論大型沉井在取水泵房中的應(yīng)用

何劍平

（1.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海市200092；2.上海水業(yè)設(shè)計(jì)工程有限公司，上海市200092）

0 引 言

沉井是利用自重來(lái)抵抗井壁摩阻力后下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高，經(jīng)過(guò)混凝土封底，使其成為結(jié)構(gòu)物本體或基礎(chǔ)，主要由刃腳、井壁、底板、內(nèi)隔墻、支撐梁柱等構(gòu)成。沉井埋置深度范圍較廣，其作為基坑開(kāi)挖整體性強(qiáng)、安全性好，能承受較大的水平及豎向荷載作用。沉井作為擋土、擋水構(gòu)筑物，在下沉過(guò)程中本體可以作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，故簡(jiǎn)化了施工。

取水泵房是市政給水工程建設(shè)中一個(gè)非常重要的構(gòu)筑物，其對(duì)施工要求非常高，一般建成地下式或半地下式結(jié)構(gòu)。由于需要保證在枯水位時(shí)水泵能夠取水的功能，故其埋深往往較大。

隨著城市不斷發(fā)展，城市內(nèi)建（構(gòu)）筑物數(shù)量逐年增加，新建取水泵房鄰近必然存在施工開(kāi)挖時(shí)所影響的建（構(gòu)）筑物，沉井具有防滲性能好、質(zhì)量可靠、變形小、造價(jià)較低等優(yōu)勢(shì)，近些年，沉井作為圍護(hù)形式在實(shí)際工程中應(yīng)用越來(lái)越多。本文通過(guò)對(duì)城南水廠取水泵房沉井的有限元計(jì)算分析，為大型沉井施工提供理論依據(jù)。

1 工程背景

南京城南水廠取水口整合工程取水規(guī)模為35萬(wàn)m3/d，取水自流管采用2 根DN1800 鋼管，施工方式為取水泵房頂管+ 水下沉管+ 鋼管樁樁架。取水泵房作為頂管工作井，由進(jìn)水室、吸水井、泵房合建而成。該工程取水泵房平面尺寸為43.74 m×30.1 m，內(nèi)設(shè)隔墻、框架梁、壁柱，深度13.05 m，設(shè)計(jì)地坪標(biāo)高9.00 m（吳淞高程），現(xiàn)狀地坪標(biāo)高8.50 m。

2 場(chǎng)地周邊環(huán)境及工程地質(zhì)條件

取水泵房位于夾江南側(cè)現(xiàn)狀綠地內(nèi)，施工期間影響范圍內(nèi)的建（構(gòu)）筑物包括夾江大堤、梅山礦業(yè)泵房等；其中井體邊距離夾江土石大堤堤腳27.5 m，距梅山礦業(yè)泵房最近距離為37.2 m。

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告，取水泵房場(chǎng)地土層主要為①1層雜填土、①2層素填土、②1層粉質(zhì)黏土，C=21.0 kPa，Φ=12.8°、②2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土～粉質(zhì)黏土，C=12.0 kPa，Φ=11.9°、②3層粉質(zhì)黏土夾粉土粉砂，C=10.0 kPa，Φ=11.1°、③2層粉細(xì)砂，C=8.0 kPa，Φ=35.0°。底板底位于②3層粉質(zhì)黏土夾粉土粉砂，刃腳底落于③2層粉細(xì)砂。

3 取水泵房圍護(hù)形式選型

根據(jù)南京地區(qū)多年來(lái)軟土地下工程建設(shè)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)基坑周邊環(huán)境條件和水文地質(zhì)條件的研究，取水泵房圍護(hù)一般有沉井、單排灌注樁+支撐+止水帷幕、SMW 工法、雙排灌注樁+止水帷幕等形式。

沉井施工工藝成熟，在國(guó)內(nèi)外各地區(qū)各行業(yè)，特別是市政行業(yè)，得到了廣泛的應(yīng)用，適用于各種深度的基坑。隨著沉井施工工藝的不斷發(fā)展和工程經(jīng)驗(yàn)的不斷累積，近些年，沉井深度越來(lái)越深，平面尺寸越來(lái)越大。沉井作為頂管井施工完成后即可作為工藝永久井使用，無(wú)需在坑內(nèi)另作井，其造價(jià)較低，施工周期較短，頂管施工過(guò)程中安全系數(shù)較高。但沉井下沉?xí)r對(duì)周邊環(huán)境有影響，需通過(guò)井外施工止水帷幕保護(hù)樁進(jìn)行隔水及加固，以減小其施工帶來(lái)的影響。

灌注樁+內(nèi)支撐作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，高壓旋噴樁或水泥土攪拌樁作為止水帷幕，灌注樁+止水帷幕的墻體剛度大，施工過(guò)程中對(duì)周邊地基擾動(dòng)小，對(duì)鄰近建（構(gòu)）筑物的影響小，支護(hù)開(kāi)挖深度可達(dá)20 m，由于灌注樁施工周期長(zhǎng)，同時(shí)需要設(shè)置內(nèi)支撐，故施工工期較長(zhǎng)。

SMW 工法井為三軸攪拌樁插H 型鋼作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，具有擋土、擋水作用。具有經(jīng)濟(jì)性好，施工速度快的優(yōu)勢(shì)，但南京地區(qū)一般用于開(kāi)挖探度≤12 m 的頂管井。

雙排灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)為無(wú)支撐懸臂結(jié)構(gòu)，方便土方開(kāi)挖，在場(chǎng)地受限地區(qū)深基坑支護(hù)工程中具有廣泛的應(yīng)用，一般應(yīng)用于開(kāi)挖探度8～14m 基坑。

在經(jīng)濟(jì)方面，以上幾者相較而言，沉井的費(fèi)用較低；單排及雙排灌注樁圍護(hù)需另外本體結(jié)構(gòu)或加設(shè)鋼筋混凝土內(nèi)襯，費(fèi)用較高；SMW 工法的費(fèi)用不高，但適用深度較淺。

結(jié)合工程地質(zhì)水文條件、經(jīng)濟(jì)性、周邊環(huán)境、施工工期、安全性等方面綜合比較后，確定取水泵房采用沉井結(jié)構(gòu)形式，平面及剖面圖分別如圖1、圖2 所示。

圖1 取水泵房平面圖（單位：mm）

圖2 取水泵房剖面圖（單位：mm）

由于取水泵房距已建夾江大堤及梅山礦業(yè)泵房較近，故四周設(shè)置高壓旋噴樁止水帷幕兼做保護(hù)樁。該工程取水泵房沉井的下沉深度范圍內(nèi)有地下水且在下沉范圍內(nèi)的土層內(nèi)存在粉土層、粉細(xì)砂層，排水下沉容易，但可能造成流砂現(xiàn)象導(dǎo)致井體傾斜及周邊地面下陷，同時(shí)排水下沉?xí)r降水施工可能增加大堤及梅山礦業(yè)泵房沉降或傾斜，故該工程沉井采用不排水下沉，濕封底沉井施工。

4 取水泵房沉井穩(wěn)定性驗(yàn)算

（1）根據(jù)《給水排水工程鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》（CECS 137：2015）[1]表5.1.4，沉井應(yīng)進(jìn)行封底階段和使用階段的抗浮驗(yàn)算，該工程封底混凝土與底板間有拉結(jié)鋼筋連接，封底混凝土的自重可作為沉井抗浮重量的一部分，抗浮安全系數(shù)：Kf=Gik/B≥1.00。

Gik為取水泵房自重標(biāo)準(zhǔn)值，B為浮托力標(biāo)準(zhǔn)值。通過(guò)計(jì)算表明，施工階段（地下水位取下沉標(biāo)高下0.50 m）Gik=205347 kN，B=153916 kN，Kf=1.334；使用階段（地下水位取設(shè)計(jì)地面下0.50 m）Gik=222415 kN，B=193414 kN，Kf=1.15，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

（2）驗(yàn)算下沉?xí)r的下沉系數(shù)：Kst=（Gik-Ffw，k）/Ffk≥1.05，以保證沉井能夠順利下沉。

kst為下沉系數(shù)，Gik為下沉階段沉井自重標(biāo)準(zhǔn)值，F(xiàn)fw，k為下沉階段浮托力標(biāo)準(zhǔn)值，F(xiàn)fk為井壁摩阻力標(biāo)注值。通過(guò)計(jì)算表明，Gik=119827 kN，F(xiàn)fw，k=22 062 kN（不排水下沉），F(xiàn)fk=27092 kN，kst=3.6＞1.05，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

（3）根據(jù)下沉方式，驗(yàn)算下沉穩(wěn)定性系數(shù)：Kst，s=（Gik-F’fw，k）/（F’fk+Rb）=0.8～0.9，避免突沉發(fā)生。

kst，s為下沉穩(wěn)定系數(shù)，F(xiàn)’fw，k為驗(yàn)算狀態(tài)下浮托力標(biāo)準(zhǔn)值，F(xiàn)’fk為驗(yàn)算狀態(tài)下井壁摩阻力標(biāo)注值，Rb為刃腳、隔墻下地基土的極限承載力之和。通過(guò)計(jì)算表明，Gik=119827 kN，F(xiàn)’fw，k=15443 kN，F(xiàn)’fk=27092 kN，Rb=97820 kN，Kst，s=0.85。

（4）該工程沉井四周地坪標(biāo)高均為9.00 m，不存在前后兩面水平作用值不一樣，故可不進(jìn)行驗(yàn)算沉井的滑移和傾覆穩(wěn)定性。

5 計(jì)算原則及設(shè)計(jì)分析

沉井圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主要計(jì)算原則為：側(cè)向土壓力按照郎金主動(dòng)土壓力公式計(jì)算，采用水土分算；地面超載：基坑施工期間按20 kN/m2計(jì)；側(cè)向基床系數(shù)、地基土極限承載力根據(jù)地勘報(bào)告及結(jié)合規(guī)范有關(guān)條文取值；底板與井壁間，有預(yù)留插筋連接，底板計(jì)算按彈性固定考慮；底板計(jì)算時(shí)作用在底板上的反力假定按直線(xiàn)分布（計(jì)算反力時(shí)不考慮井壁與土的側(cè)摩阻力作用）；永久結(jié)構(gòu)池體最大裂縫寬度限值為0.20 mm。

常用沉井內(nèi)力的計(jì)算方法按照《給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》[2]：在水土壓力作用下，施工工況壁板分別截取刃腳底部、池壁底部、池壁變截面處進(jìn)行水平框架驗(yàn)算，使用工況壁板采用按三邊固定、頂邊自由的雙向板計(jì)算。扶壁柱及支撐梁組成的橫向框架按照荷載分配原則進(jìn)行一榀框架驗(yàn)算，此方法計(jì)算結(jié)果較大。Midas 有限元計(jì)算考慮了水平支撐的軸向變形及壁板、扶壁柱結(jié)構(gòu)整體的共同作用，更接近實(shí)際沉井受力狀態(tài)。

該工程為大型沉井且內(nèi)部布置較復(fù)雜，采用盈建科軟件進(jìn)行建模，通過(guò)模型轉(zhuǎn)換接口導(dǎo)入至有限元軟件Midas/Gen 來(lái)分析計(jì)算沉井的內(nèi)力、變形和配筋。梁、扶壁柱均采用梁?jiǎn)卧M，壁板采用板單元，網(wǎng)格尺寸為0.5 m。計(jì)算分為施工工況及使用工況。其中，在沉井的使用階段，其結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)底板及后澆隔墻澆筑完成后的結(jié)構(gòu)體系和實(shí)際作用進(jìn)行計(jì)算，Midas 模型如圖3 所示。

圖3 取水泵房三維模型

提取各壁板有限元計(jì)算得到的內(nèi)力結(jié)果，采用強(qiáng)度配筋及相關(guān)裂縫驗(yàn)算，具體計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表1，其中上壁板為標(biāo)高。由于篇幅文字受限，本文僅列取施工工況X，Y 向壁板彎矩圖，如圖4、圖5所示。

底板按照雙向板進(jìn)行強(qiáng)度及裂縫計(jì)算，按與壁板鉸接考慮。底板計(jì)算時(shí)，荷載主要為兩個(gè)工況：（1）水浮托力；（2）地基土凈反力（地下水位取值底板底面）。經(jīng)計(jì)算，工況（1）（2）底板凈反力分別為95.5 kPa 和174.9 kPa。計(jì)算所得，底板最大跨中彎矩設(shè)計(jì)值為1437 kN·m，上層配筋取為32@100，裂縫為0.13 mm，下層配筋為32@200。

表1 X 向壁板取水泵房?jī)?nèi)力包絡(luò)配筋表

6 沉井施工的監(jiān)測(cè)

由于沉井下沉?xí)r會(huì)帶動(dòng)周邊土體產(chǎn)生沉降及水平位移，故對(duì)井體四周土體及夾江大堤、梅山礦業(yè)泵房進(jìn)行每日沉降及位移監(jiān)測(cè)，并做好記錄。施工過(guò)程中，特別要加強(qiáng)對(duì)沉井北側(cè)夾江大堤的監(jiān)測(cè)，同時(shí)及時(shí)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如超過(guò)報(bào)警值，應(yīng)立即采取防護(hù)措施。施工階段需做好沉井周?chē)障秲?nèi)觸變泥漿的灌入、補(bǔ)漿和置換等工作，以防止周?chē)馏w坍塌。

目前沉井已竣工驗(yàn)收，在監(jiān)測(cè)期間內(nèi)，沉井四周土體最大沉降為45 mm，未發(fā)現(xiàn)裂縫、坍塌，北側(cè)大堤及西側(cè)泵房無(wú)發(fā)生沉降及傾斜，屬于安全可控狀態(tài)。

7 結(jié) 論

（1）通過(guò)對(duì)取水泵房周邊環(huán)境條件、水文地質(zhì)條件的研究和穩(wěn)定性驗(yàn)算，選擇沉井作為取水泵房基坑本體方法是科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、安全、可行的。

（2）該工程取水泵房沉井采用不排水下沉+止水帷幕的方式對(duì)周邊環(huán)境影響較小，此方法尤其適用于下沉范圍內(nèi)有砂性土且沉井周邊有沉降、位移限制規(guī)定要求的工程。

（3）通過(guò)采用Madis 有限元軟件對(duì)沉井的計(jì)算分析，能優(yōu)化構(gòu)筑物水池的壁厚及配筋，節(jié)省工程投資。