特定条件下优化沉井施工中的部分工作分析

高振中 （阜阳市市政工程管理处，安徽 阜阳 236000）

0 前言

一些工程中有深基坑需要采用沉井作为临时支护结构，因深基坑支护牵涉到施工安全，各方主体都非常重视，所以，按照有关规定设计部门会将支护方案同时设计，并要求同时施工。但往往设计单位为了快速出图或者过于保守而过度设计或超标准设计，将作为支护结构的沉井设计得非常复杂，并没有根据具体条件优化设计。在沉井仅作为支护结构而不构成工程实体这一特定条件下，施工单位在确保安全的前提下编制专项方案时是可以优化的，但深基坑支护专项方案按照相关规定必须进行专家论证。为此，现以工程实例来阐述作为项目部技术人员如何优化沉井支护方案、如何优化不必要的环节。

1 工程设计概况及地勘资料

1.1 工程设计概况

本工程是污水管网完善工程，位于阜阳市老阜南路两侧，其管道设计参数见表1。

表1

本次仅对顶管施工部分讨论，开槽施工部分不再赘述。设计要求机械顶管部分，顶管工作井和接收井全部采用沉井支护，待顶管工作结束后，在工作井和接收井内砌筑污水检查井，故在此工程中，沉井只作为临时支护结构而不形成工程实体的一部分。

沉井设计图如图1所示，可知沉井如下参数：

图1 沉井设计图

①圆筒形钢筋混凝土沉井内径R=5m；主筒体墙厚40cm；高度根据管道埋深自由可调；

②沉井封底以下高度为1.123m；向外突出10cm；刃脚底宽20cm。

1.2 工程地勘状况

1.2.1 水文地质条件

拟建场地地下水属于潜水，由大气降水和地表水渗入补给，以蒸发和渗透方式为主要排泄方式，高程在27.910－28.690左右，而工程场地地面地势平坦，高程均在29.780～30.525m左右；故地下水位线在地面以下1.87m。

1.2.2 天然地基设计参数

拟建场地土层分布和各土层承载力特征值fak及压缩模量Es建议值见表2。

表2

1.2.3 基坑支护设计参数

拟敷设管道地段基坑支护和管道顶进所需土层参数如表3。

表3

2 沉井自重与下沉阻力计算

2.1 沉井自重

一般地，沉井制作多数都是在施工现场顶管工作井或接收井位置，所以制作之前放线定位也就是工作井和接收井定位，制作现场土基承载力是否能满足要求非常关键，为计算施工现场承载力使其最大限度地满足沉井制作要求，在此要以最深的沉井自重来考量地基承载力。由表1可知管道最大埋深为5.4m，管底以下至沉井封底是导轨和轨枕，D800的钢筋混凝土Ⅱ级管顶级是导轨和轨枕，高度和一般为20cm，按照设计图纸，封底以下沉井墙变截面部分高度是1.123m，所以沉井制作总高度是以上三者之和，即6.723m，钢筋混凝土自重一般为2.5t/m³,由此可计算本工程中最大最深的沉井自重为114t，亦即1140kN。

随着替代弹性增大，目标价格政策带来的消费者福利增加量迅速减少并很快转变为福利损失。目标价格提高会刺激国产大豆供给增加，从而降低国产大豆市场价格，消费者因此会增加福利；但由于替代效应，消费者对进口大豆的消费量会减少，而且替代弹性越大，进口大豆的消费量减少的越多，消费者福利会因此减少。消费者总福利的变化取决于这两种效果的叠加。替代弹性从1增加到3的过程中，消费者福利从增加3.86亿元变成减少0.29亿元，减少了107.42%。

2.2 下沉阻力

沉井下沉时的阻力F（kN/㎡）主要包括井外壁受土壁的摩阻力ƒ和刃脚的竖向反力Rv，一般情况下，沉井下沉时都同时进行排水，控制水位在刃脚以下，所以不考虑浮力，并且在下沉过程中掏土时刃脚以下取对称掏空的办法，所以Rv可以忽略不计，故下沉阻力F即是井外壁摩阻力ƒ。

摩阻力ƒ是井壁混凝土面与土壤的摩擦系数ƒm与侧压力E的乘积，由表3可知，基坑支护土层均在第三层以上，除杂填土外其余均为粘土，我们仍然按照下沉阻力最不利的因素即阻力最大化原则，按照摩擦系数最大的粘土层并按照直筒式沉井外壁考虑来计算摩阻力。在沉井下沉过程中外壁与土壁之间侧压力根据井壁受力情况看，土体对沉井外壁的侧压力E可以近似地按照挡土墙的主动土压力Ea计算，对于粘性土单位墙长的主动土压力

式中Ea—主动土压力（kN）；

γ—土的重度（kN/m³）；

h—沉井高度（m）；

Ka—主动土压力系数，Ka=tan²（45°-Φk/2）,Φk为土的内摩擦角，由表三可计算Ka=0.49；

c—土的粘聚力（kPa）。

可见，沉井自重远远大于下沉阻力，加之下沉施工时基本将刃脚下面的土壤掏空的办法，所以不需要刃脚切土来减少下沉过程中的阻力，甚至也不需要阶梯式外壁，即保持井墙壁纵断面不变。

3 地基竖向支持力与沉井自重比较

如沉井墙壁纵断面不变，即没有刃脚，厚度均是40cm，那么沉井井壁环形底面积S=π（R²-r²），

式中R-沉井外壁半径；

r-沉井内壁半径。

由图1所示沉井尺寸可求得S=6.782㎡。

又根据地勘报告可知，第一层杂填土的承载力为160kPa，如果原地制作沉井时地面对沉井的竖向支持力T=160×6.782=1085.12kN,若沉井一次性浇筑完成,与沉井自重1140kN相比，竖向支持力不足，需要加垫木等工作来加强竖向支持力；但如果分两次浇筑即可不用加垫木、砂石垫层等。

如果挖除第一层杂填土至第二层粘土层，将沉井制作放在粘土层时，其竖向支持力T=230×6.782=1559.86kN,如图2所示。

图2 在粘土层表面直接预制沉井

可见，此时，该支持力远大于整体沉井自重，故在制作时不需要加垫木、砂石垫层等来增强和改善土基的支持力T，直接将场地杂填土挖除后整平，能压实或夯实更好，但挖除杂填土时注意地下水位，如果水位较高，则需要采取降水措施。

4 结语

通过对沉井自重和下沉阻力的计算对比，且其摩阻力计算是考虑最不利的因素，即井壁纵断面不变且与土壁之间没有空隙，亦即刃脚部分的外壁没有向外放大，自重依然远远大于下沉阻力，所以沉井在场地内直接预制，无需加垫木、砂石垫层来增强地基承载力，只是要考虑如果在杂填土层上预制时需分两次浇筑混凝土，第一节下沉后再浇筑第二节。如果挖除杂填土直接在粘土层上预制，地基承载力可满足一次性浇筑完毕。这样我们就可以将沉井预制工作中的刃脚和加、抽垫木等环节的工作优化掉了，可以加快施工速度和降低成本，因为刃脚部分的钢筋加工、绑扎及支模较复杂，还要单独浇筑一次混凝土，加、抽垫木及砂石垫层工作也很缓慢，尤其是抽出垫木时还要时刻小心沉井倾斜。所以，当沉井只作为临时支护措施而不构成工程实体时，合理优化掉不必要的环节是很有必要和有利的。