沉井与沉箱结构

施工时先在建筑地点整平地面，制作第一节沉井，接着在 井壁的围护下，从井底挖土，随着土体的不断挖深，沉井 因自重作用克服井壁土的摩阻力而逐渐下沉。
当第一节井筒露出地面不多时停止开挖下沉，接高井筒， 待到达规定强度后再挖土下沉。这样交替操作一直下沉到 设计标高，然后封底，浇筑钢筋混凝土底、顶板等工作， 做成地下建筑物。
f0
nhn tg42ntgn
另一种假定认为摩擦力不仅与土的种类有关，还与土的埋 藏深度有关。采用了摩擦力等于朗金主动土压力与土和井 壁间的摩擦系数之乘积(一般取极限摩擦系数为0.4~0.5)。 侧面摩擦力将是随着深度而增加的梯形分布，或近似于三 角形分布。
对于小型薄壁阶梯形井壁的圆形沉井，它的侧面摩擦力亦 有多种不同的取法，上海地区采用图8-7e、f所示的假定。
沉井结构的单体造价较低，主体的混凝土都在地面上浇筑， 质量较易保证，不存在接头的强度和漏水问题，可采用横 向主筋构成较经济的结构体系。在一定的场合下，是一种 不可取代的较佳方案。 .
8.2.1沉井的类型
.
1．隧道连续沉井
a)
地面
伪装土
在两个沉井之间采用有橡 胶止水带的柔性接头。沉 井长度主要考虑各段沉井
.
2．刃脚
• 刃脚的主要功用是减少下沉阻力。
• 刃脚还应具有一定的强度，以免下沉过程中损坏。 • 刃脚底的水平面称为踏面。踏面宽度一般为10～30cm，视所
通过土质的软硬及井壁厚度而定。
• 刃脚内侧的倾角一般为40°～60°。 • 刃脚的高度当沉井湿封底时，取1.5m左右，干封底时，取
0.6m左右。
• 当沉井作为地下结构物时多采用钢筋混凝土顶板。
.
5．底梁和框架
在比较大型的沉井中，如由于使用要求，不能设 置内隔墙，则可在沉井底部增设底梁，并构成框 架以增加沉井在施工下沉阶段和使用阶段的整体 刚度。有的沉井因高度较大，常于井壁不同高度 设置若干道由纵横大梁组成的水平框架，以减少 井壁(于顶、底板之间)的跨度，使整个沉井结构 布置合理、经济。
.
4．封底及顶盖
• 封底可分湿封底(即水下浇筑混凝土)和干封底两 种。
• 为了使封底混凝上和底板与井壁间有更好的联结， 以传递基底反力，使沉井成为空间结构受力，常 于刃脚上方的井壁上预留凹槽。如在特殊情况下， 预计有可能需改用气压沉箱时，亦可预设凹槽， 以便必要时在该处浇筑钢筋混凝土盖板。
• 凹槽底面一般距刃脚踏面2.5m以上。槽高约1.0m， 近于封底混凝土的厚度，以保证封底工作顺利进 行。凹入深度约0.15~0.25m。
在松软地层中下沉沉井，底梁的设置还可防止沉
井“突沉”和“超沉”，便于纠偏和分格封底，
以争取采用干封底。但纵横底梁不宜过多，以免
增加结构造价，施工费时，甚至增大阻力，影响
下沉。
.
8.2.3沉井的结构计算
沉井结构在施工阶段必须具有足够的强度 和刚度，以保证沉井能稳定、可靠地下沉 到拟定的设计标高。
待沉到设计标高，全部结构浇筑完毕并正 式交付使用后，结构的传力体系、荷载和 受力状态均与沉井在施工下沉阶段很不相 同。因此，应保证沉井结构在这两阶段中 均有足够的安全度。
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取土孔
顶板
入 孔
内墙
井壁
凹槽
.
刃脚
封底
a)
8.2.2沉井的构造
b)
c)
b1
L
h2
H
h1
b2
井壁的纵断面形状有上下等厚的直墙形、阶梯形
✓ 当土质松软、摩擦力不大，下沉深度不深时可采用直墙形。其优点是 周围土层能较好地约束井壁，易于控制垂直下沉。接长井壁亦简单， 模板能多次使用。此外，沉井下沉时，周围土的扰动影响范围小，可 以减少对四周建筑物的影响，故特别适用于市区较密集的建筑群中间。
沙性土 粘性土 泥浆套
12 12.5~25 3~5
25 50
.
100~200
350~500
根据上海地区经验，在缺乏可靠实测资料时，对于井深80m
以内的沉井，其侧面摩擦力值f0几乎都取15~20kN/m2。后者 适于沉入深度20m以内的粘土、亚钻土中的沉井。
在实际工作中，井壁摩擦力的分布形式，有许多不同的假定。
内隔墙的底面一般应比井壁刃脚踏面高出0.5~1.0m，以免土 壤顶住内墙妨碍沉井下沉。但当穿越软土层时，为了防止沉 井“突沉”，也可与井壁刃脚踏面齐平。
隔墙的厚度一般为0.5m左右。隔墙下部应设过人孔，供施工 人员于各取土井间往来之用。人孔的尺寸一般为 0.8×1.2m~1.1~1.2m左右。
取土井井孔尺寸除应满足使用要求之外，还应保证挖土机具 可在井孔中自由升降，不受阻碍。如用挖泥斗取土时，井孔 的最小边长应大于挖泥斗张开尺寸再加0.50~1.0m，一般不 小于2.5m。井孔的布置应力求简单、对称。
吊车顶 钢筋混凝土车道
板 路面
钢筋混凝土起爆层 砂土垫层
钢筋混凝土矩形隧道沉井 通风道
的不均匀沉降、变温影响 和混凝土凝固收缩应力等 因素加以确定。
检查用的通道 100-150号混凝土垫层15cm 垫沙层（细纱）20-30cm 煤渣回填土
c)
沥青纤维板（厚5cm）
沉井横断面的宽度应由隧 道的几何设计来确定，一
a)
b)
挖土
c)
顶板
井孔(填塞) (或不填塞)
.
封底混凝土
设计标高
8.2沉井结构
这种利用结构自重作用而下沉如土的井筒状结构物就称 “沉井”。实质上是将一个在地面筑成的“半成品”沉入 土中，然后在地下完成整个结构物的施工。
它与基坑法区别就是，沉井在施工过程中，井壁成了阻挡 水、土压力，防止土体坍塌的围护结构，从而省去大量的 支撑和板桩工作，减少了土方开挖量。
8 沉井与沉箱结构
丁文其 教授 同济大学地下建筑与工程系
.
现代压气沉箱技术
桥梁基础
泵站设施
隧道竖井
连续隧道
压气沉箱工法
电力设施 地铁车站
防波提
地下停车库
.
垃圾处理
8.1 概述
.
沉井（沉箱）结构通常具有以下几个特点∶
.
8.2沉井结构
沉井通常为一个上无盖下无底的井筒状结构物，现常用钢 筋混凝土制成。
.
沉井结构设计的主要环节可大致归纳如下
(一) 沉井建筑平面布置的确定； (二) 沉井主要尺寸的确定和下沉系数的验算。 1．参考已建类似的沉井结构，初定沉井的几个主要尺寸，如沉井平面尺
寸、沉井高度、井孔尺寸及井壁厚度等，并估算下沉系数，以控制沉 速； 2．估算沉井的抗浮系数，以控制底板的厚度等。 (三) 施工阶段强度计算 1．井壁板的内力计算； 2．刃脚的挠曲计算； 3．底横梁、顶横梁的内力计算， 4．其它。 (四) 使用阶段的强度计算(包括承受动裁) 1．按封闭框架(水平方向的或垂直方向的)或圆池结构来计算井壁并配筋； 2．顶板及底板的内力计算及配筋。
b)
上框架 端衡撑
橡胶止水带 侧井 墙壁
（
（
般应能容纳所需车道、风 道、走道等。在曲线段中
横撑
井壁
还应按车速和曲率半径等
双脚下框架
考虑适当加宽。
取土坑纵撑
后浇混凝土
预埋钢筋
预埋钢板 平橡胶止水带 钢板
横梁
0.9cm
26cm
a)使用阶段隧道截面示意图 b)施工阶段连
续沉井示意图 c)防水接头构造图
.
沉井高度主要由车道的净空要求确定。同时还要考虑路面铺 装、车道板、吊顶结构以及相邻沉井间沉降差等所需高度。
1.7
t m3
淤 泥 质 亚 粘 土 1.93 t m3
6 .9 1 m
a)人防工事结构剖面图 b)顶层结构剖面图 c)底层结构剖面图
.
4 5 0 0 5 5 0 0 5 5 0 0 5 5 0 0 5 5 0 04 5 0 0
c )
4 5 0 0 5 5 0 0 5 5 0 0 5 5 0 0 5 5 0 0 4 5 0 0
一种是假定在深度0~5m范围内单位面积摩擦力按三角形分布，
5m以下为常数，总摩阻力
R J f0 F 0 F 0 U h 0 2 .5
一种是取入土全深范围内为常数的假定 F0 U0
a)
b)
c) f)
e)
h0tg2
d4)
2tg
5
h
1
h
2
f1 f2
h0 - h 5
-5
h
0
h
0
h
hn
fn
.
f0
f 0
沉井下沉到设计标高后，就可封底，并浇筑底板、内隔墙和 顶板。顶板上方可设置钢筋混凝土成层式防爆层。
.
2．平战结合用的人防工事沉井
图8－3所示的矩形沉井，是平战结合用地下仓库之一例。 平面尺寸为3l×19m2，壁厚80cm，顶板厚35cm，底板厚 80cm。沉井分上下两层。下层由于使用需要，分隔成许多 小间；上层两侧为“三防”设施房间，中间作为大厅，平 时可利用作为会场，战时可作为临时救护所。
✓ 当土质松软，下沉深度较深时，考虑到水土压力随着深度的不断增大， 使井壁在不同高程受力的差异较大，将井壁外侧仍做成直线形，内侧 做成阶梯形，以减小沉井的截面尺寸，节省材料。
✓ 当土层密实，且下沉深度很大时，为了减少井壁问的摩擦力而不使沉 井过分加大自重，常在外壁做成一个(或几个)台阶的阶梯形井壁。台 阶设在每节沉井接缝处，宽度△一般为10～20cm。最下面一级阶梯宜 设于h1＝(1/4~1/3)H高度处(见图8—5b)，或h1＝1．2～2．2 m处。h1 过小不能起导向作用，容易使沉井发生倾斜。施工时一般在阶梯面所 形成的槽孔中灌填黄沙或护壁泥浆以减少摩擦力并防止土体破坏过大。
.
一、沉井下沉系数的确定
• 下沉系数
G
K1
Rj
Rr
1.10:
1.25
式中G——沉井在施工阶段的自重(kN)应包括井壁和上、下
横粱和隔墙的重量以及施工时临时钢封门等的重量。当采
用不排水下沉时，尚应考虑水的浮力使井重减轻的影响。
——Rr刃脚踏面下正面阻力的总和(kN)，如沉井有隔墙、底 横梁，其正面阻力均应计入，刃脚踏面上每单位面积所受 的阻力，视土质情况而异，详见表8—1。一般在踏面处作 均匀分布，在斜面处，可按三角形分布计算。
为保证沉井施工阶段结构刚度，在沉井顶部和底部均设置投 横向支撑数道，与井壁部分
构成刚劲的上、下框架。井宽较大时，下框架中尚可加设纵 向支撑一道。由纵、横支撑(梁)
分隔成的取土井，其尺寸应保证抓斗挖土。上下端横梁还可 起支承临时钢封门的作用，使沉
井下沉时，纵向两端的土体不挤入井内(下沉完毕，钢封门 即可拆除)。
侧面单位摩擦力的量值及分布规律还远未了解清楚,例如 在上海从实践中发现多数轻型沉井的下沉系数小于l，一 般在0.65~0.9之间，多数在0.7~0.8，仅个别大于1.0。在 施工中，除了个别沉井需要压重外(主要原因施工中途停 顿或由排水下沉改为不排水下沉)一般都能下沉到预定标 高。近年来在工程实践中亦逐渐采用直接测量或间接测量 摩擦力的方法，对摩擦力的大小、分布规律作进一步研究。
• 沉井重，土质软时，踏面要宽些。相反，沉井轻，又要穿过 硬土层时。踏面要窄些，有时甚至要用角钢加固的钢刃脚。
a)
b)
c)
d)
e)
50 80 6 08 0 150
70 125
.
4 02 0
35 45
8070
8 01 0 0
3．内隔墙
内隔墙的主要作用是增加沉井在下沉过程中的刚度并减小井 壁跨径。同时又把整个沉井孔(取土井)，使挖土和下沉可以 较均衡地进行，分隔成多个施工井也便于沉井偏斜时的纠偏。
.
实际上沉井的沉降系数K1在整个下沉过程中，不 会是常数，有时可能大于1.0，有时接近于1.0， 有时会等于1.0。如开始下沉时K1必大于1.0，在 沉到设计标高时K1应近于1.0，一般保持在K1＝ 1.10~1.25左右。
为了加强沉井施工下沉过程中的整体刚度，井内设上、下 若干横撑，到使用阶段安上楼板，隔墙就可分隔成许多房 间。
.
9750 9750 80 80 80 240 20 280 350 7910 160 280
a )
3 5 4 5
b )
4 .6 8 m
1.82
填 土
t
m3
2 .6 0 m 3 .1 8 m
8.2.2沉井的构造
井壁(侧壁)；刃脚；内隔墙；封底和顶盖板，底梁和框架。 1．井壁 一般应配置两层竖向钢筋及水平钢筋，以承受弯曲应力。同
时要有足够的重量。井壁厚度主要决定于沉井大小、下沉深 度以及土壤的力学性质。 先假定井壁厚度，再进行强度验算。厚度一般为0．4～ 1．2m。有战时防护要求的，井壁厚度可达1．5～1．8m。
——Rj沉井井壁与土壤间的总摩擦力(kN)，
Rf f0 F0
f0
f1h1＋f2h2......fnhn . h1h2......hn
土壤类型
土对单位井壁的面积摩擦力 刃 脚 下 土 壤 单 位 面 积 阻 力
（kN/m2）
（kN/m2）
土壤密度小 含水量多
土壤密度大 含水量小
土壤软弱 含水量多
土壤紧实 含水量少