沉井地压：—种特殊表土地压的探讨（三）

3.沉井受力分析
3.1沉井法概述
沉井法是在不稳定含水表土中钻探竖井的特殊施工方法之一。沉井法自1839年在法国萨洛尼煤田首次使用以来，在欧洲地下工程中已经使用了1500多次[4]。1966年建成的日本新日铁有明三号竖井，下沉深度200.3 m，为世界之最。我国煤炭工业用沉井法修建了100多座竖井，其中山东单家村煤矿沉井深度达192.75 m [5]。沉箱法工艺简单，设备少，劳动强度轻。在国内煤炭地面建井方面取得了很大进展，在桥梁交通、地铁、建筑等行业也有应用。
3.2开口沉箱的受力和下沉条件
一般情况下，开口沉箱是靠竖井自重Q，克服土的前阻力Rs、侧阻力Tf和竖井水的浮力B下沉的。q为沉井的主要受力；Rs是土壤对叶片根部坡度的反作用力。如果及时发掘，Rs就会消失。b等于井壁排出的相同体积水的重量。如果采用淹没式沉井，虽然有阻力，但保持了井内外压力平衡，对沉井有利。Tf是竖井外壁(包括竖井前端的叶片脚)土壤的阻力，是沉降的重要因素。因此，增加自重Q，降低Tf是沉井的关键。由于自重是人为可控因素，所以要重点考虑侧阻力Tf。
3.3沉井侧阻力的侧压力
3.3.1我国学者(包括相关大学教材)对沉井侧阻力提出了自己的看法。主要论点可以概括为:
(1)沉井的沉井井壁直接与土体发生摩擦，有人认为
(2)沉井井壁所受的侧压力是井筒的表层土压力(松散地压)。
这些观点可能是受前苏联学者的影响，比如п。м.秦巴尔杰维奇在《矿山支护》一书中提到:“下沉支护受自身重量、岩石和水的侧压力以及支护基础产生的反作用力的影响。一旦支架底部的岩石被挖出，底部的反作用力消失，支架可以靠自重下沉，支架表面的摩擦力逐渐增大。无论支架处于哪个位置，摩擦力都取决于侧压力和岩石与支架表面的摩擦系数。”
这里的侧压力是多少？秦并没有明确指出。但人们把竖井的表层土压力作为沉井的侧压力，用秦公式计算，这显然与秦平面挡土墙公式的理论不符。因为这个公式只有在岩层和支护材料之间没有摩擦力的情况下才成立[2]。
3.3.2沉井井壁与土层之间发生了什么？从沉井施工现场可以观察到以下现象:
(1)徐州石屯沉井施工过程中，为了纠偏，在墙外进行“大揭”，发现有一个比同标高土层颜色更深、结构更密的环状土层，距沉井墙0.2-0.3 m。在地表下3 m(井西南)和井壁外0.7 m、4.0 m处取同一层土样，测得0.7 m处的干容重为:γd = 16.4 kN/m3；在4.0 m处，γd=15.3 kN/ m3。γd的常用值为13-20 kN/ m3。γd越大，土壤越密实，说明井壁附近的土壤被压实。
(2)在徐州地区，石头下沉后很难进行灌浆。几乎每个沉井壁都要用1-3米的硬土夯实。如东城矿主井(沉井)穿过2-3 m硬土层。
(3)沉井内放置的排水管经常无法放水。比如皮卡村的主井下沉到离地表31m的深度时，排水管的水就再也不流出来了。工人用2米长的钢钻捅了一下，锤了一下，发现墙外有一层很难穿过的坚硬层。再比如马庄的主轴。沉井井筒壁上安装的排水管伸出井壁的时间很短，无法放水，但听到了水的声音。
(4)石屯主轴下沉到30m以上时，下沉几乎停止，叶脚完全露出(即Rs=0，B=0)。伸手触摸叶脚外壁，有一层200-400 mm厚的土层，附着力强，含水量少，很难拔出。通过计算，此时沉井自重大大超过侧阻力(表层土压力为侧压力)，无法解释。
(5)各种开口沉箱在正常下沉时，可在井壁与土层之间填充，如炉渣、泥浆、压缩空气等。表明刃脚与井壁(回缩)形成的台阶(宽约0.3m)空存在于井壁周围。否则，后墙填充将无法进行。
以上事实表明，沉井井壁外侧有一层压实土层，它形成了一个竖立在沉井井壁周围的“压实壳”体。因此，在正常的凿井条件下，井壁与土层之间不会有直接的接触和摩擦。