沉井在上海某综合管廊中的应用实例与分析

孙建海，樊 云，陈 挺，石 磊，孙 可

（1.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200129；2.上海斯美科汇建设工程咨询有限公司，上海市 200433）

1 概述

1.1 工程概况

随着城市建设不断发展完善，在城市建筑密集区域进行地下市政设施建设的情况比较常见，由此而产生的大量拆、搬迁及建筑安全问题逐渐突出。沉井具有作业占地面积小、土方开挖量少的特点,在城市地下市政工程应用中越来越常见。市政工程中常见的沉井为独立构造形式的钢筋混凝土结构，一般由刃脚、井壁、底板、顶板等组成。

该工程位于上海市松江南部大型居住社区，穿越松卫北路（市级道路）和洞泾港（六级航道），顶管工程全长504 m，分一个工作井和两个接收井。工作井设置在松卫北路西侧，两个接收井分别设置在松卫北路东侧和洞泾港西侧（见图1）。由工作井出发，三道顶管先南后北再中间，依次顶向洞泾港西侧接收井，相邻顶管前后顶管机位置大于50 m。沉井平面尺寸为29.9 m×17.2 m，三道顶管顶进，结构受力复杂，沉井外侧距城市主干路最近距离11.78 m，需采取有效的防护措施（见图2）。

图1 沉井位置关系平面图

图2 沉井结构示意图（单位：mm）

1.2 自然条件

施工区域周边主要为农田、荒地，地下水由浅部土层中的潜水和深部粉（砂）性土层中的（微）承压水组成。经勘察，拟建场地地下潜水水位埋深为0.61～1.42 m（标高 1.87～3.10 m）；承压水水位低于潜水位，呈周期性变化，埋深3.0～12.0 m。现场布置承压水头观测孔CY1、CY2、CY3，承压水头埋深和标高见表1。

表1 承压水头管材结果汇总

1.3 工艺选择

不排水下沉是指在沉井下沉过程中不采取措施将井内渗出的地下水排出，沉井下沉过程中，井内水位保持与井外地下水位齐平[1]。不排水下沉利用机械设备吸泥出土，吸出的泥浆通过管道排放至泥浆池，经沉淀后将上层清水排至指定位置，土方运至堆土点。

排水下沉是指在下沉时采取降水、排水措施使地下水位降低或阻断，使沉井内几乎无地下水渗出（见图3）。该方法主要优点如下：

（1）井内无水，作业人员可以及时了解下沉及出土情况、井底土面高低、刃脚及底梁与土面的接触状况，根据测量数据，安排出土与纠偏，控制下沉质量。

（2）下沉速度快，排水下沉较不排水下沉速度快 2～5 倍[2]。

（3）经济效益显著，采取排水下沉，可实现干封底，提高封底质量，节省大量的人、机、料。

（4）节省场地，排水下沉无须准备泥浆池，出土土方可直接运出场外。

沉井下沉工艺选择需综合考虑安全、质量、进度、成本等因素，工艺不同，施工费用也不同。根据费用测算，一个工作井或接收井不排水下沉较排水下沉施工整体费用相差150万左右（见表2）。经综合考量，该次沉井采取排水下沉的施工方法。

表2 沉井排水下沉与不排水下沉施工费用对比

2 沉井的施工计算

沉井施工前应对垫层厚度、下沉系数、接高稳定性、抗浮系数等内容进行计算与验算[3]。

2.1 砂垫层计算

该项目沉井采用五次浇筑，两次下沉；第一次浇筑刃脚及以下部分底梁，第一次下沉在第三次浇筑完成并符合下沉条件后进行。

（1）第一次浇筑完成，砂垫层上部总荷载为[1183.00×2600+1149.66×（150+100）+61.82×2500+147.63×2000]/100=38130.25（kN）。

砂垫层实际所受应力为

式中：T为总荷载，kN；F为混凝土垫层面积，m2。因123.359 kPa≤[δ]=200 kPa，故砂垫层稳定。

（2）砂垫层之下的下卧层是通过砂垫层一定厚度的应力扩散而承受到上部的重量。该项目基坑开挖依现有施工条件，下卧层预计将坐落于粉质黏土层。据相关资料取粉质黏土容许承载力[R]=85 kPa，故该下卧层的极限承载力折减值为

式中：Pu为极限承载力折减值，kPa；[R]为容许承载力，kPa；K1为容许承载力转换为极限承载力系数，一般取K1=2；K2为极限承载力折减系数，K2=0.8～0.95，当下卧层为粉质黏土或砂质粉土等强度较高、压缩性较低的土层时，可取0.9～0.95，该工程起沉标高位于粉质黏土，故取K2＝0.9；K3为当沉井多节制作一次下沉、最后一节制作完成时，沉井中自重超载系数的倒数，取K3=0.83～0.87，为安全考虑，该工程取K3=0.83。

（3）三节制作完成后总荷载=钢筋混凝土荷载+模板及施工荷载+素混凝土垫层荷载+砖模荷载：[2394.59×2600+884×（150+100）+61.82×2500+147.63×2000]/100=68967.44（kN）。

单位（每米）刃角（梁）所受荷载：G=68967.44/135.5=508.985（kN/m）。

中粗砂垫层应力扩散角θ取35°。

刃角底中心长度=[（29.9-2×1）+（17.2-2×1）]×2=86.20（m），刃角底垫层宽 2.5 m。

隔墙及横梁长度为49.3 m，隔墙及横梁底垫层宽2.0 m。

刃角及底梁总长度=86.2+49.3=135.5（m）。

（4）根据《沉井与气压沉箱施工技术规程》（DG/TJ08-2084—2011）中4.2节，砂垫层厚计算如下：

式中：p为基底压力标准值，kN/m2；hs为砂垫层厚度，m；G 为单位（每米）刃角（梁）所受荷载，kN/m；rs为砂的天然重度，kN/m3，可取15；BL为素混凝土垫层的宽度，m，BL=B+2b1，计算时取 b1=hc；b1为素混凝土外挑宽度，m，可取b1≥hc（hc为素混凝土垫层厚度）；α为砂垫层的压力扩散角，取35°；fa为修正后的地基承载力特征值，kPa；b为刃脚踏面宽度，m；B为刃角宽度，m。

砂垫层厚度取2.4 m，得p=122.85≤126.99。

2.2 下沉系数计算

沉井下沉系数一般采用K≥1.05～1.25作为下沉的控制指标。剩余下沉稳定系数可按下式计算：

式中：G为分次下沉时井体自重，kN，不考虑封底混凝土和底板；F为地下水浮力，由于为排水下沉，所以F=0；T为沉井下沉时土层与井壁的总摩阻力，T=LA；L为沉井外壁周长94.2 m；A为单位周长磨阻力，kN/m，可按A=hf0计算；h为沉井下沉深度，m；R为刃脚踏面及斜面下土的支承力，R=AiRj；Ai为底梁下土的总支承面积；Rj为刃脚下土层的极限承载力；f0为单位面积井壁摩阻力，加权平均 kN/m2：

式中：fi为第 i层土的摩阻力，kPa；hi为第 i层土的厚度，m。

沉井下沉系数分析见表3。

表3 沉井下沉系数分析

2.3 接高稳定性计算

沉井在第一次下沉完毕后，接高稳定性是沉井结构接高过程中安全控制的重要指标。沉井的接高稳定性可按下式计算：

式中：G为沉井混凝土井位自重，kN；T为井壁总摩阻力；R为刃脚踏面、斜面及底梁下土的支承力，同下沉系数计算公式；B1为地下水浮力。

沉井第二节接高时，沉井混凝土自重为G=80420 kN，地下水浮力（排水下沉）为0，井壁摩阻力T=23908.0 kN，此时刃脚位于④淤泥质黏土层，该层土地基承载力为50 kN/m2，则此时刃脚踏面及斜面下土的支承力R=232.3×50=11615（kN），可得接收井接高稳定性：

计算表明，沉井在第二节接高时，不能满足沉井接高稳定性要求。

为保证各沉井接高时的安全，对沉井外围进行土方回填，井内采取刃脚注砂平衡。井内刃脚踏面以上砂的高度为1.0 m，宽度为2 m。

沉井下卧层地基承载力计算如下（回填砂后）：

式中：r1为井内回填砂的重度17 kN/m3；h为井内刃脚踏面以上砂的高度 1.0 m；m1为 tan2（45°+），砂的内摩擦取 35°，计算为 3.69；r为原地基土的重度 16.8 kN/m3；b为井墙厚度 1.0 m；m为tan2（45°+），土的内摩擦角取10.9°，计算为1.47；c为原地基土的内聚力11 kN/m2。

沉井采取相应措施后，接高稳定性验算：

由上述计算可知，在第二次接高时，沉井采取刃脚位置留土及灌砂措施，其接高稳定系数经计算大于1，可满足沉井接高稳定性要求。

2.4 抗浮系数计算

根据《地基基础设计规范》（DGJ 08-11—2010）要求，沉井抗浮稳定系数按不计井壁摩阻力时，抗浮系数可取1.0。

不计井壁摩阻力时，沉井抗浮稳定系数按下式计算：

式中：Kfw为沉井抗浮系数，规定 Kfw≥1.0；Fbfw，k为水的浮托力标准值，kN。

沉井自重为井壁和封底混凝土重量：

由地质勘察资料知，拟建场地的承压水水头埋深3～12 m，原地面标高3.34 m，沉井底标高为-20.5 m，故验算浮力的地下水深度按21 m考虑，则地下水向上浮力为

综上，沉井自重可以抵抗地下水的浮力。

3 沉井的施工工艺

3.1 垫层铺设

沉井基坑开挖使砂垫层铺设在原状土上，基坑按1∶1放坡，基坑底面设0.3 m×0.3 m盲沟（见图 4）。

图4 沉井基坑开挖示意图

砂垫层进行分段分层振实铺设，采用中粗砂，每层厚度300 mm。密实的砂垫层干容重控制在1.65 g/cm3以上。现场砂垫层密实度可用钎探法普查，钢钎头部沉入砂面层深度不大于7 cm者为合格。

3.2 沉井制作

该工程沉井深度在19.3～24.3 m，采取五次制作，两次下沉（见表4）。

表4 沉井结构形式

沉井制作顺序如下：沉井结构制作总高度23.6 m；地面标高3.34 m，基坑开挖挖至高程1.84 m。第一节沉井制作从-20.5 m到-14.7 m，浇筑高度为5.8 m；第二节沉井制作从-14.7 m到-8.5 m，浇筑高度为6.2 m；第三节沉井制作从-8.5 m到-1.7 m，浇筑高度为6.8 m；第一次排水下沉高度18.8 m；第四节沉井制作从-1.7 m到3.1 m，浇筑高度为4.80 m；第二次排水下沉高度3.54 m；第五节沉井制作从3.1 m到3.8 m，浇筑高度为0.70 m。

3.3 沉井下沉

第一节（刃脚及井壁）沉井制作完成后，待其刃脚混凝土强度100%达到设计强度，井壁混凝土强度达到设计强度的70%后进行刃脚垫架拆除和下沉的准备工作[4]。根据沉井结构，将垫层凿除分为两块施工，一块为底梁下垫层凿除，一块为刃脚下垫层凿除。按照先凿除底梁垫层，后凿除刃脚垫层的原则，将底梁混凝土垫层划为五个区，刃脚下混凝土分为四个区。凿除顺序按照图5编号进行。

图5 混凝土垫层凿除划块示意图

按照编号顺序，对称、均衡、同步凿除。当沉井发生倾斜时，及时调整凿除位置，使沉井平稳地切入土中。取土过程中在井外壁刃脚内侧保留1 m宽的土堤，土堤高度一般为0.1～0.3 m，随沉井进尺量增加而适当减少。

初沉时，沉井下沉系数大、重心高、稳定性差，每间隔3～4 h进行一次沉降观测，平面位移每天测量一次。当测量数据反映沉井偏差超限时，及时调整取土仓号或取土部位，控制每仓之间的取土深度，取土底面高差不应大于50 cm。当测量数据高差较好时，则对称仓位取土保持正常状态下沉，并控制好锅底的深度，一般限制挖土锅底深度不宜超过1 m，防止井体发生突沉。

下沉过程中，沉井对角刃脚踏面处标高差出现波动，属正常现象，当高差值大于25 mm时应及时纠偏。纠偏主要采用选择挖土区域，不均匀对称挖土。通过不同的挖土深度，采取“高处多挖，低处少挖”来调整井内刃脚踏面的土应力分布，使得沉井改变倾斜状态，逐步恢复至竖直方向下沉。沉井下沉时，由于沉井重心分布不均匀，首先考虑沉井中间部位的底梁下先挖土。

终沉时刃脚踏面为警示标高，比设计高程抛高20 cm，当沉井的进尺到最后2 m时即进入终沉阶段。沉井接近设计图纸要求达到锅底尺寸与标高时，应检查井底锅底状况，并且适当放慢取土速度和数量，严格按照均匀对称的原则布置挖土范围，保证沉井平稳到位。

3.4 沉井封底

当沉井下沉至设计标高，待其基本稳定以后，封底前进行沉降观测，在8 h内沉降量不超过10 mm可封底[5]。在沉井封底前，基坑底土面挖至设计要求标高，排除沉井内积水，对超挖部分回填砂石。在浇筑素混凝土垫层时，为了防止新浇混凝土被水冲刷，以及因振捣混凝土而产生漏浆现象，在碎石层上铺一层油毡或中、粗砂，并适当增加混凝土中的水泥用量。

封底按沉井底部梁格结构分格进行；分格次序第一批先封沉井四角，清理一格封一格，并需待四角钢筋混凝土底板达到一定强度后，再根据沉井面积的大小分成数批进行。

4 结 语

2014年随着我国政府与社会资本合作模式的展开，以《国务院办公厅关于推进城市地下综合管廊建设的指导意见》（国办发〔2015〕61号）为标志，我国开始全面启动新一轮城市地下综合管廊建设工作[6]。沉井是市政工程中修筑地下构筑物的一种施工方法，施工时先制作钢筋混凝土井身，井身依靠自重或其他辅助措施克服与土体间的摩阻力和刃脚地反力，下沉至设计标高。

沉井工程一是要强化垫层厚度、下沉系数、接高稳定性、抗浮系数等内容的计算，选择合理安全的方案；二是要注重施工过程控制，提前制定纠偏、突沉等情况的措施。沉井顶管工艺作为非开挖技术，可以有效避免对城市建筑物、交通设施等的影响和破坏，对推动综合管廊的建设具有非常重要的现实意义。