井壁片螺栓连接的装配式沉井

周书东 张彤炜 张 益 文 杰 麦镇东 韩龙伟 刘正刚 田锦虎

1. 东莞市建筑科学研究所 广东 东莞 523809；2. 中国水利水电第七工程局有限公司 四川 成都 611730

随着建筑业的不断发展，装配式建筑、绿色施工、节能降耗已成为建筑业发展的时代要求，也是建筑企业生产发展的必然选择[1-3]。截污管网等沉井结构通常采用现浇方式建造，其施工所需要的作业面较大、施工周期长、受天气变化影响大、工程成本高，随着建筑的产业升级，开发出一种新的沉井建造技术是十分必要的。装配式沉井技术采用湿接缝连接和通过预应力筋连接[4]将各井壁片连接成整体，实现了沉井装配化施工，绿色环保，部分构件可回收利用，大大提高了工作效率，并节省造价。本文将以具体应用工程为例，阐述井壁片螺栓连接的装配式沉井建造方式及其意义。

1 工程概况

茅洲河流域综合整治（东莞部分）一期项目工程（包含长安镇环山渠及新民排渠、霄边排渠及陈蔡涌、东引运河子项截污次支管工程）为东莞市截水排污重点工程，项目地处东莞市长安镇。项目所在区域地层自上而下主要为人工填土层、第四系全新统海陆交互相沉积层、第四系冲积层第四系残积层，下伏基岩为第三系粉砂岩、层下古生界混合花岗岩（Pz1）。装配式沉井所处地层主要为淤泥（表1）。

表1 物理力学参数

本项目沉井内径3～8 m。结合工程实际，选用工程量占比最大及市场上应用最广，直径分别为3、4、5 m的沉井，采用装配式建造技术。

2 井壁片螺栓连接的装配式沉井

2.1 装配式沉井结构的构成与形式

装配式沉井结构是由井片或含混凝土填充的顶管孔洞的井片、螺栓、止水橡胶条、混凝土封堵的顶管孔洞和吊耳构成[4-6]。

螺栓连接的装配式沉井根据沉井大小分为2种形式：第1种为2.5 m≤D＜3.5 m的沉井（D为沉井内径)，结构组成统一采用D＝3 m，由上、下2种结构形式的预制井片装配而成。下部结构井片分为2个半圆预制，井片高度2 m，下部设有刃脚，径向井片间预留φ28 mm手孔及螺栓孔，通过2组共计4颗Q235的φ24 mm螺栓连接成一个环形整体。井片上部结构为一个完整的环形，单节高度1 m，上下圆环井片沿环向均分布8个φ28 mm手孔及螺栓孔，上下结构通过8颗Q235的φ24 mm螺栓连接成一个整体。上部具体圆环节数可根据沉井实际深度进行确定。第2种是沉井3.5 m≤D＜5.5 m时，结构组成统一采用直径D为4 m和5 m，沉井下部由4片井片组成，每个井片高度为2 m，径向井片间预留φ28 mm手孔及螺栓孔，通过4组共计8颗Q235的φ24 mm螺栓连接形成一个环形整体。上部井片则由2片半圆井片组成，半圆井片高度为1 m，径向井片间预留φ28 mm手孔及螺栓孔，通过2组共计4颗Q235的φ24 mm螺栓连接成一个环形整体，上下圆环井片沿环向均分布8个φ28 mm手孔及螺栓孔，上下结构通过8颗Q235的φ24 mm螺栓连接成一个整体。上部具体半圆井片数量可根据沉井实际深度进行确定。沉井井壁片的上下、左右边缘均设有与相邻井片相连的凹槽或凸起，形成一道卡槽，并在卡槽中敷设止水橡胶条。

第1种形式：壁厚t＝0.3 m、内径D＝3 m、深度h＝6 m的装配式沉井，应用BIM软件建立对应的三维模型，如图1～图5所示。

图1 装配式沉井下部井片整圆结构

图2 装配式沉井下部 井片半圆结构

图3 装配式沉井承插式 竖向卡槽＋止水橡胶条

图4 装配式沉井上部井片

图5 装配式沉井整体结构

第2种形式：壁厚t＝0.4 m、内径D＝5 m、深度h＝6 m的装配式沉井，其模型图如图6～图11所示。

图6 装配式沉井下部井片1/4圆结构

图7 装配式沉井下部 井片整圆结构

图8 装配式沉井承插式 竖向卡槽＋止水橡胶条

图9 装配式沉井上部沉井1/2圆结构

图10 装配式沉井上部沉井整圆结构

图11 装配式沉井整体结构

2.2 螺栓连接

装配式沉井在竖向和径向都是采用螺栓连接的，具体以壁厚t＝0.4 m、内径D＝5 m、沉井深度h＝6.0 m的装配式沉井为例，其连接方式如图12～图14所示。

图12 装配式沉井下部井片

图13 装配式沉井上部井片

图14 装配式沉井预埋弯管和连接螺栓实物

2.3 装配式沉井施工流程

装配式沉井预制→井位开挖1 m和垫层浇筑→下部井片拼装和安装就位→下部井片下沉1.5 m→上部井片安装就位和下沉至设计标高→封底和底板浇筑→上部井片回收

2.4 技术创新点

1）根据沉井管径不同将沉井分成多种井片。

2）井片采用工厂预制，现场拼装，井片间通过螺栓干式连接拼装成沉井结构；上下井壁错位安装，形成上下叠合错缝拼接。

3）井片的上下、左右边缘均设有与相邻井片相连的凹槽或凸起，形成一道卡槽，并在卡槽中敷设止水橡胶条。

4）通过预留弧形井壁片螺栓孔和手孔，用螺栓可实现与上下、左右井片的有效连接或分离。

5）回填通过拆卸螺栓，可对上部井片进行部分回收重复利用。

2.5 沉井力学计算

以直径3 m，深度6 m装配式沉井为例：

1）沉井整体计算。按照最不利地质条件（淤泥等软弱地层），进行装配式沉井结构核算，本次采用有限元软件Abaqus对沉井进行仿真模拟，具体如图15所示。

沉井计算结果如图16～图18所示。

图15 装配式沉井三维模型结构

图16 装配式沉井结构 整体应力云图

图17 装配式沉井典型竖向钢筋应力云图

图18 装配式沉井典型下部应力云图

由图17可知，材质为Q235的φ24 mm螺栓屈服应力为143.1 MPa，满足规范[7]要求；由图18可知，材质为C30的混凝土屈服压应力为8.6 MPa，满足规范[8]要求。

2）沉井吊耳验算。沉井吊耳采用材质为Q235的φ 20 mm圆钢，埋置深度为200 mm，构造弯曲长度为15D，单片沉井最大质量为8 t。经计算，吊耳强度、吊耳与混凝土黏结强度等均满足规范[7-8]要求。

3 社会及经济效益

1）井壁片螺栓连接的装配式沉井能有效地节约资源，降低施工噪声，减少施工垃圾及污染环境的废弃物，通过回收上部井壁片，可在同类型沉井结构中重复使用，从而减少井壁片的工程量和大量的建筑垃圾。

1）与同规格传统现浇沉井对比（以直径3 m，深度6 m装配式沉井为例），采用井壁片螺栓连接的装配式沉井，省去了模板制作量以及脚手架的搭设，减少了架管使用量，其节约材料及人工费约15 348元/座；从工期上分析，装配式沉井建造时间短，可缩减12～15 d，从现场施工占地范围分析，装配式沉井占地面积较现浇沉井节约面积约8 m2。

4 结语

1）结合项目实际情况，选用工程占比最大以及市场应用最广的沉井规格进行装配式施工，通过标准化和模块化设计，装配式沉井分为直径3 m和直径4、5 m这2种类型。

2）直径为3 m的沉井拆分为上部井片和下部井片，下部结构井片分为2个半圆预制，井片高2 m，下部设有刃脚，上部结构井片为一个完整环形，单节高1 m，上部圆环节数根据沉井深度确定；直径为4、5 m的沉井拆分为上部井片和下部井片，下部结构井片分为4个1/4圆预制，井片高2 m，下部设有刃脚，上部结构为2个半圆预制，单节高1 m，上部圆环节数根据沉井深度确定。井片上下、左右边缘均设有与相邻井片相连的凹槽或凸起，形成一道卡槽。

3）井壁片通过已有的凹槽或凸起形成的卡槽进行拼装，卡槽内敷设止水橡胶条，能很好地起到止水效果。上下左右井壁片位置可以利用预留手孔和螺栓孔进行对准修正。井壁片间通过拧紧多根φ2 mm螺栓进行连接。待回填至上部井片最上一层井片位置时，拆卸连接螺栓，可将上部井片一节进行回收重复利用。

4）井壁片螺栓连接的装配式沉井具有当前现浇沉井所不具有的快速施工、提高精度、节省造价、绿色环保等优势，在截污管网工程中具有较强的应用价值，随着技术的不断完善和推广，井壁片螺栓连接的装配式沉井将会得到大量的应用。