沉井(Open Caisson)是在预制好的钢筋混凝土井筒内挖土,依靠井筒自重或借助外力克服井壁与地层的摩擦阻力逐步沉入地下,以实现工程目标的一项施工技术。做为基础使用是工程上应用较为广泛的地基处理方法。沉井的结构是由刃脚,井壁,内隔墙,梁,凹槽,底板等构成的。井壁是沉井的外围部分,也是构成沉井的主要部分。沉井法用于众多大型深埋基础和地下构筑物围壁施工,包括桥梁墩台基础等多种类型。
1904年至1956年间,日本采用壁外喷射高压空气法降低井壁摩阻力使沉井下沉达156m,六十年代末至七十年代初超过200m,但该方法构造复杂、成本高、下沉速度难控未获推广,五十年代后欧洲广泛应用向井壁与土间压入触变泥浆降摩阻的方法。中国解放后沉井施工技术成果显著,陆地上有大型钢筋混凝土圆形沉井、矩型沉井等不同形状和尺寸的成功案例,煤矿沉井下沉深度可达80.2m甚至超过100m,桥梁墩台基础大型沉井下沉深度超50m,江底隧道引道工程采用连续沉井法,双壁、震动、钢壳浮运、钢丝网水泥浮运等沉井施工方法也较为成功。
沉井主要按沉井个数、施工方法、井壁材料、平面形状、井筒铅垂剖面形状进行分类。沉井在下沉过程中不需要大面积开挖,因此仅需较小的场地,沉井在下沉过程中无须开挖大量土体极大减少了对周边已有建筑的影响,沉井在施工过程中使用的机械设备所产生的的噪音也较小,不会对周边居民造成影响。沉井施工方法及设备已经过数次更新迭代。在深竖井施工方法中已成为主流的深竖井施工方法,管材形式也已不再仅限于混凝土管节,可采用钢管节、管片、现场浇筑等形式。中国最大规模的沉井结构为沪苏通铁路大桥主桥墩,尺寸已能达到底部长86.9m,底宽58.7m,总高56m,29号墩钢沉井自重约11257t。
历史沿革
为了寻求降低井壁侧面摩阻力,在1904年至1956年间,日本采用壁外喷射高压空气的办法降低井壁与土之间的摩阻力,使沉井下沉深度达到了156m。到了六十年代末至七十年代初,使沉井的下沉深度超过了200m。但这种方法构造比较复杂,成本较高,下沉速度不易控制,因此未获推广。同时,从五十年代以后,向井壁与土之间压入触变泥浆降低侧面摩阻力的办法在欧州获得了广泛应用。
中国解放后,在沉井施工技术上也取得了很大成就。如桥梁墩台基础,取水构筑物、污水泵站、地下工业厂房,大型设备基础、地下仓库、人防掩蔽所、盾构拼装井、船坞坞首、矿用竖井以及地下车道和车站等大型深埋基础和地下构筑物的围壁,均采用沉井法施工。根据现有施工经验,陆地上大型钢筋混凝土圆形沉井直径达68m,下沉深度为28m;某矩型沉井长48.5m,宽21.5m、高20.6m,采用无承垫木施工,分段制作,一次下沉;某煤矿沉井采用预制砌块拼装,触变泥浆润滑套助沉,井壁厚仅60cm,但沉井下沉深度却达到80.2m。而且目前矿用沉井的下沉深度已超过100m。在桥梁墩台基础沉井方面也有新发展,面积数百平方米的大型沉井的下沉深度也都超过了50m。还有中国第一条江底隧道两端长达数百米的引道工程,亦曾采用连续沉井法施工。其它,如双壁沉井,震动沉井,钢壳浮运沉井及钢丝网水泥浮运沉井等,这些施工方法也都是比较成功的。
技术原理
沉井的结构是由刃脚,井壁,内隔墙,梁,凹槽,底板等构成的。井壁是沉井的外围部分,也是构成沉井的主要部分。井壁需要有很强的刚度来平衡在下层过程中周围土壤对井壁的测压负荷。也需要自身的足够重量来克服周围土壤对井壁的摩擦作用确保沉井结构能顺利的下沉,必要时可以增加配重来辅助沉井下沉。井壁的下端一般会呈现刀刃的形状,主要是为了减小沉井的下沉阻力。内隔墙是设置在沉井结构物的内部,它能有效的增强沉井在使用中的刚度,同时内置的隔墙能将沉井内部分成若干小块来进行挖土,方便沉井结构的施工。凹槽也是建立在沉井的内里,它能让混凝土和井壁能很好的连接,帮助增加沉井的稳定性。封底是在沉井的下沉到达设计的标准时,对沉井的底部进行封闭,保证沉井结构的完整,防止地下水渗进结构物内影响沉井的正常使用。
沉井结构的设计需要对所施工地段的实地探查,其中包括对地址结构以及施工地段周围的建筑等考察。对于沉井的高度既要达到一定的深度满足建筑基础的需要,同时对沉井内部的持力层也要有较高的承载能力。密实土层是持力层最好的选择,沉井结构的底层需要坚实的土层作为沉井结构物的基础。对于沉井的平面尺寸,需要在设计图纸之时为实际建造留有一定的偏离空间,防止沉井在下沉过程出现偏差影响整体结构物的稳定性。而沉井不同构成结构的不同设计方案要按照建造沉井结构的不用来计算。每个结构都有严格的计算标准。
主要构造
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常见分类
按沉井个数分类
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按施工方法分类
一般皆采用一般沉井,当水深较大(如水深大于10m)或水流流速较大,有通航要求,人工筑岛困难或采用一般沉井不经济时采用浮运沉井。
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按井壁材料分类
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按平面形状分类
按外边框形状分为:圆形、矩形和圆端形共三种基本类型,其它形状的沉井只是在此三种基本类型上稍作变化而已。按井孔布置方式分为:单孔、双孔及多孔沉井。
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按井筒铅垂剖面形状分类
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主要特点
沉井是一种利用人工或机械方法清除井内土石,并借助自重或填加压重等措施克服井壁摩阻力逐节下沉至设计标高,再浇筑混凝土封底(大多还填塞井孔或加做井盖),并成为建筑物的基础的井筒状构造物。
缺点
(1)施工工期较长。(2)对细砂和粉砂类土在井内抽水时易发生流砂现象而使沉井具有较大的倾斜。(3)下沉过程遇到蛮石、树干或其它难于清除的障碍物时,将增大施工难度。(4)井底座在表面倾斜较大的岩层上时,施工难度也将加大。
优点
(1)埋深较大,整体性强,稳定性好。(2)具有较大的承载面积,故而能承受较大的垂直和水平荷载。(3)施工工艺简便,技术稳妥可靠,无需特殊专业设备。(4)应用范围较广。
应用领域
随着中国近数十年来的高度城市化发展,城市内各类地下结构的建设需求旺盛,而大多数地下结构都需要设计竖井结构作为通风井、施工井等功能性构筑物,而传统的明挖竖井施工方法对施工环境造成的影响较大,已无法满足城市中心繁华地段的环保要求,而沉井工艺作为一种适用于松软含水底层的工法在中国沿海区域城市内得到了广泛的应用。
施工规范
施工方案
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。
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施工准备
地质勘察
在沉井施工范围内钻探,了解地质和地下水文情况,如土的力学指标,摩擦系数、地质构造、土的分层情况、绘制地质剖面图,为编制沉井施工方案提供可靠技术依据。
修建临时设施
按施工总平面布置要求,修建临时设施:如搅拌站、钢筋加工场、现场办公室、临时道路、供电、供水、塔吊。
布设测量控制网
按设计图和沉井平面布置要求设置测量控制网和水准点,进行定位放线,定出沉井中心轴线和基坑轮廓线,作为沉井制作和下沉定位的依据。在原有建筑物附近下沉的沉井,应在原建筑物上设置沉降观测点,定期进行沉降观测。
技术交底
使施工人员了解设计意图,了解并熟悉工程结构、地质和水文情况、沉井制作和下沉施工技术要点、安全措施、质量要求以及可能遇到的各种问题和处理方法。
发展趋势
沉井施工工艺是一种较为成熟的竖井施工方法,该工艺自20世纪40~70年代起便由日本先采用喷射高压空气(即气囊法)的方法降低井壁与土层之间的摩阻力,而使沉井下沉深度超过200m。而经过一个世纪的技术发展,沉井施工已发展成熟,为适应在不同地质情况及施工环境下的施工要求,沉井施工方法及设备已经过数次更新迭代。在深竖井施工方法中已成为主流的深竖井施工方法,管材形式也已不再仅限于混凝土管节,可采用钢管节、管片、现场浇筑等形式。中国最大规模的沉井结构为沪苏通铁路大桥主桥墩,尺寸已能达到底部长86.9m,底宽58.7m,总高56m,29号墩钢沉井自重约11257t。