薄壁沉井施工承台技术总结-薄壁沉井围堰施工工艺.doc

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长湖申线特大桥主桥深水基础薄壁钢筋砼沉井施工承台技术总结
中铁十九局集团第三工程有限公司 葛育松 黄涛

一、工程概况
长湖申线特大桥为浙江申苏浙皖高速公路主线桥，全长1056.5米，跨径为21×20m+36m+60m+36m+25×20m，主桥上部结构为36m+60m+36m悬臂灌筑预应力砼变截面连续箱梁；下部结构为钻孔灌注桩、柱式墩、台，其中主桥设计为矩形墩，大体积承台。
长湖申线航道为Ⅳ级航道，长湖申线特大桥主桥的主跨（60米）跨越该航道，设计要求净空7米，净宽55米；长湖申线航道是连接长兴县、湖州市和上海市之间水上交通的主要航道，上海市近四分之一的建筑材料都是通过这条航道运进的，因此长湖申线航道被称为“黄金水道”。
二、地质情况
主桥处地表为亚粘土及亚砂土。
亚粘土的力学性质如下：
σ=120Kpa，τ=22 Kpa，
亚砂土的力学性质
σ=135Kpa，τ=30 Kpa
三、施工方案
（一）、方案选取思路
1、 由于长湖申线航道由原设计的Ⅴ级航道变更为Ⅳ级航道以满足更大的通航要求，桥梁净空也相应的增大，承台底标高由原设计0.1m变更为-3.5m，而该处地面标高为2.8左右，水面标高汛期时达到1.2m,基坑深度达到6.3m左右；这样来，原设计的承台基坑由浅水施工变更为全部水下施工。鉴于施工现场极度狭窄大型起重设备无法运进、长湖申线航道船只流量过大打桩船无法停靠的实际情况，我单位放弃了设计单位推荐的钢套箱围堰和钢板桩围堰方案采用钢筋砼沉井围堰施工承台基础，并将沉井内壁作为承台外侧模板使用。承台几何尺寸为9.75×8.4×3.5m，为避免沉井围堰在下沉过程中的偏差而造成承台中线偏差，长、宽方向各加大10cm，沉井内几何尺寸采用9.95×8.6×6.3m，壁厚40cm，沉井分两节下沉，两节高度分别为h1=3.3m，h2=3.0m。
本围堰的特点：
1）、占航道面积较小，不影响船只正常通行；
2）、围堰整体刚度大；
3）、防水性能好，可在粘性土层深水河床的承台中施工；
4）、不需水下作业，安全性能高；
5）、沉井内壁作为承台外侧模板使用也大大节省了时间，省工省力；
6）、现场预制并下沉，勿需大型起重设备，大大降低了成本。
（二）、钢筋砼沉井施工
1、场地处理
（1）平整场地：当有淤泥或软硬不均土质时必须进行换土夯实；
（2）测量放样：准确放出沉井的十字中线及刃脚位置轮廓线；
（3）开挖地槽：为了使本沉井均匀下沉不致歪斜，拟采用开挖地槽的方法，即：沿着已放样的沉井轮廓线向下开挖1米深的地槽，并用2cm砂浆抹面；
2、预制底节沉井
利用已开挖的地槽作为一部分模板，在其中安装钢刃脚，绑扎钢筋，最后之所以底节沉井的设计高度支立地面部分模板，内拉外撑支护好后，浇筑砼。
3、养生
浇筑后约10h即可覆盖洒水养生，底节沉井砼强度达到100%后方可下沉。
4、挖土下沉
为防止沉井下沉时发生歪斜，拟在其四角打设四根直径30cm的导向钢管；当底节沉井砼强度达到100%时即可采用挖掘机，抓土下沉井的方法施工。
5、循环施工
当底节沉井下沉到位时，即开始第二节的施工，待其强度达到 80%后方可挖土下沉，如此循环，直至本围堰全部施工完毕为止。
（三）、沉井设计及计算
本沉井需求算的最小入土深度、壁厚、封底砼厚度均按最不利因素考虑进行验算。由于本沉井下沉过程及就位后均受主动土压力、被动土压力及水压力等外力作用， 结合本围堰及该处地质情况：水深5.5米，土质为高液限亚粘土，内摩擦角取φ=20°，计算如下：
1、最小入土深度h
由公式K=（Q-B）/T+R=（Q-B）/L×H×F+R
其中：
K—下沉安全系数，一般大于1.15，取1.20；
Q—沉井自重；
B—被井壁排出的水重（KN）；采取排水下沉时B=0；
T—沉井与土间的摩擦力（KN）；
L—沉井周长；
H—沉井下沉高度，本方案中H=h+6.3，h为入土深度；
F—井壁与土的摩擦系数，取2.45KN/m2
R—刃脚反力（KN），因采取将刃脚底面及斜面土挖空的方法，则 R=0；
由以上可知：
K=（Q-B）/L（h+6.3）×2.45+R即1.20=45.738×22/(9.95×2+8.6×2)×(h+6.3)×2.45
求得h=2.93m
2、沉井壁厚d
内摩擦角φ=20°，土容重r2=2.3KN/m3,H=6.3m
主动土压力：Pa= r2Htg2(45°-φ/2)=7.1KN/m2
被动土压力：Pb= r2Htg2(45°+φ/2)=29.6KN/m2
最大水压力：Pc=P水h水=10×5.5=55KN/m2
由此计算得最不利荷载时，本围堰侧压力
Pmax=PC+Pb-Pa=77.5KN/m2
设计沉井砼标号为C30即强度达到100%时，
[σ]=30Mpa=30×106N/m2
30×106d>77.5×103时方满足施工需要
求出d>26cm，考虑到施工方便操作及可能出现的各种情况，围堰壁厚取40cm。
3、封底砼厚度计算h封
(1) 板底所受最大弯矩计算
M1=a1×p×l12
M2=a2×p×l22
假设封底厚度混凝土为1.0m，水深度=5.5m，静水压力形成的荷载
P=55-1×24=31KN
M1=0.0564×31×9.12=144.785KN.M2
M2=0.0432×31×10.452=146.244KN.M2

故Mmax=146.244KN.M2
h封=1.1+0.4=1.5m>1.0m
封底混凝土厚度采用1.5m。
其中：
a1、a2---弯矩系数按l1/l2取值，本沉井a1=0.0564
a2=0.0432
P---静水压力形成的荷载，地下水压力减去封底混凝土重量（KN/m2）
M---板的最大弯矩（KN/m2）
b--板宽一般取1000mm
fct---混凝土抗张拉强度设计值，C30混凝土取1.1Mpa
K---安全系数，一般取2.65
D---考虑水下混凝土可能与沉井底泥土混合增加厚度，一般取300--500mm。
（四）、沉井的辅助下沉方法
由于本工程沉井的下沉分两部分：即一部分土层为筑岛填料宕渣，另一部分土层为原状土（亚砂土、亚粘土）；故当底节沉井下沉时，拟采用的辅助下沉方法为射水下沉法，当沉井下沉至原河床时则采用触变泥浆护壁下沉法。
1、挖土下沉：
挖土下沉即在下沉过程中，四周刃脚处对称用人工挖土，使刃脚脱空，借助沉井自重下沉。
2、射水下沉法：
用预先安设在沉井外壁的水枪，借助高压水冲刷土层，使沉井下沉。
3、触变泥浆护壁下沉法；
触变泥浆是以20%膨润土及5%（碳酸钠）加水调制而成，泥浆制备采用泥浆池内调制，泥浆泵输送，采用本方法可大大减少井壁的下沉摩阻力，同时还可起阻水作用，并可维护沉井外围地基的稳定。
（五）、水下砼封底：
水下砼封底采用导管灌注的方法，根据计算的封底厚度计算出砼的需用量，采用可移动或导管从一边依次向另一边浇筑砼。在移动过程中要保持均匀，不要移动过快或过慢，以保证封底砼的厚度及密实度。
（六）、沉井下沉的注意事项：
注意事项：
1、 下沉时应统一指挥，确保平稳下沉，在施工期间密切注意水位的变化，昼夜观测，超过警戒水位时，要及时处理。
2、 沉井下沉位置的正确与否，其第一、二节要占70%，开始2-3m以内，要特别注意保持平面位置与垂直度的正确，以免继续下沉时不易调整。
3、 为减少下沉的摩阻力和以后的清淤工作，最好在沉井的外壁随下沉随填砂的方法，以减轻下沉困难。
4、 挖土应分层进行，防止刃脚挖土太快突沉伤人，在挖土时，刃脚处，不准有人操作或穿行，以免刃脚处切土过快伤人。
5、 在沉井开始下沉和将沉至设计标高时，周边开挖深度应小于30cm或更薄一些避免发生倾斜，在离设计标高20cm左右时应停止取土，依自重下沉至设计标高。
6、 井下操作人员应戴安全帽，穿胶鞋，穿防水衣裤；施工现场应有备用电源，潜水泵应配装漏电保护器。
纠偏措施：
沉井下沉过程中，应地质不同或其他方面原因如操作上可能会发 生倾斜和位移，如遇此种情况应采取以下措施：
1、 纠偏前应认真分析产生倾斜和位移的原因，然后采取相应的措施，如遇刃脚处有障碍物，应先清除障碍物。
2、 纠正倾斜时，要采取在倾斜侧挖土、压重，另一侧不动，以增加沉井竖向荷载，达到下沉目的。或在另一侧刃脚加支垫，对边挖土下沉的方法纠正。
3、 纠正位移是也要先挖土，使沉井底面中心向设计墩位中心倾斜，然后在另一侧再挖土，使沉井恢复竖直状态，如此反复，直至移至设计中心线。
4、 纠正轴扭时，在一对角线两角挖土，在另外两对角填土，借助于刃脚下不相等的土压力形成的扭矩，达到纠正轴扭的效果。
（七）、主桥外侧围堰的施工
由于主桥桥墩设在长湖申航道河堤的内侧，考虑到基础施工周期较长，同时汛期又到来，为了保证基础正常及汛期防洪的要求，我们需要做两层围堰；内侧是施工承台的钢筋混凝土沉井围堰，外侧（靠主航道侧）采用袋装土围堰，为防止汛期航道涨水及过往船只时水流对土围堰的冲刷，造成土围堰向外侧滑塌，我单位采用袋土围堰外侧打设钢管桩（直径160mm、壁厚5mm、长度8m）的方式防护外侧土围堰，另外本钢管桩还可对钢筋混凝土沉井下沉时造成周围土体下沉进而造成外侧土围堰下沉、坍塌进行有效防护。
四、 问题及探讨
（一）、周围土体塌陷
沉井下沉过程中，造成周围2--3米范围内土体坍塌，由于挖土下沉的过程中，沉井内外侧土压力差逐渐增大，致使沉井周围土体沿沉井四周刃脚处“涌”向沉井内，随挖随“涌”，从而造成周围2--3米土体塌陷，这一情况应在今后的施工中引起高度重视，选择沉井方案的施工地点2--5米范围内应没有房屋、基础等重要设施，否则易造成房屋坍塌、基础下陷。
（二）、封底方法
我们在施工第一个沉井时采用沉井下沉到位后将井内水全部抽出的排水封底法，具体是将沉井刃脚周围用袋装土及水泥浆填塞密实，但仍然不能保证沉井内仍有渗水，因此我们采用在井底挖4--6道小水沟，沟内填满大块碎石，其上再填小块碎石，从而制成沉井底的“渗水盲沟”，将“盲沟”内的水引至沉井中央用无底铁捅围成（铁桶周围刺出细小孔洞，且铁桶高出封底砼顶面）的集水井中，设水泵抽水，保证封底在无水条件下完成，待砼终凝后，撤泵后用砼填满集水井，从而完成整个封底过程。
此方法在22号墩右幅承台施工中采用，由于距离航道只有3--4米，且过往船只太多，造成井底水压力过大，封底完成后约6个小时，出现“管涌”，3分钟之内涌进基坑近千方泥沙，派潜水工找出漏洞并封堵后，抽水发现井底砼板四分五裂，此方法失败。于是只有重新采用导管法进行水下混凝土封底，待砼强度满足要求时抽水，发现井底砼板上仍有10余个细小孔洞处涌沙，最初采用棉絮加楔填塞，仍涌沙，后改为棉纱加楔填塞，发现仅仅流出清水而无泥沙，至此封底成功。
（三）、对沉井施工航道旁深水承台基础方案的重新认识和设想：
虽然本方案较钢板桩、钢双壁套箱方案经济、节约成本，但认真总结起来，仍有不足。沉井下沉过程中必然会导致周围土体整体塌陷，而本承台距离航道仅仅3--4米，因此在施工中周围袋装土围堰坍塌过多次，虽打设钢管桩防护，但仍不时开裂，需挖掘机配合人工不停修补、填土，加上施工期间正值雨季，施工条件异常艰苦。
设想：如果在进行钻孔灌注桩施工时，利用现场设备采用沿承台四周紧密钻孔灌注8--10米的短桩基形成“地下连续墙”后，采用明挖的方法进行本承台的施工，这样一来既经济、安全又可大大节省时间。
结束语：
笔者作为一名施工一线的技术干部，亲自设计、组织了长湖申线特大桥主桥22号、23号墩两侧4个水下承台基础的施工，期间经历多次台风、暴雨，从2004年8月7日开始至2004年10月1日全部完成，历时近两个月，拙文谈不上经验，只是笔者一点粗浅的认识，拿出来与广大技术干部共勉，有不当之处请多提宝贵意见。

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