软弱地区泵站工程的沉井结构设计

软弱地区泵站工程的沉井结构设计

钟腾蒋

深圳市市政设计研究院有限公司广东深圳518029

摘要：沉井结构的设计是否合理，对于工程运行及投资效益有着重大的影响，基于此，文章结合工程实际，对某软弱地区取水泵站沉井结构设计的关键要点进行了分析，对类似工程具有一定的借鉴意义。

关键词：沉井；结构设计；保护措施

随着城市市政建设的迅猛发展，需要续建许多的地下设施或半地下式构筑物，如水池、沉淀池、雨污水泵站等。但在设计施工过程中，经常遇到如构筑物埋深较深、施工场地受限、与周围建筑物距离较近、地下水位较高、不良地基等情况，此时，采用沉井施工工艺是一种比较好的选择，其可靠性好，对周围地层扰动少，对不良地基的适应性强，施工工艺相对简单，适合于在场地狭窄、软弱土层中施工，其施工技术在城市建设中的作用日益凸显,将得到更为广泛的应用。

1.工程概况

某新建提升泵站规模为20万t/d，主要包括吸水井、输入泵房、提升泵房头部以及其他附属构筑物。该工程抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，抗震设防烈度为乙类，按8度采取抗震措施；设计地震分组为第三组，场地为Ⅲ类，特征周期为0.65s。地基基础设计等级为乙级。该工程提升泵房采用现浇钢筋混凝土结构，沉井施工方式。结构平面尺寸为17.5m×42.4m；现状地坪标高为3.00m（黄海85高程），底板顶标高为-8.90m。沉井平面图如图1所示。

图1沉井结构简图

2.工程地质条件

根据该工程的地质勘察报告，拟建场地为海积平原地貌单元。在干湿交替作用条件下，地下水对混凝土结构具有微腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋具中腐蚀性。

拟建构筑物处地质土层描述见表1。其中：（2）层黏土层为软塑态；（3）层淤泥层为流塑态，且承载力特征值为60kPa和40kPa，属于软弱土层；（8）层粉砂层为透水层。

3.沉井结构设计

该工程沉井设计及施工过程存在以下难点：

（1）沉井结构尺寸大，长度达到42.4m，且长宽比大于2。合理地进行结构分隔，增强结构整体性，对于结构受力计算和施工沉井下沉稳定性有着重要影响。沉井结构布置应满足原水管道顶管施工需求，即作为顶管工作井的需求。

（2）沉井施工地质环境较为复杂，需要穿越（3）层淤泥质软弱土层，如处理不妥，可能出现沉井下沉过快甚至突沉的情况；同时，淤泥质土开挖时，容易造成土体涌入，引起周边地面沉降增加情况。在穿越（8）层粉砂透水层时，刃脚底部开挖可能引起局部土体塌陷，且不易于降水。

针对以上工程特点，本文着重阐述结构合理化设计、下沉计算以及环境保护措施等方面。

3.1结构设计基本原则

（1）结构尺寸的确定：提升泵结构尺寸根据工艺专业功能确定最小净尺寸；同时，结构尺寸应满足顶管施工最小尺寸要求。

（2）沉井隔墙分隔原则：沉井长度、宽度均较大，且长宽比超过2，为保证沉井具有足够的强度及刚度，长度方向设置3道隔墙、宽度方向设置1道隔墙。为保证顶管施工空间要求，宽度方向的隔墙设置便于顶管机通过的洞口，洞口采取加固措施。

（3）沉井壁板、隔板的厚度根据沉井设计整体稳定系数以及结构受力、裂缝控制等要求确定。

（4）混凝土等级为C40、S8，钢筋等级为HRB400。

3.2沉井下沉稳定性验算

根据《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》（CECS137：2015），沉井下沉系数应满足下列公式要求：

Kst=（Gik-Ffw，k）/Ffk≥1.05

式中：kst为下沉系数；Gik为沉井自重标准值；Ffw，k为浮托力标准值；Ffk为井壁总摩阻力标注值。经计算，Gik=63455kN，Ffw，k=0kPa（排水下沉），Ffk=21941kPa，kst=2.89＞1.2。

下沉系数较大，沉井下沉过程中存在软弱土层，应进一步验算下沉稳定系数，应满足下列公式要求：

Kst，s=（Gik-F’fw，k）/（F’fk+Rb）=0.8~0.9

式中：kst,s为下沉稳定系数；F’fw，k为验算状态下浮托力标准值；F’fk为验算状态下井壁总摩阻力标注值；Rb为刃脚、隔墙下地基土的极限承载力之和。沉井刃脚标高为-12.4m，进入（8）层粉砂层约0.3m，极限承载力值按上层土承载力特征值两倍取值，即为320kPa。

经计算，Rb=56612kN，kst,s=0.81，符合下沉稳定性要求。

由于下沉系数大于1.5，不另计算井壁竖向抗拉工况。

3.3沉井结构计算

沉井结构计算包括施工阶段强度计算、使用阶段强度和裂缝计算、地基承载力和抗浮验算。

3.3.1沉井壁板

沉井下沉至设计标高、底板还未浇筑前，沉井结构处于受力最不利情况。从结构设计合理性、经济性考虑，沉井沿竖向分为三段进行计算分析，即刃脚、池壁底部、池壁变厚处。限于篇幅，本文以池壁底部结构计算为例，阐述其设计分析过程。沉井井壁可以视为水平封闭框架，一般可采用公式法和弯矩分配法。该工程结构体系较为复杂，采用理正结构设计工具箱进行水平框架计算，构件尺寸和荷载如图2所示。

图2沉井水平框架计算简图

其中，该沉井段荷载由水土荷载和刃脚水平剪力组成。经计算，两部分荷载分别为142.9kN和199.5kN，故计算荷载取350kN。弯矩计算结果如图3所示。

图3沉井水平框架弯矩设计值

其中，角部最大弯矩设计值为4066.6kN·m，跨中最大弯矩设计值为2170kN·m。由于壁板厚度较大，考虑角部设计弯矩值进行折减，即

M角部=M-ΔM，ΔM=Qb/3

式中：ΔM为弯矩折减值；Q为角部边缘剪力；b为壁板宽度。

经计算，角度最大弯矩设计值为3250kN·m。考虑沉井为永久工作井，且有渗水控制要求，故综合考虑按照最大弯矩设计值计算强度配筋，按照最大弯矩标准值计算裂缝配筋，取两者计算配筋较大值。该工程中，池壁底部水平框架角部配筋采用双层28@100，跨中配筋采用28@100。

3.3.2沉井底板

沉井首节结构制作时，应在底板处预留凹槽并预留插筋。底板浇筑完成后，底板可视为与壁板铰接，按照双向板进行强度及裂缝计算。底板荷载主要为浮托力或底板净反力较大值。经计算，底板最大跨中弯矩设计值为840.5kN·m，上层控制配筋为25@100。

3.3.3地基承载力和抗浮验算。

该工程中，沉井的地基反力值主要由四部分构成，即沉井结构自重、沉井顶板覆土重、沉井内水重、沉井上部允许活荷载值。经计算，地基反力值为250.6kPa。沉井底板位于（7）层黏土层，经计算，其修正后的承载力值为320kPa＞250.6kPa，故地基承载力满足设计规范要求。

用于抗浮验算的荷载值主要由两部分构成，即沉井结构自重和顶板覆土重。经计算，抗浮系数K=G/F=77266/71232=1.08＞1.05，故抗浮系数满足设计规范要求。

3.4沉井施工环境保护措施

该工程沉井施工前，周围设置止水帷幕，采用800@600三重管高压旋喷桩，桩长应满足旋喷互相对不适水层以下不小于1.5米控制。为了控制沉井倾斜，同时减少沉井下沉卡住，止水帷幕与沉井结构外壁净距为0.6m。

目前，沉井施工已经顺利完成，施工工期约为8个月，周边地面沉降最大仅为50mm。事实表明，止水帷幕可以防止沉井下沉时大量土体的涌入，减少降水对周边环境的影响。

4.结论

综上所述，沉井是软土地基中深基础施工方法之一,在工程用地与环境条件受到限制或埋深较大的地下构筑物工程中被广泛应用。该工程对于软土地质条件的沉井工程设计提供和积累了可靠的施工经验，总结为：沉井平面尺寸较大，隔墙的合理设置至关重要，有利于结构受力计算以及下沉的稳定性；沉井周围止水帷幕的设置可以很好地避免土体涌入，减少对周边环境的影响。

参考文献：

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