沉井结构裂缝宽度限值的选取分析与设计

沉井结构裂缝宽度限值的选取分析与设计

唐玉宏 杨明

（南京市市政设计研究院有限责任公司 江苏南京 210008）

[摘 要] 沉井被用作地下构筑物时，截面配筋往往由裂缝宽度验算确定，按承载力极限状态计算所需配筋小于满足

裂缝控制要求所需配筋，特别是刃脚根部以上1.5倍厚度的井壁。对于钢筋混凝土构件的裂缝，有各种不同的裂缝计算理论及包含各种不同变量的、各种不同形式的裂缝计算公式，保护层厚度也有不同的规定。结合具体工程，依据不同的现行规范选取裂缝宽度限值，进行裂缝宽度验算。通过分析表明：根据《混凝土结构耐久性设计规范》进行沉井设计，能在满足耐久性要求条件下减少配筋量多达25%，对类似工程具有借鉴作用。

[关键词] 地下工程 沉井 耐久性 裂缝宽度 分析设计

[中图分类号] [文献标识码]A [文章编号]

Design and analysis of crack width limit choice about sinking well

Tang Yuhong Yang Ming

(Nanjing Municipal Design and Research Institute Co. Ltd，Nanjing Jiangsu 210008 China)

Abstract: When the sinking well is used as underground work，reinforcement of structure member is usually controlled

by crack analysis。The amount of steel bar calculated by load-bearing capacity less than that controlled by crack width analysis ，especially on the wall above cutting curb 。There are various theories and formulas about crack analysis of reinforced concrete member，the number of cover to reinforcement is not same。Joining with the actual work ,the paper choose crack width limit and check crack width according to various codes。By contrast，it is found sinking well design based on 《Code for durability design of concrete structure》 will satisfy durability and reduce the amount of steel bar。

Key words: underground work； sinking well；durability ；crack width；analysis

0、引言

沉井由于其在建造地下构筑物或深基础工程中显示的优越性，随着施工技术及施工机具的不断发展而获得越来越广泛的应用。特别是随着顶管等非开挖施工技术在电缆隧道、给排水管道等工程中的应用，沉井被大量应用于顶管工作井和接受井。

沉井作为地下构筑物，除了满足强度和施工可行性外，还需要满足防水和耐久性要求，主要是保护层厚度和裂缝控制要求。现行规范

［1］～［3］

基础上取得更好的经济性。

1、工程概述

镇江220kV 五洲－上党I 线环入南徐变送电线路隧道工程，起于位于镇江市润州区七里甸镇南徐大道以北的镇江南徐220kV 变电站，止于南徐大道以南、长山灌渠以东的电缆终端塔，全长1115.718m 。本工程K1+006.084～K1+100.463之间隧道穿越南徐大道，采用顶管法施工，顶管工作井和接受井采用沉井法施工。

顶管工作井净尺寸5.5mx8.0m ，壁厚0.8m ，外围尺寸为7.1mx9.6m ，沉井入土深度为11.47m ，地面高程为6.42m 。顶管接受井净尺寸5.5mx7.0m ，壁厚0.8m ，外围尺寸为7.1mx8.6m ，沉井入土深度为14.82m ，地面高程为9.27m 。

由于出台时间有先后，相关规定不

尽相同，主要的区别是环境作用等级、裂缝宽度限值及裂缝宽度验算时保护层厚度的取值。有的不区分环境作用等级

［1］

，在裂缝宽度验算时取实际保护层厚度；有的区分环境作

［2］

用等级，可以采用不同的裂缝宽度限值，并且规定在裂缝2、工程地质条件

根据《220kv 五洲－上党I 线环入南徐变送电线路岩土工程勘察报告》，沉井工作井和接受井处的土层分布、土性特征、埋藏情况和地质特性如表1所示。电缆隧道沿线地

宽度验算时，当保护层设计厚度超过30mm 时可将厚度取为30mm 计算裂缝的最大宽度。

沉井作为地下构筑物使用时，迎水面保护层厚度为50mm ，裂缝宽度限值和裂缝宽度验算时保护层厚度的选取对裂缝宽度验算有很大的影响。沉井井壁的配筋很多由裂缝宽度验算确定，承载力极限状态计算并不控制配筋结果，特别是刃角部分支座处壁板。本文结合具体工程对这些因素进行探讨，并对设计结果进行比较，希望在满足耐久性要求的

［3］

—————————————————————

【收稿日期】2010-01-18

【作者简介】唐玉宏，男（1968～ ），南京市市政设计研究院有限责任公司，硕士，高级工程师，国家一级注册结构工程师，国家注册咨询工程师（投资）。

区地势略有起伏，地面高程一般为6.30～11.80m ，地形由于人类活动的影响已遭破坏，地貌单元在1S9至1S16号孔的区域为丘陵，其他区域为冲积平原。 表1 隧道工程地质分布情况

土层名称 ①杂填土 ②粉质粘土

土性特征 性质不均匀 中等压缩性

厚度（m ） 工作井处 接受井处 0.60 0.50 2.70 0

2.90 2.30 2.20 1.60

承载力特征值（Kpa ）

60 120 100 40

的沉井尺寸。工作井的平面和剖面图见图1、

2.

④粉土夹粉质粘土 中等压缩性

⑤淤泥 ⑦粉质粘土与粉土

互层 ⑩粉质粘土

高压缩性

中等压缩性 5.70 9.60 120

中等压缩性 3.50 0 150

沿线的地下水类型主要有孔隙潜水、上层滞水和基岩裂隙水。沿线地下水对混凝土结构无腐蚀性，对钢筋混凝土结构中钢筋在长期浸水条件下无腐蚀性，在干湿交替条件下具弱腐蚀性，对钢结构具弱腐蚀性。地下水位以上的场地土对混凝土结构及钢筋混凝土结构中钢筋无腐蚀性，对钢结构具强腐蚀性。

沿线的抗浮设计水位在冲积平原区域可按0.5m 考虑，在丘陵区域可按1.0m 考虑。

3.2、沉井计算

图2：工作井剖面图

沉井下沉采用不排水法施工，但施工期间应进行降水，保证工作井处水位不高于地表下2.50m ，接受井处地下水位不高于地表下3.50m.

在沉井设计过程中，对沉井在正常使用状态下的稳定性、下沉可行性、下沉稳定性等内容进行了计算和验算。 αf=1.99＞1, 刃脚在内外荷载作用下按悬臂计算。主要计算结果见表2.

表2 工作井和接受井的计算结果

计算内容 沉井底部的平均压力值 修正后的地基承载力特

征值 正常使用时抗浮系数

下沉系数 封底时抗浮系数 角部

刃脚顶面

以上1200mm 短跨中 的井壁弯矩

长跨中

工作井 174kPa 315kPa 1.43 1.49 1.18 1385kN.m 1216kN.m 51 kN.m

接受井 213kPa 241kPa 1.39 1.40 1.17 1609kN.m 1265kN.m -180kN.m

3、沉井设计

3.1、选型

图1：工作井平面图

本工程顶管选用内径为2400mm 、外径为2880mm 的混凝土管，管径和材质根据工艺要求确定。确定顶管埋深时，需结合覆盖层厚度、地下障碍物和土层分布等因素综合进行。工作井处顶管中心标高为-0.79m, 接受井处顶管中心标高为-1.29m ，既可以避开地下障碍物，满足管顶至路面2D 的覆土厚度，同时还可以保证顶管在⑦层粉质粘土和粉土互层中进行，避免在顶管过程中遇到⑤层淤泥。因为淤泥土的强度低，且为流塑状态，有震陷的可能性，不利于顶管施工。顶管的管径和埋深确定后就可以根据经验确定工作井、接受井

4、耐久性设计

指导混凝土耐久性设计的规范主要有两本

［1］、［2］

，根据

文献2，混凝土结构的耐久性应根据结构的设计使用年限、结构所处的环境类别及作用等级进行设计，比文献1多了一个设计依据即环境作用等级，且两者的环境类别定义不同。

混凝土结构的耐久性设计主要包括下列内容

［1］、［2］

：

①、结构的设计使用年限、环境类别及作用等级； ②、有利于减轻环境作用的结构形式、布置和构造； ③、混凝土结构材料的耐久性质量要求； ④、钢筋的混凝土保护层厚度；

⑤、混凝土裂缝控制要求； ⑥、防水、排水等构造措施；

⑦、严重环境作用下合理采取防腐蚀附加措施或多重防护策略；

⑧、耐久性所需的施工养护制度与保护层厚度的施工质量验算措施；

⑨、结构使用阶段的维护、维修与检测要求。 两本规范在①、③、④、⑤等方面的规定不尽相同，对沉井的设计会产生影响。

按照文献1，本工程混凝土结构的环境类别为二a 类，即室内潮湿环境，非严寒和非寒冷地区的与无侵蚀性的水和土壤直接接触的环境。最低混凝土强度等级为C25，纵向受力钢筋的混凝土保护层最小厚度：板、墙为20mm ，梁为30mm ，钢筋混凝土结构构件的裂缝控制等级为三级，最大裂缝宽度限值为0.2mm 。另外根据文献3，沉井迎水面的保护层厚度为50mm 。

按照文献2，本工程混凝土结构的环境类别为一般环境（Ⅰ类），仅有正常的大气（二氧化碳、氧气等）和温、湿度（水分）作用，不存在冻融、氯化物和其它化学腐蚀物质的影响。一般环境对混凝土结构的腐蚀主要是碳化引起的钢筋锈蚀。混凝土呈高度碱性，钢筋在高度碱性环境中会在表面生成一层致密的钝化膜，使钢筋具有良好的稳定性。当空气中的二氧化碳扩散到混凝土内部，会通过化学反应降低混凝土的碱度（碳化），使钢筋表面失去稳定性并在氧气和水分的作用下发生锈蚀。沉井顶板、勘察资料提供的历史最低水位以上的沉井壁板外侧的环境作用等级为Ⅰ-C 级；勘察资料提供的历史最低水位以下的沉井壁板外侧混凝土饱水，钢筋不易锈蚀，环境作用等级为Ⅰ-B 级。沉井壁板内侧混凝土接触空气，容易碳化，又可能有水分从临水侧迁移供给，环境作用等级为Ⅰ-C 级。当设计使用年限为50年、环境作用等级为Ⅰ-C 级时，最低混凝土强度等级为C35，纵向受力钢筋的混凝土保护层最小厚度：板、墙为35mm ，梁为40mm 。钢筋混凝土结构构件的裂缝控制等级为三级，当环境作用等级为B 时最大裂缝宽度限值为0.3mm ；当环境作用等级为C 时最大裂缝宽度限值为0.2mm 。

计算内容

ωmax =αcr ψ

σsk

E s

(1. 9c +0. 08

d eq

ρte

) （1）

规范条文说明中同时指出，当混凝土保护层厚度较大时，虽然裂缝宽度计算值也较大，但较大的混凝土保护层厚度对防止钢筋锈蚀是有利的。因此，对混凝土保护层厚度较大的构件，当在外观的要求上允许时，可根据实践经验，对规范规定的裂缝宽度允许值做适当放宽。

文献4按照数理统计的方法，分析影响裂缝宽度的各种因素，找出主要的因素，舍弃次要的因素，给出了简单适用而又有一定可靠度的裂缝计算公式（2）。尽管保护层厚度对裂缝间距和表面裂缝宽度均有一定影响，但容许裂缝宽度为设计使用年限内钢筋不致锈蚀的开展宽度，与保护层厚度密切有关，保护层愈厚，钢筋锈蚀的可能性愈小。因此，保护层厚度对计算裂缝宽度和容许裂缝宽度的影响可大致取消，实际设计中，同类构件保护层厚度变化不大，故在裂缝计算公式中未显含保护层厚度的影响。

W tk =C 1C 2C 3

σss

E s

(

30+d

) （2）

0. 28+10ρ

文献2和5也同样注意到了保护层厚度、裂缝开展宽度和钢筋锈蚀之间的相互关系，规定当设计采用的最大裂缝宽度的计算式中保护层的实际厚度超过30mm 时，可将保护层厚度的计算值取为30mm 。

根据文献1，刃脚处壁板的环境类别为二a 类，裂缝宽度限值为0.2mm ，裂缝计算时保护层厚度按实际取，角部为50mm ，跨中为35mm 。根据文献2，刃脚处壁板，外侧的环境作用等级为Ⅰ-B 级，裂缝宽度限值为0.3mm ；内侧的环境作用等级为Ⅰ-C 级，裂缝宽度限值为0.2mm ；裂缝计算时保护层厚度取30mm 。刃脚顶面以上1200mm 的井壁配筋计算见表3。

表3 刃脚顶面以上1200mm 的井壁配筋计算结果

工作井 角部

弯矩设计值 按承载力极限状态计算所需配筋

量 弯矩标准值 裂缝宽按文献

1 度验算

所需配按文献筋量 2

1870 kN.m 9327mm

2

接受井 角部 2172kN.m 10723mm

2

长跨中 1642kN.m 7694mm

2

长跨中 1707kN.m 8204mm

2

5、配筋计算和裂缝验算

根据计算发现，大多数情况下截面配筋由裂缝宽度验算所控制，因此裂缝宽度的验算公式对工程配筋的影响比较大。

对于钢筋混凝土构件的裂缝，有各种不同的裂缝计算理论及包含各种不同变量的、各种不同形式的裂缝计算公式，实质上可以概括为三种裂缝计算理论：粘结—滑移理论、无滑移理论和综合裂缝理论。

文献1的裂缝计算公式是依据综合裂缝理论建立的，按荷载效应的标准组合并考虑长期作用影响的最大裂缝宽度（mm ）可按下列公式计算： 1385 kN.m 1216 kN.m 1609kN.m 1265 kN.m 15217mm 11290mm

22

11290mm 10799mm

2

2

17857mm 13672mm

2

2

12315mm 11290mm

2

2

从表3可以看出，刃角顶面以上1200mm 的井壁配筋都是由裂缝宽度验算所需的配筋确定，按承载力极限状态计算所需的配筋小于上述配筋。按文献2进行设计，可以减少配筋量，工作井刃脚顶面以上1200mm 的井壁角部配筋量减少达25%，跨中也能减少部分配筋。

6、结论

耐久性设计时，应对结构物所处的环境和应满足的功能仔细分析，合理选用，以取得更好的经济性。

⑪ 在耐久性设计时，宜考虑环境作用因素。根据是否与水、土接触和地下水位对地下结构的环境作用等级进行区分，并采用不同的表面裂缝宽度限值。历史最低水位以下的沉井壁板外侧混凝土饱水，环境作用等级为Ⅰ-B 级，保护层厚度为50mm ，钢筋不易锈蚀，表面裂缝宽度可以取0.3mm 。

⑫ 控制钢筋混凝土构件表面裂缝宽度的目的是为了防止钢筋锈蚀，较大的混凝土保护层厚度对防止钢筋锈蚀是有利的，因此在裂缝宽度验算时，当保护层设计厚度超过30mm 时，可将保护层厚度取为30mm 。

⑬ 设计时，应结合具体工程条件确定结构的环境类别和环境作用等级，选取合适的表面裂缝宽度限值。当地下结

构保护层厚度较薄时，不宜盲目加大表面裂缝宽度限制值，应满足相应规程的要求。

⑭ 按文献2进行设计，可以减少配筋量，特别是角部配筋，最多达25%，对类似工程有借鉴作用。

参考文献

[1] GB 50010-2002 混凝土结构设计规范［S ］。北京：中国建筑工业出版社，2002。

[2] GB/T 50476-2008 混凝土结构耐久性设计规范［S ］。北京：中国建筑工业出版社，2008。

[3] GB 50108-2008 地下工程防水技术规范［S ］。北京：中国计划出版社，2009。

[4] JTG D62-2004 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S ］。北京：人民交通出版社，2004。

[5] GB 50157-2003 地铁设计规范［S ］。北京：中国计划出版社，2003。