沉井结构、计算、施工

【第16次课】

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第四章沉井基础及地下连续墙

第一节沉井的基本概念、作用及适用条件

概念：沉井是井筒状的结构物(图4-1)。它是以井内挖土，依靠

自身重力克服井壁摩阻力后下沉到设计标高，然后

经过混凝土封底并填塞井孔，使其成为桥梁敦台或

其它结构物的基础（图4-2）。

优点：埋置深度可以很大，整体性强、稳定性好，有较大的承载

面积，能承受较大的垂直荷载和水平荷载;沉井既是

基础，又是施工时的挡土和挡水围堰结构物，施工

工艺并不复杂(图4-3)。同时，沉井施工时对邻近

建筑物影响较小且内部空间可资利用，因而常用作

为工业建筑物尤其是软土中地下建筑物的基础，也

常用作为矿用竖井、地下油库等。

缺点：施工期较长，对粉细砂类土在井内抽水易发生流砂现象，

造成沉井倾斜，沉井下沉过程中遇到的大孤石、树

干或井底岩层表面倾斜过大，均会给施工请来一定

困难。

适用：1．上部荷载较大，而表层地基土的容许承载力不足，做

扩大基础开挖工作量大，以及支撑困难，但在一定

深度下有好的持力层，采用沉井基础与其他深基础

相比较，经济上较为合理时;

165

2．在山区河流中，虽然土质较好，但冲刷大，或河中有

较大卵石不便桩基础施工时;

3．岩层表面较平坦且覆盖层薄，但河水较深;采用扩大基

础施工围堰有困难时。

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第二节沉井的类型和构造

一、沉井的分类

(一)按沉井施工方法的分类

1．一般沉井指就地制造下沉的沉井，这种沉井是在基础

设计的位置上制造，然后挖土靠沉井自重下沉。如基础

位置在水中，需先在水中筑岛，再在岛上筑井下沉。

2．浮运沉井在深水地区筑岛有困难或不经济，或有碍通

航，当河流流速不大时，可采用岸边浇筑浮运就位下沉

的方法，这类沉井称为浮运沉井或浮式沉井。

(二)按沉井的形状的分类

1．按沉井的平面形状

圆形沉井

矩形沉井

圆端形沉井

2．按沉井的立面形状

竖直式

倾斜式

台阶式等(图4-5)。

(三)按沉井的建筑材科的分类

166

167 1． 混凝土沉井

2． 钢筋混凝士沉井

3． 竹简混凝土沉井 赣江大桥

4． 钢沉井

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二、沉井基础的构造

(一)沉井的轮廓尺寸

平面形状

← 墩(台)底部的形状。 矩形沉井

← 矩形或圆端形墩（沉井的长边与短边之比不宜大于3） 方形或圆形沉井

← 墩的长宽比较为接近 沉井顶面尺寸为墩(台)身底部尺寸加襟边宽度。襟边宽度不宜小于0.2m ，也不宜小于沉井全高的1/50，浮运沉井

不小于0.4m。

沉井的高度须根据上部结构，水文地质条件及各土层的承载

力等定出墩底标高相沉井基础底面的埋置深度后确定。

高的沉井应分节制造和下沉，每节高度不宜大于5m，对底

节沉井若是在松软土层中下沉时，还不应大于沉井宽度

的0.8倍。若底节沉井高度过高，沉井过重，会给制模、板书…………………………讲解…………………………………

筑岛时岛面处理、抽除垫木下沉等带来困难。

(二)沉井的一般构造

1．井壁

井壁是沉井的主体部分。它在沉井下沉过程中起挡土、挡水

及利用本身重量克服土与井壁之间的摩阻力的作用。

当沉井施工完毕后，它就成为基础或基础的一部分而

将上部荷载传到地基。因此，井壁必须具有足够的强

度和一定的厚度。根据井壁在施工中的受力情况，可

以在井壁内配置竖向及水平向钢筋，以增加井壁强

度。井壁厚度按下沉需要的自重，本身强度以及便于

取土和清基等因素而定，一般为0.80一1.20m。钢筋

混凝土薄壁沉井可不受此限制。井壁的混凝土标号不

低于15号。

2．刃脚

168

井壁下端形如楔状的部分称为刃脚。其作用是在沉井白重作

用下易于切土下沉。刃脚底面(踏面)宽度一般为0.1

一0.2m，对软土可适当放宽。下沉深度大，且土质

较硬，刃脚底面应以型钢(角钢或槽钢)加强(图4-7)，

以防刃脚损坏。刃脚内侧斜面与水平面的夹角应大于

45°。刃脚高度视井壁厚度、便于抽除垫木而定，一

般在1.Om以上。由于刃脚在沉井下沉过程中受力较板书…………………………讲解…………………………………

集中，故刃脚宜采用20号以上的钢筋混凝土制成。

3．隔墙

沉井长宽尺寸较大，应在沉井内设置隔墙，以加强沉井的刚

度，使井壁的挠曲应力减小，其厚度一般小于井壁。隔

墙底面应高出刃脚底面0.5m以上，避免隔墙下的土顶

住沉井而妨碍下沉。也可在刃脚与隔墙联结处设置埂肋

加强刃脚与隔墙的连结。如为人工挖土，在隔墙下端应

设置过人孔，便于工作人员井孔间往来。

4．井孔

井孔是挖土排士的工作场所和通道。井孔尺寸应满足施工要

求，宽度(直径)不宜小于3m。井孔布置应对称于沉井

中心轴，便于对称挖土使沉井均匀下沉。

5．凹槽

凹槽设在井孔下端近刃脚处，其作用是便封底混凝土与井壁

有较好的接合，封底混凝土底面的反力更好的传给井壁

(如井孔全部填妥的实心沉井也可不设凹槽)。凹槽深度

约0.15~0.25m，高约1.0m。

6．射水管

当沉井下沉深度大，穿过的土质又较好，估计下沉会产生困

难时，可在井壁中预埋射水管组。射水管应均匀布置，

以利于控制水压和水量来调整下沉方向。一般水压不小

于600kPa。如使用泥浆润滑套施工方法时，应有预理

的压射泥浆管路。

7．封底和盖板

沉井沉至设计标高进行清基后，便浇筑封底混凝土。混凝土

达到设计强度后，可从井孔中抽干水并填满混凝土或其

169

它圬工材料。如井孔中不填料或仅填以砂砾则须在沉井

顶面宽钢筋混凝土盖板。封底混凝土底面承受地基土和

水的反力，这就要求封底混凝土有一定的厚度(可由应

力验算决定)，其厚度根据经验也可取不小于井孔最小

边长的L5倍。封底混凝土顶面应高出刃脚根部不小于

0.5m，并浇灌到凹槽上端。封底混凝土标号对岩石地基

用15号;一般地基用20号。盖板厚度一般为L5~2.0m。

井孔中充填的混凝土，其标号不应低于10号。

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(三)浮运沉井的构造

1．不带气筒的浮运沉井

适用：水下太深、流速不大、河床较平、冲刷较小的自然条件。

施工：一般在岸边制造，通过滑道拖拉下水，浮运到墩位，再接

高下沉到河床。这种沉井可用钢、木、钢筋混凝土、钢丝

网及水泥等材料组合。

钢丝网水泥薄壁沉井：

是由内、外壁组成的空心井壁沉井，这是制造浮运沉井较

好的方法，具有施工方便、节省钢材等优点。沉井的

内壁、外壁及横隔板都是钢筋钢丝网水泥制成。做法

是将若干层钢丝网均匀地铺设在钢筋网的两侧，外面

涂抹不低于40号的水泥砂浆，使它充满钢筋网和钢

丝网之间的间隙并形成厚1一3mm的保护层。图4-8

是钢丝网水泥薄壁浮运沉井的一种形式。

170

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带临时底板的浮运沉井：

底板一般是在底节的井孔下端刃脚处设置的木质底板及其

支撑，底板的结构应保证其水密性、能承受工作水压并

便于拆除。带底板的浮运沉井就位后，即可接高井壁使

其逐渐下沉，沉到河床后向井孔充水到与外面水面齐

平，即可拆除临时底板。这种带底板的浮运沉井与筑马

法、围堰法施工相比，可以节省大量工程量，施工速度

也较快。

2．带钢气筒的浮运沉井

适用：水深流急的巨型沉井。

图4-9为一带钢气筒的圆形浮运沉井构造图。它主要由权壁

的沉井底节、单壁钢壳、钢气筒等组成。双壁钢沉井底

171

节是一个可以自浮于水中的壳体结构;底节以上的井壁

采用单壁钢壳，它一般由6mm厚的钢板及若干竖向肋

骨角钢构成，并以水平圆环作承受壁外水压时的支撑，

钢壳沿高度可分为几节，在接高时拼焊，单壁钢壳既是

防水结构，又是接高时灌注沉井外圈混凝土的模板一部

分;钢气筒是沉井内部的防水结构，它依据压缩空气排

开气筒内的水提供浮式沉井在接高过程中所需的浮力。

同时在悬浮下沉中可以通过在气筒充气或放气及不同

气筒内的气压调节使沉井可以上浮、下沉及调正偏斜，

落入河床后如偏移过大·还可将气筒全部充气，使沉井

重新浮起，定位下沉。

当采用低桩承合而围水挖基浇筑承含有困难时;当沉井刃脚

遇到倾斜较大的岩层或在沉井范围内地基土软硬不均

而水深较大时可采用上面是沉井下面是桩基的混合式

基础，或称组合式沉井。施工时按设计尺寸做成沉井，

下沉到预定标高后，进行浇筑封底混凝土和承台，在井

内其上预留孔位钻孔灌注成桩。这种混合式沉井既有围

水挡土作用，又作为钻孔惦的护筒，还作为桩基的承台

(请参阅第三章桩基础关于沉井结合法的内容，

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172

第三节沉井的施工

一、旱地上沉井的施工(图4-10)

1．整平场地

2．制造第一节沉井

3．拆模及抽垫

4．挖土下沉

5．接高沉井

6．筑井顶围堰

7．地基检验和处理

8．封底、充填井孔及浇筑顶盖

173

二、水中沉井的施工

1．筑岛法

水流速不大，水深在3或4m以内，可用水中筑岛的方法(图

4-12)。筑岛材料为砂或砾石，周围用草袋围护，如水

深较大可作围堰防护。岛面应比沉井周围宽出2m以上，

作为护道，并应高出施工最高水位0.5m以上。砂岛地

基强度应符合要求，然后在岛上浇筑沉井。如筑岛压缩

水面较大，可采用钢板桩围堰筑岛。

水深较大，如超过10m时，筑岛法很不经济，且施工也困

难，可改用浮运法施工。沉井在岸边做成，利用在岸边

铺成的滑道滑入水中(图4-13)，然后用绳索引到设计墩

位。沉井井壁可做成空体形式或采用其它措施（如带木

底或装上钢气筒)使沉井浮于水上，也可以在船坞内制

成用浮船定位和吊放下沉或利用潮汐，水位上涨浮起，

再浮运至设计位置。

沉井就位后，用水或混凝土灌入空怀、徐徐下沉直至河底。

或依靠在悬浮状态下接长沉井及填充混凝土使它逐步

下沉，这时每个步骤均需保证沉井本身足够的稳定性。

沉井刃脚切入河床一定深度后，可按前述下沉方法施

工。

三、沉井下沉过程中遇到的问题及处理

1．沉井发生倾斜和偏移

偏斜原因：土岛表面松软，使沉井下沉不均，河底土质软硬不匀;挖土

174

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不对称;井内发生流砂，沉井突然下沉，刃脚遇到障碍物顶

住而禾及时发现;井内挖除的土堆压在沉井外一侧，沉

井受压偏移或水流将沉井一侧土冲空等。沉井偏斜大多

数发生在沉井下沉不深的时候，下沉较深时，只要控制

得好，发生倾斜较少。

纠正方法：在沉井高的一侧集中挖土;在低的一侧回填砂石;在沉井高的

一侧加重物或用高压射水冲松土层;必要时可在沉井

顶面施加水平力扶正。纠正沉井中心位置发生偏移的

方法是先使沉井倾斜，然后均匀除土，使沉井底中心

线下沉至设计中心线后，再进行纠偏。

在刃脚遇到障碍物的情况，必须予以清除后再下沉。清除方

法可以是人工排除，如遇树根或钢材可锯断或烧断，

遇大孤石宜用少量炸药炸碎，以免损坏刃脚。在不能

排水的情况下，由潜水工进行水下切割或水下爆破。

2．沉井下沉困难

原因：沉井自身重力克服不了井壁摩阻力，或刃脚下遇到大的障

碍物所致。

解决方法：

（1）增加沉井自重可提前浇筑上一节沉井，以增加沉井自

重，或在沉井顶上压重物(如钢轨、铁块或砂袋等，

迫使沉井下沉。对不排水下沉的沉井，可以抽出井内

的水以增加沉井自重，用这种方法要保证土不会产生

流砂现象。

(2)减小沉井外壁的摩阻力。减小沉井外壁摩阻力的方法是:

可以将沉井设计成阶梯形、钟形，或在施工中尽量使

外壁光滑;亦可在井壁内理设高压射水管组，利用高

压水流冲松井壁附近的土，且水流沿井壁上升而润滑

井壁，便沉井摩阻力减小;以上几项措施在设计时就

应考虑。在刃脚下挖空的情况，可采用炸药，利用炮

震使沉井下沉，这种方法对沉井快沉至设计标高时效

果较好，但要避免震坏沉井，放用药量要少，次数不

宜太多。

175

【思考题】

1．沉井基础与桩基础的荷载传递有何区别?

2．沉井基础有什么特点:

3．沉井在施工中会出现哪些问题，应如何处理

4．泥浆润滑套的特点和作用是什么?

176

【第17次课】

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四、泥浆润滑套与壁后压气沉井施工法

l．泥浆润滑套

泥浆润滑套：把配置的泥浆灌注在沉井井壁周围，形成井壁与泥浆接触。

作用：对沉井壁起润滑作用，它与井壁间摩阻力仅3~5KPa大大

降低了井壁摩阻力一般粘性土对井壁摩阻力为

25~50KPa，砂性土为12~25Kpa。

优点：提高沉井下沉的施工效率，减少井壁的圬土数量，加大

了沉井的下沉深度，施工中沉井稳定性好。

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%，另加分散剂碳酸钠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

于6%(泥浆的性能指标以及检测方法可参见有关施

工技术手册)。。

泥浆润滑套的构造：

射口挡板：用角钢或钢板弯制，置于每个泥浆射出口处固定在井壁台

阶上(见图4-14)，它的作用是防止泥浆管射出的泥

浆百冲土壁而起缓冲作用，防止士壁局部坍落堵塞

射浆口。

地表围圈：埋设在沉井周围保护泥浆的围壁(图4-15)。它的作用是沉

177

井下沉时防止土壁坍落;保持一定数量的泥浆储存

量以保证在沉井下沉过程中泥浆补充到新造成的

空隙内;通过泥浆在围圈内的流动，调整各压浆管出

浆的不均衡。地表围圈的宽度即沉井台阶的宽度，

其高度一般在1.5~2.0m左右，顶面高出地面或岛面

约

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0.5m，圈顶面宜加盖。可用木板或钢板制做。

压浆管：根据井壁的厚度有内营法和外管法两种。厚壁沉井多采用内营

法(图4-14)，薄壁沉井宜采用外管法(图4-16)。

2．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)式井壁周围土松动。减少井壁摩阻力，使沉井顺利

下沉。

施工时压气管分层分布设置，竖管可用塑料管或钢管，水平环

管刚采用直径25mm的硬质聚氯乙烯管，沿井壁外缘埋

设。每层水平环管可按四角分为四个区，以便分别压气调

整沉井倾斜，压气沉井所需的气压可取静水压力的2.5倍。

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

壁的摩阻的，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。现认为在一般条件下较泥浆润

滑套更为方便，它适用于细、粉砂类土和粘性土中。但设

计方法和施工措施尚待积累更多的资料。

第四节沉井的设计与计算

沉井施工完毕后是结构物的基础

按基础的要求进行各项验算

施工过程中是挡土、挡水

沉井本身进行结构设计和计算

一、沉井作为整体深基础的设计与计算

设计根据：上部结构特点、荷载大小以及水文、地质情况，结合沉井的构

178

179

造要求及施工方法。

设计内容： 拟定出沉井的平面尺寸，埋置深度，然后进行沉井基础的计

算。

计算方法： 1）按浅基础设计计算规定，分别验算地基强度、沉井基础的

稳定性和沉降，使它符合容许值的要求。

2）当沉井基础埋置深度较大时，由于埋置在上体内较深，不

可忽略沉井周围土体对沉井的约束作用，因此在验算地

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基应力。变形及沉井的稳定性时，需要考虑基础侧面土体弹性

抗力的影响。

计算基本假定：

1． 地基上作为弹性变形介质，水平向地基系数随深度成正比

例增加;

2． 不考虑基础与上之间的粘着力和摩阻力;

3． 沉井基础的刚度与土的刚度之比可认为是无限大。

(一)非岩石地基上沉井基础的计算

沉井基础受到水平力H 及偏心竖向力N 作用时(图4-17a)，为

了讨论方便，可以把这些外力转变为中心荷载和水平力的

共同作用，转变后的水平力H 距离基底的作用高度从（图

4-17b ））为

180

H

M H Hl Ne ∑=+=λ （4-1） 先讨论沉井在水平力H 作用下的情况。由于水平力的作用，

沉井将围绕位于地面下Z 。深度处的A 点转动角(图4-18)，

地面下深度Z 处沉井基础产生的水平位移曲和土的横向

抗力分别为

ωtg Z Z x )(0-=? （4-2）

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ωσtg Z Z C C x z z zx )(0-=??= （4-3a ）

式中：Z .0 转动中心A 离地面的距离;

Cz 深度Z 处水平向的地基系数，Cz=mZ 0 (kN/m 3)，m

为地基比例系数(kN/m 。)

将G 值代大武(4-3a)得

ωσtg Z Z mZ zx )(0-= （4-3b ）

从式(4-3b)可见，土的横向抗力沿深度为二次抛物线变化。

基础底面处的压应力，考虑到该水平面上的竖向地基系数G

不变，故其压应力图形与基础竖向位移图相似。故

ωδσtg d C C d 2

102==（4-4） 式中C 0(见表3-16注)不得小于10m 0，d 为基底宽度或直径。

在上述三个公式中，有两个未知数Z 。和w ，要求解其值，可

建立两个平衡方程式:

ΣX=0 0)(00110=--=-??dZ Z Z Z mtg b H dz b H h

zx h

ωσ （4-5） ΣM=0 02101=-+

?W ZdZ b Hh d zx h σσ （4-6）

181

式中b 1为基础计算宽度，按第三章中“m 法”计算，w 为基

底的截面模量。对上二式进行联立解，可得

)

3(26)4(1210h h b dW h h b Z -+-=λβλβ （4-7） )

18()32(12311Wd h b mh h h H tg ++=ββω （4-8） 板书………………………… 讲解…………………………………

或

Amh

H tg 6=ω 式中： 0

0C mh C C h ==β β为深度h 处沉井侧面的水平向地基系数与沉井底面的竖向地基系数的比值，其中m 、m 。

按第三章有关规定采用

)

3(21831h b Wd h b A -+=λββ 将式（4-7）(4-8)代入式（4-3）及式（4-4）得

)(60Z Z Z Ah H zx -=

σ （4-9） β

σA dH d 32=

（4-10） 当有竖向荷载N 及水平力H 同时作用时(图4-18)则基底边

缘处的压应力为

182

β

σA Hd A N 30max min ±= （4-11） 式中A 。为基础底面积。

离地面或最大冲刷线以下Z 深度处基础截面上的弯矩(图

4-18)，为

)2(2)( )()(03

11110Z Z hA Z Hb Z h H dZ Z Z b Z h H M zx z

z --+-=--+-=?λσλ （4-12）

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(二)基底嵌入基岩内的计算方法

若基底嵌入基岩内，在水平力和竖直偏心荷载作用下，可认为

基底不产生水平位移，则基础的旋转中心A 与基底中心

相吻合，即Z 0=h ，为一已知值(图4-19)。这样，在基底嵌

人处便存在一水平阻力P ，由于P 力对基底中心轴的力臂

很小，一般可忽略P 对A 点的力矩。当基础有水平力H

作用时，地面下Z 深度处产生的水平位移M 和土的横向

抗力σzx 分别为

ωtg z h X )(-=? （4-13）

ωσtg z h mZ X mZ zx )(-=?= （4-14）

183

基底边缘处的竖向应力为

ωβ

ωσtg mhd tg d C d 220

2== （4-15） 岩石的C 0值可按表3-17查用。

上述公式中只有一个末知数ω，故只需建立一个弯矩平衡方

程便可解出ω值。

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ΣM A =0

0)()(2101=---+?W dZ Z h b h h H d zx h

σσ （4-16） 解上式得

mhD

H tg =ω （4-17） 式中

184

λββ12631Wd

h b D +=

将tg ω代入式（4-14）（4-15）得

Dh H

Z z h zx )(-=σ （4-18）

D Hd

d βσ22=

（4-19）

基底边缘处的应力为

D Hd

A N

βσ20

min max ±= （4-20）

根据ΣX=0可以求出嵌人处未知的水平阻力P

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??

?

? ??-=-=?162101D h b h H

dZ b P zx h

σ （4-21）

地面以下Z 深度处基础截面上的弯矩为

)2(12)(3

1Z h Dh HZ

b Z h H M z --+-=λ （4-22）