井壁片螺栓連接的裝配式沉井

周書(shū)東 張彤煒 張 益 文 杰 麥鎮(zhèn)東 韓龍偉 劉正剛 田錦虎

1. 東莞市建筑科學(xué)研究所 廣東 東莞 523809；2. 中國(guó)水利水電第七工程局有限公司 四川 成都 611730

隨著建筑業(yè)的不斷發(fā)展，裝配式建筑、綠色施工、節(jié)能降耗已成為建筑業(yè)發(fā)展的時(shí)代要求，也是建筑企業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的必然選擇[1-3]。截污管網(wǎng)等沉井結(jié)構(gòu)通常采用現(xiàn)澆方式建造，其施工所需要的作業(yè)面較大、施工周期長(zhǎng)、受天氣變化影響大、工程成本高，隨著建筑的產(chǎn)業(yè)升級(jí)，開(kāi)發(fā)出一種新的沉井建造技術(shù)是十分必要的。裝配式沉井技術(shù)采用濕接縫連接和通過(guò)預(yù)應(yīng)力筋連接[4]將各井壁片連接成整體，實(shí)現(xiàn)了沉井裝配化施工，綠色環(huán)保，部分構(gòu)件可回收利用，大大提高了工作效率，并節(jié)省造價(jià)。本文將以具體應(yīng)用工程為例，闡述井壁片螺栓連接的裝配式沉井建造方式及其意義。

1 工程概況

茅洲河流域綜合整治（東莞部分）一期項(xiàng)目工程（包含長(zhǎng)安鎮(zhèn)環(huán)山渠及新民排渠、霄邊排渠及陳蔡涌、東引運(yùn)河子項(xiàng)截污次支管工程）為東莞市截水排污重點(diǎn)工程，項(xiàng)目地處東莞市長(zhǎng)安鎮(zhèn)。項(xiàng)目所在區(qū)域地層自上而下主要為人工填土層、第四系全新統(tǒng)海陸交互相沉積層、第四系沖積層第四系殘積層，下伏基巖為第三系粉砂巖、層下古生界混合花崗巖（Pz1）。裝配式沉井所處地層主要為淤泥（表1）。

表1 物理力學(xué)參數(shù)

本項(xiàng)目沉井內(nèi)徑3～8 m。結(jié)合工程實(shí)際，選用工程量占比最大及市場(chǎng)上應(yīng)用最廣，直徑分別為3、4、5 m的沉井，采用裝配式建造技術(shù)。

2 井壁片螺栓連接的裝配式沉井

2.1 裝配式沉井結(jié)構(gòu)的構(gòu)成與形式

裝配式沉井結(jié)構(gòu)是由井片或含混凝土填充的頂管孔洞的井片、螺栓、止水橡膠條、混凝土封堵的頂管孔洞和吊耳構(gòu)成[4-6]。

螺栓連接的裝配式沉井根據(jù)沉井大小分為2種形式：第1種為2.5 m≤D＜3.5 m的沉井（D為沉井內(nèi)徑)，結(jié)構(gòu)組成統(tǒng)一采用D＝3 m，由上、下2種結(jié)構(gòu)形式的預(yù)制井片裝配而成。下部結(jié)構(gòu)井片分為2個(gè)半圓預(yù)制，井片高度2 m，下部設(shè)有刃腳，徑向井片間預(yù)留φ28 mm手孔及螺栓孔，通過(guò)2組共計(jì)4顆Q235的φ24 mm螺栓連接成一個(gè)環(huán)形整體。井片上部結(jié)構(gòu)為一個(gè)完整的環(huán)形，單節(jié)高度1 m，上下圓環(huán)井片沿環(huán)向均分布8個(gè)φ28 mm手孔及螺栓孔，上下結(jié)構(gòu)通過(guò)8顆Q235的φ24 mm螺栓連接成一個(gè)整體。上部具體圓環(huán)節(jié)數(shù)可根據(jù)沉井實(shí)際深度進(jìn)行確定。第2種是沉井3.5 m≤D＜5.5 m時(shí)，結(jié)構(gòu)組成統(tǒng)一采用直徑D為4 m和5 m，沉井下部由4片井片組成，每個(gè)井片高度為2 m，徑向井片間預(yù)留φ28 mm手孔及螺栓孔，通過(guò)4組共計(jì)8顆Q235的φ24 mm螺栓連接形成一個(gè)環(huán)形整體。上部井片則由2片半圓井片組成，半圓井片高度為1 m，徑向井片間預(yù)留φ28 mm手孔及螺栓孔，通過(guò)2組共計(jì)4顆Q235的φ24 mm螺栓連接成一個(gè)環(huán)形整體，上下圓環(huán)井片沿環(huán)向均分布8個(gè)φ28 mm手孔及螺栓孔，上下結(jié)構(gòu)通過(guò)8顆Q235的φ24 mm螺栓連接成一個(gè)整體。上部具體半圓井片數(shù)量可根據(jù)沉井實(shí)際深度進(jìn)行確定。沉井井壁片的上下、左右邊緣均設(shè)有與相鄰井片相連的凹槽或凸起，形成一道卡槽，并在卡槽中敷設(shè)止水橡膠條。

第1種形式：壁厚t＝0.3 m、內(nèi)徑D＝3 m、深度h＝6 m的裝配式沉井，應(yīng)用BIM軟件建立對(duì)應(yīng)的三維模型，如圖1～圖5所示。

圖1 裝配式沉井下部井片整圓結(jié)構(gòu)

圖2 裝配式沉井下部 井片半圓結(jié)構(gòu)

圖3 裝配式沉井承插式 豎向卡槽＋止水橡膠條

圖4 裝配式沉井上部井片

圖5 裝配式沉井整體結(jié)構(gòu)

第2種形式：壁厚t＝0.4 m、內(nèi)徑D＝5 m、深度h＝6 m的裝配式沉井，其模型圖如圖6～圖11所示。

圖6 裝配式沉井下部井片1/4圓結(jié)構(gòu)

圖7 裝配式沉井下部 井片整圓結(jié)構(gòu)

圖8 裝配式沉井承插式 豎向卡槽＋止水橡膠條

圖9 裝配式沉井上部沉井1/2圓結(jié)構(gòu)

圖10 裝配式沉井上部沉井整圓結(jié)構(gòu)

圖11 裝配式沉井整體結(jié)構(gòu)

2.2 螺栓連接

裝配式沉井在豎向和徑向都是采用螺栓連接的，具體以壁厚t＝0.4 m、內(nèi)徑D＝5 m、沉井深度h＝6.0 m的裝配式沉井為例，其連接方式如圖12～圖14所示。

圖12 裝配式沉井下部井片

圖13 裝配式沉井上部井片

圖14 裝配式沉井預(yù)埋彎管和連接螺栓實(shí)物

2.3 裝配式沉井施工流程

裝配式沉井預(yù)制→井位開(kāi)挖1 m和墊層澆筑→下部井片拼裝和安裝就位→下部井片下沉1.5 m→上部井片安裝就位和下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高→封底和底板澆筑→上部井片回收

2.4 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

1）根據(jù)沉井管徑不同將沉井分成多種井片。

2）井片采用工廠預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)拼裝，井片間通過(guò)螺栓干式連接拼裝成沉井結(jié)構(gòu)；上下井壁錯(cuò)位安裝，形成上下疊合錯(cuò)縫拼接。

3）井片的上下、左右邊緣均設(shè)有與相鄰井片相連的凹槽或凸起，形成一道卡槽，并在卡槽中敷設(shè)止水橡膠條。

4）通過(guò)預(yù)留弧形井壁片螺栓孔和手孔，用螺栓可實(shí)現(xiàn)與上下、左右井片的有效連接或分離。

5）回填通過(guò)拆卸螺栓，可對(duì)上部井片進(jìn)行部分回收重復(fù)利用。

2.5 沉井力學(xué)計(jì)算

以直徑3 m，深度6 m裝配式沉井為例：

1）沉井整體計(jì)算。按照最不利地質(zhì)條件（淤泥等軟弱地層），進(jìn)行裝配式沉井結(jié)構(gòu)核算，本次采用有限元軟件Abaqus對(duì)沉井進(jìn)行仿真模擬，具體如圖15所示。

沉井計(jì)算結(jié)果如圖16～圖18所示。

圖15 裝配式沉井三維模型結(jié)構(gòu)

圖16 裝配式沉井結(jié)構(gòu) 整體應(yīng)力云圖

圖17 裝配式沉井典型豎向鋼筋應(yīng)力云圖

圖18 裝配式沉井典型下部應(yīng)力云圖

由圖17可知，材質(zhì)為Q235的φ24 mm螺栓屈服應(yīng)力為143.1 MPa，滿(mǎn)足規(guī)范[7]要求；由圖18可知，材質(zhì)為C30的混凝土屈服壓應(yīng)力為8.6 MPa，滿(mǎn)足規(guī)范[8]要求。

2）沉井吊耳驗(yàn)算。沉井吊耳采用材質(zhì)為Q235的φ 20 mm圓鋼，埋置深度為200 mm，構(gòu)造彎曲長(zhǎng)度為15D，單片沉井最大質(zhì)量為8 t。經(jīng)計(jì)算，吊耳強(qiáng)度、吊耳與混凝土黏結(jié)強(qiáng)度等均滿(mǎn)足規(guī)范[7-8]要求。

3 社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益

1）井壁片螺栓連接的裝配式沉井能有效地節(jié)約資源，降低施工噪聲，減少施工垃圾及污染環(huán)境的廢棄物，通過(guò)回收上部井壁片，可在同類(lèi)型沉井結(jié)構(gòu)中重復(fù)使用，從而減少井壁片的工程量和大量的建筑垃圾。

1）與同規(guī)格傳統(tǒng)現(xiàn)澆沉井對(duì)比（以直徑3 m，深度6 m裝配式沉井為例），采用井壁片螺栓連接的裝配式沉井，省去了模板制作量以及腳手架的搭設(shè)，減少了架管使用量，其節(jié)約材料及人工費(fèi)約15 348元/座；從工期上分析，裝配式沉井建造時(shí)間短，可縮減12～15 d，從現(xiàn)場(chǎng)施工占地范圍分析，裝配式沉井占地面積較現(xiàn)澆沉井節(jié)約面積約8 m2。

4 結(jié)語(yǔ)

1）結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，選用工程占比最大以及市場(chǎng)應(yīng)用最廣的沉井規(guī)格進(jìn)行裝配式施工，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化設(shè)計(jì)，裝配式沉井分為直徑3 m和直徑4、5 m這2種類(lèi)型。

2）直徑為3 m的沉井拆分為上部井片和下部井片，下部結(jié)構(gòu)井片分為2個(gè)半圓預(yù)制，井片高2 m，下部設(shè)有刃腳，上部結(jié)構(gòu)井片為一個(gè)完整環(huán)形，單節(jié)高1 m，上部圓環(huán)節(jié)數(shù)根據(jù)沉井深度確定；直徑為4、5 m的沉井拆分為上部井片和下部井片，下部結(jié)構(gòu)井片分為4個(gè)1/4圓預(yù)制，井片高2 m，下部設(shè)有刃腳，上部結(jié)構(gòu)為2個(gè)半圓預(yù)制，單節(jié)高1 m，上部圓環(huán)節(jié)數(shù)根據(jù)沉井深度確定。井片上下、左右邊緣均設(shè)有與相鄰井片相連的凹槽或凸起，形成一道卡槽。

3）井壁片通過(guò)已有的凹槽或凸起形成的卡槽進(jìn)行拼裝，卡槽內(nèi)敷設(shè)止水橡膠條，能很好地起到止水效果。上下左右井壁片位置可以利用預(yù)留手孔和螺栓孔進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)修正。井壁片間通過(guò)擰緊多根φ2 mm螺栓進(jìn)行連接。待回填至上部井片最上一層井片位置時(shí)，拆卸連接螺栓，可將上部井片一節(jié)進(jìn)行回收重復(fù)利用。

4）井壁片螺栓連接的裝配式沉井具有當(dāng)前現(xiàn)澆沉井所不具有的快速施工、提高精度、節(jié)省造價(jià)、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，在截污管網(wǎng)工程中具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值，隨著技術(shù)的不斷完善和推廣，井壁片螺栓連接的裝配式沉井將會(huì)得到大量的應(yīng)用。