地下空间工程沉井施工技术培训课件2018

1、沉井的施工与设计计算内容提要 沉井的施工 沉井的设计与计算沉井的施工 旱地沉井施工：平整场地，制造第一节沉井、拆模及抽垫、挖土下沉、接高沉井、井顶围堰、地基检验和处理、封底、充填井孔、浇筑顶盖。水上筑岛：水流速不大，水深34m时采用，砂岛应高出施工最高水位0.5m以上，在岛上浇筑沉井。 浮运沉井：水深筑岛困难时采用，岸边制作，滑入水中，井壁为空体可浮于水面，就位后灌注砼下沉至河床。 1 沉前准备 铺垫木 （枕木、方木） 立模板绑钢筋 注混凝土、养护 土内模制造沉井刃脚 清理场地 制造第一节沉井图8.11 制造第一节沉井实例图8.10 基坑砂垫层剖面图首节沉井制作首节沉井制作第二节沉井的制作沉井

2、下沉中沉井隔墙钢筋的绑扎 拆模及抽垫 拆模顺序：井孔模板、外侧模板、隔墙支撑及模板、 刃脚面支撑及模板 抽垫顺序：内壁、短边及长边下对称同步。长边下隔1根撤1根，最后以定位桩为中心由远而近对称撤除 图8.11 沉井垫木 （a）圆形沉井垫木；（b）矩形沉井垫木 取土下沉 2 取土下沉图8.12 除 土 下 沉 示 意排水下沉 当沉井穿过的土层较稳定，不会因排水而产生大量流砂时，可采用排水下沉。 2 取土下沉 图8.12 排水下沉 挖土和取土方法土质为砂土或软黏土时，用水力机械施工砂、卵石层或硬黏土层时，采用抓主斗出土不排水下沉 当上层不稳定、地下水涌水量很大，为防止因内排水而产生流砂等不利现象，

3、需用不排水下沉。 2 取土下沉 图8.13 不排水下沉 挖土和取土方法使用机械抓主斗，或用高压水枪破土，然后用空气或吸泥机将泥水排出。 3 接筑沉井 第一节沉井顶面下沉至距地面还剩1m2m时，应停止挖土，接筑第二节沉井。接筑前应使第一节沉井位置正直，凿毛顶面，然后立模浇筑混凝土。待混凝土强度达设计要求后，再拆模继续挖土下沉。 每次浇注的最大高度不宜超过5m。对称、均匀地浇注，以防倾斜。地基检验和处理 基底检验： 检验内容是地基土质是否和设计相符，是否平整，并对地基进行必要的处理。基底处理： 砂性土或粘性土地基，一般可在井底铺一层砾石或碎石至刃脚底面以上200mm。未风化岩石地基，应凿除风化岩层

4、，若岩层倾斜，还应凿成阶梯形。要确保井底地基尽量平整，浮土、软土清除干净，以保证封底混凝土、沉井与地基结合紧密。 4 沉井封底 达到设计标高后，停止挖土，准备封底优先考虑干封，其成本低，施工快，易保证质量封底一般采用素混凝土 要确保封底质量，封底要预留集水井集水井用于当封底混凝土未达到设计强度时连续抽水，待封底达到强度要求后将其封死水下封底应特别注意保证混凝土浇注质量，厚度应按施工中最不利情况由素砼强度及沉井抗浮要求计算确定。二、水中沉井的施工 （一）筑岛法 当水深小于3m，流速1.5m/s时，可采用砂或砾石在水中筑岛(图5-12 a），周围用草袋围护；若水深或流速加大，可采用围堤防护筑岛图5

5、-12b）；当水深较大（通常15m）或流速较大时，宜采用钢板桩围堰筑岛(图5-12c）。 5-3 沉井的施工 第五章 沉井基础及地下连续墙图 5-12 水中筑岛下沉沉井a) 无围堰防护土岛; b) 有围堰防护土岛; c) 围堰筑岛2.浮运沉井施工 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，然后用绳索引到设计墩位。5-3 沉井的施工 第五章 沉井基础及地下连续墙（二）浮运沉井施工图 5-13 浮运沉井下水示意浮运沉井的构造 1.不带气筒的浮运沉井 不带气筒的浮式沉井适应于水深较浅、流速不大、河床较平、冲刷较小的自然条件

6、。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M5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13mm的保护层。 2.带钢气筒的浮运沉井 带钢气筒的浮运沉井 带钢气筒的浮运沉井适用于水深流急的巨型沉井。它主要由双壁的沉井底节、单壁钢壳、钢气筒等组成。 浮式沉井：双壁钢壳直径21.4米 净高13.6

7、米 三、泥浆润滑套与壁后压气沉井施工法 （一）泥浆润滑套 泥浆润滑套是借助泥浆泵和输送管道将特制的泥浆压入沉井外壁与土层之间，在沉井外围形成有一定厚度的泥浆层。主要利用泥浆的润滑减阻，降低沉井下沉中的摩擦阻力。图 5-14 射口挡板与压浆管构造a) 射口挡板; b) 外管法压浆管构造5-3 沉井的施工 第五章 沉井基础及地下连续墙（二）壁后压气沉井法 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)，使井壁周围土松动，减少井壁摩阻力，促使沉井顺利下沉。5-3 沉井的施工 第五章 沉井基础及地下连续墙与泥浆润滑套相比的优点： 壁后压

8、气沉井法在停气后即可恢复土对井壁的摩阻力，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。 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。四、沉井施工新方法简介 5-3 沉井的施工 第五章 沉井基础及地下连续墙 20世纪90年代以来，在国外一些发达国家提出了压沉法SS(Space System Caisson)法SOCS(Super Open Caisson System)自动化沉井等施工方法。 沉井下沉过程中遇到的问题及处理 1.偏斜偏斜原因 ：土岛表面松软，河底土质软硬不匀；井壁与刃脚中线不重合 ；抽垫方法欠妥，回填

9、不及时 ；除土不均匀对称 ；刃脚遇障碍物顶住而未及时发现；排土堆放不合理，或单侧受水流冲击淘空等导致沉井承受不 对称外力作用 。 发生倾斜的纠正方法：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；在沉井顶面施加水平力扶正。 2.沉井下沉困难 原因：开挖面深度不够，正面阻力大；偏斜，或刃脚下遇到障碍物、坚硬岩层和土层；井壁摩阻力大于沉井自重；井壁无减阻措施或泥浆套、空气幕等减阻构件遭到破坏。解决下沉困难的措施主要是增加压重和减少井壁摩阻力 ,增加压重的方法 ：提前接筑下节沉井；在井顶加压砂袋、钢轨等重物；不排水下沉时，可井内抽水。减小井壁摩阻力的方法： 井

10、壁内埋设高压射水管组，射水辅助下沉；利用泥浆套或空气幕辅助下沉；增大开挖范围和深度；必要时还可采用0.10.2kg炸药起爆助沉。3.突沉 原因：井壁摩阻力较小，当刃脚下土被挖除时，沉井支承削弱；排水过多；挖土太深；出现塑流。 防止突沉的措施：控制均匀挖土，减小刃脚处挖土深度；在设计时可采用增大刃脚踏面宽度或增设底梁的措施提高刃脚阻力。4.流砂 原因：土中动水压力的水头梯度大于临界值。 防止流砂的措施 ：排水下沉时发生流砂，可采取向井内灌水；不排水除土下沉时，减小水头梯度；采用井点，或深井和深井泵降水。 小结 偏斜：沉井偏斜大多发生在下沉不深时，导致偏斜原因有多种；纠偏方法有：除土、压重、顶部施

11、加水平力 难沉：即沉井下沉过慢或停沉；原因（侧阻过大、踏面过大、孤石树根等）；解决方法（射水、加重井壁、减小踏面、小型爆破） 突沉：沉井产生较大的倾斜或超沉，突沉常发生于软土地区；主要原因是井壁侧阻较小 流砂：在粉、细砂层中下沉沉井，易出现流砂现象；主要原因是土中动水压力的水头梯度大于临界值；防治措施有：采用井点降水及不排水除土，或向井内回灌水沉井偏斜 主要内容： 沉井尺寸的确定 沉井作为天然地基上基础的计算 沉井自重的验算 第一节井壁在自重作用下应力验算 刃脚验算 沉井井壁计算 沉井封底混凝土的计算 沉井抗浮验算 沉井的设计与计算 沉井高度 沉井底面标高，主要根据上部荷载、水文地质条件及各土

12、层的承载力等确定。 沉井作为基础，其顶面应埋入地面0.2m或地下水位以上0.5m。 1 沉井尺寸的确定 沉井尺寸的确定沉井平面形状和尺寸 沉井平面形状应根据上部建筑物的平面形状决定。 为取土方便，取土井宽度2.5m，沿沉井中心线布置为防止下沉过程中少许偏斜对建筑物影响，要求留襟边，其宽度下沉总深度的2%，且不得小于20cm。上部建筑底部长宽尺寸为A0、B0，沉井下下沉高度为h0，沉井顶面尺寸为 A=A0+2（0.020.04) h0或A0+20cm B=B0+2（0.020.04) h0或B0+20cm井壁厚度一般为0.71.5m，内隔墙厚度为0.5m左右 1 沉井尺寸的确定 地基强度：沉井作

13、为深基础时，一般要求下沉至坚实土层或岩层上，且地基强度须满足：F作用于沉井顶面处荷载 G沉井自重 Rf井侧总摩阻力 Rj沉井底部地基土的总反力 Rj=faA(fa为基底土承载力特征值)F + G Rj + Rf 沉井作为天然地基基础计算式中： 2 沉井作为天然地基上基础的计算 础 井侧总摩阻力Rf：可假定井侧总摩阻力Rf沿深度成梯形分布，距地面5m范围内按三角形分布，5m以下为常数，故总摩阻力为Rf U(h2.5)q U沉井周长 q单位面积摩阻力加权平均值。图8.15 井壁摩阻力分布假设 2 沉井作为天然地基上基础的计算 3 沉井自重验算 确定沉井的外形尺寸和壁厚时，应保证沉井在各种施工阶段能

14、克服四壁摩阻力Rf而顺利下沉，即 G各种施工阶段沉井的自重； Rf沉井井壁土的摩阻力。为保证沉井在施工时能顺利下沉到设计标高，需要验算沉井自重是否满足下沉要求，用下沉系数K表示在抽出垫木及挖土可能有不均匀等不利条件下，第一节井壁在自重作用下应按单支点、简支梁等验算井壁强度。 4 第一节井壁在自重作用下应力的计算 开始下沉 不排水取土下沉图8.19 底节沉井支点布置示意 圆形沉井 按支撑在相互垂直直径的四个点验算，不排水下沉时，可能遇到障碍物，按直径两端支点下沉考虑下两种最不利情况： 刃脚外挠：刃脚内侧入土1m，并刚接筑完上节沉井，井顶露出地面或水平面约一节沉井高度时处于最不利位置。此时因自重作

15、用，产生向外挠曲。 刃脚内挠：沉井下沉至接近设计标高，刃脚下土已掏空，沉井自重全部由外侧摩阻力承担。此时在外侧水、土压力作用下，使刃脚产生向内挠曲。 刃脚竖向内力计算图8.20 刃脚向外绕曲受力示意图图8.21 刃脚向内绕曲受力示意图 5 刃脚计算计算土压力和水压力总的土压力 刃脚外挠图8.22 刃脚受力图 5 刃脚计算土压力作用点到刃脚底面的距离为计算水压力总水压力水压力作用点到刃脚底面的距离为计算井壁侧的摩擦力按以下两个公式取较小值 刃脚外挠图8.23 井壁摩擦力T及刃脚下的反力 5 刃脚计算 刃脚外挠 5 刃脚计算计算刃脚下土的反力Rj图8.24 Rj作用点计算Rj作用点计算法假定U为三

16、角形分布，则作用点在距离刃脚底面1/3高度处 刃脚外挠 5 刃脚计算计算刃脚自重刃脚外侧的摩擦力计算作用在刃脚外侧的摩擦力的方法与计算井壁侧面摩擦力T的方法相同，取较大值，目的为使刃脚弯矩为最大 刃脚外挠 5 刃脚计算作用于刃脚上的水平外力的分配沉井刃脚一方面看做固着在刃脚根部的悬臂梁，又可看做一个封闭的水平框架悬臂作用框架作用 刃脚外挠 5 刃脚计算刃脚内侧竖直钢筋的确定 求得刃脚上所有外力的大小、方向和作用点后，即可求算作用在刃脚根部截面上单位周长的轴向力F、水平剪力V以及对刃脚根部截面中心O点的力矩M。 根据F、V、M计算刃脚内侧所需的数值钢筋。 钢筋面积不小于根部总截面面积的0.1%，

17、布置钢筋时应深入悬臂根部以上0.5l1图8.22 刃脚受力图 刃脚向内挠曲 5 刃脚计算计算刃脚外壁的土压力和水压力。土压力和第一种情况相同。水压力的计算，不排水下沉，井壁外侧水压力按100%计算，井内水压力按50%计算，也可按施工中的水头差计算；排水下沉时，在不透水土中，按静水压力的60%计算图8.23 刃脚向内挠曲因刃脚下的土已掏空，故Rj=0，U=0刃脚上的侧面摩擦力与第一种情况相同，取较小值刃脚自重计算、外侧竖向钢筋的计算和布置，同第一种情况 刃脚水平内力计算 5 刃脚计算矩形沉井视为封闭的水平框架计算刃脚处于第二种不利情况下，刃脚受到最大水平剪力。作用在刃脚上的外力与计算刃脚向内挠曲

18、时一样，由于水平钢筋只分担作用在水平框架上的的荷载，采用分配系数cf作用在水平框架上的均布荷载p等于作用在刃脚上的水平外力乘以系数cf 刃脚水平内力计算 5 刃脚计算圆形沉井同一标高上的土压力，理论上应是均匀的，但实际上由于倾斜、土质不均匀等原因，会引起土压力不均匀分布。为计算方便，采用调整土的内摩擦角值来解决。井壁上互成90的两点处的径向土压力位pA和pB，计算pA的内摩擦角采用-（2.55），计算pB的内摩擦角采用 +（2.55）图8.26 圆形井壁上压力的调整作用在A、B截面上的内力为 刃脚水平内力计算 5 刃脚计算圆形沉井刃脚的环向拉力计算沉井下沉途中，由于刃脚内侧的土反力的作用，使圆

19、形沉井的刃脚产生环向拉力N，其值为 井壁水平内力计算 6 沉井井壁计算 井壁水平外力沿深度变化，井壁水平内力应分段计算，计算水平内力时，最不利位置是沉井下沉到设计标高，且刃脚挖空时，把井壁看做框架，计算各分段的内力及水平钢筋 井壁水平内力计算 6 沉井井壁计算位于刃脚根部以上高度等于井壁厚度的一段井壁施工阶段的水平荷载有：自身的水平荷载，刃脚传递的水平剪力，其值等于作用在悬臂梁上的水平外力乘以分配系数cb作用在此段井壁上的均布荷载为：其余各段按断面变化为准，将井壁分为数段，取每一段中控制设计的井壁进行计算。作用在框架的水平荷载为 井壁垂直受拉计算 6 沉井井壁计算井壁受拉的最不利情况为沉井达到

20、设计标高此时，上部井壁被土夹住，刃脚下的土已挖空，沉井好像挂在土中，在井壁内将出现较大的拉力，使井壁有拉断的危险。作用在井壁的侧面摩阻力，按沉井可能被夹住的不利位置，此时假设井壁摩阻力沿深度成倒三角形分布 井壁垂直受拉计算 6 沉井井壁计算等截面井壁根据自重和倒三角形分布的摩阻力相等，推得x处的井壁摩阻力图8.27 等截面井壁受拉计算x处的拉力为对上式求导，求得最大拉力位置为x/2，最大拉力为G0/4 井壁垂直受拉计算 6 沉井井壁计算非等截面井壁图8.27 非等截面井壁受拉计算沉井上部侧摩阻力为井壁x处的拉应力为任意高度上的摩阻力为 沉井封底混凝土计算 7 沉井封底砼计算在施工抽水时，封底砼

21、承受基底水和土的向上反力，此时若砼的龄期不足，应考虑砼的强度折减沉井井孔用砼填实时，封底砼应承受基础设计的最大基底反力，并可计入孔内其他填充物作用在封底砼的重量 沉井抗浮验算 8 沉井抗浮验算 抗浮稳定系数:当沉井下沉到设计标高，砼封底并做好钢筋砼顶板、抽除井内积水后，而内部结构及设备尚未安装，井外地下水位达最高时，应考虑沉井的抗浮稳定，即要求K2：G沉井结构的自重； P水对沉井的浮力，等于地下水位以下沉井排开同体积的水重 沉井井壁上的土压力计算8.5 对沉井基础设计理论的讨论目前沉井土压力计算多采用朗肯（Rankine）及库伦（Coulomb）土压力理论。由于沉井结构的刚度较大，井筒的截面尺

22、寸一般不很大，通常处于空间受力状态，故用平面问题进行土压力的计算不尽合理。当深度较大时，误差更明显虽有一些考虑空间问题因素的沉井土压力计算方法，但较复杂，不宜使用 沉偏时土压力的轴向分布8.5 对沉井基础设计理论的讨论传统的土压力理论计算土压力，考虑沉偏时沉井周围土压力分布时，现行的方法是对圆形沉井，采用调整土内摩擦角法，矩形沉井按均布考虑。实际沉偏时，沉井在偏斜方向两端点处的土压力状态及量值不同，且与沉井的平面尺寸，深度及纠偏方法等有关。调整内摩擦角的做法本身随意性很大，且其依据是否充分，到底能否放映上述因素，尚不清楚。 考虑压力的重液法8.5 对沉井基础设计理论的讨论鉴于沉井土压力机理尚缺

23、乏研究，传统土压力理论计算很粗略，与实际出入很大为简化计算，可近似的将水和土视为水土混合重液，按重液静压力施加于沉井井壁，即重液法重液法简单易行，具有一定使用价值，在国内外均有应用 沉井底面土层的承载力8.5 对沉井基础设计理论的讨论沉井底面尺寸较大，进行足尺试验测定沉井底面土层承载力是十分困难甚至是不可能的估算沉井竖向承载力值时，需确定沉井底面土层承载力特征值通常按浅基础作用下的地基承载力做深、宽度修正后用于计算实际上由于深井深度大，沉井底面处土层的承载力属于深基础承载力课题 墩基础的类型8.6 墩基础的类型与特点 按墩的受力情况分类 墩基础主要承受上部结构传递来的竖向压力及水平力，较少用于抗拔情况按传递上部荷载的方式，分为摩擦墩与端承墩两类墩以承受水平荷载为主时，称水平受力墩图8.28 墩按受力情况分类摩擦墩端承墩水平受力墩 墩基础的类型8.6 墩基础的类型与特点 按墩体形状分类（轴向截面、墩底） 墩轴向截面形状柱形墩：截面尺寸及形