沉井(open caisson)

上端无盖、下端无底、沉入岩土或水下作为施工护壁用的筒形结构。沉井作为施工护壁结构、建(构)筑物基础结构或地下建筑物的一部分，用途非常广泛。例如可用作桥梁墩台基础，海上石油钻井平台基础，大型建筑物基础，地下泵房、沉淀池、水池、储存槽、油库、仓库、翻车机坑(图1)等地下结构物的外壁，地下铁道、水底隧道、地下人防工程等的通风井，顶管的工作井和接收井，盾构的拼装、后座和拆卸井，水中施工兼作防水围堰等。

沉井类型按平面形状分，可分为单独沉井和连续沉井两类。单独沉井的平面形状有圆形、圆端形、方形、矩形和多边形。连续沉井是将一个长沉井分成数段或将若干单独沉井连接而成。一般采用圆形或矩形单独沉井组成。矩形连续沉井由两块侧壁用上下横梁连接而成，井壁两端不封闭。

按制作材料分，可分为混凝土沉井、钢筋混凝土沉井、竹筋混凝土沉井、钢丝网水泥沉井、钢沉井、木沉井和砖石沉井。钢筋混凝土沉井一般是就地现浇，也可预制拼装。竹筋混凝土沉井多用于产竹地区，钢丝网水泥沉井多用于水下基础施工，钢沉井一般用于大型深水基础或浮运的沉井，木沉井常以木材与其他材料混合使用，砖、石沉井多用于中小型基坑。

沉井构造一般由刃脚、井壁、隔墙、凹槽、封底和顶盖组成(图2)。(1)井壁下端为刃脚，其下部水平面称为踏面。(2)沉井外壁可做成垂直形、台阶形、斜坡形和倒锥形。垂直形较易控制沉井垂直下沉，但井壁与土之间的摩阻力较大，故一般多用于入土不深或松软土层中；台阶形便于加高井壁；斜坡形可减少井壁与土之间的摩阻力，但下沉过程容易倾斜；倒锥形适宜在很软的土层中使用。浮运的沉井井壁常做成双壁空腔式。(3)沉井内部可根据需要做隔墙，将沉井划分成多个取土井。取土井应对称设置，以利均衡挖土或纠正偏斜，取土井尺寸须能容纳机械挖土斗的自由上下。隔墙下一般都设有施工人员可以往来的过人孔。隔墙底一般高出刃脚底面0.5～1.0m，以利沉井下沉。(4)刃脚上方设凹槽，以利封底混凝土嵌入井壁，形成整体。如在凹槽处浇灌钢筋混凝土盖板，可将沉井改为沉箱施工。(5)沉井下沉到设计标高以后，用混凝土将底部封闭。沉井用作建筑物基础时，应在凹槽处浇灌钢筋混凝土底板。(6)顶板是在沉井顶部加设的混凝土或钢筋混凝土盖板。当沉井做为基础时，井内有空心的，也有用松散材料或混凝土填实的。当沉井用作地下建筑物的一部分时，除在沉井内部修筑各种结构外，还可根据使用要求设置平台板或顶盖板。

图2 沉井的组成

1-刃脚的踏面；2-刃脚；3-隔墙；4-人孔；5-井壁；6-井壁内埋管；7-横梁；8-顶盖板；9-环墙；10-封底；11-封底混凝土；12-底板顶面线

沉井制造与就位陆地下沉井一般是就地制造。在浅水中下沉井需先作围堰，填土筑岛出水面，再就地制造(图3)。在深水中下沉井，一般是在岸边陆地制造，浮运到水中就位下沉(图4)。根据沉井高度、地基承载力、施工机械设备和开挖方法等条件，沉井可采取一次制造一次下沉，分段浇筑接高后一次下沉及分段浇筑与下沉交替进行等方式。

就地制造沉井井壁多为实体，刃脚部分着力面积小，重心较高，为使其在制造过程中不致因地面下沉引起沉井开裂或倾斜，常采用以下做法：(1)地面整平以后，地基表面进行换土或铺设砂垫层，沿刃脚下铺设垫木，以增加承压面积，再立模板制造沉井；下沉前需分区、顺次、对称、同步地边抽出垫木边用砂将刃脚处填实，然后再均匀挖土下沉。用这种方法制造沉井较为普遍。(2)将土体夯实做成刃脚土模，其表面抹一层水泥砂浆，在土模内制造刃脚部分。这种制造方法可节省材料简化施工，中国枝城长江大桥的引桥桥墩基础就是采用这种方法制作沉井刃脚部分的。(3)在地面上或挖坑制作砖砌刃脚胎模。此法施工较方便，中国重庆长江大桥采用这种方法制作了沉井刃脚部分。

浮运沉井一般采用一次制作浮运就位下沉或分段制作、底节浮运就位后在水上逐段接高下沉等方法。浮运沉井有三种下水方法：(1)在岸边拼装后，通过轨道溜放下水；(2)在导向船的承力架上边拼装、边下水；(3)用大型起重机起吊下水。

为便于沉井浮运就位，常采用以下三种方法增加浮力：(1)将沉井做成双壁空腔式，使之能自浮，浮运就位后在壁内灌水或灌筑混凝土使其下沉。(2)在钢沉井内加装气筒，浮运到位后，在沉井内部空间填充混凝土并接高沉井。为控制吃水深度，可在气筒内充入压缩空气，待沉入河底预定位置后，再除去气筒顶盖，挖泥(或吸泥)下沉。此法用钢量大，制造安装复杂，宜用于深水大型沉井。例如，美国旧金山奥克兰湾桥和中国南京长江大桥均采用了这种方法。(3)在沉井底部加设临时底板，使其能在水中自浮，浮运就位注水沉入河底后，再拆除底板，挖泥下沉。中国南宁邕江大桥和美国塔科马海峡桥均采用了这种方法。

沉井下沉主要有干作业(排水)和湿作业(不排水)开挖下沉方法。(1)干作业法。是在沉井内无水情况下挖土下沉，常采用人工挖土或采用放入井底的机械挖土，将土装入斗内用吊车或提升架等从井中吊出运走，也可使用抓斗或长臂挖土机在井上操作挖土下沉。此法适用于在无地下水的土层中或降低地下水位后的土层中下沉沉井。(2)湿作业法。是在沉井内有水的情况下挖土下沉，挖土机械常使用抓斗、空气吸泥机和水力吸泥机等。此法适用于浮运沉井下沉和在地下水丰富的软弱土层中下沉沉井。(3)还有使用大直径钻机在井底钻挖或使用高压水将沉井先沉入土层后，再在井内挖土等方法。

沉井下沉到设计标高后，一般采用水下浇筑混凝土封底。根据受力或稳定要求决定井孔是否填充。填充有填砂石的，也有填混凝土的，但在低于冻结线0.25m以上部分必须用混凝土或圬工填实。

沉井外壁与土的摩擦力及刃脚踏面阻力是沉井下沉的主要阻力，常采用以下措施来克服或减少这些阻力：(1)增大井壁厚度或在沉井上部增加压重；(2)减小刃脚踏面宽度；(3)将沉井外壁做成斜坡形或台阶形；(4)采用卵石以减小摩擦力，即在沉井底节台阶上的井壁与土层之间，随着沉井边下沉边填入粒径为10～30mm的河卵石，由于卵石可随沉井向下滚动，故减小了与井壁的摩擦力；(5)射水法，即在沉井下部井壁外侧预埋射水管嘴，在下沉过程中射水以减少井壁周边阻力；(6)泥浆套法，即在沉井井壁和土层之间压注触变泥浆，形成泥浆套以减少摩擦力。触变泥浆是用粘性土、水和化学处理剂等按一定配合比搅拌而成。沉井下沉到设计标高后，为恢复沉井周边和土层之间的摩擦力，以增加沉井基础的承载力，需压入水泥浆以破坏及代替泥浆套。采用此法沉井下沉倾斜量小，容易纠偏，附近地面几乎无沉陷。该法不适用于不稳定土层、漏浆土层和河床易受冲刷的水中沉井；(7)空气幕法(壁后压气法)。即向预埋在井壁周围的气管中压入高压气流，气流由喷气孔喷出，沿沉井外壁上升，形成一圈压气层，使其周围土体松动或液化，从而减少井壁与土层之间的摩擦力；(8)通过沉井旁边的锚桩和反力梁，用千斤顶向下顶压沉井。这个方法可减轻沉井自重，便于穿过较薄的流砂层。

特殊问题处理沉井施工设计通常用沉井下沉系数(沉井各施工段自重与压重之和同井壁与土层之间摩擦力及刃脚踏面阻力之和的比值)来估算沉井能否顺利下沉。但是，在实际开挖下沉过程中，时常遇到一些特殊问题，必须采取相应措施及时处理。

摩阻力过大当井壁摩阻力大于沉井自重，沉井拒沉时，可以采取以下措施处理：(1)在沉井外壁与土体之间插入射水管进行射水，以减少井壁周围的摩擦力；(2)在沉井上压重或事先砌筑圬工；(3)用人力或水枪掏空刃脚下土层，以减少刃脚踏面的正面阻力；(4)挖空刃脚下土层，沉井仍不下沉时，可在刃脚底用少量炸药起爆震动使其下沉；(5)井外挖土，以减少井壁摩擦力；(6)带水作业时可以降水，以减少水对沉井的浮力。

摩阻力过小当沉井下土层十分软弱，而沉井结构自重又无法减轻，沉井下沉不稳定时，可以采取以下措施处理：(1)灌水法。即向沉井内灌水，以增加水对沉井的浮力；(2)抛石法。即在沉井快要下沉到设计标高前，在刃脚处抛放混凝土块或石块，以增加沉井的正面阻力；(3)在沉井外壁地上按设计标高焊挑翼或设抬梁，以搁在地面上阻沉；(4)在沉井内设横梁，以增加正面阻力；(5)加宽刃脚踏面，以增加正面阻力。

穿过流砂层在含有饱和粉细砂地层中下沉沉井时，为防止流砂涌入沉井内，可以采取以下措施处理：(1)采用不排水开挖下沉或使井内水位高于井外水位开挖下沉；(2)降低地下水位，使粉细砂层固结；(3)流砂层较薄时，可利用沉井的突沉将其穿过；(4)采用灌浆法将沉井外周边的流砂层固结。

沉井突沉在淤泥质粘性土层中或遇到流砂时，沉井可能发生突然下沉。突沉可能使沉井产生较大倾斜或超沉，危及施工人员和结构安全。常采用以下措施处理：(1)刃脚附近挖土不要太深；(2)沉井内合理分格设下框架梁，以增加正面阻力；(3)增大刃脚踏面宽度；(4)适当增大下沉系数。

纠偏沉井下沉过程中，常因流砂、地下障碍物、挖土和地面荷载不均匀等而产生倾斜、位移和扭转，必须及时纠正。常用的处理方法有偏心压重、顶部顶推、井底掏空和爆破震动等。

地下障碍物处理沉井下沉遇到孤石时，可以将其四周掏空取出；如不可能，则可使用风动工具或爆破将其碎成小块后取出；如遇无法处理的大量障碍物时，可以将沉井改装为气压沉箱施工。

展望沉井施工对周围设施和土体的影响较大，而且这种影响持续时间也较长，这是因为土体扰动对沉井建好后的周围设施仍有一段时间的影响；沉井施工还受地下水和流砂等的影响较大。因此，地下连续墙等一些新的施工方法就逐渐取代了一些以前常采用沉井法施工的地下工程。但由于沉井结构的整体性和稳定性较好，主体结构在地面上浇筑能确保工程质量，施工设备较简单，有成熟的施工技术等。因此，沉井仍是一种有效的地下工程施工方法。工程技术人员对减少沉井施工对周围设施的影响和减少沉井下沉的摩阻力、实现机械化开挖和自动控制进行了不断研究和实践，可望沉井施工更加方便，费用更加节省，对周围设施和土体的影响更小。