沉井类型、结构与现代压气沉箱技术

知识点：气压沉箱

8.1 概述

不同断面形状（如圆形，矩形，多边形等）的井筒或箱体，按边排土边下沉的方式使其沉入地下，即沉井或沉箱。

沉井也称为开口沉箱，沉箱也称为闭口沉箱。由于闭口沉箱下沉施工时采用压气排水的施工方法，故通常称其为压气沉箱。

沉井（沉箱）施工法是深基础施工中采用的主要施工方法之一，它与基坑放坡施工相比，具有占地面积小、挖土量少，对邻近建筑物影响比较小等优点。在工程用地与环境条件受到限制或埋深较大的地下构筑物工程中被广泛应用。

在市政工程中，沉井（沉箱）常用于桥梁墩台基础、取水构筑物、排水泵站、大型排水窨井、盾构或顶管的工作井等工程。

• 沉井（沉箱）结构通常具有以下几个特点∶
  躯体结构刚性大，断面大，承载力高，抗渗能力强，耐久性能好，内部空间可有效利用；

• 施工场地占地面积较小，可靠性良好；

• 适用土质范围广（淤泥土，砂土，粘土，砂砾等土层均可施工）；

• 施工深度大；

• 施工时周围土体变形较小，因此对邻近建筑（构筑）物的影响小，适合近接施工。尤其是压气沉箱工法对周围地层沉降造成的影响极小，

• 具有良好的抗震性能。

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。

• 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。

• 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。

• 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

沉井按其构造形式可分为连续沉井(多用于隧道工程井)和单独沉井(多用于工业、民防地下建筑)；

按平面形状可分为圆形沉井、矩形沉井、方形沉井或多边形沉井等。

1、隧道连续沉井

• 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。

• 沉井横断面的宽度应由隧道的几何设计来确定，一般应能容纳所需车道、风道、走道等。在曲线段中还应按车速和曲率半径等考虑适当加宽。

• 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。

• 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)。

• 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。

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。

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。

• 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。

• 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。

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。

• 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。
  

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。

• 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。

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。

• 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。

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。

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。

一、沉井下沉系数的确定

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。

Rj--沉井井壁与土壤间的总摩擦力(kN)

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。

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

• 一种是取入土全深范围内为常数的假定

• 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。

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。

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。

在分节浇筑分节下沉时，应在下节沉井混凝土浇筑完毕而还未开始下沉时，保持K1＜l，并具有一定的安全系数。

二、沉井抗浮稳定验算

• 沉井沉到设计标高后，即着手进行封底工作，铺设垫层并浇筑钢筋混凝土底板，由于内部结构和顶盖等还未施工，此时整个沉井向下荷载为最小。待到内部结构，设备安装及顶盖施工完毕，所需时间可能很长，而底板下的水压力能逐渐增长到静力水头，会对沉井发生最大的浮力作用。

• 抗浮系数

• 抗浮系数的大小可由底板的厚度来调整。

• 对于浮力的取值，历来是有争论的问题之一。实践证明，在江河之中或沿岸施工的沉井，或是埋置于渗透性很大的砂土内的沉井，其水浮力即等于静力水头。在粘性土中，尚缺乏较好的验证。

• 关于井壁侧面摩擦力在抗浮时能否发挥作用。有的认为抗浮计算时该摩擦力不能计入，只能作为附加的安全度来考虑。

通过大量调查，已建的各种沉井一般都没有上浮现象。说明：

①沉井上浮时土的极限摩擦力很大，而一般设计估用的数值往往偏小，因此在验算上浮稳定时以计入井壁摩擦力为合理；

②在粘性土中，因它的渗透系数很小，地下水补给非常缓慢，沉井的浮升也必然极为缓慢，在发生明显浮升之前，内部结构、设备、顶盖等重量已经作用上去，故不再存在浮升问题。

措施：①在施工阶段设置临时倒滤层和集水井，抽去地下水，以消除地下水的浮托力；②或在施工阶段降低地下水位。

一般要求使用期间的抗浮系数≥1.20

三、刃脚计算

井壁刃脚部分在下沉过程中经常切入土内，形成一悬臀作用，因此必须验算刃脚部分向外和向内挠曲的悬臂状态受力情况，并据此进行刃脚内侧和外侧竖向钢筋和水平钢筋的配筋计算。

第一种情况，刃脚向外挠曲的计算(配置内侧竖直钢筋)

计算步骤如下：

计算井壁自重G——沿井壁周长单位宽度上的沉井自重(按全井高度计算)，不排水挖土时应扣除浸入水中部分的浮力；

计算刃脚自重g——按下式计算；

计算刃脚上的水、土压力E——主动土压力可按朗金理论计算：

在计算刃脚向外挠曲时，作用在刃脚外侧的计算土压力和水压力的总和应不超过静水压力的70％，否则就按70％的静水压力计算。

• 计算刃脚上的土对井壁的摩擦力：

计算刃脚下土的反力 ，即踏面上土反力V1和斜面上土反力R，假定其作用方向与斜面法线成β角(即摩擦角，按β＝10°~20°估用，有时也可取到30°)。并将R分解成竖直的和水平的两个分力 和U(均假定为三角形分布)。

根据实际设计经验可知，在刃脚向外挠曲时，起主要因素作用的是刃脚下土壤的正面阻力，即 V1、V2 和U的大小，而土压力 、侧面摩擦力 和刃脚自重g三者在计算中所占的比重很小，实用上可忽略不计，其结果则稍偏安全。

• 确定刃脚内侧竖直钢筋：

按以上所求得作用在刃脚上的各个外力的大小、方向和作用点后，即可求对刃脚根部m-n截面上的轴向力N、剪力Q以及对截面中心O点的力矩M。然后根据M、Q、N的大小计算刃脚内侧的竖直钢筋。钢筋面积不得小于根部总截面的0.1～0.15％。并伸入悬臂根部以上足够的锚固长度。

第二种情况，刃脚向内挠曲，配置外侧竖直钢筋。

当沉井沉到设计标高，为利于下沉，刃脚下的土常被掏空或部分掏空，井壁传递的自重全部由壁外土壤摩擦力承担，而此时井壁外侧作用最大的水、土压力，使刃脚产生最大的向内挠曲。

刃脚自重g和刃脚外侧可忽略不计。起决定性作用的是刃脚外侧的水土压力W及E。

水压力W可按下列情况计算：

⑴不排水下沉时，井壁外侧水压力值按100％计算，内侧水压力值一般按50％计算，但也可按施工中可能出现的水头差计算；

⑵排水下沉时，在不透水的土中，可按静水压力的70％计算，在透水土中，可按静水压力的100％计算。

水土压力求出后即可求得根部m-n截面处的弯矩M和剪力Q、轴力N。

如井壁刃脚附近设有槽口，当h1≥25cm时，验算截面定在m-n线上，如h1＜25cm时，验算截面定在I-I截面。

四、施工阶段井壁计算

须按沉井在施工过程中的传力体系合理确定其计算图式，随后配置水平和竖直方向的两种钢筋。

由于沉井型状各异，施工的具体技术措施亦不尽相同，因此应按其具体情况作出分析与判断。

1、沉井在竖直平面内的受弯计算——沉井抽承垫木计算

根据不同的支承情况，对井壁作抗裂和强度验算。

⑴沉井支承在两点“定位垫木”上时

⑵沉井支承在三支点上时:

• 抽承垫木的顺序多数是：先抽四角，再抽跨中，并不断扩大抽拆范围，最后抽除定位垫木。由于早先回塞的砂子在后来的垫木抽完以后被一再压实，逐渐变成了支承点。因而形成了三支点的两跨连续梁。

• 对于圆形沉井一般按支承于相互垂直的直径方向的四个支点验算。

• 将圆形沉井井壁看作是连续水平的圆环梁，在均布荷载q（沉井自重）作用下可按表8－4查得其剪力、弯矩和扭矩。

2、井壁垂直受拉计算——井壁竖直钢筋验算

沉井偏斜之后，必须及时纠偏，此时产生了纵向弯曲并使井壁受到垂直方向拉力，在设计时一般假定沉井下沉将达设计标高时，上部井壁被土夹住，而刃脚下的土已全部掏空，形成“吊空”现象，并按此“吊空”现象来验算井壁的抗裂性或受拉强度。

《上海地基基础设计规范》和交通部颁布的《公路桥涵设计规范》等规范规定井壁断面上最大拉力为25％的井重（即四分之一井重），拉断位置在沉井的二分之一高度处。而日本规定为50％井重，苏联采用的规范规定为65％井重。

对变截面的井壁，每段井壁都应进行拉力计算。

对采用泥浆润滑套下沉的沉井，虽然沉井在泥浆套内不会出现箍住“吊空”现象，但纠偏时的纵向弯矩，也仍会产生，只在程度上大为减小，此时仍应设置纵筋，一般可按全断面之0.25％配置。

⒊、在水土压力作用下的井壁计算——井壁水平钢筋计算

水土压力求得后，应沿井的高度方向分段进行井壁计算。

当沉井沉至设计标高，刃脚下的土已掏空，此时井壁承受最大的水土压力。一般砂性土采用水、土分算，粘性土采用水土合算，并采用三角形直线分布。

在日本土压力按静止土压力计算，假定在深度15m以上按三角形直线分布，15m以下土压作为常量，不随深度增加。

（一）沉井底板计算

作用在沉井的底板上荷载

q＝P-g

式中：

P——底板下最大的静水压力(kN/m2)；

g——底板自重(kN/m2)。   

底板的计算图式可根据底板两侧井壁和底横粱上的支承情况确定：可按单向板或双向板计算内力并配筋。

（二）沉井底梁计算

作用在底横梁上的反力可按下式计算

底横梁与井壁的联结介于固端与铰支之间，此时底横梁跨中的弯矩系数可取用－1/16，支点处的弯矩系数取用+1/16。

五、水下封底混凝土厚度的确定

• 如果排水下沉的沉井，其基底适处于不透水的粘土层中或基底虽有涌水、翻砂，但数量不大时，应力争采用干封底。

• 保证封底混凝土的质量，并减小封底混凝土的厚度。
  

• 根据以往经验一般可取0.6～1.2m不等。

• 只有水文地质条件极为不利时才采用水下混凝土封底，又称湿封底。

• 如位于江中、江边的沉井工程，在下沉过程中常要采取不排水下沉；

• 在地层极不稳定时，为防止流沙，涌泥、突沉、超沉以及倾侧歪斜，也需要采用灌水下沉。

• 有时即使沉井停在不透水粘土层，但其厚度不足以抵抗地下水的“顶破”(涌水)作用，即由底层含水砂层中的地下水压力所引起的破坏，以致产生沉井施工中非常严重的事故，则亦须采用水下封底的办法。

水下封底混凝土的厚度，应根据抗浮和强度两个条件确定： 

（1）按抗浮条件  沉井封底抽水后，在底面最大水浮力的作用下，沉井结构是否会上浮，用抗浮系数来衡量井的稳定性，并进行最小封底混凝土厚度计算，此时井内水已抽干，井内水重不能再计入，且要保证足够的抗浮系数。

（2）按封底素混凝土的强度条件来决定封底，将井内水抽干，在尚未做钢筋混凝土底板以前，封底混凝土将受到可能产生的最大水压作用，其向上荷载值即为地下水头高度(浮力)减去封底混凝土重量。封底混凝土作为一块素混凝土板除验算承受水浮力产生的弯曲应力外，还应验算沿刃脚斜面高度截面上产生的剪应力

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