12.1.4 沉井与沉箱基础施工
沉井基础是以沉井法施工的地下结构物和深基础的一种形式，是先在地表制作成一个井筒状的结构物（沉井），然后在井壁的围护下从井内不断挖土，使沉井在自重作用下逐渐下沉，达到预定设计标高后，再进行封底，构筑内部结构。广泛应用于桥梁、烟囱、水塔的基础；水泵房、地下油库、水池竖井等深井构筑物和盾构或顶管的工作井。技术上比较稳妥可靠，挖土量少，对邻近建筑物的影响比较小，沉井基础埋置较深，稳定性好，能支撑较大的荷载。沉井是一个无底无盖的井筒，一般由刃脚、井壁、隔墙等部分组成。
沉井按其截面轮廓分，有圆形、矩形和圆端形三类。
（1）圆形沉井水流阻力小，在同等面积下，同其他类型相比，周长最小，摩阻力相应减小，便于下沉；井壁只受轴向压力，且无绕轴线偏移问题。
（2）矩形沉井和等面积的圆形沉井相比，其惯性矩及核心半径均较大，对基底受力有利；在侧压力作用下，沉井外壁受较大的挠曲应力。
（3）圆端形沉井对支撑建筑物的适应性较好，也可充分利用基础的圬工，井壁受力也较矩形有所改善，但施工较复杂。
使用材料：有木沉井，砖、石沉井，混凝土沉井，钢筋混凝土沉井和钢沉井等。木沉井用木材较多，现很少采用。砖、石沉井过去多用于中小桥梁，现在常用的是钢筋混凝土沉井，或底节为钢筋混凝土，钢沉井多用于大型浮运的沉井。
外壁：沉井的外壁可做成铅直形、台阶形或斜坡形。斜坡形虽可减少周围的摩阻力，但下沉过程中容易倾斜；台阶形便于加高井壁。沉井的内部可根据需要作隔墙，划分成几个取土井，但取土井必须对称设置，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自由上下。
1.沉井的制作
陆地下沉井均采用就地制造。在浅水中，下沉井应先做围堰，填土筑岛出水面，再就地制造；在深水处，下沉井一般均采用在岸边陆地制造，浮运就位下沉。
就地制造沉井，井壁多为实体，自重较大，而刃脚部分面积小，重心较高，为使其在制造过程中不致因地面下沉而引起沉井开裂或倾倒，过去多在地面整平后，先铺垫木，以增加承压面积，再立模板制造沉井，下沉前应边抽垫木，边用砂将刃脚处填实，然后再挖土下沉。现今则用砂土夯实做成刃脚土模，表面抹层水泥，在土模内制造刃脚部分，既节约木料，又简化施工工艺。如我国枝城长江大桥引桥桥墩基础的沉井刃脚部分，就是用此法灌注的。
水中沉井的施工：筑岛法——水流速不大，水深在4 m以内；浮运沉井施工——水流速较大，水深较深。
2.沉井施工
沉井施工步骤：场地平整，铺垫木，制作底节沉井；拆模，刃脚下一边填塞砂、一边对称抽拔出垫木；均匀开挖下沉沉井，底节沉井下沉完毕；建筑第二节沉井，继续开挖下沉并接筑下一节井壁；下沉至设计标高，清基；沉井封底处理；施工井内设计和封顶等。
沉井下沉分排水下沉和不排水下沉两种。在软弱土层中须采用不排水下沉，以防涌砂和外周边土坍陷，造成沉井倾斜及位移，必要时采取井内水位略高于井外水位的施工方法。出土机械可使用抓土斗、空气吸泥机、水力吸泥机等。近年来各国发展用锚桩及千斤顶将沉井压下的方法。此外，还有用大直径钻机在井底钻挖的方法，如日本在圆形沉井内采用臂式旋转钻机，在硬黏土层内开挖，直径可达11 m，由沉井外的监视器反映操作情况及下沉速度。
沉井到达设计标高后，一般用水下混凝土封底。井孔是否填充，应根据受力或稳定要求决定，可填砂石或混凝土，但在低于冻结线0.25m以上的部分应用混凝土或圬工填实，沉井基础的最后一道工序是灌注顶盖。
沉井外壁和土的摩擦力是沉井下沉的主要阻力，为克服这种阻力，一是加大沉井壁厚或在沉井上部增加压重，二是设法减少井壁和土之间的摩擦力。减少摩擦力的方法很多，常用的有射水法、泥浆套法及壁后压气法。
（1）射水法。在沉井下部井壁外面，预埋射水管嘴，在下沉过程中射水以减小周边阻力。
（2）泥浆套法。在沉井井壁和土层之间灌满触变泥浆以减少摩擦力，触变泥浆是用黏性土、水、化学处理剂等按一定配合比搅拌而成，当静置时它处于“凝胶”状态，沉井下沉时受到搅动，又恢复“溶胶”状态而大大减少摩擦力。
（3）壁后压气法。在井壁内预埋管路，并沿井壁外侧水平方向每隔一定高度设一排气龛，在下沉过程中，沿管路输送的压缩空气从气龛内喷出，再沿井壁上升，从而减少摩擦力。初步资料表明：在粉细砂层及含水量较大的黏性土层中，可以减少摩擦力30%以上，下沉速度加快（与气龛数和喷气量有关），且无泥浆套法的缺点，可在水中施工，不受冲刷的影响，但在卵石层及硬黏土层内效果较差。
3.浮式沉井施工
浮运的沉井，在陆地先做底节，以减轻质量，在浮运到位后再接筑上部。为增加沉井的浮力便于浮运，常采取以下3种方法。
（1）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，制造安装都较复杂，宜用于深水大型沉井。美国旧金山奥克兰湾桥第一次采用此法，该桥最大的沉井为60 m× 28 m，内装55个直径4.5 m的气筒。中国在南京长江大桥也曾使用18.26 m× 22.42 m、底节高11.65 m的钢沉井，内有20个直径3.2 m的气筒，浮运就位后，以钢筋混凝土将沉井接高至5m，中间隔墙全部用预制件。
（2）将沉井做成双壁式使其能自浮，到位后在壁内灌水或灌注混凝土下沉。这种沉井可用钢、木或钢筋混凝土制造。我国1972年在四川宜宾岷江公路桥，将制造钢丝网水泥船的经验用于造双壁浮运沉井。沉井外径12 m，高7.5 m，双壁厚1.3 m，网壁厚3 cm，中间一层钢筋网，4～6层钢丝网上抹水泥砂浆，重60 t，采用岸边制造，滑道下水，拉锚定位，灌水下沉。这种材质的沉井具有较高的弹性和抗裂性，以后在四川南充嘉陵江大桥及湖南益阳桥修建时都曾经使用。
（3）在沉井底部加临时底板以增加浮力，待到位沉入河底后，再拆除底板，挖泥下沉。如因风振而破坏的美国塔科马海峡桥（其水中桥墩基础为钢筋混凝土沉井，尺寸是20.1 m×36.6 m）曾用此法施工。
在深水处，采用浮式沉井施工时，有关沉井下水、浮运及悬浮状态下接高、下沉等，必须加以严密控制。各类浮式沉井在下水前，应对各节浮式沉井进行水密性试验，合格后方可下水。应制定下水方案：采用起吊下水时，应对起重设备进行检查，在河岸有适合坡度；采用滑称、牵引等方法下水时，必须严防倾覆。必须对浮运、就位和落河床时的稳定性进行检查：浮式沉井定位落河床前，应考虑潮水涨落的影响，对所有锚碇设备进行检查和调整，使沉井安全准确落位；浮式沉井落河床后，应尽快下沉，并使沉井达到保持稳定的深度；随时观察沉井的倾斜、移位及河床冲刷情况。
4.沉箱基础施工
沉箱下沉前应具备以下条件：
①所有设备已经安装、调试完成，相应配套设备已配备完全；
②所有通过底板管路均已连接或密封；
③基坑外围回填土已结束；
④工作室内建筑垃圾已清理干净；
⑤井壁混凝土已达到强度。
下沉过程中箱内的各种设备应架设牢固，箱外浇筑平台、脚手架等应不与箱壁连接。沉箱下沉加气应在沉箱下沉至地下水位以下0.5～1 m开始加气，施工现场应有备用供气设备。沉箱施工时，应首先保证工作室内气压的相对稳定，工作室内气压原则上应与外界地下水位相平衡。沉箱在穿越砂性土等渗透性较高土层时，应维持气压略低于地下水位的水平。挖机取土下沉时应先在井格中央形成锅底，逐步均匀向周围扩大，应避免掏挖刃脚处土体，保证此处的土塞高度。当沉箱偏斜达到允许值的1/4时应进行纠偏。沉箱的助沉措施，可采用触变泥浆和压重措施，不宜使用空气幕助沉。
5.施工事故及应急措施
沉井施工时出现的问题主要有瞬间突沉、下沉搁置、沉井悬挂。
1）瞬间突沉
现象：沉井在瞬时间内失去控制，下沉量很大或增长很快，出现突沉或急剧下沉，严重时往往使沉井产生较大的倾斜或使周围地面塌陷。
原因分析：在软黏土层中，沉井侧面摩阻力很小，当沉井内挖土较深，或刃脚下土层掏空过多时，沉井失去支撑，常导致突然大量下沉或急剧下沉；当黏土层中挖土超过刃脚太深，形成较深锅底，或黏土层只局部挖除，其下部存在的砂层被水力吸泥机吸空时，刃脚下的黏土一旦被水浸泡而造成失稳，会引起突然塌陷；当采用不排水下沉，施工中途采取排水迫沉时，突沉情况尤为严重；当遇有粉砂层时，由于动水压力的作用，井筒内大量涌砂，产生流砂现象，造成急剧下沉。
预防措施：在软土地层下沉的沉井可增大刃脚踏面宽度，或增设底梁以提高正面支承力；挖土时，在刃脚部位宜保留约50 cm宽的土堤，控制均匀削土，使沉井挤土缓慢下沉；在黏土层中严格控制挖土深度（一般为40 cm），不使挖土超过刃脚，可避免出现深的锅底将刃脚掏空；黏土层下有砂层时，防止把砂层吸空；控制排水高差和深度，减小动水压力，使其不能产生流砂或隆起现象，或采取不排水下沉的方法施工。
2）下沉搁置
现象：沉井被地下障碍物搁住或卡住，出现不能下沉或下沉困难的现象。
原因分析：沉井下沉局部遇孤石、大块卵石、矿渣块、砖石、混凝土基础、管线、钢筋、树根等，以致搁置、卡住，造成沉井难以下沉；下沉中遇局部软硬不均地基或倾斜岩层。
预防措施：施工前做好地基勘察工作，对沉井壁下部3m以内的各种地下障碍物，下沉前挖井取出；对局部软硬不均地基或倾斜岩层，采取先破碎开挖较硬土层或倾斜岩层，再挖较弱土层，使其均匀下沉。
治理方法：遇较小孤石，可将四周土掏空后取出；遇较大孤石或大块石、地下沟道等，可用风动工具或用松动爆破方法破碎成小块取出。炮孔距刃脚不小于50 cm，其方向须与刃脚斜面平行，药量不得超过200g，并设钢板、草垫防护，不得用裸露爆破。钢管、钢筋、树根等可用氧气烧断后取出。不排水下沉，爆破孤石，除打眼爆破外，也可用射水管在孤石下面掏洞。
3）沉井悬挂
现象：沉井下沉过程中，刃脚下部土体已经掏空，而沉井的自重仍不能克服摩阻力下沉，产生悬挂现象，有时将井壁拉裂。
原因分析：井壁与土壁间的摩阻力过大，沉井自重不够，下沉系数过小；沉井平面尺寸过小，下沉深度较大，遇较密实的土层，其上部有可能被土体夹住，使其下部悬空，有时将井壁拉裂。
预防措施：使沉井有足够的下沉自重；下沉前应验算沉井的下沉系数，应不小于1.1～1.25；加大刃脚上部空隙，使井壁与土体间有一定空间，以避免被土体夹住。
治理方法：用0.2～0.4 MPa的压力流动水针沿沉井外壁缝隙冲水，以减少井壁和土体间的摩阻力；在井筒顶部加荷载，或继续浇筑上节筒身混凝土增加自重和对刃口下土体的压力，但应在悬空部分下沉后进行，以免突然下沉破坏模板和混凝土结构；继续第二层碗形挖土，或挖空刃脚土，必要时向刃脚外掏深100 mm；在岩石中下沉，可在悬挂部位进行补充钻孔和爆破。