沉井在软土地区的设计施工措施

程栋柱

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

1 概 述

沉井是一种在地面制作后，从井内部取土下沉至预定标高的结构。沉井用途广泛，在工业建筑中尤为常见，如取水头部、吸水井、沉井泵房、顶管工作井及接收井等。常见的沉井采用钢筋混凝土结构，按平面形状分为圆形沉井、矩形沉井和多格沉井。

沉井设计时应踏勘沉井周边环境，探明周边外一定范围内土层分布及均匀性，查清有无软弱土层、洞穴或其他障碍物及其分布情况，收集土的物理力学指标、沉井下沉侧摩阻力及其场地水文资料。沉井常规的施工方法分为排水下沉、不排水下沉，或者结合土层特征综合这两种方法施工。

软土地区主要指沉井井深范围内的土层主要由淤泥、淤泥质土、冲填土、杂填土或其他高压缩性、低承载力土层构成。这些土层主要特征是高压缩性、低强度、高灵敏性。沉井在软土地区施工存在歪沉、超沉、井内涌土等风险，应引起设计人员和施工人员的重视。

2 工程概况

某市位于我国东部滨海地区，陆地多为围海造陆形成，属于典型的软土地区。该市原水输水管线工程中管道需跨越道路、避开市政天然气及污水管线，拟采用顶管跨越，顶管采用沉井结构形式，主要考虑沉井施工周期快、造价经济。

输水管道管径为DN2000钢管，顶进距离约600 m，工作井采用矩形沉井，外围尺寸为13.6 m×10.6 m，壁厚下部1.3 m、上部 0.9 m，刃脚底埋深14.25 m；接收井采用圆形沉井，外围尺寸为D8.6 m，壁厚下部0.8 m、上部0.5 m，刃脚底埋深14.65 m。根据勘察报告，工作井井位钻孔土层信息如图1所示。显而易见，井深范围内的1-22层、2-2层、2-31层为灰色淤泥或灰色淤泥质黏土，顶管处土层2-2层为灰色淤泥质黏土，刃脚底土层2-31层为灰色淤泥，且厚度接近8 m，其均为软土，承载力低至45～50 kPa，液性指数均大于1，压缩模量均小于3 MPa；接收井位置钻孔土层剖面结构类似，结构整体均位于软土中，土体结构性能很差，设计和施工时均应采取相应应对措施，保证结构施工安全。

3 设计施工措施讨论

为了保证沉井在软土地区的结构安全和施工安全，可以从两方面考虑安全应对措施。

3.1 设计方面

沉井设计过程主要包括沉井形状、深度及平面尺寸确定、壁厚确定、下沉稳定性及下沉系数验算、封底混凝土厚度确定、封底抗浮验算、施工和使用过程抗浮验算、沉井侧壁及底板底梁配筋计算等。在软土地区设计沉井时，可根据以上设计过程逐一细化，确定具体的相应安全应对措施。

图1 工作井勘探孔剖面图（单位：mm）

常规的沉井形状有矩形、圆形，沉井外部荷载主要来自于侧壁土体、地下水的侧向水平压力，深度越大压力越大。沉井下沉过程无底板、无顶板侧向支撑，且侧壁土体受扰动较大，土体结构性能下降，是沉井受力最危险的时候。根据目前的沉井计算理论，矩形沉井侧壁计算以水平截条法为主，即取1m高的井壁截条，施加环向水平土体压力进行内力配筋计算；圆形沉井以《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》（CECS 137—2015）中第6.2.3条计算理论为依据，假定井壁互成90°的两点处土体的内摩擦角差值为8°。两种沉井形状的井壁弯矩分布图如图2、图3所示。

图2 矩形沉井井壁弯矩分布图（单位：kN·m）

图3 圆形沉井井壁弯矩分布图（单位：kN·m）

以四种沉井平面面积分别为200 m2、180 m2、150 m2、120 m2为例，矩形沉井和圆形沉井对应面积一致，矩形沉井长宽比为1.2～2.0，计算井壁深度分别为地面下5 m、10 m处。沉井井壁计算弯矩最大值见表1。由表中弯矩比结果可见，矩形沉井在同等井内面积下，井壁弯矩远远大于圆形沉井，故在同样裂缝控制标准下，井壁壁厚、配筋量均会增大不少。显然圆形沉井环向受力更加合理，沉井井壁可减小，结构自重可减轻，相应大大减少沉井下沉过程的危险性，同时节省工程造价，建议软土地区在环境允许、功能满足条件下优先采用圆形沉井作为顶管工作井及接收井。

表1 圆形、矩形沉井井壁最大弯矩比计算结果

沉井深度一般是由顶管深度决定，沉井平面尺寸是由沉井井内空间的正常使用功能需求决定。无论沉井是永久井或临时井，均应以满足正常使用功能、顶管施工需求为前提，尽可能减少井内深度、平面尺寸。井深、平面尺寸减少，沉井结构自重减少，在软土地区下沉、接高时可大大减少安全风险。减小沉井壁厚也是相同原因。

沉井下沉系数和下沉稳定性是软土地区设计的关键。常见的问题是沉井下沉系数过大、下沉稳定系数过大。根据《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》（CECS 137—2015） 第 6.1.2、6.1.3条及其条文说明，沉井下沉系数宜在1.05～1.5（一般控制下限值即可），下沉稳定系数宜在0.8～0.9。沉井下沉系数过大，会有突沉风险；沉井下沉稳定系数过大，会有歪沉、突沉风险。故在设计过程中，应控制沉井下沉系数和下沉稳定系数在合理范围内。根据沉井规程：

式中：Gik为沉井结构自重标准值；Ffw,k为水浮力标准值；Ffk为沉井侧摩阻力标准值；Rb为沉井刃脚、底梁、隔墙下的土体极限承载力之和。

根据以上公式可知，沉井下沉系数、下沉稳定系数与四个因素相关，即Gik、Ffw,k、Ffk、Rb，故可考虑从这四个因素着手，合理控制沉井下沉系数、下沉稳定系数。以该工程矩形工作井为例，勘察期间地下水位为地面下1.00 m，在未采取任何安全应对措施时，结构自重Gik=1.99×104kN（不做底梁），水浮力Ffw,k=7.82×103kN，井壁侧摩阻力Ffk=8.05×103kN，刃脚土体极限承载力Rb=5.05×103kN，对应计算结果如下：下沉系数kst=1.51；下沉稳定系数kst,s=0.92。

可见下沉系数与下沉稳定系数均超出了正常范围，拟采用以下几种措施调整：减轻结构自重、调整水位、增设底梁或增大刃脚宽度、调整刃脚底土体承载力。减轻结构自重一般是调整不同壁厚区域的分段高度或直接减小壁厚；调整水位则是通过抽水或灌水来调整井外水位，以达到调整沉井水浮力的目的；设置底梁是常规做法，既能提供底梁反力增加下沉稳定性，又能增加结构整体性能，在不影响机械挖土的前提下尽量设置，与沉井一起下沉；增大刃脚宽度亦是提高刃脚反力的类似做法，在刃脚底地基土承载力低下时，可考虑此做法；调整刃脚底土体承载力的规范依据是《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）中第5.2.4条地基承载力深宽修正公式，即在沉井分段接高或即将下沉就位时，保留井内一定厚度土体或井内回填一部分土体，以保证或提高部分刃脚底土体承载力。井下软土灵敏度高、结构性能差，稍有扰动承载力都会急剧下降，在沉井下沉接近至设计标高时，更应保留部分土体，防止沉井超沉或井内涌土。以该工程地质条件为例，就以上常见安全措施进行调整试算，并将计算结果列于表2。

由表2下沉系数和稳定系数调整前后对比可知，五种措施均可减小沉井稳定系数，下沉系数则在原方案结果上下浮动。其中增底梁、加宽刃脚、增地基土承载力等措施对下沉稳定系数控制效果较为明显，最大降幅达8%，但前两种措施会增加结构自重，相应增大下沉系数；该工程实例勘察水位较高，增水浮力空间较小，故效果不明显。在软土地区，土体透水性差，利于水位稳定控制，可在沉井即将下沉就位时，可利用水浮力进行沉井减速或沉井稳定作用；减沉井自重既能减小下沉稳定系数，又能减小下沉系数，对沉井下沉过程的积极作用明显，在满足强度和裂缝控制时推荐采用。

表2 设计下沉系数及下沉稳定系数调整方案对比

沉井封底混凝土的作用一般是提供沉井抗浮力、提供底板边抗冲切力、提供底板施工时的操作面。水下封底混凝土厚度按下式确定：

式中：M为每米宽度最大弯矩设计值；b为计算宽度，取1 000 mm；ft为混凝土抗拉强度设计值；hu为附加厚度，取300～500 mm。

可见封底混凝土厚度ht主要与弯矩M相关，即与沉井底部平面尺寸大小相关，与软土地区无关。一般软土地区沉井应尽量减小平面尺寸，即封底厚度ht会相应减小，但考虑其抗浮和井内防涌土的有利作用，应进行适当放大，保证沉井施工过程安全。

沉井设计过程的抗浮验算一般包括封底抗浮、顶管施工过程中抗浮及使用过程抗浮验算。封底抗浮时可进行适当降水减小水浮力，保证结构抗浮稳定性；一般顶管施工和使用过程的周期长，不可能一直采取降水措施，所以应考虑利用沉井结构自重、内部素混凝土、封底素混凝土和顶部覆土等进行抗浮，即在后期不采取人工干预的情况下保证抗浮稳定性。软土地区自然水位一般较高、水浮力大，结构抗浮安全应引起足够重视。

沉井井壁和底板、底梁配筋计算一般是以裂缝控制为主，强度控制为辅。软土地区土体c、φ一般较小，土体自稳性能差，含水量高甚至接近饱和状态，对沉井井壁的侧向压力、沉井顶部的竖向压力均会比常规区域略大一些，设计时应考虑配筋量适当放大。在沉井顶管洞口封堵区域，应采取高压旋喷桩或水泥土搅拌桩进行土体加固，既能保证顶管机进出洞口安全，又能进行洞口止水和部分洞口封堵作用。

3.2 施工方面

在软土地区，沉井施工过程是一个施工难度大、施工要求高、影响范围广、多风险并存的过程，应引起施工单位、监理单位及建设单位的高度重视。

沉井施工前，应制定详细的沉井施工组织方案，并经专家组评审通过后方可开展施工准备工作。施工准备工作主要包括以下内容：沉井现场障碍物排除及地下障碍物探查、沉井井位复核、沉井周边环境确认、结构设计图纸及地勘报告研读等。如为顶管工程，还需确认顶管沿线是否已存在其他市政管线，是否存在冲突或小于顶管安全距离。

施工单位应根据现场情况及周边环境制定完备的应急安全预案。如沉井出现下沉速度过快、歪沉、超沉、井内涌土等现象时，应采取何种应对措施，以确保沉井安全顺利下沉就位。

沉井施工前，施工单位应根据表层土体承载力、第一段沉井自重、刃脚底面积计算砂垫层厚度。软土地区一般表层土体承载力低、灵敏度高，且不均匀可能性大，开始下沉时歪沉的可能性较大，故砂垫层厚度应考虑适当放大。

软土地区沉井下沉过程中，应优先考虑不排水下沉方式。水浮力对沉井下沉过程的稳定性和安全性至为关键。由前述设计方面安全措施的沉井下沉系数和下沉稳定系数计算可知，水浮力对两者均有较为重要的积极作用。故在软土地区沉井下沉过程中，可考虑井内回灌水或其他提高浮力措施，保证下沉过程安全，避免出现下沉过快、超沉、歪沉等风险。

沉井封底时应优先考虑水下封底。水下封底可维持井内外水压平衡，减少涌土风险；且水下封底可利用水浮力支托，减缓沉井即将就位时的下沉速度，减少超沉风险。

软土地区沉井施工对施工单位的施工水平是一个很大的考验，既要保证工期，又要满足安全顺利施工就位，同时还需兼顾造价、环境影响，是一个复杂、繁重的任务。当然，软土地区沉井施工还有其他许多注意事项、安全措施，如下沉就位前一定距离停止挖土、刃脚形状采用矩形而非梯形、井壁外表面做一些凸出造型等。

4 结 语

软土地区进行沉井施工时，为避免出现下沉速度过快、歪沉、超沉、井内涌土等风险，而导致不可挽救的后果，本文从设计和施工两方面出发，结合工程实例，探讨了一些常见的安全应对措施。现简要总结如下，以期对未来的软土地区设计和施工提供一些积极的指导意义：

（1）在环境允许、功能满足的条件下，优先采用圆形沉井结构形式，结构受力更合理。

（2）尽可能减小平面尺寸、井深、沉井壁厚，减轻结构自重，极大地减少设计难度，降低施工风险。

（3）沉井尽可能设置底梁，加宽刃脚底面宽度，采取有效措施保留或提高刃脚底土体承载力，并利用水浮力保证下沉稳定。

（4）施工过程应优先采用不排水下沉、水下封底，利用水浮力减缓下沉速度，提高下沉稳定安全性。