關(guān)于沉井在大管徑輸水管工程中的結(jié)構(gòu)計(jì)算——以廈門市石兜水庫(kù)輸水管工程為例

■范 靜 ■中國(guó)市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司廈門分院，福建 廈門 361012

1 工程概況

石兜水庫(kù)輸水管工程是廈門市重要的引水工程，該工程自石兜水庫(kù)開(kāi)通輸水隧洞，穿越山嶺后至324國(guó)道與新孫坂路交匯處，再沿新孫坂路、海翔大道、田集高速公路連接線最終進(jìn)入集美大池，全段管道總長(zhǎng)約15km，管徑從DN2400～DN1600。管線穿越現(xiàn)狀道路、鐵路、溝渠、集美大學(xué)校園等段采用頂管法施工，全線共有11處頂管，沉井共29座，其中工作井17座，接收井12座，沉井高度7.81～12.15m。沉井結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土等級(jí)為C30，抗?jié)B等級(jí)S8，水下封底混凝土C20。

2 場(chǎng)地水文及工程地質(zhì)資料

沉井的設(shè)計(jì)計(jì)算之前，需探明沉井周邊外一定范圍內(nèi)土層以及地下水位的詳細(xì)情況，掌握土的物理力學(xué)指標(biāo)等水文及工程地質(zhì)資料。

本工程沉井處勘探深度范圍內(nèi)地基土主要由素填土②、淤泥③、粉質(zhì)粘土⑥、殘積砂質(zhì)粘性土⑩、全風(fēng)化花崗巖⑾組成。除素填土②的透水性相對(duì)較好，其余土層均屬弱～微透水、弱含水層或相對(duì)隔水層，富水性差。地下水對(duì)砼結(jié)構(gòu)具微腐蝕性;對(duì)鋼筋砼結(jié)構(gòu)中鋼筋在長(zhǎng)期浸水狀態(tài)下具微腐蝕性，在干濕交替狀下具弱腐蝕性。

3 施工方法選擇

沉井的施工方法對(duì)沉井的設(shè)計(jì)計(jì)算有著直接的關(guān)系，應(yīng)根據(jù)場(chǎng)地的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)資料，結(jié)合施工條件決定。

(1)排水下沉:當(dāng)?shù)叵滤徊桓撸蚴请m有地下水但沉井周邊的土層滲水性不強(qiáng)，涌入井內(nèi)的水量不大且排水不困難時(shí)，可采用排水下沉法，排水法施工比不排水法施工費(fèi)用低，工期短。

(2)不排水下沉:下列情況宜按不排水下沉設(shè)計(jì):①在下沉深度范圍內(nèi)存在粉土、砂土或其他強(qiáng)透水層而排水下沉有可能造成流砂或補(bǔ)給水量很大而排水困難時(shí);②沉井附近有已建的建(構(gòu))筑物及其他設(shè)施，排水施工可能導(dǎo)致其沉降及傾斜而難以采取其他措施防止時(shí)。

(3)分次下沉:根據(jù)沉井的高度、地基承載力、施工條件和設(shè)計(jì)需要，沉井可沿高度方向一次澆筑下沉，或分段澆筑一次下沉，或分段澆筑分次下沉。當(dāng)沉井高度較大時(shí)，可以依據(jù)具體高度和現(xiàn)場(chǎng)施工條件分二次澆筑或多次澆筑等，每節(jié)高度不宜大于6m，沉井底節(jié)高度一般為4～6m。

根據(jù)本工程水文及地質(zhì)情況，石兜水庫(kù)輸水管工程沉井采用排水下沉，干封底，在沉井外采用井點(diǎn)降水方法，將地下水位控制在底板板底標(biāo)高以下0.5m。沉井高度7.81～12.15m，采用二次澆筑一次下沉，底節(jié)高度控制在6m。

4 沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

(1)井壁厚度:沉井井體各部分的厚度需同時(shí)滿足下沉、受力及抗浮三方面的要求。沉井設(shè)計(jì)中一般應(yīng)優(yōu)先考慮沉井依靠其自重克服土層的摩阻力而下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高的原則，當(dāng)重量不足時(shí)，采取外加壓重或其他助沉措施，反之當(dāng)井體過(guò)重，下沉系數(shù)過(guò)大或地基承載力不足時(shí)，則應(yīng)適當(dāng)減薄井壁厚度。在施工階段，井體的各部分厚度應(yīng)滿足受力的要求，在使用階段，井體應(yīng)滿足相應(yīng)的正常使用要求。本工程施工階段采用排水下沉，只需考慮使用階段的抗浮要求。大型沉井受力大，井壁厚度一般較厚，壁厚可以逐漸變化也可以采用臺(tái)階形式使截面由下到上逐漸變薄，每個(gè)臺(tái)階的寬度為100～200mm?？紤]到下沉的因素，軟土地基上的沉井井壁變截面臺(tái)階宜設(shè)在井壁內(nèi)側(cè)，硬土地基上的沉井變截面臺(tái)階可設(shè)在井壁外側(cè)。

(2)井壁配筋:矩形沉井井壁的鋼筋，為方便施工，一般將外壁水平鋼筋設(shè)在垂直鋼筋的外側(cè)，但在井壁內(nèi)側(cè)水平鋼筋一般宜設(shè)在垂直鋼筋的里側(cè)。

(3)井壁與底板的連接:當(dāng)井壁與底板通過(guò)凹槽聯(lián)系時(shí)，凹槽深度可為150～200mm。本工程采用井壁設(shè)凹槽的連接方式，如圖1所示。底板的反力通過(guò)連接點(diǎn)傳給井壁，通過(guò)凹槽連接的節(jié)點(diǎn)按鉸支計(jì)算。

(4)刃腳:本工程沉井的刃腳外側(cè)設(shè)臺(tái)階，可以減小下沉阻力，如圖1所示。刃腳下水平支承踏面寬度隨土質(zhì)的軟硬調(diào)整，一般情況下，軟土地基下取0.4～0.6m，硬土地基下取0.15～0.3m。刃腳斜面與水平面的夾角通常取50°～60°，一般取60°。

(5)施工縫:沉井井壁施工縫應(yīng)采用凹槽式接法，結(jié)合面應(yīng)盡量粗糙，第二次澆注前應(yīng)將施工縫鑿毛，用水沖洗干凈，并在施工縫結(jié)合面涂刷純水泥漿兩遍(水灰比0.3～0.4)然后澆注混凝土。澆筑過(guò)程中確保混凝土結(jié)合密實(shí)，不得殘留縫隙，特別是梁與壁板結(jié)合處，沉井井壁與底板結(jié)合的刃腳榫口處均需按施工縫處理。

5 沉井結(jié)構(gòu)計(jì)算實(shí)例

以下沉井的結(jié)構(gòu)計(jì)算以最深的一處沉井為計(jì)算實(shí)例，樁號(hào)AK6+415處為一座矩形工作井，該沉井高度為12.15m。

(1)平面凈尺寸的確定。石兜水庫(kù)輸水管工程為大管徑輸水管工程，管徑從DN2400～DN1600，樁號(hào)AK6+415處為DN2200管道，根據(jù)管節(jié)長(zhǎng)度、頂管機(jī)長(zhǎng)度、千斤頂長(zhǎng)度并考慮安裝富余量及施工作業(yè)面，確定頂管井平面凈尺寸為8.0m×5.0m。

(2)下沉及使用階段抗浮驗(yàn)算。假設(shè)井壁厚t=750mm，通過(guò)計(jì)算得:井壁重Gk=6180kN，井壁總摩阻力Ffk=5649kN，下沉系數(shù)kst=1.09＞1.05，滿足下沉要求。使用階段沉井井壁自重G=7314kN，浮力=6719kN，抗浮系數(shù) k=1.09，滿足抗浮要求。fw

圖1

(3)刃腳計(jì)算。首先對(duì)水平框架的作用進(jìn)行判別:αf=1.99＞1.0，刃腳在內(nèi)外荷載作用下，按懸臂計(jì)算。刃腳內(nèi)側(cè)水平推力之和pl=73.2kN，刃腳根部向外的豎向彎矩Ml=63.54kN·m。刃腳底部水平向側(cè)壓力PAl=99.20kN，刃腳上部水平向側(cè)壓力P′Al=91.83kN，刃腳根部向內(nèi)的豎向彎矩Ml=30.96kN·m。在計(jì)算水平向側(cè)壓力時(shí)，不能直接采用刃腳所在土層的土壤內(nèi)摩擦角進(jìn)行計(jì)算，需將內(nèi)摩擦角轉(zhuǎn)換為等效內(nèi)摩擦角。

(4)沉井井壁計(jì)算。沉井井壁需要對(duì)沉井下沉前、封底前、封底后三種工況進(jìn)行計(jì)算，并要對(duì)施工階段的豎向抗拉進(jìn)行復(fù)核。沉井下沉前，在井壁每個(gè)方向設(shè)置兩個(gè)定位支承點(diǎn)，計(jì)算單位長(zhǎng)度井壁重產(chǎn)生的支座彎矩和跨中彎矩，支座彎矩 M支=233.13kN，跨中彎矩 M中=1036.15kN。沉井封底前，根據(jù)沉井的分節(jié)情況，對(duì)每一節(jié)的井壁進(jìn)行計(jì)算。沉井封底后，由于底板與井壁之間無(wú)預(yù)留鋼筋，底板與壁板按簡(jiǎn)支考慮，池壁之間按固結(jié)考慮，對(duì)井壁所受三角形荷載進(jìn)行雙向板的計(jì)算。需要注意的是，井壁計(jì)算過(guò)程中，也需要將內(nèi)摩擦角轉(zhuǎn)換為等效內(nèi)摩擦角。

6 結(jié)語(yǔ)

沉井的計(jì)算在給排水構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)計(jì)算中屬于較為繁瑣和復(fù)雜的，在實(shí)際應(yīng)用中遇到沉井的構(gòu)造要求、工況選取、內(nèi)摩擦角轉(zhuǎn)換等問(wèn)題時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)遺漏，進(jìn)而造成計(jì)算出現(xiàn)偏差。本文通過(guò)工程實(shí)例的具體計(jì)算過(guò)程對(duì)沉井的結(jié)構(gòu)計(jì)算進(jìn)行梳理，希望會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員提供一些幫助。

［1］黃丁，徐偉，李耀良.給排水沉井結(jié)構(gòu)下沉階段受力分析［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2014(08).

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［4］朱昌舉.淺談泥水平衡法頂管工作井的施工過(guò)程［J］.應(yīng)用技術(shù)，2014(07).

［5］上海市政工程設(shè)計(jì)研究院編.給水排水工程鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

［6］給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì)編.給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè).北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.