条件好，作业安全，井壁质量好，施工成本低。因此对于沉井较深，涌水量大，流砂层厚以及不含有较大的砾卵石层的冲积层中，通常可采用淹水沉井法施工，如图5-2所示。淹水沉井有壁后泥浆和壁后压气淹水沉井两种。在沉井井壁四周与土体之间的环形空间内灌注触变泥浆或者施放压气，使土层与井壁隔离，达到减阻目的，并可利用套井导向防偏、纠偏；沉井下端由钢刃脚插入土层，靠井内出土克服正面阻力和井壁自重而下沉，工人不需下井。壁后泥浆淹水沉井，一般用水力掘进，压气排渣，壁后由触变泥浆减阻。虽增加了泥浆配制系统，封底固井施工也较复杂，但较之压气沉井简易可靠，应用广泛。壁后压气淹水沉井，一般用抓斗或钻机掘进，壁后施放压缩空气减阻，可靠性较高，可以人为控制，机动灵活，还可利用施放压压气的不同顺序帮助纠偏。但需要高压空气压缩机，耗费的管材较多。总之，沉井法在岩土工程中有其特殊的应用领域，应根据实际情况来选择采用。§5-2沉井井技术设计沉井一般是由井井筒（护壁）和和刃脚两部分组组成，如图所示示。技术设计时，井井筒是主要部分分，应有足够的的强度和重量，，外壁可以是竖竖直的，也可作作成台阶形。井井筒下部靠刃脚脚处应有凹槽，，使封底混凝土土可嵌入井壁形形成整体结构。。需要时，井筒内内可设置隔墙以以减少外壁的净净跨距，加强沉沉井的刚度；同同时又把沉井分分成取土小间，，施工时便于掌掌握挖土位置以以控制沉井和纠纠偏。沉井技术设计主主要包括以下内内容：1．刃脚设计刃脚位于沉井最最下端，其作用用是：切入土层，破坏坏原状土的结构构、克服沉井正正面阻力；封闭闭与阻止壁后流流砂或泥浆涌入入井筒内。刃脚脚的结构应具有有足够的强度，，以承受土层压压力、侧压力、、一定剪应力及及突沉时的冲击击力。常用刃脚（如图图所示）有三种种：锐尖型：夹角一一般小于25°°，锋利易切入入土层，阻力较较小。但不适用用于含砾卵石层层，强度稍小，，易破坏。踏面型：阻力大大，但稳定性好好，适用于松散散无障碍物的冲冲积层。钝尖型：强度较较高，适用于各各种冲积层，一一般多采用圆弧弧形钝尖刃脚，，其夹角大于30°，高2.0m左右。有钢刃脚与钢靴靴刃脚两种结构构形式。钢刃脚的骨架用用两排角钢或轻轻型钢轨焊接组组成，刃尖一般般采用11kg/m的钢轨制制作。骨架内、、外侧均用6-8mm厚的钢钢板全部围包焊焊牢。此种刃脚脚强度大、整体体性好，不易变变形，用于沉井井深度大的时候候。钢靴刃脚是在钢钢筋骨架下部，，用钢轨或圆钢钢焊接成钢靴刃刃尖，钢靴钢板板高为0.5-1.5m,厚厚6mm；刃脚脚用9kg/m钢轨或18-28mm的圆圆钢；此种刃脚脚有一定强度，，省钢材，但抗抗变形差。2.刃脚验算方方法:刃脚外径略大于于井壁外径，与与井壁形成刃脚脚台阶，用以储储存减阻介质。。台阶宽度与所所穿过主要土层层和减阻介质有有关，如用壁后后压气减阻时台台阶宽度取0.1m左右，壁壁后泥浆减阻时时0.2m左右右。实际应用时时，应根据工程程具体情况对刃刃脚的受力和挠挠曲变形进行验验算。当沉井已已下沉全部深度度的一半，并且且已接高其余各各节井壁时，刃刃脚的受力特点点如图5-4所所示。假设刃脚插入土土中1m以上，，受力主要有：：井墙外侧的土压压力和水压力总总和、刃脚与土土层的摩擦力、、刃脚下土的反反力和刃脚斜面面上的水平推力力。当井墙外侧的土土压力和水压力力总和不大于沉沉井内的静水压压力时需演算刃刃脚的向外挠曲曲安全性。假设沉井已下沉沉接近设计标高高时，井壁自重重全部由外侧土土的摩擦力来承承担，而此时外外侧最大土压力力和水压力可能能使刃脚产生向向内挠曲；但因因刃脚自重及刃刃脚外摩擦力相相对而言均很小小，一般忽略内内挠曲计算。3.沉井护壁壁设计沉井护壁的结构构形式应根据工工程的需要来决决定。其平面形形状有圆形、矩矩形、双孔矩形形或多孔矩形等等。竖直剖面有有内外等径、内内外不等径等形形式。常见护壁结构形形式如图所示。。护壁可为整体现现浇钢筋混凝土土、预制钢筋混混凝土，大型砌砌块、钢或铸钢钢结构等，后两两种国外曾采用用。我国多用整体现现浇钢筋混凝土土护壁，双层钢钢筋，混凝土强强度不低于C20。护壁的厚厚度应根据下沉沉能力与强度计计算来确定。通常下沉深度在在100m以内内的沉井，壁厚厚为0.7—1.0m；下沉沉深度大于100m时，壁厚厚为1.0—1.2m。沉井护壁四周作作用着土压力和和水压力。竣工工后，沉井下部部承受水压力，，沉井上部有房房屋等构筑物的的重量。使用阶阶段有设备荷载载和使用荷载。。所以沉井的受力力是个空间体系系，但实际上计计算其内力和配配筋时多简化成成平面体系，而而以构造措施来来保证整体强度度。（1）护壁沉降降系数：沉井下沉是靠在在井筒内不断取取土，使沉井自自重克服四周井井壁与土的摩擦擦力和刃脚下土土的正面阻力而而实现的，所以以在设计时首先先要确定沉井在在自重作用下，，是否有足够重重量得以顺利下下沉。一般在设计时先先估算井壁外部部与土的摩擦力力，然后按下沉沉系数确定井壁壁厚度。沉井下沉系数根根据经验为1.10-1.25。土体对井井壁侧面的单位位摩擦力与井壁壁材料及其表面面粗糙程度、土土的种类、及其物理力学性性能有关。一般从地表到5m深的单位摩摩擦力，由零增增长至最大值，，深5m以后，，保持常数值。。井壁与土体的侧侧面摩擦力，一一般可根据已有有的经验和测试试资料估算；对对下沉深度在20m以内，最最大不超过30m的沉井，可可参照表5-1选用。（2）护壁竖向向强度计算：对于不淹水沉井井，可把井壁看看作支承于四个个固定承垫上的的封闭梁进行计计算。矩形沉井井计算如下：M1=[(q*L22/2)-9(B/2-b)(L2-b/2)]（（5-2）M2=q*L12/8-M1（5-3）Q1=q*L2+q（B/2-b）（（5-4）Q2=q*L1/2（（5-5）式中M1----支座弯弯矩（t*m））；M2----跨中弯弯矩（t*m））；Q1----支座外外侧的剪力（t）；Q2----支座内内侧的剪力（t）；q----护壁壁的单位长度重重量（t/m））；L----沉井井长边的长度（（m）；B----沉井井短边的长度（（m）；L1----长边两两支座的距离（（m），一般可可取0.7—0.8L(m);L2---长边支座座外的悬臂长度度,一般可取0.10~0.15L(m);b----护壁壁的厚度(m)。当矩形沉井长与与宽接近相等时时，亦可考虑在在两个方向都设设置支撑点。对对于圆形沉井，，直径较小时，，一般按四点支支撑考虑；直径径较大时，可增增加支撑点。对于淹水沉井，，施工中采用不不排水挖土下沉沉，刃脚支承情情况较难控制。。通常按最不利利情况来验算护壁的拉应力力：即土层中有有障碍物时矩形形沉井支承点位位于长边的两端端点或支承于长长边的中点；圆圆形沉井支承于于直径上的两个个支点。（3）沉井壁厚厚度计算：按厚壁圆筒强度度要求计算壁厚厚：素混凝土护壁：：E=R[fc/（fc-31/2P）-1]1/2（5-6）钢筋混凝土护壁壁：E=R[fz/（fz-31/2P）-1]1/2（5-7）式中E----护壁壁厚度（m）；；R----沉井井内半径（m））；fc----混凝土土抗压强度（kPa）；P----护壁壁计算截面处的的侧压力（kPa）；fz----钢筋混混凝土材料抗压压强度（kPa）；fz=（fc+μminfy）/γkμmin----最小配配筋率；fc----混凝土土抗压强度设计计值（kPa））；fy----钢筋抗抗拉强度设计值值（kPa）；；γk----钢筋混混凝土结构强度度系数。按重率验算护壁壁厚度：沉井自重与沉井井壁外侧面积的的比值，称为重重率；是决定沉沉井能否顺利下下沉的主要因素素之一。国外取取值为20-26kPa。沉沉井较浅、软土土层中取小值，，下沉较深时取取大值。重率简便估算如如下：W=（D-d））*γ/2E=（D-d））/2=W/γγ（5-8）式中W---重率（kPa）；d，D----护壁内、外直直径（m）；γ--钢筋混凝凝土的比重，一一般γ为25KN/m3。按下沉条件验算算护壁厚度：G>=KT(5-9)式中G----沉井总重量,等于刃脚、护护壁、触变泥浆浆之和（kN））；K----沉井井下沉系数，一一般取1.15;T----沉井井结构受到的总总阻力,T=T1+T2+N；T1----刃脚外外侧阻力（kN）；为侧面积积与单位摩擦阻阻力的乘积；T2----护壁外外侧阻力（kN），按减阻介介质确定（5—8Kpa）；N----沉井井正面阻力（kN）。当刃脚斜面全部部切入土层时：：N=π（D12-d2）Rj/4当刃脚切入土层层深度为a时：：N=a*πtgβ（D1-a*tgβ））RjRj--土层的极限限抗压强度，粘土层取250—500KN/m2；β----刃脚脚的锋角；D1----刃脚的的外径（m）。。3．钢筋混凝土底板板设计当沉井壁下沉到到设计位置时，，坑内底版的设设计也是至关重重要的，如果设设计不当，可能能会发生涌水或或底鼓事故。（1）荷载计算算原则：在干封底的情况况下，井内结构构可能尚未最后后完成，故底板板应按施工阶段段最不利条件和和底版以下最大大水压力进行计计算。若采用水水下混凝土封底底，仍应按底版版标高以下的最最大水压力考虑虑；然后按单向向板或双向板计计算底版配筋。。墩台基础工程的的沉井，应按整整个构筑物的自自重及其所承担担的上部荷载，，计算作用于沉沉井底部的地基基反力。但在计计算沉井底部地地基反力时，可可不计护壁侧面面摩擦力的作用用。且这类沉井井的坑底一般多多用混凝土填充充，故亦不考虑虑静水压力对沉沉井底部的作用用。（2）沉井封底底厚度的计算：：如果沉井的刃脚脚是停留在不透透水的粘土层中中，则可采用干干封底的办法，，但要注意不透透水层的厚度是是否安全；常用用校核办法：F*γ*h+C*U*h>F*γw*Hw(5-10)式中F----沉井井的底部面积（（m2）；γ----土的的浮容重（t/m3）；h----刃脚脚下面不透水粘粘土层厚度（m）；c----粘土土的内聚力（t/m2）；U----刃脚脚踏面内壁周长长（m）；γw----水的容容重（t/m3）；Hw----透水砂砂层的水头高度度（m）。土的渗透系数较较大或出现流砂砂，采用干封底底不可能时，必必须进行水下混混凝土封底。封封底厚度除满足足沉井抗浮要求求外，要按照混混凝土的强度来来计算。对水下下的封底要求如如下：1）水下混凝土土的厚度，应按按施工中最不利利的情况考虑，，即按地下水头头高度减去封底底混凝土的重量量作为计算值。。2）封底混凝土土内应力最好不不出现拉应力，，若两45度分分配线在封底混混凝土内或底版版面相交，不会会出现拉应力，，如图5-6。。当沉井刃脚较较短时，则应尽尽量挖深锅底中中央部分，亦可可形成倒拱。3）水下封底计计算方法如下：：一般均按简支支板承受均布载载荷计算，板中中心的弯矩为：：M=P*γ2*（3+μ）/16=0.198Pγ2(5-11)式中P----静水压压力形成的荷载载（t/m2）；γ----圆板板的计算半径（（m）；μ----混凝凝土的泊松比，，一般取1/6。由此计算素混凝凝土封底厚度为为：h=（3.5K*M/bR1）1/2+D(5-12)式中K----安全系系数，按抗拉强强度计算的受压压、受弯构件为为2.65;M----板的的最大弯矩(kg*cm);b----板宽宽,一般取100cm;R1----混凝土土抗拉强度（kg/cm2）；D----考虑虑水下混凝土可可能与井内土掺掺混的附加量，，30-50cm。3）沉井抗浮浮问题目前工业用途的的沉井作为底下下构筑物的围护护结构，要求使使用空间越来越越大，所以大型型沉井的抗浮问问题比较突出。。为了满足沉井井的抗浮要求，，采用加厚护壁壁或增加底版厚厚度等措施，应应根据具体工程程情况来考虑。。以往不计护壁侧侧面反摩擦力时时，验算如下：：K=沉井自自重/浮力力>=1.1(5-13)考虑侧壁摩擦力力时,验算如下下:K=(沉井自重重+侧壁反摩擦擦力)/浮力>=1.25。。一般混凝土沉井井埋在地下根本本浮不起来。但但在一些沉井、、沉箱工程中有有过上浮的实例例。在一些蓄水水池及地下室工工程中，因江河河或地下水位上上升，而出现构构筑物上浮的亦亦有所闻。因此此应适当注意。。§5-3沉井井施工技术沉井施工工艺比比较简单，尤其其是沉井深度较较浅，采用不淹淹水沉井法时，，施工的难度主主要是沉井壁的的制作与连接工工艺。1.沉井施工工工艺:如图所示,普普通沉井一般先先在沉井位置搭搭设施工台，开开挖一定深度并并平整底部，铺铺设砂垫层，设设置承垫木。制作钢板或角钢钢刃脚后浇注第第一节沉井，待待其达到一定重重量和强度后，，抽去承垫木，，在井筒内边挖挖土边下沉。可一次浇注一次次下沉到底，也也可分节浇注分分次下沉。达到到设计位置时，，用混凝土封底底，再浇注钢筋筋混凝土底版构构成地下结构。。2.沉井壁的制作沉井壁各节的高高度不应大于井井宽，以保证其其稳定性并有适适当重量使其顺顺利下沉。沉井井壁制作方案有有三种：一节制制作，一次下沉沉；分节制作，，多次下沉；分分节制作，一次次下沉。要根据据具体施工情况况进行选择。一般中、小型沉沉井，深度不大大，可采用一次次制作，一次下下沉方案，工期期短，施工简单单方便。分段段制作，多次下下沉，是将护壁壁沿高度方向分分为几段。第一段高度一般般约6-10m，地面上浇制制，待达到设计计强度100%后，井内出土土下沉。在护壁顶面露出出地面约1~2m时，停止下下沉，第二节护护壁混凝土达到到设计强度的70%，即可挖挖土继续下沉。。如此类推循环环进行；适用于于深井工程。分节制作、一次次下沉，是在沉沉井位置，分节节制作护壁，各各节达到所要求求的强度后，连连续不断挖土下下沉直到设计标标高。我国目前前采用分节制作作、一次下沉较较多，全高已达达30m以上。。其优点是可减减少脚手架、模模板及工种交叉叉作业，有利于于缩短工期。但但沉井自重大，，对地基承载力力要求较高，需需大型起重设备备。3．沉井接高措措施护壁接高的关键键是掌握地基土土的稳定性，若若下沉系数小于于1，便可认为为地基是稳定的的。常用井内灌灌水或填砂等临临时措施以提高高地基的承载力力。地基承载力计算算可取0.8Qu(Qu为土的极限承载载力)。工程程中多采用下式式计算：Qu=γ1*h*m12+γ*b（m/2））1/2（m2-1）+2c*m1/2（m+1）（（5-14）式中γ1----井内回回填砂或土的容容重（T/m3）；h----井内内刃脚踏面以上上砂或土的高度度（m）；m1----tg2（45°+φ1/2），其中φ1为回填砂或土的的内摩擦角度；；γ----为原原地基土的容重重（T/m3）；b----护壁壁厚度（m）；；m-----tg2（45°+φ/2），其中φ为原地基土的内内摩擦角度；c----原地地基土的内聚力力（T/m2）。4．连续沉井施施工平面长度较大的的沉井，分成数数段分别下沉，，或多个独立沉沉井相互靠近，，将其连接起来来可形成一条通通道或连续基础础的施工工程，，称为连续沉井井施工。为保持土压力的的均衡对称。一一般采取间隔下下沉。沉井的结构形式式分为圆形和矩矩形两种。圆形形连续沉井如法法国Dunkergue的矿矿业码头某工程程，沉井直径为为19m，相邻邻沉井在直径的的端部（即切点点处）略600cm的距离。。待沉到设计标标高后，清除间间隔处的泥土，，灌混凝土将各各沉井连成一体体。哈佛港（Havre）某码头头采用直径11m的圆形连续续沉井建造，接接缝宽度为1.5m，接缝由由两个钢筋混凝凝土桩组成。桩桩体外部预留两两个空槽，以形形成一个直径70cm的中孔孔和两个断面为为20*40cm的侧孔。然然后利用空气吸吸泥机清除孔道道中的泥土，用用导管法向中孔孔浇注水下混凝凝土，两侧孔用用袋装混凝土充充填。上海第一条黄浦浦江底隧道引道道段，为矩形连连续沉井施工，，每个沉井长20m左右，宽宽约8m，沉井井下沉深度为7-10m不等等。单个沉井的的两端用钢板和和型钢组成的封封闭，待沉井达达到设计标高后后，将临时钢封封板拆除，连续续沉井即成为一一个整体通道。。5.淹水沉井井掘进淹水沉井的挖土土与出渣必须用用机械在水下完完成。目前沉井井施工采用的水水下掘进机有抓抓斗、冲击钻、、水力掘进和钻钻机掘进等。抓斗掘进是利用用自重向下冲击击破坏土层结构构，提升闭合时时将泥土抓取提提出井外而完成成任务的。适用用于浅沉井施工工。冲击钻掘进是利利用钻头往复冲冲击破坏岩土而而完成任务。适适用于较硬土层层或风化软基岩岩层。水力掘进主要依依靠高压水射流流破坏土层结构构，然后用压气气排液器排至地地面。分悬吊式式水枪和旋转水水枪。悬吊式水枪，一一般水枪和压气气排液器组装