foundation14沉井Stillwatersrundeep.流静水深流静水深,人静心深人静心深Wherethereislife,thereishope。有生命必有希望。有生命必有希望2基础工程7-111-17913-7中国建筑工业出版社ISBN 7-112-06739-1+p1993目录q概述q沉井的类型和构造q沉井基础的设计与计算q沉井的施工q问题与对策41 概述q沉井的含义q应用范围q沉井的特点q发展状况q用途与分类q设计要点5凹槽刃脚取土孔顶板井壁封底过人孔61.1 沉井的含义沉井可在水下取土且无需在井内加压。q沉井-在地面上制作、通过取除井内土体的方法使之沉到地下某一深度的井体结构。q施工时作为临时围护结构q竣工后合为基础71.2 沉井的应用范围地下厂房、地下油库、大型取水泵房、地下水库、地下停车场、特大桥梁的桥墩、缆索桥的锚固墩及高层建筑的地下室q当构筑物埋置较深，采用沉井方式较经济经济时或采用其他施工施工方式有困难时；困难时；q附近有建筑物附近有建筑物，开挖施工不可能时；q江心和岸边江心和岸边的井式构筑物，排水施工有困难时；8沉井用途q构筑物类构筑物类给排水工程中的集水井、水泵房、废水池矿山工程中的竖井等。q基础类基础类桥梁工程中的桥墩高层建筑物的地下室q基坑支护类基坑支护类如软土地基中的深基础施工顶管工程中的临时工作井、接收井等1.3 沉井的结构特点q埋置深度大q整体性强q稳定性好q有较大的承载面积q能承受较大的垂直和水平荷载q可做为补偿性基础，避免过大沉降9101.4 沉井施工的特点q开挖限制在沉井范围内，土方量土方量和占地面积不大。q省去了开挖支护开挖支护的费用。q节省了降水降水或排水的费用。q深深度越大，沉井的优点越突出。q在下沉深度范围内，沉井刃脚下必须无大块孤石孤石、坚硬硬的土土层或其他障碍物障碍物。111.5 沉井技术的发展状况q由古老的掘井作业发展而来；q20世纪50年代借鉴国外的设计理论和经验，我国建造的沉井不下1000座。q其体积从直径2m的集水井到巨大的江阴长江大桥的主索平衡墩(体积达60m 58m50m)；q沉井形状包括方形、矩形、多边形、圆形和椭圆形；q施工方法有陆地沉井、筑岛沉井和浮运沉井等。q我国已有了自己的设计规程和施工验收规范。122 沉井的类型和构造 材料 平面形状 场地13按材料分类q混凝土沉井适宜圆形，小直径、下沉深度不大的沉井。q钢筋混凝土沉井适宜作各种类型各种用途的沉井。q钢沉井钢沉井又分为钢板沉井和钢壳沉井。钢板沉井宜做成圆形，小型，临时沉井。自重轻，压重和水冲沉至设计标高。钢壳沉井适用于做浮运沉井。14按平面形状分类q 1圆形沉井 受力性能好，只产生轴向压力，在江河中使用时阻力系数小，适于下沉较深的沉井。q2矩形沉井使用性能好，易于布置。但在河道中使用水流体型系数大，在侧压力作用下产生的力矩也较大。q3圆端沉井和尖端沉井减少阻水系数，对河床冲刷小。适于桥墩和河中心的取水构筑物。q4多格沉井因使用要求或受力要求分格15按场地分类q陆地沉井陆地沉井陆地上制作和下沉q筑岛沉井筑岛沉井河水较浅，砂石筑岛，岛面标高在水位50cm以上。q浮运沉井浮运沉井河水较深，筑岛困难时使用。河岸上选场地制作，浮运至预定位置下沉大型浮运沉井可采用钢壳沉井，小型浮运沉井可采用钢筋混凝土沉井。16沉井的构造q结构布置q刃脚形式和构造q沉井井壁构造q底板及底部构造q顶管工作井与接收井q连续沉井构造q一般构造规定井壁、刃脚、内隔墙、横梁、框架、封底、顶盖板井壁17土软，浅土密，深土软，深省料P202壁厚要求能够靠自重下沉，保证强度与刚度，过重时台阶状18井壁配筋沉井井壁的垂直钢筋一般不宜小于10，在台阶处钢筋交叉搭接的延伸长度不小于锚固长度。井壁顶和井壁底须配若干粗钢筋加强。刃脚19踏面踏面宽度20刃脚形式和构造-刃脚斜面倾角；C-刃脚底宽；1-底板；2-垫层；3-封底混凝土干封底无地下水不适于软土常用适于带水下沉外壁台阶下沉阻力小适于难沉层硬土区角铁护角保护砼刃脚钢板包裹适于爆破法清障沉井21井壁与底板的连接井壁与底板的连接，要求构造上能可靠传力，底板的反力通过连接点传给池壁。连接点处也不允许漏水。通常的办法是在沉井壁上设凹槽或凸缘，凹槽适用于厚壁沉井，凸缘适用于薄壁沉井。22隔墙q沉井井体内可设置多道隔墙；q隔墙下也可设置刃脚q沉井高度大时可分节浇筑；q每节高度不宜大于6m，沉井底节一般46m23底板封底q干封底：无地下水或可降水至封底标高以下50cm时先浇筑素混凝土垫层，再浇筑钢筋混凝土底板。q水下封底:带水下沉的沉井水下封底混凝土的强度等级达到设计要求时，方可将井内水抽除。封底前须有潜水员水下抛石和整平。243 沉井基础的设计与计算q尺寸的确定q沉井基础的计算q施工过程中的结构计算沉井尺寸的确定q沉井高度q平面尺寸q壁厚25P205沉井基础的计算q垂直荷载q水平力与偏心力q验算26垂直荷载27沉井底部地基土反力水平力与偏心荷载28（1）基底为非岩石层，沉井绕某一深度z0处扭转任一深度处的水平应力基底边缘处竖向力P208（6-8）（6-9）水平力与偏心荷载29（2）基底为岩石层，沉井绕基底中心处扭转任一深度处的水平应力基底边缘处竖向力（6-10）（6-11）验算qP208 基底边缘处30(6-12)压应力水平应力(6-13)沉井在施工过程中的计算q沉井下沉验算q底节井筒强度验算q刃脚计算q沉井井壁计算q沉井封底计算q沉井抗浮计算31沉井下沉验算q 重力足以克服摩阻力32(6-16)底节井筒强度验算q 第一节井筒到达下沉深度后，最后支撑在几个垫木上，处于最不利状态q矩形井筒，(6-17)-(6-20) 剪力，弯矩q圆形沉井，表6-2，p21133刃脚计算34刃脚竖向内力刃脚水平内力刃脚向外挠曲刃脚向内挠曲接高完毕，刚下沉时P211, (6-21)(6-36)根据刃脚F、V、M值配筋下沉至设计标高，刃脚已挖空，未浇砼时，水平力最大。下沉至设计标高，刃脚已挖空，未浇砼时，水平力最大。P211沉井井壁计算35水平内力及配筋垂直受拉及配筋P = E + W + VP M，N，VP215下沉至设计标高，刃脚已挖空，未浇砼时。下沉至设计标高，刃脚已挖空，上部井壁被卡住时。求最大拉力及位置沉井封底计算36干封底水下封底验算粘性土层厚，避免地下水压刺透底部砼层抗拉计算，求最小砼厚度，按双向板求最大弯矩沉井抗浮验算q验算沉井封底后，整个沉井受地下水的浮力作用。q验算抗浮系数。qp21837384 沉井的施工施工准备井墙制作沉井下沉沉井接高沉井封底394.1 施工准备场地准备:三通一平文件准备：施工组织设计q 工程概况；q 主要工序施工工艺；q 施工总进度计划；q 劳动力与主要物资资源的需要量计划；q 施工总平面图；q 施工计量；q 质量安全技术措施；q 文明标化管理。平整场地q旱地：平整、地基处理q水中：筑岛浅水：土岛 (流速不大)水深流急：围堰海中：浮运下沉枯水期，中砂、粗砂或砂夹砾石，岛面高出浪0.5m以上40草袋围堰筑岛草袋围堰筑岛41p草袋装砂或土，水深在3.5m以内，流速在1.2ms ，河床为砂、砂夹卵石或硬粘土等不易沉陷基底，心墙也可装砂土，草袋装量1223。p粘土心墙厚0.51.0m，堰顶宽2.02.5m。板桩围堰筑岛板桩围堰筑岛q适用范围：水深流急，河床土质适宜打入q板桩：木板桩、混凝土板桩、钢板桩等。q板桩围堰的计算：钢板桩或槽钢的断面、最小入土深度、桩间距、拉杆的间距和截面面积以及整体稳定性核算等。q施工：打桩船4243石石石石笼笼笼笼围围围围堰堰堰堰筑筑筑筑岛岛岛岛n适用于水深流急，且不宜打板桩的岩石、砂夹卵石等的河床上。n石笼有木、竹、钢筋笼等数种。木笼只有在特殊情况下才使用，南方因竹材较多，故亦有用竹笼。n先用其它材料制作成笼，然后向笼内填装块石或卵石做成围堰后，再向围堰内填砂筑岛。44砂垫层q(1) 分散压力：使沉井荷重经过砂垫层的扩散作用后，传至下卧层面上的应力小于地基土的承载力特征值。保证沉井第一节混凝土在浇灌过程中的稳定性。q(2) 整平及抽模方便：当沉井第一节制作高度较大因而重量也较大时，常沿井壁周边刃脚下铺设承垫木，以加大支承面积。当采用有承垫木施工时，为了便于整平、支模及下沉时抽除承垫木，在承垫木下应铺设砂垫层。q砂垫层材料：级配较好的中砂、粗砂或砾砂。45混凝土垫层q为了扩大沉井刃脚的支承面积，减轻对砂垫层或地基土的压力，省去刃脚下的底模板，便于沉井下沉，在砂垫层或地基上，应先铺筑素混凝土垫层。其厚度一般可采用1015cm，太薄则容易压碎，太厚则对沉井下沉不利。为了固定沉井刃脚钢(木)模板，可在混凝土垫层内埋入小方木，长度较井壁所用拉杆螺栓稍长。464.2 沉井制作模板-钢筋-混凝土模模模模 板板板板沉井模板应具有足够的强度、刚度、整体稳定性和缝隙严密不漏浆等。n沉井模板表面应平整光滑。n分节制作时一次制作高度一般可控制在68m，可使模板工作始终位于地面以上，而且高度也不大，操作比较方便和安全。 n模板的设计、安装及预埋件和预留洞设置偏差，应符合混凝土结构工程施工质量验收规范GB 50204-2001的有关规定。n常用的有木模、钢模及滑模三种。由于沉井自重较大，浇筑时可能产生较大沉降，故不宜从地面用斜撑支撑井墙模板。以免因沉井继续下沉，而造成斜撑折断。474.3 沉井下沉q1排水下沉地下水位不高，或弱透水层，涌水量不大时采用，缩短工期。q2不排水下沉粉土、砂土，流砂危险强透水层，补给水量大；附近有已建的建(构)筑物及其他设施q3分次下沉沿高度方向分次浇筑分次下沉。48沉井下沉 当沉井制作时采用了承垫木时，下沉前须将沉井下的承垫木抽除沉井下沉主要是通过从沉井内用机械或人工的办法均匀取土，消除或减小沉井内侧土的摩阻力及刃脚下的正面阻力，有时也同时采取减小井壁外侧土的摩阻力办法，使沉井依靠自身的重量逐渐地从地面沉入地下。 沉井下沉的施工方法有：机械抓土人工配合或人工挖土的排水明挖法下沉；用水力机械出土的排水下沉；空气吸泥潜水员配合或机械抓土潜水员配合的不排水下沉等。 对于陆上沉井，以排水明挖法下沉为主；而对于水中、人工筑岛上的沉井、浮运沉井或者水边滩地粉砂层上的沉井以水下除土的不排水法下沉为主。排水与不排水下沉，应视具体情况而定。 有时由于沉井入土较深，下沉后期沉井外壁摩阻力将会很大，或者由于沉井井壁较薄，自重较轻，沉井的下沉系数偏低。这时，沉井下沉施工应考虑采用井壁外设置泥浆润滑，或者在井壁外侧高压射水、喷射压缩空气等办法降低摩阻力，以及采用井体上加压重、井内降低水位等措施，使沉井能够顺利地下沉至设计标高。49沉井排水及人工挖土下沉地层：当沉井所穿过的土层透水性较差，渗水量不大；或者虽然沉井所穿过的土层透水性较强，渗水量较大，但排水不致产生流砂现象时，应尽可能将沉井内积水排干，采用明挖法下沉。优势：排水明挖法下沉，劳动条件好，视线清晰，下沉比较容易控制，若土层中有障碍物，易于发现和清除，沉井发生倾斜也易于纠正。沉井下沉至设计标高时，能直接观察到地基土层情况，可在无水的情况下进行混凝土封底工作，这样既可减薄封底混凝土的厚度，节约砂、石、水泥等建筑材料，又能加快施工进度。所以沉井下沉时，应尽量采取措施实现排水明挖下沉。排水： 沉井排水，分井内排水和井外降水。井内排水即是用各种类型水泵从井内抽水，并将水排到井外。 井外降水主要是采用井点系统或深井泵以及其他方法降低沉井附近区域的地下水位，使沉井内锅底无水，达到干施工的目的，在有流砂产生的地区，采用这种方法施工很有效。50 (1) 沉井在软土中下沉 沉井在软土中下沉时，一般在分层挖去井内泥土的过程中。挖土顺序先中间后四周。每层挖土厚度0.40.5m，在刃脚处留1.01.5m台阶，然后往刃脚方向逐渐全面、对称、均匀地挖土，使沉井将剩余的台阶部分土挤压坍塌，靠自重均匀下沉。如沉井下沉很少时，可继续在中间挖土，然后向四周扩大，使沉井下沉。当沉井有多个井格同时挖土时，应保持高差不超过1.0m。开挖前挖锅底掏锅底自重下沉1234为刷坡顺序51(2) 沉井在砂夹卵石或坚硬土层中下沉挖土可按普通土层的方法进行。当土挖至刃脚，沉井仍不下沉，可对称地将刃脚下挖空，且可向外挖出少许(约1%)，挖完后用原地土填塞并尽量击实，待全部刃脚下挖空并回填结束后，再分层挖掉回填的土层，使下沉挖锅底对称部分掏空填上掏空部分,挖其它处逐渐挖去填土部分52(3) 沉井中遭遇岩层先钻眼放炸药进行松动爆破，开挖至刃脚处仍不能使沉井将硬层压碎下沉时，可将炮眼向刃脚外伸出150300mm，以挖除刃脚下的岩层，使沉井下沉。 不管在什么土层中下沉，最初5m的下沉应尽量保持沉井均匀下沉，以确保平面位置及垂直度的准确性，这样可形成正确的下沉轨道，使以后的下沉能正常地进行下去。在沉井快沉到设计标高时，要控制挖土，以控制下沉速度，避免刹不住，从而引起超沉。钻眼松动爆破挖锅底钻眼松动刃脚下沉53机械挖土下沉抓斗(抓铲)一般均配以双滚筒吊机。这种方式施工速度较慢，尤其当下沉较深时，抓斗上下需花费大量时间。而且吊车的吊杆长度受限，往往不能在沉井的全范围内抓土，当沉井的井格很多时，吊机仅能在外圈井格内抓土，中间各井格需要装固定的吊机进行抓土。54水力机械下沉利用高压射水来代替人工进行沉井下沉的全部作业，它包括土的切割、冲刷、搅动及泥浆排除。主要设备：水泵、进水管路、水力冲泥机、水力吸泥机、排泥管路。55空气吸泥器应有成套的空气吸泥的设备及潜水工人，以便对沉井刃脚四周进行必要的冲掏，或经常检查水下的除土情况，使沉井能顺利地下沉。反循环钻进原理56触变泥浆减阻措施n泥浆润滑套使沉井在下沉过程中与周围的土体隔离，达到减小摩阻力的目的，并维护土壁不产生坍塌使沉井周围的土体稳定，减小沉井下沉时对周围建筑物沉降的影响。n触变泥浆，是由水、粘土、化学处理剂及其他一些惰性物质组成。n (1)泥浆本身必须是稳定的，在长时间静置下不能有水分离析现象发生，保持泥浆适量的稠度，不致发生土粒的沉淀。n (2)泥浆和土壁接触，泥浆不能大量失去水分，或为地下水所稀释。泥浆在接触土壁部分，失去少量水分之后，能形成一层不透水的固体颗粒胶结物泥皮，维持内部泥浆的稳定。n(3)泥浆必须具有触变性。在静置之后，泥浆流动性很小，在沟槽内足以防止土体坍塌；在搅动时必须具有足够的流动性，以便在工程上使用。57空气幕减阻措施1-电动空压机；2-气包；3-供气总管；4-气龛(kn)；5-空气分流器；6-井壁空气幕法又称壁后压气法、空气喷射法、空气膜法等，该法是在沉井井壁内预设若干管路，每根管上钻有许多小孔，然后向管内通具有一定压力的压缩空气，通过小孔向沉井井壁外面喷射，在沉井周围形成一层空气帷幕，使井壁与土层之间摩阻力降低，以增加沉井的下沉深度。压气助沉效果584.4 沉井封底 当沉井下沉至设计标高，并基本稳定以后8小时内下沉量不大于10mm，进行沉井的封底工作。 沉井封底分干封底和水下封底两种。干封底59干封底n适用条件：基底透水性低，涌水量小，无流砂。n优势：砼强度和密实性好，省去水下封底混凝土的养护和抽水时间。n新浇砼底板未达强度不得承受地下水压力，多用集水井。n沉井重而大时，可分格下沉，先角后中。60水下封底6162浮运沉井的定位与沉放浮运沉井一般多采用薄壁结构，井壁可采用钢板、木模板或钢丝网水泥薄板制成，待沉井就位下沉后，再用水下混凝土填充。n设定位锚船n锚锭设备的选择与计算n浮运沉井的沉放63设定位锚船离岸较远离岸较近锚碇设备的选择与计算n锚缆受力计算p浮船上的水流阻力p浮运沉井上的水流阻力p船及沉井上的风力n锚缆和锚链的长度计算64浮运沉井的沉放q1对河床表面的检查q清除河床表面的障碍物，如沉船、大块孤石、电缆、沉树等杂物，整平下沉区域。q2浮运就位q灌水下沉，缆绳定位，潜水员检查65沉井中的问题及处理q沉井井位偏差及纠偏q井内流砂及处理q沉井下沉周边土体塌方范围及应对措施q沉井接高时的稳定措施q保护沉井周围环境的措施66沉井倾斜67p22968井内流砂示例：某沉井长28.1m、宽8.6m、深9.73m，外井壁厚0.8m。其中设有三道隔墙平面上分为四仓，为一重2000t的椭圆形结构。当沉井下沉3m深度以后已遇流砂层，由于地下水量不大，未采用降水措施。沉井产生了倾斜，后经多次纠偏均未达到目的，最后造成沉井大量超沉。u 最大超沉量(6点)为2.862m；u 最小超沉量(3点)为1.635m；u 最大高差(3点与6点)为1.227m。 在粉、细砂层中下沉沉井，经常会遇到流砂现象，如未事先处理，可能造成严重倾斜。一些沉井虽未产生严重倾斜，但由于井内大量抽水，流砂将随地下水大量涌入井内，随挖随涌，井外地面可能出现严重坍塌现象。某沉井，下沉深度约30m，而井外坍陷影响半径达35m以上。69 1向井内灌水 如发生流砂现象应向井内灌水，使Ikp中的H2增加、L加长以达到减小水力梯度的目的，排除产生流砂现象的条件。 在井内灌水后，可采用水下挖土(即用吊车水中抓土或水下空气吸泥等方法)，即改用带水下沉方法施工。2井点降水 采用井点降水后，井内土体就没有地下水，挖土时砂土不受动水压力作用，从根本上排除了流砂产生的条件。3地基处理 在条件允许时，通过地基处理(例如注浆加固)，改变土体可能产生流砂的特性。防止发生流砂现象的措施70沉井超沉土的破坏棱体范围与有关：n 下沉深度n 土质n 施工方法土的破坏棱体范围内有永久性设施时，必须采取有效的保护措施沉井四周土的破坏棱体范围估算：71工程实例某沉井外径9.2m，下沉深度约80m，在施工中多次出现触变泥浆漏入井内和少量涌砂等，在井筒外围地表亦出现了环状裂缝和沉陷区。地面沉陷平均约为1m左右，因施工需要曾进行了部分回填土，裂缝坍陷区从井中心算起约17m左右。72减少沉井对四周土体破坏的措施 1加长刃脚，使沉井刃脚埋入土中1.53.0m，形成了一个沿刃脚四周的土堤，以阻碍土体从井外向井内涌入，这样对稳定井外的土体有利。 2在粉、细砂土层中下沉作业时，为避免产生管涌现象和流砂大量流入井内，不应采用井内明排水施工，而改用由潜水员配合的不排水下沉。在邻近没有永久建筑物时，可采用井点降水措施。 3沉井四周如坍陷较严重时，应及时回填。对四周不均匀坍陷更应注意，以免由于沉井四周土压力不均匀而引起沉井过大的倾斜。73沉井接高时的稳定措施n沉井下沉可分为一次制作一次下沉，或分节制作一次下沉，或分节制作分次下沉，主要取决于沉井的规模和地基承载力。n注意：沉井在砂垫层上制作时，当地基不能承受沉井的压力时，地基产生塑性破坏而引起井四周地面变形，突沉，地面沉降。 示例：某沉井外径12.5m，高18.75m，无内隔墙及底梁，在入土9.7m后进行沉井接高，第二次开始下沉时，突然下沉5.78m，井内涌土高度约10m，造成重大伤亡事故和井周大幅度坍陷。74大桥位于江苏省江阴市（无锡市辖）西山与靖(jing)江市（泰州市辖）十圩村间。该桥采用一跨过江、大跨径钢悬索桥桥型。主跨1385米，当时为“中国第一、世界第四”。大桥南引桥168米，北引桥1518米，全长3071米。桥面按六车道高速公路设计，宽33.8米；设计行车速度为100公里/小时；设计通过量27000辆/日，实际可通行能力为7.4万辆/日；桥下通航净高50米，可满足五万吨级的巴拿马型散装货船通航。主桥上部梁体采用扁平钢箱梁，箱高3米，箱总宽36.9米，需钢材18000吨。主缆采用两根各两万多丝直径5.35毫米的镀锌高强钢丝组成，共17000吨，累计长10万公里。北锚碇采用大型深沉井基础，平面尺寸为69米51米，下沉58米，为世界第一大沉井。南北桥塔高190米，塔基采用钻孔灌柱桩方案，其中北塔基由96根直径2米的桩群组成。大桥总投资33.74亿元 示例: 江阴长江大桥北锚沉井施工75江阴长江大桥南、北锚选用重力式锚碇方案，而北锚处于平原地区，选用沉井方式施工。其主要功能是将来自主缆的640 000kN水平力传给地基，且确保北锚的垂直和水平向位移控制在允许值范围内，北锚沉井的施工是大桥工程施工的关键。江阴长江大桥沉井施工方案工程概况q 北锚沉井长69.0m、宽51.0m，制作高度及下沉深度均为58.0m，井壁厚2.0m。井内设纵横各五道隔墙，内隔墙厚1.0m，沉井被分为36个格子。第一节高8m，为钢壳混凝土，以下分为10节，每节高5m，均为钢筋混凝土结构。沉井分11次制作，4次下沉。76777879场地工程地质条件 该沉井位置距长江大堤约200m，地处长江三角洲冲积平原，地形平坦，地下水埋深约1.60m，所处地层均为第四纪松散沉积层。根据土层特性将该区土层分为5个不同层次，相应各层的力学指标见表55。下沉方案及下沉施工q上部30m采用排水下沉方案，可使沉井快速下沉。降水井数为20个，井间距20m，成孔深度48m，下管46m，成孔直径650mm，井管采用273mm钢管。q后28m采用不排水下沉方案，适应承压水层、砂砾层等不良地质条件，又不致产生过大的坍方，危及大堤。8081出土方法与纠偏q出土：高压水枪，泥浆泵q1个水枪1台泵：50m3h，0.6MPaq排泥泵：NL100-28立式泥浆泵，扬程28m，两台串联后扬程50m以上。q泥浆池供水量3 000m3h。泥浆池容量达10万方。q将沉井36格，三个区，冲泥顺序为先A，再B，后C。8283不排水下沉历时154d84