沉井基础的研究与应用

题目：沉井基础的研究与应用
完成期限：2014年1月3日至2014年5月5日
学习中心年级2012级
专业建筑工程技术指导教师
姓名学号121092423019
摘要
沉井基础是以沉井法施工的地下结构物和深基础的一种型式。

近年来，随着生产规模的扩大和生产技术的发展，沉井施工方法已逐渐成为埋入软土层内各种地下工业建筑和人防工程围护结构的一种重要形式，在城市建设中广泛用于各个专业。

本文对沉井基础的总体情况做了研究概述，简要介绍了其应用情况，并做了总结。

关键词：沉井；应用；现状；
沉井基础的研究与应用
一、研究背景
沉井（又称为沉箱）由于对周围环境影响较小，需要场地不太大，所以在城市建设中广泛用于各个专业。

例如城市管线施工时，使用沉井做工作坑或检查井，可以避免直接开挖施工造成占地过大而影响道路交通或者周围有建筑物无法开挖等。

但沉井较一般开挖工程要复杂，遇到的问题比较难以处理。

如何能够避免这些问题或是将这些问题处理在萌芽阶段，将是沉井施工成败的关键。

二、沉井基础研究概述
沉井基础是一个井筒状的结构物，它是从井内挖土、依靠自身重力克服井壁摩阻力后下沉到设计标高，然后采用混凝土封底并添塞井孔，使其成为建筑物的基础，沉井基础由于埋置深度可以很大，整体性强、稳定性好，有较大的承载面积，能承受较大的垂直载荷和水平载荷；沉井既是基础，又是施工时的挡土和挡水的围堰结构物。

施工工艺并不复杂。

沉井施工顺序包括施工前的准备工作——三通一平（地基处理）、开挖基坑、沉井制作、沉井下沉、沉井封底、封顶等主要施工工序。

（一）沉井施工技术概述
沉井是在地面上或地坑中，用钢筋混凝土制成上、下开口而四周封闭的井筒状结构作为基坑坑壁的支撑，待井筒混凝土达到一定强度后，用机械和人工分层挖土、运土，随着井内土面逐渐降低，借助于其自重克服与土壁之间的摩阻力而下沉入土中的结构物。

沉井由于在地下或水下施工，故一般在地面上作好基础，在现场沉入土中或水中。

近年来，随着生产规模的扩大和生产技术的发展，沉井施工方法已逐渐成为埋入软土层内各种地下工业建筑和人防工程围护结构的一种重要形式。

（二）沉井结构和施工工艺特点
沉井结构和施工工艺主要有如下特点：
1．沉井结构截面尺寸和刚度大，承载力高，抗渗透耐久性好，内部空间可资利用，可用于很深的地下工程的施工；
2．沉井施工不需要复杂的机械设备，在排水和不排水情况下，均能施工；
3．可用于各种复杂地形、地质和场地狭窄条件下施工，对邻近建筑物影响较小，甚至不影响；
4．当沉井尺寸较大时，在制作和下沉过程中，均能采用机械化施工；
5．可在地下水很丰富、土的渗透系数大，难以将地下水排干，地下有流沙或有其它有害的土层情况下施工；
6．与大开挖施工相比，可大大减少挖、运、回填土的方量，加快施工进度，降低施工费用。

（四）沉井的一般规定
当基础需要埋置较深，地质、水文及施工等条件适宜时.可选用沉井基础。

但下
沉可能遇到大漂石、流砂、倾斜较大的岩而、地基承载力较低等不利条件时，应慎重选用。

一般沉井适用于水深不太大的场合，当水深较大，流速适宜时可考虑采用浮运沉井。

沉井下沉自重扣除水浮力作用后，应大于下沉时土对井壁的摩阻力，当刃脚需嵌入风化层时应考虑采取必要措施。

土对井壁摩阻力的数值与沉井入土深度、土的性质、井壁外形及施工方法等有关，此项数值应根据实践或试验资料确定。

沉井底节可用混凝土结构、钢筋混凝土结构、钢结构等。

混凝土结构只适用于下沉深度不大的松软土层。

钢筋混凝土结构截而最小配筋率不应小于0.5‰。

浮式焊接钢沉井所用钢材应保证其可焊性能，气筒应采用镇静钢。

沉井井孔是否填充，应根据受力或稳定要求确定，在低于冻结线0. 25m以上的部分，应用混凝土或石砌填实。

（五）沉井施工的常用施工方法
1、钻吸不排水沉井法
钻吸排土沉井基础施工技术是软土地层中不排水下沉的新工艺，它通过特制的钻吸机组，在水中用高压水冲结合潜水钻破土、真空吸泥相配合的方法，对土体的切削破碎以及同时完成排泥工作，从而使沉井下沉到达设计标高。

该工艺无振动、无噪声、对环境影响小，具有技术先进、经济合理、施工安全可靠、下沉质量保证等优点。

该法适用于穿过的地层为较厚的亚砂土或粉砂层，且含水量很大（含水量为30％~40%）的土层时，或附近水源补给丰富，沉井下面的土层不稳定，容易出现流砂或涌土的土层地段。

2、排水下沉沉井法
该法是在沉井基坑四周设置一定数量降水用的集水井，通过水泵将沉井内与集水井将排水排到排水沟或排水管道，通过挖掘机等取土机械将土挖运，同时沉井在自重作用下，下沉到达设计标高。

该工艺简单直观，容易质量控制，施工过程中对下沉的速度、偏移、突沉等问题易于控制，适用于场地面积大，土质较好，地下水位较低的施工地点。

3、泥浆润滑套沉井法
泥浆润滑套是把配置的泥浆灌注在沉井壁周围，形成井壁与泥浆接触。

选用的泥浆配合比应使泥浆性能具有良好的固壁性、触变性和胶体稳定性。

一般采用的泥浆配合比（重量比）为粘土35%~45%，水55%~65%，另外分散剂碳酸钠0.4%~0.6%，其中粘土或粉质粘土要求塑性指数不小于15，含砂率小雨6%。

这种有提高沉井下沉的施工效率，减少井壁的污土数量，加大了沉井的下沉速度，施工中沉井稳定性好等优点。

4、壁后压气沉井法
壁后压气沉井法也是减少下沉时井壁摩阻力的有效方法。

它是通过对沿井壁内周围预埋的气管中喷射高压气流，气流沿喷气孔射出再沿沉井外壁上升，形成一圈压气层（又称空气幕），使井壁周围土松动，减少井壁摩阻力，促使沉井顺利下沉，与泥浆润滑套相比，壁后压气沉井法在停气后即可恢复土对井壁的摩阻力，下沉量易于控制，且所需施工设备简单，可以水下施工，经济效果好。

三、沉井的应用与研究现状
沉井的应用非常广泛，适用于工业建筑地下室、水泵房、设备深基础、桥墩、码头等工程，如用于铁路和桥梁工程的墩台基础，岸边的取水构筑物、特别是市政工程中的给、排水泵站中的下部结构、大型设备基础、地下沉淀池、水池以及地下油库、矿用竖井等。

并可在松软、不稳定含水层、人工填土、粘性土、砂土、砂卵石等地基中应用。

在施工场地复杂，临近有铁路、房屋、地下构筑物等障碍物，加固、拆迁有困难或大开口施工会影响周围临近建（构）筑物安全时，应用沉井施工方法最为合理、经济。

（一）大型沉井施工
周江伶对萧山市第三水厂平面尺寸54·5m×31·6m、沉井高13·2m的特大型框架沉井进行介绍。

其基础位于软基上,为保证沉井整体下沉过程中的稳定、防止超沉,在沉井刃脚底部增设了30根钻孔灌注桩。

实践证明采取这种措施,沉井施工取得了成功，同时表明,在淤泥质软基上采用排水下沉是切实可行的,也是比较经济的【1】。

周德友结合芜湖长江大桥软基沉井的施工实例,介绍软基深大沉井制作、下沉、封底及软基加固等关键技术,提出软基深大沉井施工中应注意的一些问题【2】。

蔡振杰结合工程实例,分析大型沉井在软弱土层中施工的难点及关键技术问题。

提出：一要充分了解并掌握沉井井底下卧层和井周围的土层情况,以采取相应措施；二要注意沉井施工终沉到位标高的控制及后期沉降的控制【3】。

肖丰与易国平通过对国电北仑电厂三期循环水泵房沉井施工实践的总结, 提出了在极端软弱地基条件下大型沉井制作、下沉及下沉过程中对钻孔灌注桩的保护等施工技术措施, 对同类型工程的施工有一定的借鉴作用。

顾一峰通过对紧邻黄浦的江源江水厂一期工程取水泵站格栅吸水井的施工经验总结,提出了大型沉井在软土地基中制作、下沉、封底等施工措施,对同类型工程的施工具有一定的借鉴作用【4】。

吴勇针对如何确保沉井下沉质量及加快施工速度,经计算验证,在工程中采取了
一定的措施并取得了良好的工程效果。

本工程位于长江中下游冲击平原,在淤泥质粉质粘土中进行大型沉井排水下沉施工,根据该工程的地质特点及以往工程经验,经计
算采取了针对性较强的施工措施,充分考虑各种可能出现的问题,加强组织管理,加大
过程控制力度,并严格按既定方案进行实施,取得了良好的效果,为同类型电厂在软土地基中的大型沉井施工积累了经验。

过程纠偏控制中，必须要按照“勤测勤纠,随偏随纠”的原则及时进行纠偏。

（二）轻型沉井施工
轻型沉井是指外径不大于3m、高径比大于1.0，壁厚在0.2~0.25m(重量在50t以内)，施工时不需动用大型起吊设备的沉井。

此类沉井预制和下沉难度小，对施工队伍要求低，结构牢固，经济性好，适用于中小型水工工程。

张玉萍与夏运强结合青岛浮山湾北海船厂西护岸工程，对轻型连续沉并在护岸工程中的应用作了系统介绍。

连续沉井在该工程的软基上作为干擂条石针坡提的堤脚支撑并兼有护底防冲别以及消浪功能，具有施工方便，追价经济，美观实用等优点，有一定的推广使用价值。

对该类轻型沉井的设计和施工作了较为详细的闲述，便于工程应用。

（三）路、桥沉井应用
吉林等根据江阴大桥北锚沉井基础变位41次的观测资料,揭示长江下游软土地基上大跨径悬索桥锚碇沉井基础在施工及营运阶段的变位规律。

实测结果表明:特大型沉井分区封底对沉井沉降特征具有重要影响；不同施工阶段,锚碇沉井基础变位呈现出不同的特征,沉降及不均匀沉降是最根本的变位。

通过对施工及营运期锚碇基础变位过程的实测及分析，得出下列结论:
(1)大型沉井在封底过程中,结构处于一个时变体系状态,分区封底效应对基础变位特性影响明显,在土工数值分析中应予考虑。

(2)大型沉井在施工及营运过程中的变位,主要以下沉、不均匀下沉和转动为主,平动位移较小。

(3)根据主桥上部结构施工进度,合理选择压重块的形式及施工时机,既能有效地限制沉井及锚体的转动,保证结构安全,又能大大节省工程投资。

姚宇翔与陈雪仙通过杭州运河边丽水路沉井施工, 对软土地基沉井施工技术进行探讨,提出了有针对的可行的解决方案。

首先, 沉井施工时周边土体会受到扰动, 对邻近建筑物造成影响, 这可以通过施打水泥搅拌桩来解决。

其次, 沉井施工前, 必须对土体破坏范围、抗隆起安全系数、地基承载力、下沉系数、下沉稳定系数进行验算, 确保工程顺利进行。

第三, 施工过程中易产生底涌现象, 这可以在每次沉井下沉前, 先在井内打石灰桩, 增加土体强度予以解决。

第四, 在软土地基上施工沉井易发生超沉现象, 这可以根据实际情况,采用刃角下打水泥搅拌桩、沉井顶部增加翼缘板,或增加刃角长度来解决。

本文通过在运河边软土地基沉井施工实例, 列举了软土地基施工沉井时需要考虑的几个主要问题, 以及如何采取有效的防范措施, 这为今后在软土地基上施工沉井者提供有益的借鉴经验。

（四）桩支承式沉井
桩支承式沉井有效地预防了在软土地基中极易产生超沉、偏倾等施工难题，在工程实践中收到了较为满意的效果。

吴飞进结合洪石岩水库大坝基础的设计与施工，介绍了桩支承式沉井在水工结构工程中的运用,并通过全面分析，对桩支承式沉井坝基方案的安全合理性做出了评价【5】。

李振岭为了解决跨海大桥常见的水深、软基、基础沉降量大等难题，以规划中的琼洲海峡大桥中线桥为背景，研究分离的四柱式沉井+桩基的组合基础形式。

其中沉井基础作为桩基础的施工平台,解决了海上施工平台难以搭建的难题【6】。

（五）沿海应用
沉井在水运工程中的应用起步较晚，常见于内河堤防或驳岸的新建或修复工程，在沿海护岸工程中应用较少，曾在威海市海滨南路海岸工程项目设计中作为护岸主体结构采用。

杜传宝结合具体的工程实例,对其沿海特殊地质条件作了介绍,阐述了泵房沉井
基地处理、分节预制、垫木拆除及干封底等施工工艺及施工技术,经实践证明,具有较好的使用价值和推广价值【7】。

陈伟胜总结沿海软基沉井结构施工的难点，并根据各难点针对性地提出具体处理办法。

（六）纠倾方法
沉井制作前要充分了解掌握井底下卧层和井周围的土层情况,以便采取相应措施。

在井底下如存在软弱土层和倾斜土层等情况下,而在沉井制作过程中未采用相应的技术措施,则往往会产生沉井大幅度自沉、突沉和严重倾斜等问题,使施工设备受损和沉井质量受影响,所以要分节制作下沉的大型沉井更要重视采取必要的技术措施,
如井内灌水增加浮力、回填砂石等,来防止沉井出现大幅度突沉或倾斜。

罗国章[i]以福建大唐宁德电厂一期海水循环冷却系统工程为例,分析大型沉井在软弱土层中制
作的难点及关键技术问题。

魏纲等对钻孔取土纠倾与沉井冲水掏土纠倾方法进行比较，研究表明,采用沉井冲水掏土法纠倾要比钻孔取土法纠倾快、工后沉降速率小,该方法特别适用于软土地基上基础底板薄、上部结构整体刚度差的倾斜建筑物。

吴红兵就在初步总结施工实践经验基础上阐述在不同类型的沉井工程和各种困难条件下，进行纠偏调平施工的五种类型共十九项施工技术措施。

并分别介绍了多项沉井工程的纠偏调平施工实例【8】。

（七）其他应用及专项施工方法
建于深厚而抗力及抗渗能力低的粉砂质粘土覆盖层软基上的桐子林水电站闸坝工程，计划采用结构型式较特殊且迄今在坝工界很少被采用的大型钢筋混凝土沉井
和承重墙加固措施，对软基进行围固。

朱岳明等据工程的地质条件、结构特性、现拟设计方案及可能的施工过程,从工程的渗流和稳定要求等方面进行了多种工况的
非线性有限元计算分析,评估闸坝段区的渗流、结构受力及稳定特性,初步研究论证了软基建坝和现拟设计方案的可行性。

罗苑针对软基上沉井在下沉后期遇到雨季时，如何控制超沉的问题，通过几个工程实例分析计算了刃脚周边土体含水量过大时发生超沉现象的临界情况，由此提出加筑十字梁控制超沉的方法。

经过若干工程的实践表明，此法没计简单，施工方便，投资少，收效大,具有一定的工程实用价值。

曾裕昌结合工程实例对软土地基沉井施工常见问题进行分析，选择安全合理和可行的施工方案。

实践证明在沉井施工前采用高压注浆对不良地基进行加固处理能有效治理软土地区沉井施工中可能出现的隆起、突涌、管涌等问题。

吴清伟与张辉叙述了用沉井的方法在水系发达、土质软弱地区处理断桩的施工经验。

陈璞等在剖析了沉井施工下沉力学分析的基础上，针对上软下硬的地基土层的特点，推荐选用复式沉井结构形式，采用沉井法与逆作法相结合的施工工艺，并在工程实践中取得了良好的应用，为类似工程的施工，提供指导、借鉴。

黄海松等在已有的沉井研究及实际施工经验的基础上, 结合温州某市政工程中的雨水泵站沉井结构设计, 提出了控制沉井结构下沉的设计处理措施。

高利平结合具体工程实例，处理软土地质桥梁基坑开挖后出现的管涌，通过方案比较，采用了薄壁沉井支护方式。

介绍了薄壁沉井的设计原理及施工控制技术，取得了确保施工质量进度快、成本低的效果。

王建国介绍了嘉兴污水处理工程高位井施工，其井体分5节制作, 采用水力机械挖土分 3 次排水下沉法施工。

由于采用了大口径井点降水, 实现了排水下沉深度达29.35 m, 创上海地区软土层中沉井排水下沉深度的记录。

文章叙述了沉井制作、下沉的全过程。

其施工技术可供类似工程参考【9】。

寇宝庆等以西气东输二线长江盾构接收竖井工程为例，详细论述了承压完整井群降水水位降深和降水水位差值引起的地面沉降理论计算公式，采用Matlab分析计算排水下沉地下水位变化曲面和地面沉降曲面，同时提出了减小降水地面沉降的措施。

杨勇阐述了在软土地区进行沉井群施工的方案选择和进度计划安排，介绍了包括沉井群的制作、施工准备、下沉等全过程的有效控制方法，特别是对沉井下沉过程中的下沉速度、稳定性、井内的土体隆起等进行控制的方法，对井外地面的下沉进行了验算，与实测结果进行了对比分析，对沉井群施工过程中出现的问题进行了讨论，总结了沉井群施工的难点、特点以及有效控制的要点，为软土地区沉井群的
施工提供了合理的施工方案和有效的控制方法【10】。

四、总结
(1)利用砂垫层提高软土地区沉井刃脚底部土层的承载力是可行的，建议以后采用砂垫层结合素混凝土代替沉井制作过程中的刃脚承垫木(道木)用作刃脚支架，但砂垫层和素混凝土的厚度选取必须经过必要的验算;
(2)砖胎模的设置对于增加刃脚的接触支架面积、减少沉井支架所承受的单位面积荷载，以及提高沉井制作过程中的稳定性都是非常有益的;
(3)沉井群施工之前，应针对各沉井增加勘查设点，以便更详细地了解各沉井所穿过的每个土层和如何采取相应的调整措施;
(4)沉井群施工之前，进行方案优选和进度计划的安排是很重要的，对保证工程质量、安全施工、工期及成本控制都有很重要的意义;
(5)地下水对沉井施工有很大的影响，在施工必须加以注意;
(6)由于本工程的沉井群在施工中它们是互相联系和干扰的，以后如何保证沉井群之间在位移和倾斜方面的相对精度是需要进一步探讨的问题，例如进行数值计算和分析等。

参考文献
[1] 周江伶. 特大型框架沉井施工［J］. 浙江水利科技,2001, 5:48-50.
[2] 周德友. 芜湖长江大桥软基沉井施工技术［J］. 铁道标准设计,2004,8:98-101.
[3] 蔡振杰. 浅谈大型沉井在软基中的施工技术［J］. 福建建筑,2006,2:106-107.
[4] 顾一峰. 软土地基中大型沉井的施工技术［J］. 上海地质,2009,8,3:63-66.
[5] 吴飞进. 桩支承式沉井基础在坝工中的应用［D］.浙江：浙江大学,2008.
[6] 李振岭. 一种深水组合基础的设计研究[J] . 桥梁建设,2010,5:57-59.
[7] 杜传宝. 沿海软基泵房沉井施工技术［J］. 山西建筑,2005,31(19):122-123.
[8] 吴红兵.软土地层中沉井施工纠偏调平技术探讨［J］. 铁道工程学报,1996:186-190.
[9] 王建国. 嘉兴污水处理工程高位井施工［J］.中国市政工程,2008,6,3:55-57.
[10] 杨勇. 沉井群施工及其控制［D］.西安: 西安建筑科技大学,2003.。