薄壁沉井技术在洪河特大桥中的应用

张忠宝

中图分类号：U445.7+2文献标识码： A 文章编号：

摘要：结合薄壁沉井在洪河特大桥软土地基中的应用，详细介绍薄壁沉井技术的施工工艺，为以后的薄壁沉井在软土地基中的施工积累经验。

关键词：薄壁沉井 ， 软土地基， 方案 ， 工艺

Abstract: combining the large bridge in open caisson thin-walled the low of the application of the soft soil foundation, detailed introduces the construction technology of the thin-wall in open caisson technology, for the following open caisson thin-walled in soft soil foundation of construction accumulate experience.

Keywords: thin wall in open caisson, soft soil foundation, plan, process

1、工程概况：

洪河特大桥位于京九铁路阜九段洪河桥群DK233+939.9里程，全桥长569.3米，基础为钻孔摩擦桩基础，墩身为双线园端形桥墩，桥台为耳墙式桥台，桥梁上部为16-32m+2-16m预应力砼梁结构。

2、地质情况：

该桥地质资料由上至下依次为：淤泥0.3m、粘土7m，σ=150Kpa。

3、方案选择：

该桥17#墩为水中墩，筑岛、钻孔桩施工完毕，进行承台施工，承台尺寸是11.2m×5.6m，承台底标高：23.19m，土质为粘土，承台顶标高：26.19m。地面标高：29.19m，河床底标高27.0m，施工时水位28.6m。承台开挖高度为6m，由于受场地等限制，不能采用放坡大开挖，只能利用支护结构支撑进行开挖，在选用支护结构时，我们结合实际筛选出两个方案：即打钢板桩支护和钢筋砼薄壁沉井围护，经过对比发现，打钢板桩费用较高，安全方面不好保障，而采用钢筋砼薄壁沉井护壁在软土中下沉快，无论从经济、安全方面都比较好，特别是工期易保障，因此我们采用钢筋砼薄壁沉井方案。

4、设计检算：

薄壁沉井的设计：采用C35钢筋砼沉井，壁厚0.5m，内轮廓尺寸为11.2m×5.6m，沉井高度6m，刃脚高度0.4m，设450斜坡，刃脚两侧加设10mm厚钢板包边，钢筋布置见洪河特大桥钢筋布置示意图。

4．1沉井下沉检算：

4.1.1为使沉井顺利下沉，沉井自重必须大于井壁与土体间的摩擦阻力，一般要求满足：G≥1.15T。其中：G-沉井自重；T-土对井壁的总摩擦阻力，T=τ×A；A-井壁与土接触的井壁面积；τ-单位面积的摩擦阻力，软土取9.8KN/㎡。

4.1.2验算下沉条件：

沉井自重G1=｛（12.2×6.6-11.2×5.6）×5.6+（0.5+0.1）/2×（11.7+6.1）×2｝×25=2598.8KN

钢板重G2=（12.2+6.6）×2×0.4×0.785=11.8KN

沉井重G= G1+ G2=2610.6KN

摩擦力T=（12.2+6.6）×2×6×9.8=2210.88KN

下沉系数K=G/T=2610.6/2210.88=1.18＞1.15

满足下沉条件。

4.2沉井纵向破裂检算：

沉井抽除支承垫木时，最后支承于长边四个定位垫木上，按简支梁检算其纵向素砼抗拉及抗剪强度。

4.2.1按长边计算（如下图所示）：

跨中计算长度取L1=7.15m（满足支点处截面上砼的拉应力与跨中截面砼拉应力接近的条件），L2=（12.2-7.15）/2=2.53m

q=G/2L=2610.6/（2×12.2）=106.99KN/m

支点弯矩：M支=1/2×q ×L22=1/2×106.99×2.532=341.06KN.m

跨中弯矩：M跨=1/8×q×L12- M支=1/8×106.99×7.152-341.06=342.64KN.m

支点反力：Ra=1/2×q×L=1/2×106.99×12.2=652.64KN

支点剪力：Q= Ra- q×L2=652.64-106.99×2.53=381.96KN

4.2.2按短边计算（如上图所示）：

q，=0.5×6×25=75KN/m

Mmax=1/8×q，×B2=1/8×75×6.62=408.4KN.m

Qmax=1/2×q，×B=1/2×75×6.6=247.5KN

3、强度计算：

井壁面积：A=0.5×6-1/2×0.4×0.4=2.92㎡

重心轴：y=（0.5×6×3-1/2×0.4×0.4×1/3×0.4）/2.92=3.08m

惯性矩：Iz=1/12×0.5×63+6×0.5×0.082-〔1/36×0.4×0.43+1/2×0.4×0.4×（3.08-0.4/3）〕=8.324m4

截面受拉边缘的弹性抵抗矩：WZ=Iz/y=8.324/3.08=2.703m3

最大弯曲抗拉强度（由短边控制）：

σmax= Mmax/ WZ=408.4/2.703=151.09KN/㎡=0.151Mpa

查得砼极限抗拉强度RL=2.6 Mpa

σmax＜RL，正截面受弯强度满足要求

最大剪应力（由长边控制）：τmax=（Qmax×SZ*max）/（Iz×b）=〔381.96×1/2×（6-3.08）2×0.5〕/（8.324×0.5）=195.48KN/㎡=0.195 Mpa

查得容许剪应力〔τc〕=1.3 Mpa

τmax＜〔τc〕正截面抗剪强度满足要求。

5.施工工艺：

5.1工艺流程见流程图（考虑该沉井沉入不透水层3m多，故该沉井不考虑封底）

5.2施工过程：

5.2.1施工准备：

（1）平整场地：筑岛、钻孔桩完成后对沉井场地平整、碾压、夯实，以防在浇筑砼过程中或拆除垫木时发生不均匀沉陷。

（2）定位放线：按图纸尺寸准确放出沉井位置并平整。

5.2.2铺垫木：

沉井预制前刃脚下满铺垫木，并使长短垫木相间布置，间距0.25m，垂直刃脚铺垫.为使垫木铺设平顺，受力均匀，在铺垫前垫木所在位置下加铺0.5m左右的砂子.铺设垫木时先铺设4根(2.5m×0.22m×0.16m)定位垫木（其位置在长边两端2.53m处），然后由定位垫木开始向两边延伸铺设。垫木数量根据公式：n=G/(A×f )计算确定，其中：G-沉井重量；A-每根垫木与地面接触面积；f-填土允许承载力。

经过计算，求得需要1m×0.22m×0.16m垫木148根。

5.2.3沉井预制：

（1）模板加工：沉井预制前先设好沉井中线桩和水准点，模板采用组合钢模辅以木模的方法，搭设脚手架加固支撑模板，加工顺序：刃脚斜面模板→井孔模板→绑钢筋→立外模→调整各部尺寸→全面紧固拉杆、拉箍、支撑.

（2）钢筋制作：在钢筋加工棚制作半成品钢筋，运至现场绑扎，外模立设前，报请监理工程师检查，刃脚钢筋必须与刃脚钢板焊接牢固。

（3）砼灌注：砼灌注沿井壁四周对称、分层、均匀进行灌注，一次连续灌完，避免砼面高低相差悬殊，压力不均匀产生基底不均匀沉陷，使砼开裂。砼灌注厚度小于插入式振岛器作用部分的1.25倍，砼养生时细水均浇慢洒。当砼强度达到设计强度的70％以上时，拆除直立模板，当砼强度达到设计强度的100％时，沉井下沉。

5.2.4沉井下沉：

沉井下沉主要通过从井孔除土，清除刃脚正面阻力及沉井内壁摩擦阻力，依靠沉井自重下沉。

（1）拆除垫木：拆除垫木是沉井下沉工作的开始，也是施工过程极其重要的工序之一。当砼强度达到设计强度后，做好抽垫前的技术交底，抽垫前应将井孔内所有杂物清除干净，检查准备工作就序后，开始抽垫。为了防止因抽除垫木不当而引起倾斜，事先对垫木用油漆进行编号，抽垫木的顺序以定位垫木为中心，由远至近，对称、同步进行抽除，先抽带同一编号垫木，然后再抽定位垫木.在抽垫过程中，对沉井顶面上下左右方向各设置一个测点，进行下沉量观测，抽垫与下沉量关系曲线如图所示。整个沉井抽垫过程比较缓慢，从开始到结束用了9个小时，开始抽垫时特别小心谨慎，抽出几组出现空挡后立即进行充分的回填夯实，抽至最后阶段全力以赴，尽快地抽出了剩余垫木，直至沉井刃脚平稳地落入土中。

（2）沉井下沉及纠偏：沉井开挖采用排水法抽水，人工挖土，沉井内的出土，是在沉井顶搭设作业平台，设置0.5t卷扬机，将土提升卸至井外，并及时外运，抽水采用潜水泵（沉井下沉至水位标高28.69m时，水量很小，于是在中部挖掘集水坑，用来抽水）。在沉井下沉前，四周打入4个固定桩，以此控制沉井下沉情况。刚开始除土先在沉井中部向下挖40cm -50cm，并逐渐向四周均匀挖扩，到距刃脚1m左右时，开始挖除刃脚内侧的土层，使沉井下沉。开始下沉时，沉井重量较重，四周几乎没有约束力，因此在下沉至标高28.6m时，沉井出现扭转20的偏斜，于是进行扭转纠偏，扭转纠偏如纠偏图所示，在一对角A、B两角除土、另外一对角C、D两角填土，借助于刃脚下不相等的土压力所形成的扭矩，使沉井在下沉过程中逐步纠正其扭转角度。沉井下沉在标高28.2m-26.69m之间时，下沉均匀，未出现异常情况，下沉速度保持在0.3m/d；下沉至标高为26.69m时，由于进入淤泥与河床交接处，致使沉井突然下沉0.3m，出现向阜阳方向倾斜1.1/50，同时顶面中心沿阜阳方向出现0.14m的位移偏差。于是进行倾斜纠偏及位移纠偏。在进行倾斜纠偏时采用偏除土法纠偏，即在刃脚较高的一侧除土，在刃脚较底的一侧加支垫，随着沉井的下沉，倾斜得到纠正。在进行位移纠偏时，利用偏除土法原理有意地使其向偏位的方向倾斜，然后沿倾斜方向下沉，直至沉井底面中心与设计中心位置相合或接近时，再将倾斜纠正。这样反复进行了3次，使倾斜和位移都纠正在允许偏差范围内。在倾斜与位移进行纠偏后，直至沉井底到达设计标高，下沉比较顺利，未出现较大的偏差。当沉井进入硬塑状粘土层下沉到设计标高，清理井孔后，量测得刃脚底面平均标高符合设计要求；倾斜度为1/80，小于规范1/50的要求；底面、顶面中心与设计中心的偏差分别为10cm、8cm均在规范允许范围内；平面扭角为0.80小于规范10，各项误差均符合规定要求。

5.2.5沉井封底：

沉井下沉到位后，刃脚周围用水泥砂浆封堵，由于有小量渗水，将水引至井中央的集水坑内，用水泵抽水，井底无水以后进行砼封底灌注。

5.2.6拆除上部沉井：

沉井施工完毕，进行承台砼的施工，待承台、墩柱施工完毕，高出原河床部分的沉井拆除。（在预制沉井时在井壁间预埋φ15mmPVC管，间距1.5m，以便用爆破法拆除沉井砼）为确保墩身不受损失，爆破前在墩身四周捆扎篱笆及麻袋，承台顶铺设回填土0.5m厚。

6.施工效果：

该沉井从抽垫木到下沉结束总共用了21天的时间比原计划25天提前4天，未出现安全事故。由于该桥基础施工方法得当，墩身及桥梁上部各工序紧密衔接，严把质量关，保证工期，被总公司评为优质工程。

7.几点体会：

7.1开挖时刃脚下不要掏挖过多，以防沉井突然下沉，产生较大倾斜；

7.2沉井各部分荷载分布不均匀也会使沉井偏压。

7.3随时注意土层变化，严格控制刃脚附近取土深度，防止翻涌。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。