地下工程设计原理沉井基础专家讲座

地下工程设计原理第08章沉井基础主讲教师：胡敏云地下工程设计原理沉井基础第1页主要内容什么是沉井沉井施工工艺沉井结构沉井结构设计计算地下工程设计原理沉井基础第2页一、什么是沉井

(SunkShaftFoundation，SunkwellFoundation)沉井基础是以沉井法施工地下结构物和深基础一个型式。特点：将位于地下一定深度建筑物或建筑物基础，先在地表制作成一个井筒状结构物(沉井)，然后在井壁围护下经过从井内不停挖土，使沉井在自重作用下逐步下沉，到达预定设计标高后，再进行封底，构筑内部结构。

适合用于：建筑物和构筑物深基础、地下室、蓄水池、设备深基础、桥墩等工程。地下工程设计原理沉井基础第3页沉井分类沉井平面尺寸及其形状与高度，应依据墩台底面尺寸、地基承载力及施工要求确定。力争结构简单对称，受力合理，施工方便。分类依据类型名称说明制作材料混凝土、钢筋混凝土、钢、砖、石应用最多则为钢筋混凝土沉井横断面形状圆形、方形、矩形、椭圆形、多边形及多孔井字形圆形、矩形应用最多竖向剖面形状圆柱形、阶梯形及锥形普通为圆柱形减阻方法泥浆沉井、气囊沉井、卵石沉井、振动沉井、多级沉井最惯用是泥浆沉井，经济适用、简单方便与地下水土压力平衡方法普通沉井、淹水沉井、沉箱沉井、冻结沉井普通沉井、淹水沉井较为惯用井内是否有水不淹水沉井、淹水沉井地下工程设计原理沉井基础第4页（a）圆形单孔（b）方形单孔（c）矩形单孔（d）矩形双孔（e）椭圆形双孔（f）矩形多孔沉井平面图地下工程设计原理沉井基础第5页沉井剖面图（a）圆柱形（b）外壁单阶形（c）内壁多阶形（d）外壁多阶形地下工程设计原理沉井基础第6页沉井设计标准结构简单对称，受力合理，施工方便。沉井棱角处宜做成圆角或钝角。沉井长短边之比越小越好，以确保下沉时稳定性。普通沉井应分节制作，每节高度不宜大于5m。沉井底节高度应满足拆除支承时沉井纵向抗弯要求之外，在松软土层中下沉沉井，底节高度不宜大于0.8b。地下工程设计原理沉井基础第7页主要内容什么是沉井沉井施工工艺沉井结构沉井结构设计计算地下工程设计原理沉井基础第8页沉井施工工艺地下工程设计原理沉井基础第9页不淹水沉井

不淹水沉井，是指在沉井施工时，井筒内不充水，与普通法一样挖土和出土，只是井壁结构和减阻方法不一样，如普通沉井、多级沉井、振动沉井、壁后河卵石沉井、壁后触变泥浆沉井、冻结沉井等。大多采取人工挖掘，吊桶提升，自重（或加载）下沉。除普通沉井与多级沉井外，其它形式沉井壁后均置放减阻介质。不淹水沉井工艺较简单，易于操作，需用设备少，工期较短，成本低。通常井筒涌水量在30m3/h左右、无承压水，流砂层厚度小于1.0m又无细粉砂层，而且下沉较浅沉井，能够因地制宜地采取不淹水沉井法施工。

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（a）多级沉井（b）振动沉井（c）卵石沉井不淹水沉井部分类型地下工程设计原理沉井基础第11页淹水沉井

淹水沉井比较通用是壁后泥浆和壁后压气沉井。壁后压气沉井也叫气囊沉井，效果良好，但工艺技术复杂，压气消耗量很大，成本较高，故基本不用。壁后充填泥浆法简单、方便，最为惯用。壁后充填泥浆法基本原理：在沉井井筒内灌满水，保持井内外水压平衡，预防从刃脚处涌砂冒泥及地表塌陷；以预先做好套井为支撑圈来预防和纠正沉井过程中偏斜；在井筒外壁环形空间内灌注触变泥浆，以隔离井壁与土层，降低沉井侧面阻力；靠井壁自重，使刃脚插入土中，经水下破土、排矸克服正面阻力使井壁下沉；边下沉，边纠偏，边在井口接长井壁，直至井筒全部穿过冲积层，使沉井刃脚坐落于基岩上；在封底、固井之后，转入基岩段普通方法施工。

地下工程设计原理沉井基础第12页抓斗掘进。靠抓斗自重向下冲击力来破坏土层结构，靠抓斗提升闭合抓取泥土并将土提出井外。抓斗既是掘进设备又是出土设备。抓斗掘进工艺简单，耗电小，在30m左右浅井中可作为主要掘提设备。钻机掘进。惯用钻机有冲击钻和旋转钻。冲击钻是靠钻头自重往复冲击破坏岩土而完成掘进工作。钻头大小可为局部冲击或全断面冲击，冲击后用水枪冲刷工作面，与压气结合排矸。旋转钻机是靠钻头上刀齿作圆周运动将土层挤切成泥沙或碎块，用压气排液器将其排出井外。旋转钻机连续破土，效率高，适合用于各种地层，是淹水沉井中使用很好、较广破土机具。水枪破土。水枪掘进是当前我国沉井掘进主要方式。它是利用高压水射流冲刷切割工作面土层，将其搅动成泥浆后，由压气排液器排出地面而完成掘进工作。这种掘进方式设备少，工艺简单、易于制作、操作和维护方便。水枪掘进系统包含高压水泵、供水管路、和水枪三部分。水枪喷嘴、直管、弯管和稳流器组成。

淹水沉井掘进出矸方法地下工程设计原理沉井基础第13页泥浆淹水沉井示意图

旋转式钻机掘进地下工程设计原理沉井基础第14页沉井法是适合用于不稳定含水地层中建造竖井一个特殊施工方法。其实质是：在设计井筒位置上，地面预制好底部带有刃脚一段井筒，并在其掩护下，然后在井内不停挖土，借助筒体自重而逐步下沉，伴随井筒下沉，在地面对应接长井壁，下沉到预定设计标高后，进行封底。沉井法含有工艺简单，需用设备少，易于操作，成本较低和劳动条件好等优点，因而在地下工业厂房、大型设备基础、地下仓(油)库、人防掩蔽所、盾构拼装井、船坞坞首、桥梁墩台基础、取水构筑物、污水泵站、矿用竖井、地下车道与车站、地下建(构)筑物围壁、大型深埋基础等等广泛应用。讨论思索：沉井施工中要处理关键问题有哪些?地下工程设计原理沉井基础第15页（1）防偏办法：设置导向装置：在套井与沉井之间环形空间内要安设沉井导向装置。

均匀掘进：依据不一样表土性质和工作面高低情况，采取不一样掘进深度与次序。预防突沉：

（2）纠偏办法：是借助于作用在沉井井筒偏低一侧外力来扶正井筒工作。“动中纠偏”

顶柱法：用木材或钢管柱子以一定角度顶住沉井偏低一侧，在下沉过程中给井筒施加一水平推力。液压千斤顶法：利用液压千斤顶推进活塞顶住沉井偏低一侧进行纠偏。偏挖掘法：利用改装后特殊掘进设备挖除保留在沉井底部高侧偏土台，有利于纠正沉井偏斜。

不一样方位喷气：利用预留在井壁内环形管，在下沉慢一侧喷气，另一侧不喷气，造成沉井井筒高低两侧阻力不对称，有利于沉井偏斜纠正。井壁防偏与纠偏地下工程设计原理沉井基础第16页木导向装置滚轮导向装置地下工程设计原理沉井基础第17页木顶柱钢管顶柱地下工程设计原理沉井基础第18页主要内容什么是沉井沉井施工工艺沉井结构沉井结构设计计算地下工程设计原理沉井基础第19页沉井结构在沉井施工之前，为了定位、组装沉井刃脚与一段井壁，预先要在沉井位置四面，做好一个有一定深度、直径略大于沉井井筒，通常称之为套井。套井作用在于预防沉井在下沉过程中井壁外围土层坍塌，为井架与井口建筑物保持一个完整地基基础，利用套井作为安设沉井导向设施、纠正偏斜或者加压下淹没施基础。套井与沉井间环形空间，能够作为触变泥浆储浆槽，或者壁后压气出气口。为此，要求套井要有一定深度和强度以及较大稳定性。套井较浅，其结构强度普通较沉井井壁小，所以，在安装导向装置与纠偏机具套井部位，应适当加强，普通均布置双层钢筋或适当加大壁厚，方便为井壁下沉创造一个可靠防偏与纠偏基础。

沉井结构包含套井、刃角、井壁结构。套井：地下工程设计原理沉井基础第20页沉井主要由刃角、井壁、内隔墙、取土井、凹槽、封底、顶板等部分组成。沉井结构地下工程设计原理沉井基础第21页刃角位于沉井井筒最下端，可为沉井井筒定向。刃角用尖锐刀尖切入土层，破坏原状土结构，有利于克服沉井正面阻力。普通情况下，刃角外壁直径略大于井筒直径，下沉后在井筒外形成一个环形空间，便于放置降低侧面摩阻力介质，以到达加大沉井下沉深度目标。沉井刃脚结构含有足够强度，准确尺寸和光滑表面，以确保沉井在整个下沉过程中不致遭到破坏或者阻力增加。刃角：地下工程设计原理沉井基础第22页刃角形状：

（a）刃脚基本形状（b）锐角式（c）踏面式（d）钝角式图中δ为台阶宽度，普通为200～300mm，β为刃脚角度，普通为25～35°，H为刃脚高度，普通为3.0m左右，过高则阻力增大，过低则易流失泥浆，而且也不够稳定。刃脚尖形式惯用有锐尖、踏面和钝尖三种。锐尖其夹角普通小于25°，刃尖尖锐易切入土层，下沉阻力较小，但其强度有限，不适合用于砾卵石等地层，通常采取较少；踏面刀脚稳定性好，不过下沉时阻力较大，适合用于涣散且无坚硬障碍物冲积层；钝尖刀脚结构较合理，强度较大，适合用于各种冲积地层，其夹角通常为30°。地下工程设计原理沉井基础第23页刃角结构：

国内沉井惯用刃脚主要有钢结构刃脚和钢靴刃脚。钢靴刃脚是在刃脚钢筋骨架下部，焊接上由钢板与钢轨组装而成钢靴刃尖，然后浇灌混凝土而成。这种刃脚有一定强度，可节约钢材。缺点是浇灌混凝土时立模较困难，且轻易变位，影响刃脚规格质量。钢结构刃脚骨架用两排角钢或者轻型钢轨焊接组成，骨架内外均用10～12mm厚钢板围包焊牢，浇灌混凝土后即成。钢结构刃脚强度大，整体性能好，组装安放不易变形，便于浇灌混凝土不需要安设模板，施工规格与质量能够得到确保，缺点是花费钢材较多。地下工程设计原理沉井基础第24页钢结构刃脚

圆钢尖钢靴刃脚

钢轨尖钢靴刃脚

地下工程设计原理沉井基础第25页地下工程设计原理沉井基础第26页沉井井壁是设计井筒永久井壁，其结构型式应该依据详细工程需要来确定。沉井井壁按材料普通有现浇钢筋混凝土井壁、预制钢筋混凝土井壁、大型砌块、钢和铸铁井壁等结构。后两种井壁规格质量好，强度大，便于施工，但消耗钢材多，价格昂贵。我国当前多使用整表达浇钢筋混凝土井壁，井壁内布置双层钢筋。沉井井壁与普通井壁不一样，其受力情况较复杂。沉井井壁厚度应该依据下沉能力和强度核实综合来定。

井壁：地下工程设计原理沉井基础第27页

钢筋混凝土沉井井壁图1-钢靴；2-刃脚；3-竖向钢筋；4-环向钢筋；5-径向联络筋；6-触变泥浆竖向输浆管；7、9-第2、1层出浆管；8、10-第2、1层环向配液管；11-刃脚台阶；12-预埋吊挂钢筋地下工程设计原理沉井基础第28页

沉井井筒下沉至设计深度后，虽停顿了掘进和下沉工作，但就整个沉井施工来说并未结束，还需要进行封底与固井工作。（1）水下浇注封底止水垫：目标是为了预防在排除井内淹水时发生涌砂冒泥事故，同时也为工作面预注浆、继续下掘井筒创造有利条件。

抛石注浆法：垂直导管法：（2）联结套井与沉井上部井壁：（3）井筒壁后注浆：为了加强土层和井壁固结，隔离含水层水力联络，需要充填井壁与井帮之间间隙。

（4）砌筑沉井刃角基座：就是按照井筒直径补平、加固刃角，使沉井与下部井壁联结成为整体井筒结构，以增强井筒稳固性。刃脚基座有单锥和双锥两种形式。封底与固井地下工程设计原理沉井基础第29页抛石注浆法垂直导管法地下工程设计原理沉井基础第30页主要内容什么是沉井沉井施工工艺沉井结构沉井结构设计计算（沉井在施工过程中相关计算）下沉系数计算沉井底节验算沉井井壁计算沉井刃角计算沉井封底计算沉井抗浮稳定验算沉井下沉对周围环境影响地下工程设计原理沉井基础第31页下沉系数计算井壁侧摩阻力分布地下工程设计原理沉井基础第32页沉井底节验算按施工中情况确定受力计算简图，采取钢筋混凝土结构设计方法验算截面和配筋。地下工程设计原理沉井基础第33页沉井井壁计算竖直方向水平方向地下工程设计原理沉井基础第34页沉井刃角计算竖向挠曲（悬臂构件）水平向挠曲（水平框架）地下工程设计原理沉井基础第35页沉井封底计算干封底水下封底地下工程设计原理沉井基础第36页沉井下沉对周围环境影响增大沉井下沉系数，在软土中下沉沉井时，可使沉井刃脚插入土中0.5~3.0m，以阻止土体从井外向井内涌人。在粉细砂土层中下沉沉井时，应事先在周围采取压浆固结。如邻近没有一、二级建筑物时，可先采取喷射井点或深井降水使粉细砂土固结后，再下沉沉井．防止产生因管涌和流砂造成地面下沉。在井外流砂层未固结情况下，应防止采取从井内明排水施工。如沉井外流砂层固结困难时，也可采取不排水下沉沉井。必要时，还可提升井内水头，使井外流砂无法涌入井内。不排水下沉沉井最好由潜水员配合，使其开挖、下沉均