地下工程設(shè)計(jì)原理沉井基礎(chǔ)專家講座

地下工程設(shè)計(jì)原理第08章沉井基礎(chǔ)主講教師：胡敏云地下工程設(shè)計(jì)原理沉井基礎(chǔ)第1頁主要內(nèi)容什么是沉井沉井施工工藝沉井結(jié)構(gòu)沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算地下工程設(shè)計(jì)原理沉井基礎(chǔ)第2頁一、什么是沉井

(SunkShaftFoundation，SunkwellFoundation)沉井基礎(chǔ)是以沉井法施工地下結(jié)構(gòu)物和深基礎(chǔ)一個型式。特點(diǎn)：將位于地下一定深度建筑物或建筑物基礎(chǔ)，先在地表制作成一個井筒狀結(jié)構(gòu)物(沉井)，然后在井壁圍護(hù)下經(jīng)過從井內(nèi)不停挖土，使沉井在自重作用下逐步下沉，到達(dá)預(yù)定設(shè)計(jì)標(biāo)高后，再進(jìn)行封底，構(gòu)筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

適合用于：建筑物和構(gòu)筑物深基礎(chǔ)、地下室、蓄水池、設(shè)備深基礎(chǔ)、橋墩等工程。地下工程設(shè)計(jì)原理沉井基礎(chǔ)第3頁沉井分類沉井平面尺寸及其形狀與高度，應(yīng)依據(jù)墩臺底面尺寸、地基承載力及施工要求確定。力爭結(jié)構(gòu)簡單對稱，受力合理，施工方便。分類依據(jù)類型名稱說明制作材料混凝土、鋼筋混凝土、鋼、磚、石應(yīng)用最多則為鋼筋混凝土沉井橫斷面形狀圓形、方形、矩形、橢圓形、多邊形及多孔井字形圓形、矩形應(yīng)用最多豎向剖面形狀圓柱形、階梯形及錐形普通為圓柱形減阻方法泥漿沉井、氣囊沉井、卵石沉井、振動沉井、多級沉井最慣用是泥漿沉井，經(jīng)濟(jì)適用、簡單方便與地下水土壓力平衡方法普通沉井、淹水沉井、沉箱沉井、凍結(jié)沉井普通沉井、淹水沉井較為慣用井內(nèi)是否有水不淹水沉井、淹水沉井地下工程設(shè)計(jì)原理沉井基礎(chǔ)第4頁（a）圓形單孔（b）方形單孔（c）矩形單孔（d）矩形雙孔（e）橢圓形雙孔（f）矩形多孔沉井平面圖地下工程設(shè)計(jì)原理沉井基礎(chǔ)第5頁沉井剖面圖（a）圓柱形（b）外壁單階形（c）內(nèi)壁多階形（d）外壁多階形地下工程設(shè)計(jì)原理沉井基礎(chǔ)第6頁沉井設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)簡單對稱，受力合理，施工方便。沉井棱角處宜做成圓角或鈍角。沉井長短邊之比越小越好，以確保下沉?xí)r穩(wěn)定性。普通沉井應(yīng)分節(jié)制作，每節(jié)高度不宜大于5m。沉井底節(jié)高度應(yīng)滿足拆除支承時沉井縱向抗彎要求之外，在松軟土層中下沉沉井，底節(jié)高度不宜大于0.8b。地下工程設(shè)計(jì)原理沉井基礎(chǔ)第7頁主要內(nèi)容什么是沉井沉井施工工藝沉井結(jié)構(gòu)沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算地下工程設(shè)計(jì)原理沉井基礎(chǔ)第8頁沉井施工工藝地下工程設(shè)計(jì)原理沉井基礎(chǔ)第9頁不淹水沉井

不淹水沉井，是指在沉井施工時，井筒內(nèi)不充水，與普通法一樣挖土和出土，只是井壁結(jié)構(gòu)和減阻方法不一樣，如普通沉井、多級沉井、振動沉井、壁后河卵石沉井、壁后觸變泥漿沉井、凍結(jié)沉井等。大多采取人工挖掘，吊桶提升，自重（或加載）下沉。除普通沉井與多級沉井外，其它形式沉井壁后均置放減阻介質(zhì)。不淹水沉井工藝較簡單，易于操作，需用設(shè)備少，工期較短，成本低。通常井筒涌水量在30m3/h左右、無承壓水，流砂層厚度小于1.0m又無細(xì)粉砂層，而且下沉較淺沉井，能夠因地制宜地采取不淹水沉井法施工。

地下工程設(shè)計(jì)原理沉井基礎(chǔ)第10頁

（a）多級沉井（b）振動沉井（c）卵石沉井不淹水沉井部分類型地下工程設(shè)計(jì)原理沉井基礎(chǔ)第11頁淹水沉井

淹水沉井比較通用是壁后泥漿和壁后壓氣沉井。壁后壓氣沉井也叫氣囊沉井，效果良好，但工藝技術(shù)復(fù)雜，壓氣消耗量很大，成本較高，故基本不用。壁后充填泥漿法簡單、方便，最為慣用。壁后充填泥漿法基本原理：在沉井井筒內(nèi)灌滿水，保持井內(nèi)外水壓平衡，預(yù)防從刃腳處涌砂冒泥及地表塌陷；以預(yù)先做好套井為支撐圈來預(yù)防和糾正沉井過程中偏斜；在井筒外壁環(huán)形空間內(nèi)灌注觸變泥漿，以隔離井壁與土層，降低沉井側(cè)面阻力；靠井壁自重，使刃腳插入土中，經(jīng)水下破土、排矸克服正面阻力使井壁下沉；邊下沉，邊糾偏，邊在井口接長井壁，直至井筒全部穿過沖積層，使沉井刃腳坐落于基巖上；在封底、固井之后，轉(zhuǎn)入基巖段普通方法施工。

地下工程設(shè)計(jì)原理沉井基礎(chǔ)第12頁抓斗掘進(jìn)?？孔ザ纷灾叵蛳聸_擊力來破壞土層結(jié)構(gòu)，靠抓斗提升閉合抓取泥土并將土提出井外。抓斗既是掘進(jìn)設(shè)備又是出土設(shè)備。抓斗掘進(jìn)工藝簡單，耗電小，在30m左右淺井中可作為主要掘提設(shè)備。鉆機(jī)掘進(jìn)。慣用鉆機(jī)有沖擊鉆和旋轉(zhuǎn)鉆。沖擊鉆是靠鉆頭自重往復(fù)沖擊破壞巖土而完成掘進(jìn)工作。鉆頭大小可為局部沖擊或全斷面沖擊，沖擊后用水槍沖刷工作面，與壓氣結(jié)合排矸。旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)是靠鉆頭上刀齒作圓周運(yùn)動將土層擠切成泥沙或碎塊，用壓氣排液器將其排出井外。旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)連續(xù)破土，效率高，適合用于各種地層，是淹水沉井中使用很好、較廣破土機(jī)具。水槍破土。水槍掘進(jìn)是當(dāng)前我國沉井掘進(jìn)主要方式。它是利用高壓水射流沖刷切割工作面土層，將其攪動成泥漿后，由壓氣排液器排出地面而完成掘進(jìn)工作。這種掘進(jìn)方式設(shè)備少，工藝簡單、易于制作、操作和維護(hù)方便。水槍掘進(jìn)系統(tǒng)包含高壓水泵、供水管路、和水槍三部分。水槍噴嘴、直管、彎管和穩(wěn)流器組成。

淹水沉井掘進(jìn)出矸方法地下工程設(shè)計(jì)原理沉井基礎(chǔ)第13頁泥漿淹水沉井示意圖

旋轉(zhuǎn)式鉆機(jī)掘進(jìn)地下工程設(shè)計(jì)原理沉井基礎(chǔ)第14頁沉井法是適合用于不穩(wěn)定含水地層中建造豎井一個特殊施工方法。其實(shí)質(zhì)是：在設(shè)計(jì)井筒位置上，地面預(yù)制好底部帶有刃腳一段井筒，并在其掩護(hù)下，然后在井內(nèi)不停挖土，借助筒體自重而逐步下沉，伴隨井筒下沉，在地面對應(yīng)接長井壁，下沉到預(yù)定設(shè)計(jì)標(biāo)高后，進(jìn)行封底。沉井法含有工藝簡單，需用設(shè)備少，易于操作，成本較低和勞動條件好等優(yōu)點(diǎn)，因而在地下工業(yè)廠房、大型設(shè)備基礎(chǔ)、地下倉(油)庫、人防掩蔽所、盾構(gòu)拼裝井、船塢塢首、橋梁墩臺基礎(chǔ)、取水構(gòu)筑物、污水泵站、礦用豎井、地下車道與車站、地下建(構(gòu))筑物圍壁、大型深埋基礎(chǔ)等等廣泛應(yīng)用。討論思索：沉井施工中要處理關(guān)鍵問題有哪些?地下工程設(shè)計(jì)原理沉井基礎(chǔ)第15頁（1）防偏辦法：設(shè)置導(dǎo)向裝置：在套井與沉井之間環(huán)形空間內(nèi)要安設(shè)沉井導(dǎo)向裝置。

均勻掘進(jìn)：依據(jù)不一樣表土性質(zhì)和工作面高低情況，采取不一樣掘進(jìn)深度與次序。預(yù)防突沉：

（2）糾偏辦法：是借助于作用在沉井井筒偏低一側(cè)外力來扶正井筒工作?！皠又屑m偏”

頂柱法：用木材或鋼管柱子以一定角度頂住沉井偏低一側(cè)，在下沉過程中給井筒施加一水平推力。液壓千斤頂法：利用液壓千斤頂推進(jìn)活塞頂住沉井偏低一側(cè)進(jìn)行糾偏。偏挖掘法：利用改裝后特殊掘進(jìn)設(shè)備挖除保留在沉井底部高側(cè)偏土臺，有利于糾正沉井偏斜。

不一樣方位噴氣：利用預(yù)留在井壁內(nèi)環(huán)形管，在下沉慢一側(cè)噴氣，另一側(cè)不噴氣，造成沉井井筒高低兩側(cè)阻力不對稱，有利于沉井偏斜糾正。井壁防偏與糾偏地下工程設(shè)計(jì)原理沉井基礎(chǔ)第16頁木導(dǎo)向裝置滾輪導(dǎo)向裝置地下工程設(shè)計(jì)原理沉井基礎(chǔ)第17頁木頂柱鋼管頂柱地下工程設(shè)計(jì)原理沉井基礎(chǔ)第18頁主要內(nèi)容什么是沉井沉井施工工藝沉井結(jié)構(gòu)沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算地下工程設(shè)計(jì)原理沉井基礎(chǔ)第19頁沉井結(jié)構(gòu)在沉井施工之前，為了定位、組裝沉井刃腳與一段井壁，預(yù)先要在沉井位置四面，做好一個有一定深度、直徑略大于沉井井筒，通常稱之為套井。套井作用在于預(yù)防沉井在下沉過程中井壁外圍土層坍塌，為井架與井口建筑物保持一個完整地基基礎(chǔ)，利用套井作為安設(shè)沉井導(dǎo)向設(shè)施、糾正偏斜或者加壓下淹沒施基礎(chǔ)。套井與沉井間環(huán)形空間，能夠作為觸變泥漿儲漿槽，或者壁后壓氣出氣口。為此，要求套井要有一定深度和強(qiáng)度以及較大穩(wěn)定性。套井較淺，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度普通較沉井井壁小，所以，在安裝導(dǎo)向裝置與糾偏機(jī)具套井部位，應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)，普通均布置雙層鋼筋或適當(dāng)加大壁厚，方便為井壁下沉創(chuàng)造一個可靠防偏與糾偏基礎(chǔ)。

沉井結(jié)構(gòu)包含套井、刃角、井壁結(jié)構(gòu)。套井：地下工程設(shè)計(jì)原理沉井基礎(chǔ)第20頁沉井主要由刃角、井壁、內(nèi)隔墻、取土井、凹槽、封底、頂板等部分組成。沉井結(jié)構(gòu)地下工程設(shè)計(jì)原理沉井基礎(chǔ)第21頁刃角位于沉井井筒最下端，可為沉井井筒定向。刃角用尖銳刀尖切入土層，破壞原狀土結(jié)構(gòu)，有利于克服沉井正面阻力。普通情況下，刃角外壁直徑略大于井筒直徑，下沉后在井筒外形成一個環(huán)形空間，便于放置降低側(cè)面摩阻力介質(zhì)，以到達(dá)加大沉井下沉深度目標(biāo)。沉井刃腳結(jié)構(gòu)含有足夠強(qiáng)度，準(zhǔn)確尺寸和光滑表面，以確保沉井在整個下沉過程中不致遭到破壞或者阻力增加。刃角：地下工程設(shè)計(jì)原理沉井基礎(chǔ)第22頁刃角形狀：

（a）刃腳基本形狀（b）銳角式（c）踏面式（d）鈍角式圖中δ為臺階寬度，普通為200～300mm，β為刃腳角度，普通為25～35°，H為刃腳高度，普通為3.0m左右，過高則阻力增大，過低則易流失泥漿，而且也不夠穩(wěn)定。刃腳尖形式慣用有銳尖、踏面和鈍尖三種。銳尖其夾角普通小于25°，刃尖尖銳易切入土層，下沉阻力較小，但其強(qiáng)度有限，不適合用于礫卵石等地層，通常采取較少；踏面刀腳穩(wěn)定性好，不過下沉?xí)r阻力較大，適合用于渙散且無堅(jiān)硬障礙物沖積層；鈍尖刀腳結(jié)構(gòu)較合理，強(qiáng)度較大，適合用于各種沖積地層，其夾角通常為30°。地下工程設(shè)計(jì)原理沉井基礎(chǔ)第23頁刃角結(jié)構(gòu)：

國內(nèi)沉井慣用刃腳主要有鋼結(jié)構(gòu)刃腳和鋼靴刃腳。鋼靴刃腳是在刃腳鋼筋骨架下部，焊接上由鋼板與鋼軌組裝而成鋼靴刃尖，然后澆灌混凝土而成。這種刃腳有一定強(qiáng)度，可節(jié)約鋼材。缺點(diǎn)是澆灌混凝土?xí)r立模較困難，且輕易變位，影響刃腳規(guī)格質(zhì)量。鋼結(jié)構(gòu)刃腳骨架用兩排角鋼或者輕型鋼軌焊接組成，骨架內(nèi)外均用10～12mm厚鋼板圍包焊牢，澆灌混凝土后即成。鋼結(jié)構(gòu)刃腳強(qiáng)度大，整體性能好，組裝安放不易變形，便于澆灌混凝土不需要安設(shè)模板，施工規(guī)格與質(zhì)量能夠得到確保，缺點(diǎn)是花費(fèi)鋼材較多。地下工程設(shè)計(jì)原理沉井基礎(chǔ)第24頁鋼結(jié)構(gòu)刃腳

圓鋼尖鋼靴刃腳

鋼軌尖鋼靴刃腳

地下工程設(shè)計(jì)原理沉井基礎(chǔ)第25頁地下工程設(shè)計(jì)原理沉井基礎(chǔ)第26頁沉井井壁是設(shè)計(jì)井筒永久井壁，其結(jié)構(gòu)型式應(yīng)該依據(jù)詳細(xì)工程需要來確定。沉井井壁按材料普通有現(xiàn)澆鋼筋混凝土井壁、預(yù)制鋼筋混凝土井壁、大型砌塊、鋼和鑄鐵井壁等結(jié)構(gòu)。后兩種井壁規(guī)格質(zhì)量好，強(qiáng)度大，便于施工，但消耗鋼材多，價格昂貴。我國當(dāng)前多使用整表達(dá)澆鋼筋混凝土井壁，井壁內(nèi)布置雙層鋼筋。沉井井壁與普通井壁不一樣，其受力情況較復(fù)雜。沉井井壁厚度應(yīng)該依據(jù)下沉能力和強(qiáng)度核實(shí)綜合來定。

井壁：地下工程設(shè)計(jì)原理沉井基礎(chǔ)第27頁

鋼筋混凝土沉井井壁圖1-鋼靴；2-刃腳；3-豎向鋼筋；4-環(huán)向鋼筋；5-徑向聯(lián)絡(luò)筋；6-觸變泥漿豎向輸漿管；7、9-第2、1層出漿管；8、10-第2、1層環(huán)向配液管；11-刃腳臺階；12-預(yù)埋吊掛鋼筋地下工程設(shè)計(jì)原理沉井基礎(chǔ)第28頁

沉井井筒下沉至設(shè)計(jì)深度后，雖停頓了掘進(jìn)和下沉工作，但就整個沉井施工來說并未結(jié)束，還需要進(jìn)行封底與固井工作。（1）水下澆注封底止水墊：目標(biāo)是為了預(yù)防在排除井內(nèi)淹水時發(fā)生涌砂冒泥事故，同時也為工作面預(yù)注漿、繼續(xù)下掘井筒創(chuàng)造有利條件。

拋石注漿法：垂直導(dǎo)管法：（2）聯(lián)結(jié)套井與沉井上部井壁：（3）井筒壁后注漿：為了加強(qiáng)土層和井壁固結(jié)，隔離含水層水力聯(lián)絡(luò)，需要充填井壁與井幫之間間隙。

（4）砌筑沉井刃角基座：就是按照井筒直徑補(bǔ)平、加固刃角，使沉井與下部井壁聯(lián)結(jié)成為整體井筒結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)井筒穩(wěn)固性。刃腳基座有單錐和雙錐兩種形式。封底與固井地下工程設(shè)計(jì)原理沉井基礎(chǔ)第29頁拋石注漿法垂直導(dǎo)管法地下工程設(shè)計(jì)原理沉井基礎(chǔ)第30頁主要內(nèi)容什么是沉井沉井施工工藝沉井結(jié)構(gòu)沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算（沉井在施工過程中相關(guān)計(jì)算）下沉系數(shù)計(jì)算沉井底節(jié)驗(yàn)算沉井井壁計(jì)算沉井刃角計(jì)算沉井封底計(jì)算沉井抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算沉井下沉對周圍環(huán)境影響地下工程設(shè)計(jì)原理沉井基礎(chǔ)第31頁下沉系數(shù)計(jì)算井壁側(cè)摩阻力分布地下工程設(shè)計(jì)原理沉井基礎(chǔ)第32頁沉井底節(jié)驗(yàn)算按施工中情況確定受力計(jì)算簡圖，采取鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法驗(yàn)算截面和配筋。地下工程設(shè)計(jì)原理沉井基礎(chǔ)第33頁沉井井壁計(jì)算豎直方向水平方向地下工程設(shè)計(jì)原理沉井基礎(chǔ)第34頁沉井刃角計(jì)算豎向撓曲（懸臂構(gòu)件）水平向撓曲（水平框架）地下工程設(shè)計(jì)原理沉井基礎(chǔ)第35頁沉井封底計(jì)算干封底水下封底地下工程設(shè)計(jì)原理沉井基礎(chǔ)第36頁沉井下沉對周圍環(huán)境影響增大沉井下沉系數(shù)，在軟土中下沉沉井時，可使沉井刃腳插入土中0.5~3.0m，以阻止土體從井外向井內(nèi)涌人。在粉細(xì)砂土層中下沉沉井時，應(yīng)事先在周圍采取壓漿固結(jié)。如鄰近沒有一、二級建筑物時，可先采取噴射井點(diǎn)或深井降水使粉細(xì)砂土固結(jié)后，再下沉沉井．防止產(chǎn)生因管涌和流砂造成地面下沉。在井外流砂層未固結(jié)情況下，應(yīng)防止采取從井內(nèi)明排水施工。如沉井外流砂層固結(jié)困難時，也可采取不排水下沉沉井。必要時，還可提升井內(nèi)水頭，使井外流砂無法涌入井內(nèi)。不排水下沉沉井最好由潛水員配合，使其開挖、下沉均