岩土工程沉井施工技术

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fy ----钢筋抗拉强度设计值（kPa）；
• γk ----钢筋混凝土结构强度系数。
• 按重率验算护壁厚度：
• 沉井自重与沉井壁外侧面积的比值，称为重 率；是决定沉井能否顺利下沉的主要因素之一。 国外取值为20-26kPa。沉井较浅、软土层中取小 值，下沉较深时取大值。
• 重率简便估算如下：
• W=（D-d）*γ/2
• 有钢刃脚与钢靴刃脚两种结构形式。ห้องสมุดไป่ตู้
• 钢刃脚的骨架用两排角钢或轻型钢轨焊接 组成，刃尖一般采用11kg/m的钢轨制作。骨 架内、外侧均用6-8mm厚的钢板全部围包焊牢。 此种刃脚强度大、整体性好，不易变形，用 于沉井深度大的时候。
• 钢靴刃脚是在钢筋骨架下部，用钢轨或圆 钢焊接成钢靴刃尖，钢靴钢板高为0.5-1.5m, 厚6mm；刃脚用9kg/m钢轨或18-28mm的圆钢； 此种刃脚有一定强度，省钢材，但抗变形差。
• 常用刃脚（如图所示）有三种：
• 锐尖型：夹角一般小于25°，锋利易切入 土层，阻力较小。但不适用于含砾卵石层， 强度稍小，易破坏。
• 踏面型：阻力大，但稳定性好，适用于松 散无障碍物的冲积层。
• 钝尖型：强度较高，适用于各种冲积层， 一般多采用圆弧形钝尖刃脚，其夹角大于 30°，高2.0m左右。
• 需要时，井筒内可设置隔墙以减少外壁的 净跨距，加强沉井的刚度；同时又把沉井分 成取土小间，施工时便于掌握挖土位置以控 制沉井和纠偏。
• 沉井技术设计主要包括以下内容：
• 1．刃脚设计
• 刃脚位于沉井最下端，其作用是：
• 切入土层，破坏原状土的结构、克服沉井 正面阻力；封闭与阻止壁后流砂或泥浆涌入 井筒内。刃脚的结构应具有足够的强度，以 承受土层压力、侧压力、一定剪应力及突沉 时的冲击力。
表面粗糙程度、土的种类、及其物理力学 性能有关。
一般从地表到5m深的单 位摩擦力，由零增长 至最大值，深5m以后， 保持常数值。
• 井壁与土体的侧面 摩擦力，一般可根据 已有的经验和测试资 料估算；对下沉深度 在20m以内，最大不超 过30m的沉井，可参照 表5-1选用。
• （2）护壁竖向强度计算：
3. 沉井护壁设计
• 沉井护壁的结构形式应根据工程的需要来 决定。其平面形状有圆形、矩形、双孔矩形 或多孔矩形等。竖直剖面有内外等径、内外 不等径等形式。
• 常见护壁结构形式如图所示。
• 护壁可为整体现浇钢筋混凝土、预制钢筋 混凝土，大型砌块、钢或铸钢结构等，后两 种国外曾采用。
• 我国多用整体现浇钢筋混凝土护壁，双层 钢筋，混凝土强度不低于C20。护壁的厚度应 根据下沉能力与强度计算来确定。
• 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。
• E=（D-d）/2=W/γ （5-8）
• 式中 W---重率（kPa）；
• d，D----护壁内、外直径（m）；
• γ--钢筋混凝土的比重，一般γ为25KN/m3。
• 按下沉条件验算护壁厚度：
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G >= KT
(5-9)
• 式中G----沉井总重量,等于刃脚、护壁、触变泥 浆之和（kN）；
• K----沉井下沉系数，一般取1.15;
• 通常下沉深度在100m以内的沉井，壁厚 为0.7—1.0m；下沉深度大于100m时，壁厚 为1.0—1.2m。
• 沉井护壁四周作用着土压力和水压力。 竣工后，沉井下部承受水压力，沉井上部 有房屋等构筑物的重量。使用阶段有设备 荷载和使用荷载。
• 所以沉井的受力是个空间体系，但实际 上计算其内力和配筋时多简化成平面体系， 而以构造措施来保证整体强度。
• 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。
• T----沉井结构受到的总阻力,T=T +T +N；
• T1----刃脚外侧阻力（kN）；为侧面积与单 位摩擦阻力的乘积；
• T2----护壁外侧阻力（kN），按减阻介质确 定（5—8Kpa）；
• N----沉井正面阻力（kN）。 • 当刃脚斜面全部切入土层时：
• 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
• 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
• 对于不淹水沉井，可把井壁看作支承于四个固 定承垫上的封闭梁进行计算。矩形沉井计算如下：
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M1=[(q*L22/2)-9(B/2-b)(L2-b/2)] （5-2）
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M2=q*L12/8-M1
（5-3）
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Q1=q*L2+q（B/2-b）
（5-4）
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Q2=q*L1/2
（5-5）
• 式中 M1 ----支座弯矩（t*m）；
• 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)。
（1）护壁沉降系数：
• 沉井下沉是靠在井筒内不断取土，使沉井 自重克服四周井壁与土的摩擦力和刃脚下土 的正面阻力而实现的，所以在设计时首先要 确定沉井在自重作用下，是否有足够重量得 以顺利下沉。
• 一般在设计时先估算井壁外部与土的摩擦 力，然后按下沉系数确定井壁厚度。
• 沉井下沉系数根据经验为1.10-1.25。土 体对井壁侧面的单位摩擦力与井壁材料及其
• 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。
• 假设刃脚插入土中1m以上，受力主要有：
• 井墙外侧的土压力和水压力总和、刃脚与 土层的摩擦力、刃脚下土的反力和刃脚斜面 上的水平推力。
• 当井墙外侧的土压力和水压力总和不大于 沉井内的静水压力时需演算刃脚的向外挠曲 安全性。
• 假设沉井已下沉接近设计标高时，井壁自 重全部由外侧土的摩擦力来承担，而此时外 侧最大土压力和水压力可能使刃脚产生向内 挠曲；但因刃脚自重及刃脚外摩擦力相对而 言均很小，一般忽略内挠曲计算。
• 算护壁的拉应力：即土层中有障碍物时矩形沉井 支承点位于长边的两端点或支承于长边的中点； 圆形沉井支承于直径上的两个支点。
• （3）沉井壁厚度计算：
• 按厚壁圆筒强度要求计算壁厚：
• 素混凝土护壁：
• E=R[fc/（fc-31/2P）-1] 1/2 • 钢筋混凝土护壁：
（5-6）
• E=R[fz/（fz-31/2P）-1] 1/2 • 式中 E----护壁厚度（m）；
• 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 沉井技术设计
• 沉井一般是由井筒（护壁）和刃脚两部分 组成，如图所示。
• 技术设计时，井筒是主要部分，应有足够 的强度和重量，外壁可以是竖直的，也可作 成台阶形。井筒下部靠刃脚处应有凹槽，使 封底混凝土可嵌入井壁形成整体结构。
• L2 --- 长 边 支 座 外 的 悬 臂 长 度 , 一 般 可 取 0.10~0.15L(m);
• b----护壁的厚度(m)。
• 当矩形沉井长与宽接近相等时，亦可考虑在两 个方向都设置支撑点。对于圆形沉井，直径较小 时，一般按四点支撑考虑；直径较大时，可增加 支撑点。
• 对于淹水沉井，施工中采用不排水挖土下沉， 刃脚支承情况较难控制。通常按最不利情况来验
• 2.刃脚验算方法:
• 刃脚外径略大于井壁外径，与井壁形成刃 脚台阶，用以储存减阻介质。台阶宽度与所穿 过主要土层和减阻介质有关，如用壁后压气减 阻时台阶宽度取0.1m左右，壁后泥浆减阻时 0.2m左右。实际应用时，应根据工程具体情况 对刃脚的受力和挠曲变形进行验算。当沉井已 下沉全部深度的一半，并且已接高其余各节井 壁时，刃脚的受力特点如图5-4所示。
• M2 ----跨中弯矩（t*m）；
• Q1 ----支座外侧的剪力（t）；
• Q2 ----支座内侧的剪力（t）；
• q----护壁的单位长度重量（t/m）；
• L----沉井长边的长度（m）；
• B----沉井短边的长度（m）；
• L1 ----长边两支座的距离（m），一般可取 0.7—0.8L(m);
（5-7）
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R----沉井内半径（m）；
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fc ----混凝土抗压强度（kPa）；
• P----护壁计算截面处的侧压力（kPa）；
• fz ----钢筋混凝土材料抗压强度（kPa）；
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fz=（fc+μminfy）/γk
• μmin ----最小配筋率；
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fc ----混凝土抗压强度设计值（kPa）；
• 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。