沉井设计和施工中的常见事故及其防治措施.pdf

第 2 4卷第 1 期 2 0 0 7年 3月 特种结构 v o 1 2 4 n o 1 ma r c h 2 0c r 7 沉井设计和施工 中的常见事故及其防治措施 王荣文葛春辉 ( 上海市政工程设计研究 总院2 0 0 o 9 2 ) ( s h a n g h a i m u n i c i p a l e n g i n e e r i n g d e s i g n a n d r e s e a r c h g e n e a r a l i n s t i t u t e ， 2 0 0 0 9 2 ) 摘要沉井设计和施工中经常发生一些工程事故， 本文着重分 析事故原因， 并提供了 相应的防治措施。 关键词沉井 工程事故防治 a b s t r a c t：i n t h e& i g n a n d c o n s t r u c t i o n o f o p e n c a i s s o n ， e n g i n e e r i n g a c c i d e n t o f t e t a k e s p l a c e t h i s p p e r a n a l y s e 3 a c c i d e n t f a c t o r a n d o f f e r s t r e a t i n g m e t h o d s or d s ： 饥 c a i s s o n 西 脚 咖a c c i d e n t p r e v e n t i n g a n d c u r i n g m e t h o d s 1 概 述 在给水排水工程 中， 沉井 结构被 大量使用 。 主要用于埋置较深的取水泵房 、 排水泵站、 集水井 及顶管工程中的顶管工作井等。矩形沉井单井最 大尺寸已达 5 0 m2 5 m； 圆形沉井设计的最大直径 已达 6 4 m； 煤矿工程中深达 8 0 m的矿井 和桥梁 的 配重支墩都有广泛应用。长江大桥的斜拉桥配重 体系都使用特大直径 的沉井。上海的地铁站隧道 的人口、 某城 市高层 建筑地 下 部分都 曾使 用过 沉井。 然而沉井的设计和施工中有一定风险 ， 经常 发生一些工程事故 ， 如： ( 1 ) 沉井 在软土地区下沉 时， 沉井会带 动周边地 面下沉 ， 地面呈漏斗形 变 形 ， 导致邻近建筑和设施沉降和开裂 ； ( 2 ) 沉井沉 至特软土层发生突沉 ， 若瞬时下沉 1 3 m， 沉井将 发生严重倾斜 ， 井壁和框架产生裂缝 ， 还可能造成 施工人员伤亡； ( 3 ) 沉井下沉过程中若遇到弧石、 朽木等 障碍物 时难 以下沉 ， 工程 进度会受影 响 ； ( 4 ) 沉井布置在河道的大堤上， 过分靠近边坡， 沉 井制作的巨大重量作用在坡顶， 使边坡失稳， 沉井 将向河道倾斜 ； ( 5 ) 沉井外壁上往往开许多孔洞 ， 沉井制作时用砖砌体或其它材料临时封堵， 沉井 下沉就位后再拆除封堵 ， 安装进出管道。如果沉 井处在地下水丰富的地区或者此地 区正好有承压 水 ， 拆除封堵时地下水会迅速涌人井内造成事故 。 经分析， 沉井发生工程事故大致有下列 因素 ： ( 1 ) 勘测不充分， 提供资料不齐全或错误一布点太 少 ， 不满足要求 。未提供地下水资料 ， 没摸清地下 障碍物； ( 2 ) 设计考虑不周没核算在软弱土层中 的下沉稳定性， 结构设计未考虑施工因素以及沉 井场址选择是否欠妥 ； ( 3 ) 施工不当一选择沉井施 鸿黜镰牺 工方案不妥 ， 施工措施不到位 。 2 沉井场地必须具有的勘测要求 沉井场地的选择必须具有一定的勘测要求， 具体为： 沉井场地是否有河岸边坡及重要堤防； 摸 清高压架空电线位置、 高度及地下电缆走向； 场地 附近是否已有建筑物及重要设施 ； 是 否存在地下 障碍物 ； 土层性质 、 地 基承载 力及地质 的不均 匀 性 ； 摸清软弱土层 的分布 ； 地下水分情况 ， 最高地 下水位、 最低地下水位以及是否存在承压水。 3 沉井设计、 施工要点 3 1沉井场地选择 1 沉井场地应尽可能选在平缓和开阔地带。 如果场地坡度太 陡以及沉井周边 土压力不均匀 ， 就可能导致下沉时发生倾斜 。 2 沉井 不宜布置在地质不均 匀或地 下障碍 物未完全探明的场地， 以免造成下沉施工作业的 困难。 3 沉井不应建造在边坡上 或过于靠近边坡 处 。如果不能避免 ， 则应进行边坡稳定分析或采 取其它确保安全和平稳下沉的措施 。 4 沉井下沉时将带动周边 一定范 围内的土 体下沉 ， 会产生一个周边尺寸大约 等于下沉深 度 的漏斗形坑 。如果在此范围内有已建的建( 构 ) 筑 物或其它设施， 则这些建 ( 构 ) 筑物或设施的安全 或正常使用将可能受到影响。因此 ， 应尽可能避 免在这种环境中建造沉井， 如果不能避免， 则应采 取相应的保护措施。 5 建在河道中的沉井 ， 选位时应避免布置在 冲刷剧烈的地段。 6 如有可能， 应尽量避免沉井选址存在承压 水的场地 。 一 1 03 维普资讯 特种结构 2 0 0 7年第 1 期 3 2施工方法选择 沉井的施工方法对沉井的设计计算有着直接 的关系， 应根据场地的工程地质及水文资料 ， 结合 施工条件决定 。 1 排水法下沉 当地下水位不高 ， 或是虽有地下水但沉井周 边 的土层为不透水层或弱透水层 ， 涌入井 内的水 量不大且排水不困难时 ， 可采用排水下沉法 ， 以达 到节省费用和缩短工期的目的。 2 不排水法下沉 下列情况宜按不排水下沉设计 ： ( 1 ) 在下沉深 度范围内存在粉土、 砂土等强透水层， 而且透水层 与河道直通。当排水法下沉有可能造成流砂时； ( 2 ) 场区内存在地下承压水补给水量大 ， 地下水难 以降低时； ( 3 ) 沉井附近有已建的建( 构) 筑物及其 它设施， 排水施工降低场地地下水可能造成其沉降 及导致倾斜而难以采取其他措施 防止时； ( 4 ) 施工 方法确定以后 ， 施工单位不可随意改变， 如果要改 变， 必须有相应的措施 ， 避免由此而发生的事故。 3 3沉井井体厚度的确定 沉井井体各部分的厚度由如下几个方面的因 素确定。 1 下沉 需要 设计中一般应优先考虑沉井依靠其 自重克服 土层的摩阻力而下沉到设计标高的原则。当重量 不足时， 应采取外加压重或其它助沉措施。因此， 沉井井体应有适当的厚度。反之， 当井体过重， 下 沉系数过大或地基承载力不足 时， 则应适 当减薄 井壁厚度。 2 满足受力要求及抗渗性能要求 在施工阶段 ， 井体的各部分厚 度应满足受力 的要求； 而在使用阶段 ， 井体作为结 构的一部分 ， 则井体除了强度外， 尚应满足相应的抗渗性能及 限制裂缝宽度的要求。 3 抗浮要求 在许多情况下， 当井位处于水中或存在地下 水的场地时， 沉井须满足抗浮的要求， 因此依靠 自 重抗浮的井体的各部分也要有适 当的厚度。沉井 上部没有建筑时 ， 若沉井 自重抗浮有困难 ， 可 以在 适当位置用设抗浮板的措施解决 。 4 调整沉井重心要求 沉井结构根据使用要求而布置的墙体往往是 不对称布置， 造成沉井重心不在形心上而发生偏 心 ， 给下沉施工带来麻烦 ， 设计时可以用适当调整 一 1 0 4 一 墙壁厚度的手段 ， 即在墙体集中的一边墙厚减薄 一 些 ， 而在墙体偏少的另一边墙体增厚一些， 减少 自重引起 的偏心。 4 沉井设计的关键计算 4 1计算要点 沉井在下沉时 ， 是一种工具性的围护结构 ， 在 终沉封底或填充后又常成为深埋基础或地下构筑 物的组成部分。因此 ， 在各个不同阶段 ， 从制作、 下沉直到建成投产使用， 沉井各部位的传力体系、 所承受的外力及作用情况都在不断变化。所 以， 沉井结构的设计计算应按从施工到使用的各个阶 段分别依序进行， 以保证沉井结构能满足在施工 、 运行等各个阶段的强度、 刚度和稳定性的要求 。 沉井施工阶段 的计算 ， 与所选定 的施工方法 有关 ， 对于不 同的施工方案， 它在施工阶段的设计 计算内容也不相同。例如， 相同的沉井， 当采用排 水取土下沉时， 井壁所受到的水 、 土压力等外荷载 就 比采用不排水取土下沉时的情况要大。另外当 沉井采用触变泥浆润滑套助沉时， 土壁对沉井 的 摩 阻力将大大减少。 由于沉井在下沉施工阶段是无底无盖的筒状 结构 ， 当进行井壁结构计算时 ， 通常在竖向截取单 位高度( 可选取数个不 同深度 ) 的一段 ， 作为平面 框架结构进行计算 。如果沉井平 面尺寸较大， 难 以满足强度和刚度要求 ， 而在工艺、 使用条件允许 时， 用加设内部支撑分隔， 纵、 横隔墙或撑梁以及 竖向框架等形式都可用来作分隔。此时， 沉井结 构先经过平面计算再做竖向计算 。 沉井使用阶段的计算， 是指构筑物全部建成 ， 沉井已经封底 、 填充或加盖， 做好 了内部隔墙及上 部结构等 ， 这时候结构传力体系及受力状态相对 于施工阶段又有了变化 ， 应再作为整体深基础或 地下构筑物进行验算。 4 2关键的计算点 沉井各部位的截面及配筋， 应综合各阶段最 不利的受力状态进行设计 。下列计算对沉井设计 要点是关键 的： 1 下沉系数 为了保证沉井能顺利下沉 ， 沉井下沉系数 k 应满足下式条件： k n ：( g k 一 ， k ) 1 0 5 ( 1 ) 式中 一下沉系数； g 一井体 自 重标准值( 包括必要时外加助 沉重量的标准值 ) ( k n) ； 【u c 瓤l e s 1 2 )d 7 维普资讯 n o 1 2 0 0 7 王荣文等 ： 沉井设计和施工中的常见事故及其防治措施 ， 一 下沉过程 中水的浮力标准值 ( 不排水 下沉时， 水体以下的自重取浮重) ( k n ) ， 排水法下沉时不计浮力 ； 一 井壁总摩阻力标准值( k n ) 。 根据以往的施工经验 ， 沉井下沉 时的正常下 沉系数 ， 一般小于 1 2 5为好。 2 下沉稳定系数 沉井在软弱土层中下沉 ， 当下沉系数较大( 一 般大于 1 5时) ， 或在下沉过程中遇有特别软弱土 层时， 需进行下沉稳定验算 ， 以防止突沉或下沉标 高不能控制。不排水下沉的沉井下沉稳定系数应 满足下式条件 ： k ， = ( g ， ) ( f 五+r 6 ) ( 2 ) 式中 k s t , s 一下沉稳定系数 ， 可取 0 8 0 9 ； ， 一 验算状态下水的浮力标准值( k n ) ； 一 验算状态 下井壁 总摩 阻力标 准值 ( k n ) ； 吃 一沉井刃脚 、 隔墙和横梁下地基土极 限承载力之和( k n) 。 3 抗浮验算 沉井抗 浮稳定应按 沉井封底 后和使用 两阶 段， 分别根据实际可能出现的最高水位验算。当 有承压水层存在时， 尚应按承压水的水头复核抗 浮稳定。 ( 1 ) 在施工阶段 ， 当沉井下沉到设计标高并浇 筑封底混凝土后或干封底时在浇筑底板后 ， 应进 行抗浮稳定验算 。 = g f 乞 ， 1 0 ( 不计侧壁摩阻力时) ( 3 ) 式中 一沉井抗浮系数 ， 当计入侧壁摩阻力时， 1 2 5 ； f 乞 一施工期间地下水浮力或底板以下承 压水浮托力标准值( k n ) 。 当封底混凝土与底板间有拉结钢筋等可靠连 接时 ， 封底混凝土的 自重可作为沉井使用 阶段抗 浮重量的一部分。 一 般沉井依靠自重获得抗浮稳定。当井体重 量不能抵抗浮力时 ， 施工期间除可增加 自重外尚 可采取临时降低地下水位、 配重等方法。 ( 2 ) 在正常使用阶段 ， 应按照使用期 内可能出 现的最高地下水位进行抗浮稳定验算。当设计地 面抬高后， 还应考虑地下水位抬高的可能性。抗 浮重量应考虑沉井在使用阶段上部建筑的重量。 如果抗浮仍不能满足， 可采用设抗浮板或拉锚桩 如嫩嘲涯 1 _ 岍 等措施。 5 沉井井壁穿墙洞口止水措施 5 1穿墙孔临时封填 施工时沉井穿墙管可采用低等级水泥土或较 厚的砖砌体。 出墙孑 l 和接收孑 l 处于透水性强的砂层及有承 压水时， 孑 l 外的土层都必须做地基处理 。经过地 基处理 ， 在：f l i- 形成一个止水帷幕 ， 以防止沉井在 出洞和进洞前大量水土涌人工作井和接收井， 造 成工程事故 。 地基处理方法有如下几种 ： ( 1 ) 相互搭接 的水 泥搅拌桩 ； ( 2 ) 压注水泥砂浆 ； ( 3 ) 冷冻法冻结。 5 2墙洞在顶管期的止水措施 1 有承压水情况下， 管道顶 出工作井和进入 接收井的穿墙管构造非常重要。推荐使用盘根止 水。 盘根止水穿墙 管构造见 图 1 ， 盘根止水 穿墙 管可用于 以下情况 ： ( 1 ) 穿墙管处 于砂性土土层 ( 包