沉井法在粉细砂含水基坑集水坑开挖中的应用

徐海龙 刘士波

(1.中铁三局广州分公司，广东 广州 510630; 2.中铁三局集团有限公司，山西 太原 030001)

在粉细砂含水地层深基坑底部集水坑开挖施工中，往往因降水水位未达到设计开挖面高度，形成施工中的难点，很难顺利施工。这些基坑底部的小型集水坑，设计通常不会给出专项施工设计。常规方法开挖集水坑往往形成越挖越多，无法下挖，其他位置垫层下大面积漏空，不利于后期施工，结构质量无法保证，工程投入大量浪费，如图1所示。下面介绍几种针对上述情况的施工方法。

图1 集水坑开挖剖面示意图

1 沉井法

沉井法为多年施工中总结最理想的施工方法，适用于各种基坑下的进一步下挖施工。具有操作简单，施工安全，施工材料就地取材，施工成本相对较小。开挖断面较小时可利用人工开挖，较大时利用小型挖掘设备开挖。施工分以下步骤。

1.1 放出开挖范围轮廓线

按设计开挖线外放5 cm～10 cm。

1.2 支设模板

模板底采用外侧尖形(见图2)，靠结构侧考虑后期结构施工，不能倾线，利用钢板代替木模。开挖完成后对钢板上混凝土进行凿除。钢板厚采用1 cm～2 cm。无结构位置混凝土中间部位利用钢板焊出止水钢板，以利于钢板与沉井混凝土结构的有效连接及止水作用。伸出长度为0.8 m～1.0 m，见图3。

1.3 钢筋绑扎

为防止沉井开挖中因不均匀受力，造成混凝土沉井结构开裂，应采用钢筋混凝土施工。钢筋采用HRB，18 mm～25 mm钢筋，绑扎成单层或双层钢筋网，网孔间距15 cm～30 cm，钢板侧不必绑扎钢筋，但要焊锚筋，锚筋采用钢筋网同规格钢筋，锚筋长度为结构厚度，间距20 cm～50 cm。下面以3 m×5 m高2 m两侧有结构为例的支模方法，见图2。

图2 沉井结构平面示意图

图3 沉井钢板安放示意图

1.4 沉井下沉参数计算

本例中沉井下挖深度一般为1 m～3 m小于5 m，在受力计算时土压力按三角形计算。

1)单位面积摩擦系数取值。在设计给出单位面积摩擦系数时用设计给出值，设计未给出按下式计算:砂性土12 kPa～25 kPa，砂砾石15 kPa～20 kPa。沉井高度H=2 m(取值高度为自沉井顶部至韧角中间部位)。砂的高度h1=H×1/3，因有水从外向内流动取小值f1=12 kPa。回填碎石高度h2=H×2/3，因回填碎石较松散取小值f2=15 kPa。按上例因两侧无砂土及碎石与沉井产生摩擦力，但考虑沉井与围护结构的局部摩擦，将这两面与有砂，有碎石同条件考虑。

综上摩擦系数与高度加权平均:

2)下沉系数的计算。沉井自重标准值Gk:

Ffw，k下沉过程中水的浮托力标准值 Ffw，k:

抗浮验算，因下沉较浅，同时为抽水下沉、封底中做降水井，减小了浮力，不予考虑。Ffw，k=0。

井壁总摩阻力标准值Ffk:

按沉井结构0.5 m厚度计算。

其中，u为沉井结构中心线周长;H为沉井高度。

按沉井结构0.4 m厚度计算:Kst=1.29。

按沉井结构0.3 m厚度计算:Kst=0.97。

因下沉深度较小，一般小于3 m，因此粉细砂土层中下沉系数取 1.05。

要求下沉系数Kst≥1.05，取沉井结构厚度0.4 m，完全满足靠沉井自重下沉要求。

完全靠自重下沉沉井在计算时可先确定外侧摩阻力反推结构尺寸。

1.5 结构变形稳定性计算

1.5.1 结构自身变形稳定性

结构自身变形主要为在开挖过程中因不均匀下沉，造成结构局部破坏。结构开挖下沉过程中因为含水粉细砂，侧向受力均匀不会产生局部悬空造成结构破坏。同时受外侧土体摩擦力影响下结构下沉时土体摩擦力向上，当结构下部悬空时外侧土体摩擦力向上，基本不均匀受力很小，不予验算。

1.5.2 结构受外力作用下稳定性

沉井背后被主动土压力作用形成的对结构最不利受力点的破坏，结构最不利受力点为结构下部高度占结构高度1/3位置。

按郎肯更理论计算土压力(参数取设计给出参数)。

墙高H=2 m，墙面竖直(墙面与竖直线之间的夹角a=0)，光滑(墙面与填土的摩擦角b=0)，墙后填土为无粘性土(c=0)，内摩擦角 φ =30°，填土容重 r=16.8 kN/m3。

填土表面水平(填土表面与水平面之间的夹角e=0)，计算作用在挡土墙上的总主动土压力。

1)根据d=30°，计算主动土压力系数:

2)计算作用在挡土墙上的总主动土压力:

进行结构受力分析:按两边为固定端中间均布荷载单跨计算受力;最大弯矩为PL2/12[1];推得最大弯矩为16.46 kN·m;最大剪力PL/2[1];最大剪力为23.52 kN;按结构力学计算混凝土结构3 d强度满足受力要求。

2 开挖

混凝土浇筑完成后，待混凝土强度满足结构受力要求时开挖，为缩小等强时间，可采用高标号混凝土。一般为混凝土浇筑完3 d后开挖。开挖过程中采取对称均匀下挖。开挖面积小于25 m2通常采用人工开挖，吊车出土。面积大于25 m2通常采用吊车配合小型挖掘机开挖。开挖中实施抽水，抽水方法采用集水井法，实际施工中利用可活动水泵挂于井壁抽排，水泵下方挖深。本例中利用人工开挖，2 d内完工。取得较理想效果。

开挖时井壁外侧易形成塌空，应对塌空区及时回填2 cm～4 cm碎石，以利滤水挡砂，防止开挖量过大。

下面以坡道下集水井开挖为例，见图4。

图4 坡道下集水坑开挖剖面示意图

坡道处开挖在降水不充分情况下，考虑开挖后坡面成形，利用2 cm～4 cm碎石对坡道位置局部换填，换填宽度为1 m～2 m，换填深度为1 m～2 m，换填区间距为1 m～2 m，可起到滤水护坡作用。

3 结语

以上方法针对粉细砂地层中，降水未达设计开挖底面的施工方法，在实际施工中几种方法结合使用，可起到较理想的效果，其原理为封闭、降水、滤水、排水。最终有效处理粉细砂地层中含水量较大造成的施工难点问题。以上方法在杭州下沙西站、下沙中心站地铁施工中及在广州佛山朝安地铁站施工中应用取得较理想的效果。

[1] 龙驭球，包世华，匡文起，等.结构力学教程(Ⅰ)[M].北京:高等教育出版社，2000.

[2] 王梦恕.中国隧道及地下工程修建技术[M].北京:人民交通出版社，2010.

[3] 刘格非.穿越厚松砂层的沉井基础[J].福州大学学报，2000(2):67-69.