论大型沉井在取水泵房中的应用

何剑平

（1.上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海市200092；2.上海水业设计工程有限公司，上海市200092）

0 引 言

沉井是利用自重来抵抗井壁摩阻力后下沉到设计标高，经过混凝土封底，使其成为结构物本体或基础，主要由刃脚、井壁、底板、内隔墙、支撑梁柱等构成。沉井埋置深度范围较广，其作为基坑开挖整体性强、安全性好，能承受较大的水平及竖向荷载作用。沉井作为挡土、挡水构筑物，在下沉过程中本体可以作为围护结构，故简化了施工。

取水泵房是市政给水工程建设中一个非常重要的构筑物，其对施工要求非常高，一般建成地下式或半地下式结构。由于需要保证在枯水位时水泵能够取水的功能，故其埋深往往较大。

随着城市不断发展，城市内建（构）筑物数量逐年增加，新建取水泵房邻近必然存在施工开挖时所影响的建（构）筑物，沉井具有防渗性能好、质量可靠、变形小、造价较低等优势，近些年，沉井作为围护形式在实际工程中应用越来越多。本文通过对城南水厂取水泵房沉井的有限元计算分析，为大型沉井施工提供理论依据。

1 工程背景

南京城南水厂取水口整合工程取水规模为35万m3/d，取水自流管采用2 根DN1800 钢管，施工方式为取水泵房顶管+ 水下沉管+ 钢管桩桩架。取水泵房作为顶管工作井，由进水室、吸水井、泵房合建而成。该工程取水泵房平面尺寸为43.74 m×30.1 m，内设隔墙、框架梁、壁柱，深度13.05 m，设计地坪标高9.00 m（吴淞高程），现状地坪标高8.50 m。

2 场地周边环境及工程地质条件

取水泵房位于夹江南侧现状绿地内，施工期间影响范围内的建（构）筑物包括夹江大堤、梅山矿业泵房等；其中井体边距离夹江土石大堤堤脚27.5 m，距梅山矿业泵房最近距离为37.2 m。

根据工程地质勘察报告，取水泵房场地土层主要为①1层杂填土、①2层素填土、②1层粉质黏土，C=21.0 kPa，Φ=12.8°、②2层淤泥质粉质黏土～粉质黏土，C=12.0 kPa，Φ=11.9°、②3层粉质黏土夹粉土粉砂，C=10.0 kPa，Φ=11.1°、③2层粉细砂，C=8.0 kPa，Φ=35.0°。底板底位于②3层粉质黏土夹粉土粉砂，刃脚底落于③2层粉细砂。

3 取水泵房围护形式选型

根据南京地区多年来软土地下工程建设的实践经验，通过对基坑周边环境条件和水文地质条件的研究，取水泵房围护一般有沉井、单排灌注桩+支撑+止水帷幕、SMW 工法、双排灌注桩+止水帷幕等形式。

沉井施工工艺成熟，在国内外各地区各行业，特别是市政行业，得到了广泛的应用，适用于各种深度的基坑。随着沉井施工工艺的不断发展和工程经验的不断累积，近些年，沉井深度越来越深，平面尺寸越来越大。沉井作为顶管井施工完成后即可作为工艺永久井使用，无需在坑内另作井，其造价较低，施工周期较短，顶管施工过程中安全系数较高。但沉井下沉时对周边环境有影响，需通过井外施工止水帷幕保护桩进行隔水及加固，以减小其施工带来的影响。

灌注桩+内支撑作为围护结构，高压旋喷桩或水泥土搅拌桩作为止水帷幕，灌注桩+止水帷幕的墙体刚度大，施工过程中对周边地基扰动小，对邻近建（构）筑物的影响小，支护开挖深度可达20 m，由于灌注桩施工周期长，同时需要设置内支撑，故施工工期较长。

SMW 工法井为三轴搅拌桩插H 型钢作为围护结构，具有挡土、挡水作用。具有经济性好，施工速度快的优势，但南京地区一般用于开挖探度≤12 m 的顶管井。

双排灌注桩围护结构为无支撑悬臂结构，方便土方开挖，在场地受限地区深基坑支护工程中具有广泛的应用，一般应用于开挖探度8～14m 基坑。

在经济方面，以上几者相较而言，沉井的费用较低；单排及双排灌注桩围护需另外本体结构或加设钢筋混凝土内衬，费用较高；SMW 工法的费用不高，但适用深度较浅。

结合工程地质水文条件、经济性、周边环境、施工工期、安全性等方面综合比较后，确定取水泵房采用沉井结构形式，平面及剖面图分别如图1、图2 所示。

图1 取水泵房平面图（单位：mm）

图2 取水泵房剖面图（单位：mm）

由于取水泵房距已建夹江大堤及梅山矿业泵房较近，故四周设置高压旋喷桩止水帷幕兼做保护桩。该工程取水泵房沉井的下沉深度范围内有地下水且在下沉范围内的土层内存在粉土层、粉细砂层，排水下沉容易，但可能造成流砂现象导致井体倾斜及周边地面下陷，同时排水下沉时降水施工可能增加大堤及梅山矿业泵房沉降或倾斜，故该工程沉井采用不排水下沉，湿封底沉井施工。

4 取水泵房沉井稳定性验算

（1）根据《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》（CECS 137：2015）[1]表5.1.4，沉井应进行封底阶段和使用阶段的抗浮验算，该工程封底混凝土与底板间有拉结钢筋连接，封底混凝土的自重可作为沉井抗浮重量的一部分，抗浮安全系数：Kf=Gik/B≥1.00。

Gik为取水泵房自重标准值，B为浮托力标准值。通过计算表明，施工阶段（地下水位取下沉标高下0.50 m）Gik=205347 kN，B=153916 kN，Kf=1.334；使用阶段（地下水位取设计地面下0.50 m）Gik=222415 kN，B=193414 kN，Kf=1.15，满足规范要求。

（2）验算下沉时的下沉系数：Kst=（Gik-Ffw，k）/Ffk≥1.05，以保证沉井能够顺利下沉。

kst为下沉系数，Gik为下沉阶段沉井自重标准值，Ffw，k为下沉阶段浮托力标准值，Ffk为井壁摩阻力标注值。通过计算表明，Gik=119827 kN，Ffw，k=22 062 kN（不排水下沉），Ffk=27092 kN，kst=3.6＞1.05，满足规范要求。

（3）根据下沉方式，验算下沉稳定性系数：Kst，s=（Gik-F’fw，k）/（F’fk+Rb）=0.8～0.9，避免突沉发生。

kst，s为下沉稳定系数，F’fw，k为验算状态下浮托力标准值，F’fk为验算状态下井壁摩阻力标注值，Rb为刃脚、隔墙下地基土的极限承载力之和。通过计算表明，Gik=119827 kN，F’fw，k=15443 kN，F’fk=27092 kN，Rb=97820 kN，Kst，s=0.85。

（4）该工程沉井四周地坪标高均为9.00 m，不存在前后两面水平作用值不一样，故可不进行验算沉井的滑移和倾覆稳定性。

5 计算原则及设计分析

沉井围护结构的主要计算原则为：侧向土压力按照郎金主动土压力公式计算，采用水土分算；地面超载：基坑施工期间按20 kN/m2计；侧向基床系数、地基土极限承载力根据地勘报告及结合规范有关条文取值；底板与井壁间，有预留插筋连接，底板计算按弹性固定考虑；底板计算时作用在底板上的反力假定按直线分布（计算反力时不考虑井壁与土的侧摩阻力作用）；永久结构池体最大裂缝宽度限值为0.20 mm。

常用沉井内力的计算方法按照《给水排水工程结构设计手册》[2]：在水土压力作用下，施工工况壁板分别截取刃脚底部、池壁底部、池壁变截面处进行水平框架验算，使用工况壁板采用按三边固定、顶边自由的双向板计算。扶壁柱及支撑梁组成的横向框架按照荷载分配原则进行一榀框架验算，此方法计算结果较大。Midas 有限元计算考虑了水平支撑的轴向变形及壁板、扶壁柱结构整体的共同作用，更接近实际沉井受力状态。

该工程为大型沉井且内部布置较复杂，采用盈建科软件进行建模，通过模型转换接口导入至有限元软件Midas/Gen 来分析计算沉井的内力、变形和配筋。梁、扶壁柱均采用梁单元模拟，壁板采用板单元，网格尺寸为0.5 m。计算分为施工工况及使用工况。其中，在沉井的使用阶段，其结构应根据底板及后浇隔墙浇筑完成后的结构体系和实际作用进行计算，Midas 模型如图3 所示。

图3 取水泵房三维模型

提取各壁板有限元计算得到的内力结果，采用强度配筋及相关裂缝验算，具体计算结果详见表1，其中上壁板为标高。由于篇幅文字受限，本文仅列取施工工况X，Y 向壁板弯矩图，如图4、图5所示。

底板按照双向板进行强度及裂缝计算，按与壁板铰接考虑。底板计算时，荷载主要为两个工况：（1）水浮托力；（2）地基土净反力（地下水位取值底板底面）。经计算，工况（1）（2）底板净反力分别为95.5 kPa 和174.9 kPa。计算所得，底板最大跨中弯矩设计值为1437 kN·m，上层配筋取为32@100，裂缝为0.13 mm，下层配筋为32@200。

表1 X 向壁板取水泵房内力包络配筋表

6 沉井施工的监测

由于沉井下沉时会带动周边土体产生沉降及水平位移，故对井体四周土体及夹江大堤、梅山矿业泵房进行每日沉降及位移监测，并做好记录。施工过程中，特别要加强对沉井北侧夹江大堤的监测，同时及时对测量数据进行分析，如超过报警值，应立即采取防护措施。施工阶段需做好沉井周围空隙内触变泥浆的灌入、补浆和置换等工作，以防止周围土体坍塌。

目前沉井已竣工验收，在监测期间内，沉井四周土体最大沉降为45 mm，未发现裂缝、坍塌，北侧大堤及西侧泵房无发生沉降及倾斜，属于安全可控状态。

7 结 论

（1）通过对取水泵房周边环境条件、水文地质条件的研究和稳定性验算，选择沉井作为取水泵房基坑本体方法是科学、经济、安全、可行的。

（2）该工程取水泵房沉井采用不排水下沉+止水帷幕的方式对周边环境影响较小，此方法尤其适用于下沉范围内有砂性土且沉井周边有沉降、位移限制规定要求的工程。

（3）通过采用Madis 有限元软件对沉井的计算分析，能优化构筑物水池的壁厚及配筋，节省工程投资。