沉井结构PPT课件.ppt

2020 3 1 可编辑 1 地下建筑结构 沉井结构 汇报人 邱明明 南昌航空大学土木建筑学院 2020 3 1 可编辑 2 三 地下建筑结构型式 二 地下建筑类型 一 地下空间发展概述 上篇 南昌航空大学土木建筑学院 2020 3 1 可编辑 3 八 沉井结构设计与计算 七 沉井下沉问题与对策 六 沉井的施工 五 沉井的类型和构造 四 沉井概述 下篇 南昌航空大学土木建筑学院 2020 3 1 可编辑 4 一地下空间发展概述 1 地下空间开发利用发展 19世纪是桥的世纪 20世纪是高层建筑的世纪 21世纪是人类开发利用地下空间的世纪 2020 3 1 可编辑 5 2 城市地下空间开发利用的意义随着城市的飞速发展 城市的人口密度急剧增加 土地资源日渐紧缺 人类生存空间趋于紧张 城市地下空间的开发利用是城市经济发展和城市空间发展的客观需要 是有效的防护空间和潜力巨大的城市后备空间资源 是实现城市建筑空间环境可持续发展的有效途径之一 尤其在城市中心区 地下空间的开发利用具有明显的实用价值和经济价值 开发利用地下空间 走城市立体化发展的道路 不仅能有效缓解土地资源紧缺导致的多种城市矛盾 而且可以创造和谐的城市生态环境 2020 3 1 可编辑 6 2009大陆建设地铁的城市 南宁 昆明 福州 长沙 南昌 2020 3 1 可编辑 7 南昌市轨道交通规划图 2020 3 1 可编辑 8 南昌市城市快速轨道交通线网规划 提出了三主 两辅 五条线的轨道交通线网 设置四条过赣江通道 以1 2 3号线为主形成 人 形主骨架 4 5线为两辅连接外围组团 全网线路总长168km 全网共设置车站128座 换乘站15座 2010年开始建设1号线一期 2015年建成1号线一期 以后率先建设2号线一期 3号线一期 到2020年建成1 2 3号线网络 2020年后 先后建设4号线一期 5号线一期 1号线延伸段 2号线延伸段 3号线延伸段 4号线延伸段 5号线延伸段 2020 3 1 可编辑 9 南昌市轨道交通一号线 2020 3 1 可编辑 10 二地下建筑类型 地下铁道地铁车站公路隧道水底隧道地下电站地下贮库城市地下综合体 2020 3 1 可编辑 11 北京地铁王府井车站 2020 3 1 可编辑 12 广州地铁区间隧道 2020 3 1 可编辑 13 上海地铁车站 2020 3 1 可编辑 14 南京玄武湖隧道 2020 3 1 可编辑 15 青山湖隧道 2020 3 1 可编辑 16 深圳梧桐山隧道 2020 3 1 可编辑 17 上海人民广场 2020 3 1 可编辑 18 珠海板樟山隧道 2020 3 1 可编辑 19 福州象山隧道 四连拱 2020 3 1 可编辑 20 隧道内景 2020 3 1 可编辑 21 大连奥林匹克广场 2020 3 1 可编辑 22 地下交通 2020 3 1 可编辑 23 引水隧道 预应力钢筋混凝土结构 2020 3 1 可编辑 24 小浪底电站进水口 施工 2020 3 1 可编辑 25 地下厂房 2020 3 1 可编辑 26 赫尔辛基地下游泳馆 2020 3 1 可编辑 27 地下剧场 2020 3 1 可编辑 28 斯德哥尔摩地下音乐厅 2020 3 1 可编辑 29 明尼苏达大学地下图书馆 2020 3 1 可编辑 30 三地下建筑结构型式 综合地质 使用 施工三因素 地下结构常见的型式有以下几种 1 附建式结构 2 浅埋式结构 3 地道式结构 4 沉井法结构 5 盾构法结构 6 地连墙结构 7 顶管结构 8 沉管法结构 2020 3 1 可编辑 31 附建结构 浅埋式结构 2020 3 1 可编辑 32 坑道式结构沉井法结构 2020 3 1 可编辑 33 盾构法结构 2020 3 1 可编辑 34 地下连续墙结构 2020 3 1 可编辑 35 顶管结构 2020 3 1 可编辑 36 沉管法结构 2020 3 1 可编辑 37 八 沉井结构设计与计算 七 沉井下沉问题与对策 六 沉井的施工 五 沉井的类型和构造 四 沉井概述 下篇 2020 3 1 可编辑 38 目前 沉井式结构已发展成为土层内地下构筑物常用的结构形式之一 沉井式结构用途很多 例如 自来水厂 电厂和化工厂的水泵房 地下沉淀池和水池 地下热电站 地下油库 地下掩蔽部 车间 仓库等等 此外 也应用作地下铁道 水底隧道等各种设备井 如通风井 盾构拼装井 车站 区间段连续沉井等 虽然 随着地下连续墙结构的兴起 有许多地下工程可用地下连续墙施工 但是沉井结构的单体造价较低 主体的混凝土都在地面上浇筑 质量较易保证 不存在接头的强度和漏水问题 可采用横向主筋构成较经济的结构体系 因此 在一定场合下 沉井是一种不可取代的较佳方案 四沉井概述 2020 3 1 可编辑 39 4 1沉井的含义沉井是一个上无盖下无底的井筒状结构物 现常用钢筋混凝土制成 施工时先在建筑地点整平地面 制作第一节沉井 接着在井壁的围护下 从井底挖土 随着土体的不断挖深 沉井因自重作用克服井壁土的摩阻力而逐渐下沉 如下图 当第一节井筒顶露出地面不多时停止开挖 下沉 接高井筒 待到达规定强度后再挖土下沉 这样交替操作一直下沉到设计标高 然后封底 浇筑钢筋混凝土底 顶板等工作 做成地下建筑物 这种利用结构自重作用而下沉入土的井简状结构物就称 沉井 2020 3 1 可编辑 40 沉井结构 2020 3 1 可编辑 41 4 2沉井的应用范围 当构筑物埋置较深 采用沉井方式较经济时或采用其他施工方式有困难时 附近有建筑物 开挖施工不可能时 江心和岸边的井式构筑物 排水施工有困难时 2020 3 1 可编辑 42 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 基础类 桥梁工程中的桥墩 高层建筑物的地下室 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 浅埋地下铁道或水底隧道等 4 3沉井用途 2020 3 1 可编辑 43 4 4沉井 沉箱 结构的特点 1 躯体结构刚性大 断面大 承载力高 抗渗能力强 耐久性能好 内部空间可有效利用 2 施工场地占地面积较小 可靠性良好 3 适用土质范围广 淤泥土 砂土 粘土 砂砾等土层均可施工 4 施工深度大 5 施工时周围土体变形较小 因此对临近建筑 构筑 物的影响小 适合近接施工 尤其是压气沉箱工法对周围地层沉降造成的影响较小 目前在日本已有离开箱体边缘30cm以外的地层无沉降的压气沉箱施工实例 6 具有良好的抗震性能 2020 3 1 可编辑 44 4 5沉井技术的发展状况由古老的掘井作业发展而来 20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 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 58m 50m 沉井形状包括方形 矩形 多边形 圆形和椭圆形 施工方法有陆地沉井 筑岛沉井和浮运沉井等 我国已有了自己的设计规程和施工验收规范 2020 3 1 可编辑 45 5 1沉井的分类就地制作下沉沉井 1 按施工方法分类浮运沉井气压沉箱圆形沉井 2 按外观形状分类矩形沉井圆端形沉井 五沉井的类型和构造 2020 3 1 可编辑 46 柱形沉井 3 按竖向剖面形状分类阶梯形沉井锥形沉井混凝土沉井 4 按建筑材料分类钢筋混凝土沉井竹筋混凝土沉井钢沉井 2020 3 1 可编辑 47 5 1 1按沉井的施工方法分类 1 一般沉井 指就地制造下沉的沉井 这种沉井是在基础设计的位置上制造 然后挖土靠沉井自重下沉 如基础位置在水中 需先在水中筑岛 再在岛上筑井下沉 2 浮式沉井 在深水地区筑岛有困难或不经济 或有碍通航当河流流速不大时 可采用岸边浇筑浮运就位下沉的方法 这类沉井称为浮运沉井或浮式沉井 2020 3 1 可编辑 48 5 1 2按沉井形状分类 常用的有圆形 圆端形和矩形等 根据井孔的布置方式 又有单孔 双孔及多孔的分别 沉井平面形式a 单孔沉井 b 双孔沉井 c 多孔沉井 1 按沉井的平面形状 2020 3 1 可编辑 49 圆形沉井 沉井在下沉过程中易控制方向 使用抓泥斗挖土 要比其他类型的沉井 更能保证其刃脚均匀地支承在土层上 在侧压力作用下 井壁只受轴向力 侧压力均布时 或稍受挠曲 侧压力非均布时 对水泥方向正交或斜交均有利 也即承受水平土压力和水压力性能良好 圆端形沉井 控制下沉 受力条件 阻水冲刷均较矩形者有利 但沉井制造较复杂 对平面尺寸较大的沉井 可在沉井中设置隔墙 使沉井由单孔变成双孔或多孔 2020 3 1 可编辑 50 矩形沉井 具有制造简单 基础受力有利的优点 常能配合墩台 或其他结构物 底部平面形状 四角一般做成圆角 可有效改善转角处的受力条件 减缓应力集中现象 以降低井壁摩阻力和避免取土清孔的困难 矩形沉井在侧压力作用下 井壁受较大的挠曲力矩 在流水中阻水系数较大 冲刷较严重 2020 3 1 可编辑 51 2 按沉井的立面形状 主要有柱形 锥形及阶梯形等 采用形式应视沉井需要通过的土层性质和下沉深度而定 土软 浅 土密 深 土软 深 2020 3 1 可编辑 52 上述各类沉井的适用条件 柱形沉井 它在下沉过程中不易倾斜 井壁接长较简单 模板可重复使用 故当土质较松软 沉井下沉深度不大 可以采用这种形式 锥形沉井 井壁可以减少土与井壁的摩阻力 其缺点是施工较复杂 消耗模板多 同时沉井下沉过程中容易发生倾斜 故在土质较密实 沉井下沉深度大 要求在不太增加沉井本身重量的情况下沉至设计标高 可采用这类沉井 锥形式的沉井井壁坡度一般为1 20 1 40 外壁倾斜式沉井同样可以减少下沉时井壁外侧土的阻力 但这类沉井具有下沉不稳定 制造困难等缺点 故较少使用 2020 3 1 可编辑 53 阶梯式沉井的台阶宽度约为100 200mm 鉴于沉井所承受的土压力与水压力 均随深度而增大 为了合理利用材料 可将沉井的井壁随深度分为几段 做成阶梯形 下部井壁厚度大 上部井壁厚度小 因此 这种沉井外壁所受的摩擦阻力可以减小 有利于下沉 2020 3 1 可编辑 54 5 1 3按沉井所用材料分类 1 素混凝土沉井 素混凝土沉井的特点是抗压强度高 抗拉能力低 因此这种沉井宜做成圆形 并适用于下沉深度不大 4 7m 的软土层中 2 钢筋混凝土沉井 这种沉井的抗拉及抗压能力较好 下沉深度可以很大 达数十米以上 当下沉深度不很大时 井壁上部用混凝土 下部 刃脚 用钢筋混凝土 在桥梁工程中得到较广泛的应用 当沉井平面尺寸较大时 可做成薄壁结构 沉井外壁采用泥浆润滑套 壁后压气等施工辅助措施就地下沉或浮运下沉 此外 钢筋混凝土沉井井壁隔离墙可分段 块 预制 工地拼接 做成装配式 2020 3 1 可编辑 55 4 竹筋混凝土沉井 沉井在下沉过程中受力较大因而需配置钢筋 一旦完工后 它就不再承受多大的拉力 因此 在南方产竹地区 可以采用耐久性差但抗拉力好的竹替部分钢筋来承受下沉阶段过程中拉力 我国南昌赣江大桥等曾用这种沉井 在沉井分节接头处及刃脚仍用钢筋 5 钢沉井 钢沉井由钢材制作 强度高 质量轻 易于拼装 适于制造空心浮运沉井 但用钢量大 国内应用较少 3 砖石沉井 这种沉井适用于深度浅的小型沉井 或临时性沉井 例如 房屋纠倾工作井 即用砖砌沉井 深度约4 5m 2020 3 1 可编辑 56 5 2沉井的构造沉井一般由下列各部分组成 如下图 井壁 测壁 刃脚 内隔墙 封底和顶盖 底梁和框架 1 井壁井壁是沉井的主要部分 应有足够的厚度与强度 为了承受在下沉过程中各种最不利荷载组合 水土压力 所产生的内力 在钢筋混凝土井壁中一般应配置两层竖向钢筋及水平钢筋 以承受弯曲应力 同时要有足够的重量 使沉井能在自重作用下顺利下沉到设计标高 因此 井壁厚度主要决定于沉井大小 下沉深度以及土的力学性质 设计时通常先假定井壁厚度 再进行强度验算 井壁厚度一般为0 4 1 2m 有战时防护要求的 井壁厚度可达1 5 1 8m 2020 3 1 可编辑 57 1 井壁井壁的纵断面形状有上下等厚的直墙形井壁 如图5 5a所示 阶梯形井壁两种 当土质松软 摩擦力不大 下沉深度不深时可采用直墙形 其优点是周围土层能较好地约束井壁 易于控制垂直下沉 按长井壁亦简单 模板能多次使用 此外 沉井下沉时 周围土的扰动影响范围小 可以减少对四周建筑物的影响 故特别适用于市区较密集的建筑群中间 当土质松软 下沉深度较深时 考虑到水土压力随着深度的不断增大 使井壁在不同高程受力的差异较大 故往往将井壁外侧仍做成直线形 内侧做成阶梯形 如图5 5c 以减小沉井的截面尺寸 节省材料 2020 3 1 可编辑 58 图5 5沉井井壁形式 当土层密实 且下沉深度很大时 为了减少井壁间的摩擦力而不使沉井过分加大自重 常在外壁做成一个 或几个 台阶的阶梯形井壁 台阶设在每节沉井按缝处 宽度 一般为10 20cm 最下面一级阶梯宜设于h1 1 4 1 3 H高度处 见图5 5b 或h1 1 2 2 2m处 h1过小不能起导向作用 容易使沉井发生倾斜 施工时一般在阶梯面所形成的槽孔中灌填黄沙或护壁泥浆以减少摩擦力并防止土体破坏过大 2020 3 1 可编辑 59 2 刃脚井壁最下端一般都做成刀刃状的 刃胸 刃脚的主要功用是减少下沉阻力 刃脚还应具有一定的强度 以免下沉过程中损坏 刃脚底的水平面称为踏面 见图5 6 踏面宽度一般为10 30cm 视所通过土质的软硬及井壁厚度而定 刃脚内侧的倾角一般为400 600 刃脚的高度当沉井湿封底时 取1 5m左右 干封底时 取0 6m左右 沉井重 土质软时 踏面要宽些 相反 沉井轻 又要穿过硬土层时 踏面要窄些 有时甚至要用角钢加固的钢刃脚 图5 6沉井刃脚踏面 2020 3 1 可编辑 60 3 内隔墙内隔墙的主要作用是增加沉井在下沉过程中的刚度并减小井壁跨径 同时又把整个沉井分隔成多个施工井孔 取土井 使挖土和下沉可以较均衡地进行 也便于沉井偏斜时的纠偏 内隔墙的底面一般应比井壁刃脚踏面高出0 5 1 0m 以免土顶住内墙妨碍沉井下沉 但当穿越软土层时 为了防止沉井 突沉 也可与井壁刃脚踏面齐平 隔墙的厚度一般为0 5m左右 隔墙下部应设过人孔 供施工人员于各取土井间往来之用 人孔的尺寸一般0 8 1 2m 1 1 1 2m左右 取土井井孔尺寸除应满足使用要求之外 还应保证挖土机具可在井孔中自由升降 不受阻碍 如用挖泥斗取土时 井孔的最小边长应大于挖泥斗张开尺寸再加0 50 1 0m 一般不小于2 5m 井孔的布置应力求简单 对称 2020 3 1 可编辑 61 4 封底及顶差当沉井下沉到设计标高 经过技术检验并对坑底清理后 即可封底 以防止地下水渗入井内 封底可分湿封底 即水下灌筑混凝土 和干封底两种 有的在井底设有集水井排水 封底完毕 待混凝土结硬后即可在其上方浇筑钢筋混凝土底板 为了使封底混凝土和底板与井壁间有更好的连接 以传递基底反力 使沉井成为空间结构受力 常于刃脚上方的井壁上预留凹槽 如在特殊情况下 预计有可能需改用气压沉箱时 亦可预设凹槽 以便必要时在该处浇筑钢筋混凝土盖板 凹槽底面一般距刃脚踏面2 5m以上 槽高约1 0m 近于封底混凝土的厚度 以保证封底工作顺利进行 凹人深度约0 15 0 25m 当沉井作为地下结构物时多采用钢筋混凝土顶板 2020 3 1 可编辑 62 5 底梁和框架在比较大型的沉井中 如由于使用要求 不能设置内隔墙 则可在沉井底部增设底梁 井构成框架以增加沉井在施工下沉阶段和使用阶段的整体刚度 有的沉井因高度较大 常于井壁不同高度设置若干道由纵横大梁组成的水平框架 以减少井壁 于顶 底板之间 的跨度 使整个沉井结构布置合理 经济 在松软地层中下沉沉井 底梁的设置还可防止沉井 突沉 和 超沉 便于纠偏和分格封底 以争取采用干封底 但纵横底梁不宜过多 以免增加结构造价 施工费时 甚至增大阻力 影响下沉 2020 3 1 可编辑 63 沉井施工 施工准备 沉井封底浇筑底板 质量控制 沉井内部结构 套井施工刃脚构建 六沉井的施工 6 1沉井施工一般流程 开挖掘进井壁构筑 2020 3 1 可编辑 64 沉井施工具体工艺 2020 3 1 可编辑 65 6 2沉井施工类型 沉井的施工方法与墩台基础所在地点的地质和水文情况以及具备的技术力量 施工机具与设备有关 在水中修筑沉井时 应对河流汛期 通航 河床冲刷调查研究 并制定施工计划 尽量利用枯水季节进行施工 如施工须经过汛期 应有相应的措施 沉井基础施工一般可分为旱地施工 水中筑岛施工及浮运沉井施工三种 现分别简介如下 2020 3 1 可编辑 66 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 3 4m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 2020 3 1 可编辑 67 6 2 1旱地上沉井的施工 桥梁墩台位于旱地时 沉井可就地制造 挖土下沉 封底 充填井孔以及浇筑顶板 参见下图 在这种情况下 一般较容易施工 沉井施工顺序图a 制造第一节沉井 b 抽垫木 挖土下沉 c 沉井接高下沉 d 封底 1 井壁 2 凹槽 3 刃脚 4 承垫木 5 素混凝土封底 2020 3 1 可编辑 68 1 整平场地 如天然地面土质较好 只需将地面杂物清掉整平地面 就可在其上制造沉井 如为了减小沉井的下沉深度也可在基础位置处挖一浅坑 在坑底制造沉井下沉 坑底应高出地下水位0 5 1 0m 如土质松软 应整平夯实或换土夯实 在一般情况下 应在整平场地上铺上不小于0 5m厚的砂或砂砾层 2020 3 1 可编辑 69 2 制造第一节沉井 由于沉井自重较大 刃脚踏面尺寸较小 应力集中 场地土往往承受不了这样大的压力 所以在整平的场地上应在刃脚踏面位置处对称地铺满一层垫木 可用200 200mm的方木 以加大支承面积 使沉井重量在垫木下产生的压应力不大于100kPa 垫木的布置应考虑抽除垫木方便 有时可用素混凝土垫层代替垫木 然后在刃脚位置处放上刃脚角钢 竖立内模 绑扎钢筋 立外模 最后浇灌第一节沉井混凝土 沉井刃脚立模1 内模 2 外模 3 立柱 4 角钢 5 垫木 6 砂垫层 2020 3 1 可编辑 70 2020 3 1 可编辑 71 3 拆模及抽垫 沉井混凝土达到设计强度的70 时可拆除模板 强度达设计强度后才能抽撤垫木 抽撤垫木应按一定的顺序进行 以免引起沉井开裂 移动或倾斜 其顺序是 撤除内隔墙下的垫木 再撤沉井短边下的垫木 最后撤长边下的垫木 拆长边下的垫木时 以定位垫木 最后抽撤的垫木 为中心 对称地由远到近拆除 最后的拆除定位垫木 注意在抽垫木过程中 抽除一根垫木应立即用砂回填进去进行捣实 原则 分区 依次 对称 同步 2020 3 1 可编辑 72 4 挖土下沉 沉井下沉施工可分为排水下沉和不排水下沉 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 土的挖除可采用人工挖土或机械除土 排水下沉常用人工挖土 它适用于土层渗水量不大且排水时不会产生涌土或流砂的情况 人工挖土可使沉井均匀下沉和清除井下障碍物 但应采取措施 确实保证施工安全 排水下沉时 有时也用机械除土 不排水下沉 一般都采用机械除土 挖土工具可以是抓土斗或水力吸泥机 如土质较硬 水力吸泥机需配以水枪射水将土冲松 由于吸泥机是将水和土一起吸出井外 故需经常向井内加水维持井内水位高出井外水位1 2m 以免发生涌土或流砂现象 2020 3 1 可编辑 73 5 接高沉井 第一节沉井顶面下沉至距地面还剩1m 2m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 6 筑井顶围墙 如沉井顶面低于地面或水面 应在沉井上接筑围堰 围堰的平面尺寸略小于沉井 其下端与井顶上预埋锚杆相连 围堰是临时性的 待墩台身出水后可拆除 2020 3 1 可编辑 74 钢板围堰 2020 3 1 可编辑 75 2020 3 1 可编辑 76 7 地基检验和处理 沉井沉至设计标高后 应进行基底检验 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 如果是排水下沉的沉井 可以直接进行检查 不排水下沉的沉井由潜水工进行检查或钻取土样鉴定 地基为砂土或粘性土 可在其上铺一层砾石或碎石至刃脚底面以上200mm 地基为风化岩石 应将风化岩层凿掉 岩层倾斜时 应凿成阶梯形 若岩层与刃脚间局部有不大的孔洞 由潜水工清除软层并用水泥砂浆封堵 待砂将有一定强度后再抽水清基 不排水情况下 可由潜水工清基或用水枪及吸泥机清基 总之要保证井底地基尽量平整 浮土及软土清除干净 以保证封底混凝土 沉井及地基紧密连接 2020 3 1 可编辑 77 8 封底 充填井孔及浇筑顶盖 地基经检验及处理合乎要求后 应立即进行封底 如封底是在不排水情况下进行 则可用导管法灌注水下混凝土 见钻孔灌注桩施工 若灌注面积大 可用多根导管 以先周围后中间 先低后高的次序进行灌注 待混凝土达设计强度后 再抽干井孔中的水 填筑井内圬土 如井孔中不填料或仅填以砾石 则井顶面应浇筑钢筋混凝土顶盖 以支承墩台 然后砌筑墩身 墩身出土 或水面 后可拆除临时性的井顶围堰 2020 3 1 可编辑 78 首节沉井制作 2020 3 1 可编辑 79 第二节沉井的制作 2020 3 1 可编辑 80 沉井下沉施工 2020 3 1 可编辑 81 沉井隔墙钢筋的绑扎 2020 3 1 可编辑 82 6 2 2水中沉井的施工 水流速不大 水深在3m或4m以内 可用水中筑岛的方法 筑岛材料为砂或砾石 周围用草袋围护 如水深较大可作围堰防护 右图 岛面应比沉井周围宽出2m以上 作为护道 并应高出施工最高水位0 5m以上 砂岛地基强度应符合要求 然后在岛上浇筑沉井 如筑岛压缩水面较大 可采用钢板桩围堰筑岛 但要考虑沉井重力对它产生的侧向压力 为避免沉井对它的影响 水中筑捣 2020 3 1 可编辑 83 无围堰防护土岛 有围堰防护土岛 围堰筑岛 水中筑岛下沉沉井 2020 3 1 可编辑 84 6 2 3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 沉井井壁可做成空体形式或采用其它措施 如带木底或装上钢气筒 使沉井浮于水上 也可以在船坞内制成用浮船定位和吊放下沉或利用潮汐 水位上涨浮起 再浮运至设计位置 沉井就位后 用水或混凝土灌入空体 徐徐下沉直至河底 或依靠在悬浮状态下接长沉井及填充混凝土使它逐步下沉 这时每个步骤均需保证沉井本身足够的稳定性 沉井刃脚切入河床一定深度后 可按前述下沉方法施工 2020 3 1 可编辑 85 浮运沉井施工示意图 浮运沉井 双壁钢壳 2020 3 1 可编辑 86 七沉井下沉问题与对策 难沉 即沉井下沉过慢或停沉 主要原因 侧阻过大 踏面过大 孤石树根等 解决方法 射水冲刷 壁面涂抹润滑剂 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 井壁侧阻较小 解决方法 适当加大下沉系数 控制均匀挖土 在刃脚处挖土不宜过深 采用泥浆润滑等减少摩擦阻力的措施 避免中间卡住 2020 3 1 可编辑 87 偏斜 沉井偏斜包括倾斜和水平位移两种 大多发生在下沉不深时 导致偏斜原因有多种 主要原因 土质软硬不均 没有均匀挖土 刀刃下挖土过多 井内涌砂等 纠偏方法常有 除土 压重 顶部施加水平力 流砂 在粉 细砂层中下沉沉井 易出现流砂现象 主要原因 土中动水压力的水头梯度大于临界值 防治措施 一是减小临界水头梯度 二是采用井点降水及不排水除土 或向井内回灌水 2020 3 1 可编辑 88 沉井结构在施工阶段必须具有足够的强度和刚度 以保证沉井能稳定 可靠地下沉到拟定的设计标高 待沉到设计标高 全部结构浇筑完毕并正式交付使用后 结构的传力体系 荷载和受力状态均与沉井在施工下沉阶段很不相同 因此 应保证沉井结构在这两阶段中均有足够的安全度 例如 沉井的井壁和顶底板 在正常使用中是不允许开裂或只允许出现很小的裂缝 因此必须进一步验算这些构件在施工过程中的抗裂性 工程实践证明 对施工阶段的结构计算很重要 必须认真对待 决不能认为它只是一个临时的受力过程而加以忽视 八沉井结构设计与计算 2020 3 1 可编辑 89 沉井结构设计的主要环节可大致归纳如下 1 沉井建筑平面布置的确定 2 沉井主要尺寸的确定和下沉系数的验算 1 参考已建类似的沉井结构 初定沉井的几个主要尺寸 如沉井孔平面尺寸 沉井高度 井孔尺寸及井壁厚度等 并估算下沉系数以控制沉速 2 估算沉井的抗浮系数 以控制底板的厚度等 3 施工阶段强度计算 1 井壁板的内力计算 2 刃脚的挠曲计算 3 底横梁 顶横梁的内力计算 4 其它 4 使用阶段的强度计算 包括承受动载 1 按封闭框架 水平方向的或垂直方向的 或圆池结构来计算井壁并配筋 2 顶板及底板的内力计算及配筋 2020 3 1 可编辑 90 沉井结构设计的几个主要环节的基本内容分别介绍如下 一 沉井下沉系数的确定确定沉井主体尺寸后 即可算出沉井自重 并验算沉井在施工中是否能在自重作用下 克服井壁四周土摩擦力和刃脚下土的正面阻力顺利下沉 设计时可按 下沉系数 估算 式中G 沉井施工阶段的自重 kN 应包括井壁和上 下横梁和隔墙的重量以及施工时临时钢封门等的重量 当采用不排水下沉时 尚应考虑水的浮力使井重减轻的影响 Rr 刃脚踏面下正面阻力的总和 kN 如沉井有隔墙 底横粱 其正面阻力均应计入 刃脚踏面上每单位面积所受的阻力 视土质情况而异 详见表8 1 一般在踏面处作均匀分布 在斜面处 可按三角形分布计算 Rf 沉井井壁与土间的总摩擦力 kN 2020 3 1 可编辑 91 一 沉井下沉系数的确定F0 沉井井壁四周总面积 m2 f0 井壁与土间单位面积摩擦力的加权平均值 kN m2 hi 土层的厚度 m 见图8 7a fi 各土层对井壁的单位面积摩擦力 可参照已有的实践资料 最好当地的 估计或参考表8 1的数选用 井壁摩擦力及刃脚踏面阻力表8 1 2020 3 1 可编辑 92 一 沉井下沉系数的确定根据上海地区经验 在缺乏可靠实测资料时 对于井深80m以内的沉井 其侧面摩擦力值f0几乎都取15 20kN m2 后者适于沉入深度20m以内的粘土 亚粘土中的沉井 在实际工作中 井壁摩擦力的分布形式 有许多不同的假定 一种是假定在深度0 5m范围内单位面积摩擦力按三角形分布 5m以下为常数 如图8 7b所示 这时总摩阻力 式中U 沉井周长 m h0 沉井入土深度 m 2020 3 1 可编辑 93 一 沉井下沉系数的确定一种是取入士全深范围内为常数的假定 F0 U0 m2 参见图8 7c 另一种假定认为摩擦力不仅与土的种类有关 还与土的埋藏深度有关 因此 采用了摩擦力等于朗金主动土压力与土和井壁间的摩擦系数之乘积 一般取极限摩擦系数为0 4 0 5 即井壁摩擦力按井壁土压力的0 4 0 5倍估计 根据这种假设 侧面摩擦力将是随着深度而增加的梯形分布 或近似于三角形分布 见图8 7d 在国外有些国家 如日本 就是采用这种假定 例如紧密砂层的侧面单位摩擦力 kN m2 为 见下表 对于小型薄壁阶梯形井壁的圆形沉井 它的侧面摩接力亦有多种不同的取法 上海地区采用图8 7e f所示的假定 2020 3 1 可编辑 94 二 沉井抗浮稳定验算沉井沉到设计标高后 即着手进行封底工作 铺设垫层并浇筑钢筋混凝土底板 由于内部结构和顶盖等还未施工 此时整个沉井向下荷载为最小 待到内部结构 设备安装及顶盖施工完毕 所需时间可能很长 而底板下的水压力能逐渐增长到静力水头 会对沉井发生最大的浮力作用 因此 验算沉井的抗浮稳定性 一般可用抗浮系数K2表示 式中G 井壁与底板的重量 不包括内部结构和顶盖 kN Rf 井壁与土间极限摩擦力 kN 见公式 8 3 Q 底板下面的水浮力 kN 与沉井在地下水位以下部分相同体积的水重 抗浮系数K2的大小可由底板的厚度来调整 所以一般不希望该值过大 以免造成浪费 对于浮力的取值 在地下结构设计中历来是有争论的问题之一 实践证明 在江河之中或沿岸施工的沉井 或是埋置于渗透性很大的砂土内的沉井 其水浮力即等于静力水头 然而在粘性土中 其浮力究竞多大 尚缺乏较好的验证 同样关于井壁侧面摩擦力在抗浮时能否发挥作用 如何合理取值 各方而亦无统一的结论 有的认为抗浮计算时该摩擦力不能计入 只能作为附加的安全度来考虑 2020 3 1 可编辑 95 二 沉井抗浮稳定验算通过大量调查 已建的各种沉井一般都没有上浮现象 这说明 沉井上浮时土的极限摩擦力很大 而一般设计估用的数值往往偏小 因此在验算上浮稳定时以计入井壁摩擦力较为合理 在钻性土中 因它的渗透系数很小 地下水补给非常缓慢 沉井的浮升也必然极为缓慢 在发生明显浮升之前 内部结构 设备 顶盖等重量已经作用上去 故不再存在浮升问题 因此有的设计施工单位在验算粘性土中沉井抗浮稳定性时 常将静力水头打8 9折 但因缺乏实践验证 应持慎重态度 不可为鉴 上海地基规范只认为验算抗浮稳定时可以计入井壁摩擦力 取经验值 下限为10kN m2 2020 3 1 可编辑 96 三 刃脚计算井壁刃脚部分在下沉过程中经常切入土内 形成一悬臂作用 因此必须验算刃脚部分向外和向内挠曲的悬臂状态受力情况 并据此进行刃脚内侧和外侧竖向钢筋和水平钢筋的配筋计算 第一种情况 刃脚向外挠曲的计算 配置内侧竖宜钢筋 首次下沉的沉井 在刚开始下沉时 刃脚下土的正面阻力和内侧土体沿着刃脚斜面作用的阻力有将刃脚向外推出的作用 这时沉入深度较浅 井壁侧面的土压力几乎还未发生 刃脚的受力情况如8 8a b所示 可沿井壁周边取1 0m宽的截条作为计算单元 计算步骤如下 计算井壁自重G 沿井壁周长单位宽度上的沉井自重 按全井高度计算 不排水挖土时应扣除浸入水中部分的浮力 计算刃脚自重g 按下式计算 计算刃脚上的水 土压力E 主动土压力可按朗金理论计算 在计算刃脚向外挠曲时 作用在刃脚外侧的计算土压力和水压力的总和应不超过静水压力的70 否则就按70 的静水压力计算 2020 3 1 可编辑 97 2020 3 1 可编辑 98 三 刃脚计算第一种情况 计算刃脚上的土对井壁的摩擦力T 可按T fF 计算 但不大于T 0 5E 式中 F 沉井侧面与土接触的单位宽度上的总面积 m2 f 井壁与土之间的单位面积上摩擦力 kN m2 E 作用在井壁上总的主动上压力 kN m 计算时取其中较小值 目的使反力Rj为最大值 计算刃脚下土的反力Rj 即踏面上土反力V1和斜面上土反力R 假定其作用方向与斜面法线成 角 即摩擦角 按 10 200估用 有时也可取到300 并将R分解成竖直的和水平的两个分力V2和U 均假定为三角形分布 根据实际设计经验可知 在刃脚向外挠曲时 起主要因素作用的是刃脚下土的正面阻力 即V1 V2和U的大小 而土压力E 侧面摩擦力T 和刃脚自重g三者在计算中所占的比重很小 实用上可忽略不计 共结果则梢偏安全 有些国家 如苏联 和某些专业规范 规定按沉井沉到一半时的情况计算刃脚向外挠曲 考虑沉人土中部分井壁的摩阻力的减荷作用 并假定刃脚完全切入土中 或切人士中1 0m 如图8 9所示 此时刃脚下的土反力Rj为 式中 T 作用于单位周长井壁上的摩擦力 kN m 按T fF或按T 0 5E计算 计算时取其中较小值 2020 3 1 可编辑 99 三 刃脚计算第一种情况 确定刃脚内侧竖直钢筋按以上所求得作用在刃脚上的各个外力的大小 方向和作用点后 即可求对刃脚根部m n截面上的轴向力N 剪力Q以及对截面中心O点的力矩M 然后根据M Q N的大小计算刃脚内侧的竖直钢筋 钢筋面积不得小于根部总截面的0 1 0 15 并伸入悬臂根部以上足够的锚固长度 图8 9沉井刃脚切入土中的计算模式 2020 3 1 可编辑 100 三 刃脚计算第二种情况 刃脚向内挠曲 配置外侧竖直钢筋当沉井沉到设计标高 为利于下沉 刃脚下的土常被掏空或部分掏空 井壁传递的自重全部由壁外土摩擦力承担 而此时井壁外侧作用最大的水 土压力 使刃脚产生最大的向内挠曲 如图8 10所示 一般就按此情况确定刃脚外侧竖向钢筋 图8 10刃脚外侧竖向钢筋计算模式 2020 3 1 可编辑 101 三 刃脚计算第二种情况 刃脚自重g和刃脚外侧摩擦力T 对于m n截面的弯矩值所占比重都很小 可忽略不计 这样 刃脚向内挠曲计算中 起决定性作用的是刃脚外侧的水土压力W及E 水压力W可按下列情况计算 1 不排水下沉时 井壁外侧水压力值按100 计算 内侧水压力值一般按50 计算 但也可按施工中可能出现的水头差计算 2 排水下沉时 在不透水的土中 可按静水压力的70 计算 在透水土中 可按静水压力的100 计算 水土压力求出后即可求得根部m n截面处的弯矩M 剪力Q和轴力N 如井壁刃脚附近设有槽口 见图8 10c 则有人主张当h1 25cm时 验算截面定在m n线上 如h1 25cm时 验算截面定在I I截面 2020 3 1 可编辑 102 四 施工阶段井壁计算施工阶段井壁计算 须按沉井在施工过程中的传力体系合理确定其计算图式 随后配置水平和竖直方向的两种钢筋 由于沉井型状各异 施工的具体技术措施亦不尽相同 因此应按其具体情况作出分析与判断 1 沉井在竖直平面内的受弯计算 沉井抽承垫木计算重型沉井在制作第一节时 多用承垫木支承 当第一节沉井制成后 一般最大高度为10m左右 开始抽拔垫木准备下沉时 刃脚踏面下逐渐脱空 井壁在自重作用下会产生较大的应力 因此需要根据不同的支承情况 对井壁作抗裂和强度验算 沉井施工中实际的支承位置是复杂的 一般仅按以下两种最不利的支承情况进行验算 2020 3 1 可编辑 103 四 施工阶段井壁计算1 沉井在竖直平面内的受弯计算 沉井抽承垫木计算 1 沉井支承在两点 定位垫木 上时最后抽取的垫木 称为 定位垫木 此时 沉井全部重量均认为支承在定位垫木之上 已回填到路面以下砂子的支承作用 略去不计 定位垫木的间距l2按井壁内正负弯矩相等或接近相等的条件来确定 当沉井平面的边长比不小于1 5时 一般可取l2 0 7L L为沉井全长 沉井抽承垫木的计算图式如右图所示 应当注意 这种按简支梁来计算时十分近似的 因为井壁的高度与长度相比时较高的 按材料力学的理论计算是不能完全反映实际的 2020 3 1 可编辑 104 四 施工阶段井壁计算1 沉井在竖直平面内的受弯计算 沉井抽承垫木计算 2 沉井支承在三支点上时抽承垫木的顺序多数是 先抽四角 再抽跨中 并不断扩大抽拆范围 最后抽除定位垫木 由于早先回塞的砂子在后来的垫木抽完以后被一再压实 逐渐变成了支承点 因而形成了三支点的两跨连续梁 按此图式 如下图所示 计算可得中间点处的最大负弯矩 并配置水平钢筋 2020 3 1 可编辑 105 四 施工阶段井壁计算1 沉井在竖直平面内的受弯计算 沉井抽承垫木计算 2 沉井支承在三支点上时对于圆形沉井一般按支承于相互垂直的直径方向的四个支点 如下图所示 验算 在不排水下沉时 考虑到可能遇到障碍物 可按支承于直径上的两个支承点验算 个别大型圆沉井 从施工上采取措施增加支承点 如下图b所示 留下8根定位垫木 最后再一次抽掉 使内力得以减少 在计算沉井内力时 将圆形沉井井壁看做是连续水平的圆环梁 在均布荷载q 沉井自重 作用下 见下图a 可按表8 4查得其剪力 弯矩和扭矩 2020 3 1 可编辑 106 四 施工阶段井壁计算1 沉井在竖直平面内的受弯计算 沉井抽承垫木计算 2 沉井支承在三支点上时应该指出的是 如在施工时能保证每抽去一根垫木后 在刃脚下仔细回填密实 则一部分沉井重量将直接从刃脚传递到砂垫层上 这样实际的弯矩值要比按以上各种习惯假定计算所得的值小 对于一般的中 小沉井和隧道连续沉井 根据近年来的工程实践 已不再铺设承垫木 将刃脚踏面直接搁放在砂垫层混凝土垫板上制作沉井 但是第一节沉井开始下沉时的竖向受弯强度仍应按上法检验 2020 3 1 可编辑 107 四 施工阶段井壁计算2 井壁垂直受拉计算 井壁竖直钢筋验算沉井偏斜之后 必须及时纠偏 此时产生了纵向弯曲并使井壁受到垂直方向拉力 由于影响因素复杂 难以进行明确的分析与计算 因此在设计时一般假定沉井下沉将达设计标高时 上部井壁被土夹住 而刃脚下的土已全部掏空 形成 吊空 现象 并按此 吊空 现象来验算井壁的抗裂性或受拉强度 由于上部井壁被土层夹住的部位和状况不明确 具体计算时可直接参考 上海地基规范 和交通部部颁的 公路桥涵设计规范 等规范 它们规定井壁断面上最大拉力为25 的井重 即1 4井重 拉断位置在沉井的1 2高度处 而日本规定为50 井重 苏联采用的规范规定为65 井重 对变截面的井壁 每段井壁都应进行拉力计算 对采用泥浆润滑套下沉的沉井 虽然沉井在泥浆套内不会出现箍住 吊空 现象 但纠偏时的纵向弯矩 也仍会产生 只在程度上大为减小 此时仍应设置纵筋 一般可按全断面之0 25 配置 2020 3 1 可编辑 108 四 施工阶段井壁计算3 在水土压力作用下的井壁计算 井壁水平钢筋计算作用在井壁上的水 土压力q E w 沿沉井的深度是变化的 因此井壁计算也应沿井的高度方向分段计算 当沉井沉至设计标高 刃脚下的土已掏空 此时井壁承受最大的水 土压力 水 土压力的计算和上述计算刃脚时的相同 通常有水 土分算和水土合算两种 一般秒性土采用水 土分算 粘性土采用水土合算 并采用三角形直线分布 在日本土压力按静止土压力计算 并假定在深度15m以上按三角形直线分布 15m以下土压作为常量 不随深度增加 但考虑施工阶段材料的应力可以提高 水 土压力求得后 即可分段进行井壁计算 但鉴于各种沉井结构的布置形式不同 在施工过程中的传力体系也各不相同 因此 计算井壁内力时 应针对沉井的具体情况合理地确定其计算图式 一般地要精确计算井壁的内力是困难而复杂的 只能采取一些近似的计算方法 2020 3 1 可编辑 109 四 施工阶段井壁计算3 在水土压力作用下的井壁计算 井壁水平钢筋计算 1 对于在施工阶段井内设有几道按横隔墙的沉井结构 其井壁的受力情况可按水平框架分析 计算时 首先计算位于刃脚斜面以上 高度等于井壁厚度的一段受力最大的井 见下图所示 由于这一段井壁框架是刃脚悬臂梁的固定端 除承受框架本身高度范围内的水 土压力外 尚需承受由刃脚部分传来的水 土压力 这样 作用在此段井壁上的均布荷载 可取q E W Qi 根据q值求算水平框架中的最大M N和Q值 并进行截面配筋 其余各段井壁计算 可按各段所受的水平荷载q Ei Wi分别计算 计算时一般以最下端的水 土压力值作为该段的均布荷载进行计算及配筋 为节约起见 分段高度 不宜取得太大 井壁断面变化处亦应作为分段的划分点 2020 3 1 可编辑 110 四 施工阶段井壁计算3 在水土压力作用下的井壁计算 井壁水平钢筋计算横隔墙的受力分析时 其节点可作铰接或固端计算 主要视隔墙和井壁的相对抗弯刚度 即两者d l相对比值大小而定 d 壁厚 I 跨度 当隔墙抗弯刚度比较井壁的小得多时 可将按隔墙作为两端铰支于侧向井壁上的撑杆考虑 如下图所示 当隔墙刚度与井壁相差不多时 可按隔墙与井壁联成固结的空腹框架来分析 2020 3 1 可编辑 111 四 施工阶段井壁计算3 在水土压力作用下的井壁计算 井壁水平钢筋计算 2 对于不能设横隔墙的地下建筑沉井 如图8 16所示的沉井和隧道连续沉井 见图8 5所示 或因建筑布置上不允许设置立柱时 侧向井壁在施工下沉过程中仅靠上下纵横梁来支持 因此只能用近似方法 根据沉井结构的形式及长 宽 高的相对尺寸大小 将井壁简化为 框架 平板 的形式计算 而不能一律按水平框架计算 从图8 16可以看出 该沉井使用时可分为上 下两层 为了在施工阶段增加井壁的刚度 设置了上 中 下三层纵横梁 这些梁与圈梁形成三个水平框架以支撑井壁 在使用阶段 这些梁作为支承顶 底板和中间楼板的大梁 在施工阶段 该井壁内力计算可按下列三种情况进行 2020 3 1 可编辑 112 四 施工阶段井壁计算3 在水土压力作用下的井壁计算 井壁水平钢筋计算A 当层高h大于沉井的最长边l1的1 5倍 即h l1 1 5时 可不考虑纵横梁的影响 在水平方向取单位高度1 0m的一段井壁 按封闭矩形框架计算 如图8 16d所示 并沿井高度方向取若干个截面分别计算其内力和配筋 B 当沉井最短边l2大于层高h的1 5倍时 即l2 h 1 5时 可沿井壁竖向取单位宽度1 0m的截条 按竖向连续梁计算 如图8 16c所示 连续梁的支承反力由纵横梁和圈梁所构成的水平框架承担 如图8 16b C 当h l1或I2 h 1 5时 可将每一侧面的井壁分为上 下两块双向板来计算 如图8 16a中的abcd即为其中一块 它承受均布荷载和三角形分布荷载 其支承条件为ab边简支 另外三边为固定 板内弯矩可从有关手册中查得 2020 3 1 可编辑 113 四 施工阶段井壁计算3 在水土压力作用下的井壁计算 井壁水平钢筋计算 从图8 5可见 隧道用的连续沉井是由两块侧壁用上 下两排横梁连接而成 前后两端是没有井壁的 需要在施工阶段临时设置钢封门 以承受两端的水 土压力 一直到相邻沉井下沉完毕再行拆除 故连续沉井井壁的计算实际上包括二侧井壁和横梁计算 钢封门计算三部分 为了计算简化 以往曾将连续沉井的井壁看作为简支在由横梁构成的上 下水平框架上的简支板 而将上 下横梁作为上 下水平框架里的腹杆 但从这种结构体系的传力实际情况看 上 下横梁对井壁只是几个集中支承 并不能起到上述的框架作用 因此 这种假定是不符合实际传力情况的 从上 下横梁对井壁的点支承受力情况看 如将井壁板视作为一种无梁的 板一柱体系 来看待可能较为合理 可以将井壁想象为旋转过900后的一块单跨 无梁楼盖体系 如图8 17所示 并按此体系来进行井壁内力计算 2020 3 1 可编辑 114 四 施工阶段井壁计算3 在水土压力作用下的井壁计算 井壁水平钢筋计算仅管如此 按照 无梁楼盖体系 的计算仍是较为麻烦的 为了计算简便起见 可采用仿照 无梁楼盖 的一种近似方法进行计算 首先取出一面侧壁当作连续梁来计算 见图8 17c 将横梁作为连续梁的支座 侧壁上的全部水 土压力为连续梁上的荷载 计算出它的跨中弯矩及支座弯矩 将则壁沿水平方向分成上 中 下三条板带 见图8 17b 把以上算出的跨中弯矩和支座弯矩 按以下比例分配给三条板带 跨中弯矩的分配 上板带占25 中间板带占45 下板带占30 支座弯矩的分配 上板带占35 中间板带占25 下板带占40 根据以上分配给三条板带的弯矩 配设侧壁水平方向的钢筋 沿侧壁竖向取出1 0m宽的截条 如图8 17d所示 在水 土压力作用下 按简支梁计算 并配设侧壁的竖向钢筋 2020 3 1 可编辑 115