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1、地 下 工 程,叶 洲 元湖南科技大学能源与安全工程学院,2006 年 9月,地下建筑 地下铁道 公路隧道 水底隧道 地下电站 地下贮库 城市地下综合体,地下工程施工方法 盾构法 沉井法 沉管法 顶管法 矿山法 地下连续墙法,前 言,地 下 工 程,沉 井 法,地下工程施工技术之一,1、定义(what)：什么是沉井法,1-掘进井架，2-套井，3-触变泥浆，4-井壁，5-压风管，6-压气排液器，7-吸泥管，8-排渣管，9-高压水管，10-水枪,在地下建筑结构设计位置上，预制好底部带有刃脚的一段井筒，在其掩护下，随着井内的掘进和出土，井筒靠其自重克服井壁与土层间的侧面团力和刃脚下的正面阻力而下沉，
2、随着井简下沉，在地面相应接长并壁，如此周而复始，直至沉至设计深度的一种超前支护施工方法。,沉井外形 圆形、矩形、椭圆形、双环及多环形等特殊形状。,沉井基本结构,主要是由沉井刃脚、井壁和套井所组成。,沉井刃脚,刃脚位于沉井最下端呈刀刃状的部分，其作用是利用其刃尖切入土层，破坏原状土的结构，减少下沉的正面阻力，阻止壁后流砂或泥浆涌入并简内，刃脚的外壁尺寸略大于井简的外径，沉井下沉时，在井周四周形成一个环形的空间，以放置减少侧面摩擦阻力的介质，这个环形空间的宽度(通称为“刃脚台阶”)，是根据沉井所穿过的主要土层性质及采用的减阻介质而定。若采用触变泥浆减阻时，台阶宽度取0.15一0.3。若用壁后压气减
3、阻时，台阶宽度一般取0.1m左右。,采用钢筋混凝土外加钢靴的形式，多用在沉井较深、断面较小、地质条件复杂和有砾石层的情况下，它的特点是强度大，切入能力强。在软地层，尤其是特大型沉井，一般均采用钢筋混凝土的刃趴并且还带一定踏面形式的刃脚。,沉井井壁,井壁的厚度，应根据下沉能力与强度计算确定。沉井井壁不同于一般井壁，它经常处于移动下沉状态，受力复杂，因此，混凝土强度等级一般在C30左右，配筋量应按设计计算和按构造要求配置环、竖向与联系钢筋。较深的沉井为了能及时地向壁后输送触变泥浆，减少侧面摩擦阻力，通常在井壁内预埋竖直与环形的输浆管路。,套井,套井是指在沉井施工之前，为了定位、组装沉井刃脚与井壁，
4、预先要在沉井位置，做好一个有一定深度、直径略大于沉井的井筒。套井可以防止沉井在下沉过程中可能导致井壁周围的土层坍塌，保护沉井四周建筑物地基基础的完整，并利用套井作为安设沉井的导向设施、纠偏和加大下沉力的支承基础。套井与沉井间的环形空间，可以作为触变泥浆的储浆档或壁后压气的出气口。为此，要求套井要有一定的深度、强度和稳定性。,2、特点（why）,占地面积小；操作简单；施工安全；机械化程度高。,3、设计与施工（how）,沉井设计与施工,沉井施工,沉井设计,试算法,施工准备,开挖掘进,井壁构筑,沉井封底,套井施工,刃脚构建,沉井结构设计,(1)沉井载荷的确定；,试算法,1按重液理论计算地压,式中 p
5、计算深度处作用于井壁的压强，MPa；H计算点距重液面的深度，m；为土、水混合重液的重度，通常取=13kNm。,P=H,2不均匀地压计算,沉井在施工过程中，由于涌砂冒泥，壁后及地表塌陷，井筒偏斜以及地下水流等因素的影响，使井壁受到不均匀侧向压力。其分布规律通常以正弦函数来表示。,(2)沉井井壁厚度计算,1按厚壁圆筒强度要求计算壁厚,素混凝土井壁：,钢筋混凝土井壁,式中,E井壁厚度，m；r沉井的内半径，m；fc混凝土抗压强度，kPa；P井壁计算截面处的侧压力 fz钢筋混凝土材料抗压强度,kPa。,fc混凝土抗压强度设计值，kPa；fy钢筋抗拉强度设计值，kPa；k钢筋混凝土结构强度系数。,2按重率
6、计算井壁厚度,沉井自重与沉井井简外侧面积的比值，称为重率。,式中 W沉井下沉没计所需要的重率，20-26kPa；GB沉井井壁总重量，kN；D、d井壁外、内直径，m；H沉井深度，m；钢筋强凝土的重率，一般y25kNm2。,3按下沉条件验算井厚度,式中，G沉井总重量，它是刃脚、井壁和触变泥浆重 量之和，kN；K沉井下沉系数，一般取115；T沉井结构受到的阻力，T=T1+T2+N,T1刃脚外侧阻力，KN；T2井壁外侧阻力，kN；N沉井正面阻力，kN。,G K T,(3)沉井井壁配筋,1沉井井壁环向配筋,2沉井井壁竖向配筋,按内力计算公式配筋，由于沉井井壁要求有足够下沉力，井壁厚度一般较大，混凝土井壁
7、一般能满足强度要求，但考虑到不均匀侧压、土层的塌陷、壁后注浆以及大面积大垮度的受力状况等较复杂的情况下，计算结果必须满足最小配筋率构造上的要求。要求双面匀布于全段，钢筋一般取直径为14-18mm，间距为300-330mm。,（4）刃脚的计算和配筋,1刃脚内力计算 为保证沉井施工顺利，可按以下两种最不利的情况计算刃脚的内力,沉井下沉至设计标高，刃脚切入土层而井内又排干了淹水，在侧压力P和水平椎力PH的作用下，此时按拉麦公式计算刃脚内产生环向应力为：,当沉井通过含水砂层，出现涌砂事故时，刃脚外侧所受地压短时间为零，即P=0，仅承受水平推力PH的作用，此时刃脚内产生环向拉应力：,2刃脚配筋计算,1)
8、环向钢筋,若 和 时，可按构造要求配置环向钢筋。,若 时，可按构造要求配置环向钢筋：,若 时，可按下式计算抗拉钢筋截面积：,2)刃脚竖向钢筋的计算,按悬壁梁最不利的条件情况，选取由刃脚竖向反力N产生的弯短M1与水平推力PH，产生的弯矩M2的联合作用和由水、土侧压力产生的弯短M3单独作用较大值进行配筋。,沉井施工,施工准备,沉井下沉,井壁构筑,沉井封底,套井施工,刃脚构建,质量控制,施工准备,材料要求,主要机具设备,作业条件,水泥：用32.5号或42.5号普通硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐 水泥，新鲜无结块。,材料要求,砂：粗砂或中砂，含泥量不大于5%。,石子：卵石或碎石，粒径5-40mm，含泥量不大于
9、2%。大卵石或块石：质地坚硬、无风化剥落和裂纹，表面无泥污或水锈等污染。,外加剂：其品种及掺量，应根据施工需要，通过试验确 定。,沉井制作设备包括：模板、钢筋加工常规机具设备、混凝土搅拌机、自卸汽车、动翻斗车、手推车、插入式振动器等。,主要机具设备,沉井下沉设备包括：15t履带式起重机、QT6-15型塔式起重机、出土吊斗等。,排水设备包括：离心式水泵或潜水电泵。,1.地质条件的了解 在沉井施工地点进行了钻探，了解该处地质(包括土的力学指标、休止角、摩擦剩地质构造、分层情况等)和地下水文情况以及地下埋设物、障碍物情况，绘制了地质剖面图。2.施工方案的编制 已根据工程结构特点、地质水文情况、施工设
10、备条件及技术的可能性，编制了切实可行的施工方案或施工技术措施，以指导施工。,作业条件,3.施工拆迁 场地已平整至要求标高，按施工要求拆迁沉井周围土的破坏棱体范围内的地上障物，如房屋、电线杆、树木及其他设施，清除地面下3m以内的地下埋设物，如上下水管道、电缆线路及基础、设备基础和人防设施等。4.总体布置 按施工总平面图布置，修建临时设施，修筑道路、排水沟、截水沟，安装临时水、电路，安设施工设备，并试水、试电、试运转。,5.测控布局 按设计总图和沉井平面布置要求，已设置测量控制网和水准基点，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的沉井，应在原建
11、筑物上设置沉降观测点，定期进行沉降观测。6.技术交底 进行技术交底，使施工人员了解并熟悉工程结构、地质和水文情况，了解沉井制和下沉施工技术要点、安全措施、质量要求及可能遇到的各种问题和处理方法。,套井施工,1基础处理在软弱地基上制作套井，用打夯机夯实使之密实。当地基土质较好，可以不用夯实。整平。,2开挖套井井筒,板桩法基坑法,1基础处理 在软弱地基上制作沉井，应采用砂、砂砾或碎石垫层，用打夯机夯实使之密实，厚度根据计算确定。当地基土质较好，可以不用夯实。整平。2井筒制作 宜分节一次制作完成，然后下沉；对于较高(12m)的沉井应先挖下3-4m土方，在基坑中一次制作下沉，或分节制作，分节下沉。以减
12、少沉井自由高度，增加稳定，防止倾斜。,沉井制作,刃脚构建,沉井制作宜采取在刃脚下设置木垫架或砖垫座的方法，其大小和间距应根据荷重计算确定。安设钢刃脚时，要确保外侧与地面垂直，以使其起切土导向作用。沉井刃脚支设方法：(a)垫架法；(b)砖垫座法；(c)土胎模法,1制作方法 沉井刃脚及筒身混凝土的浇筑应分段、对称均匀、连续进行，防止发生倾斜、裂缝。第一节混凝土强度等级达到70%，可浇筑第二节。2制作要求 浇筑的筒身混凝土应密实，外表面平整、光滑。有防水要求时，支设模板穿墙螺栓应在其中间加焊止水环；筒身在水平施工缝处，应设凸缝或设钢板止水带，突出筒壁面部分，应在拆模后铲平，以利防水和下沉。,井壁构筑
13、,沉井制作,沉井下沉,1下沉前检查 下沉前应进行井壁外观检查，检查混凝土强度及抗渗等级，并根据勘测报告计算极限承载力，计算沉井下沉的分段摩阻力及分段的下沉系数(1.15-1.25)，作为判断每个阶段可否下沉，是否会出现突沉以及确定下沉方法及采取措施的依据。2下沉方法下沉前应分区、分组、依次、对称、同步的抽除(拆除)刃脚下的垫架(砖垫座)，每抽出一根垫木后，在刃脚下立即用砂、卵石或砾砂填实。,小型沉井挖土多采用人工或风动工具；大型沉井，在井内用小型反铲挖土机挖掘。挖土须分层、对称、均匀地进行，一般在沉井中间开始逐渐挖向四周，每层高，沿刃脚周围保留宽的土堤，然后沿沉井壁，每2-3m一段，向刃脚方向
14、逐层、全面、对称、均匀的削薄土层，每次削5-10cm，当土层经不住刃脚的挤压而破裂，沉井便在自重作用下，均匀垂直挤土下沉，使不产生过大倾斜。各仓土面高差应在50cm以内。,在挖土下沉过程中，工长、测量人员、挖土工人应密切配合，加强观测及时纠偏。,沉井下沉多采用排水挖土下沉方法，常用方法是：设明沟、集水井排水。在沉井内离刃脚2-3m挖一圈排水明沟，设3-4个集水井，深度比开挖面底部低，沟和井底深度，随沉井挖土而不断加深。在井壁上设离心式水泵或井内设潜水泵，将地下水排出井外。当地质条件较差，有流砂发生的情况，可在沉井外部周围设置轻型井点、喷射井点或深井井点，以降低地下水位，或采用井点与明沟排水相结
15、合的方法，进行降水。,3沉井下沉观测 沉井下沉观测方法为在沉井外壁周围弹水平线，井筒内按4等分或8等分标出垂直轴线，各吊线坠一个，对准下部标板来控制。观测时间，每班三次，接近设计标高时两小时一次。随时掌握分析观测数值，当线坠偏离垂线达50mm或标高差在100mm，应立即纠正。挖土过程中可通过调整挖土标高或劳动力进行纠偏。,4下沉减阻 筒壁下沉时，外侧土会随之出现下陷，与筒壁间形成空隙，一般于筒壁外侧填砂，保持不少于30cm高，随下沉灌入空隙中，以减小下沉的摩阻力，并减少了以后的清淤工作。雨季应在填砂外侧作挡水堤，以阻止雨水进入空隙，防止出现筒壁外的摩阻力接近于零，而导致沉井突沉或倾斜的现象。,
16、5下沉控制（防止超沉）沉井下沉接近设计标高时，应加强观测，防止超沉。可在四角或筒壁与底梁交接处砌砖墩或垫枕木垛，使沉井压在砖墩或枕木垛上，使沉井稳定。（纠偏）沉井下沉出现倾斜，如调整挖土仍不能纠正时，可加荷调整，但若一侧已到设计标高，则宜采用旋转喷射高压水的方法，协助下沉进行纠偏。10沉井挖出土方后用吊斗吊出，运往弃土场，不得堆在沉井附近。,1封底判别 沉井下沉至设计标高，再经2-3d下沉稳定，或经观测在8h内累计下沉量不大于10mm，即可进行封底。2封底前要求 封底前应先将刃脚处新旧混凝土接触面冲洗干净或打毛，对井底进行修整，使之成锅底形，由刃脚向中心挖放射形排水沟，填以卵石作成滤水盲沟，在
17、中部设2-3个集水井与盲沟连通，使井底地下水汇集于集水井中，用潜水电泵排出，保持水位低于基底面0.5m以下。,沉井封底,封底一般铺一层150-500mm厚卵石或碎石层，再在其上浇一层混凝土垫层，在刃脚下切实填严，振捣密实，以保证沉井的最后稳定，达到50%强度后，在垫层上铺卷材防水层，绑钢筋，两端伸入刃脚或凹槽内，浇筑底板混凝土。,4封底 混凝土浇筑，应在整个沉井面积上分层、不间断地进行，由四周向中央推进，并用振动器捣实，当井内有隔墙时，应前后左右对称地逐孔浇筑。,混凝土养护期间应继续抽水，待底板混凝土强度达到70%后，对集水井逐个停止抽水，逐个封堵。封堵方法是将集水井中水抽干，在套管内迅速用干
18、硬性混凝土填塞并捣实，然后上法兰盘，用螺栓拧紧或四周焊接封闭，上部用混凝土垫实捣平。,场地整平放线挖土3-4m深夯实基底抄平放线、验线铺砂垫层垫木或挖刃脚土模安设刃脚铁件、绑钢筋支刃脚、井身模板浇筑混凝土养护、拆模外围围槽灌砂抽出垫木或拆砖座。,工艺流程,制作工艺流程,下沉准备工作设置垂直运输机械、排水泵，挖排水沟、集水井挖土下沉观测纠偏沉至设计标高、核对标高降水设集水井、铺设封底垫层底板防水绑底板钢筋、隐检底板浇筑混凝土施工内隔墙、梁、板、顶板、上部建筑及辅助设施回填土。,下沉工艺流程：,质量控制,沉井施工应符合建筑地基基础工程施工质量验收规范GB50202-2002规定，现行国家标准混凝土结构工程施工质量验收规范GB50204及地下防水工程施工质量验收规范GB50208的规定。,
