沉井施工

沉井法施工同济大学浙江学院张广兴讲师沉井是带刃脚的井筒状结构物(如图)。它是以井内挖土，依靠自身重力克服井壁摩阻力后下沉到设计标高，然后经过混凝土封底并填塞井孔，使其成为桥梁墩台或其它结构物的基础。一概述1、沉井法施工的概念图1沉井下沉示意图图2沉井基础2沉井法施工的特点及应用范围优点：(1)埋深大，整体性强、稳定性好，承载面积大，承载力高(垂直与水平)；(2)同时用作基础和施工时的挡土和挡水围堰；(3)施工时对邻近建筑物影响较小；(4)内部空间可进一步利用。缺点：(1)施工工期较长；(2)施工技术要求高；(3)施工中易出现流砂，造成沉井倾斜或下沉困难。桥墩、锚碇、矿用竖井、地下泵房、水池、油库、地下设备基础、盾构隧道、顶管的工作井和接收井等。（1）上部荷载较大，表层地基土承载力不足，一定深度下有较好持力层，且与其他基础方案相比较为经济合理；（2）在山区河流中，冲刷大或河中有较大卵石不便桩基础施工；（3）岩层表面较平坦且覆盖层薄，但河水较深，采用扩大基坑施工围堰有困难。沉井法的应用范围江阴长江公路大桥北锚沉井：沉井平面长69米，宽51米，下沉深度为58米，体积20.4万立方米,列世界最大沉井。大型钢壳沉井过黄浦江倒虹管沉井沉井可以按以下方法进行分类：1）按施工方法分类2）按沉井形状分类3）按沉井所用材料分类。二沉井的分类1、按沉井的施工方法分类按施工方法分为：一般沉井和浮运沉井。一般沉井：指就地制造下沉的沉井，这种沉井是在基础设计的位置上制造，然后挖土靠沉井自重下沉。如基础位置在水中，需先在水中筑岛，再在浮式沉井：在深水地区筑岛有困难或不经济，或有碍通航当河流流速不大时，可采用岸边浇筑浮运就位下沉的方法，这类沉井称为浮运沉井或浮式沉井。2、按沉井平面形状分类常用的有圆形、圆端形和矩形等。根据井孔的布置方式，又有单孔、双孔及多孔的分别。沉井平面形式a)单孔沉井；b)双孔沉井；c)多孔沉井圆形沉井：1）沉井在下沉过程中易控制方向；2）能保证其刃脚均匀地支承在土层上；3）井壁受力均匀，承受水平土压力和水压力性能良好。圆端形沉井：1）控制下沉、受力条件、阻水冲刷均较矩形者有利；2）但沉井制造较复杂。对平面尺寸较大的沉井，可在沉井中设置隔墙，使沉井由单孔变成双孔或多孔。矩形沉井：1）具有制造简单，基础受力有利的优点，常能配合墩台(或其他结构物)底部平面形状。2）四角一般做成圆角，可有效改善转角处的受力条件，减缓应力集中现象，以降低井壁摩阻力和避免取土清孔的困难。3）矩形沉井在侧压力作用下，井壁受较大的挠曲力矩；4）在流水中阻水系数较大，冲刷较严重。3、按沉井立面形状分类主要有柱形、锥形及阶梯形等。采用形式应视沉井需要通过的土层性质和下沉深度而定。土软，浅土密，深土较密，深柱形沉井它在下沉过程中不易倾斜，井壁接长较简单，模板可重复使用。故当土质较松软，沉井下沉深度不大，可以采用这种形式。锥形沉井井壁可以减少土与井壁的摩阻力，其缺点是施工较复杂，消耗模板多，同时沉井下沉过程中容易发生倾斜。故在土质较密实，沉井下沉深度大，要求在不太增加沉井本身重量的情况下沉至设计标高，可采用这类沉井。锥形式的沉井井壁坡度一般为1/20～1/40。阶梯式沉井阶梯式沉井的台阶宽度约为100～200mm。鉴于沉井所承受的土压力与水压力，均随深度而增大。为了合理利用材料，可将沉井的井壁随深度分为几段，做成阶梯形。下部井壁厚度大，上部井壁厚度小，因此，这种沉井外壁所受的摩擦阻力可以减小，有利于下沉。4、按沉井所用材料分类按沉井所用材料分主要有素混凝土沉井、钢筋混凝土沉井、砖石沉井、竹筋混凝土沉井和钢沉井等。1）素混凝土沉井：素混凝土沉井的特点是抗压强度高，抗拉能力低，因此这种沉井宜做成圆形，并适用于下沉深度不大(4～7m)的软土层中。2）钢筋混凝土沉井：这种沉井的抗拉及抗压能力较好，下沉深度可以很大(达数十米以上)。当下沉深度不很大时，井壁上部用混凝土，下部(刃脚)用钢筋混凝土，在桥梁工程中得到较广泛的应用。当沉井平面尺寸较大时，可做成薄壁结构，沉井外壁采用泥浆润滑套，壁后压气等施工辅助措施就地下沉或浮运下沉。此外，钢筋混凝土沉井井壁隔离墙可分段(块)预制，工地拼接，做成装配式。4）竹筋混凝土沉井：沉井在下沉过程中受力较大因而需配置钢筋，一旦完工后，它就不再承受多大的拉力，因此，在南方产竹地区，可以采用耐久性差但抗拉力好的竹替部分钢筋来承受下沉阶段过程中拉力。我国南昌赣江大桥等曾用这种沉井。在沉井分节接头处及刃脚仍用钢筋。3）砖石沉井：这种沉井适用于深度浅的小型沉井，或临时性沉井。例如，房屋纠倾工作井，即用砖砌沉井，深度约4～5m。5）钢沉井：钢沉井由钢材制作，强度高、质量轻、易于拼装、适于制造空心浮运沉井，但用钢量大，国内应用较少。1、沉井的轮廓尺寸沉井平面形状：常取决于上部结构（或下部结构墩台）底部的形状。矩形沉井，沉井的长短边之比不宜大于3；若上部结构的长宽比较为接近，可采用方形或圆形沉井。三沉井的构造沉井的入土深度：根据上部结构、水文地质条件及各土层的承载力等确定。入土深度较大时应分节制造和下沉，每节高度不宜大于5m；底节沉井过高，易造成制模、筑岛时岛面处理、抽垫下沉等困难。2、沉井的一般构造一般沉井构造上主要由井壁、刃脚、隔墙、井孔、凹槽、射水管、封底和盖板等组成。1）井壁井壁是沉井的主要部分。它在沉井下沉过程中起挡土、挡水及利用本身重量克服土与井壁之间的摩阻力的作用。当沉井施工完毕后，它就成为基础或基础的一部分而将上部荷载传递给地基。井壁必须具有足够的强度和一定的厚度。根据井壁在施工中的受力情况，可以在井壁内配置竖向及水平向钢筋，以增加井壁强度。井壁厚度按下沉需要的自重，本身强度以及便于取土和清基等因素而定，一般为0.80～1.50m，为便于绑扎钢筋及浇筑混凝土，其厚度不宜小于0.4m。钢筋混凝土薄壁沉井可不受此限制。井壁的混凝土强度等级不低于C15。2）刃脚井壁下端形如楔状的部分称为刃脚。其作用是在沉井自重作用下易于切土下沉。刃脚底面(踏面)宽度一般为0.1～0.2m，对软土可适当放宽。下沉深度大，且土质较硬，刃脚底面应以型钢(角钢或槽钢)加强(右图)，以防刃脚损坏。刃脚内侧斜面与水平面的夹角一般为大于等于45°。刃脚构造刃脚高度视井壁厚度、便于抽除垫木而定，一般当沉井湿封底时，取1.5m左右；干封底时，取0.6m左右。由于刃脚在沉井下沉过程中受力较集中，故刃脚宜采用C20以上的钢筋混凝土制成。3）隔墙沉井平面尺寸较大，也即井壁跨径较大时，应在沉井内设置隔墙，以加强沉井的刚度，使井壁的挠曲应力减小，其厚度一般小于井壁。隔墙底面应高出刃脚底面0.5m以上，避免隔墙下的土顶住沉井而妨碍下沉。也可在刃脚与隔墙联结处设置埂肋加强刃脚与隔墙的连结。如为人工挖土，在隔墙下端应设置过人孔，便于工作人员井孔间往来。4）井孔井孔是挖土排土的工作场所和通道。井孔尺寸应满足施工要求，宽度(直径)不宜小于3m。井孔布置应对称于沉井中心轴，便于对称挖土使沉井均匀下沉。5）凹槽凹槽设在井孔下端近刃脚处，其作用是使封底混凝土与井壁有交好的接合，封底混凝土底面的反力更好的传给井壁(如井孔全部填实的实心沉井也可不设凹槽)。凹槽深度约0.15～0.30m，高约1.0m。6）射水管当沉井下沉深度大，穿过的土质又较好，估计下沉会产生困难时，可在井壁中预埋射水管组。射水管应均匀布置，以利于控制水压和水量来调整下沉方向。一般水压不小于600kPa。如使用泥浆润滑套施工方法时，应有预埋的压射泥浆管路。7）封底和盖板沉井沉至设计标高进行清基后，便浇筑封底混凝土。混凝土达到设计强度后，可从井孔中抽干水井填满混凝土。如井孔中不填料或仅填以砂砾则须在沉井顶面筑钢筋混凝土盖板。封底混凝土是传递墩（台）全部荷载于地基的承重结构，这就要求封底混凝土有一定的厚度(可由应力验算决定)，其厚度根据经验也可取不小于井孔最小边长的1.5倍。封底混凝土顶面应高出刃脚根部不小于0.5m，并浇灌到凹槽上端。封底混凝土标号对岩石地基用C15；一般地基用C20。盖板厚度一般为1.5～2.0m。井孔中充填的混凝土，其强度等级不应低于C103、浮运沉井的构造1）不带气筒的浮运沉井不带气筒的浮式沉井适应于水深较浅、流速不大、河床较平、冲刷较小的自然条件。一般在岸边制造，通过滑道拖拉下水，浮运到墩位，再接高下沉到河床。这种沉井可用钢、木、钢筋混凝土、钢丝网及水泥等材料组合。钢丝网水泥薄壁沉井是由内、外壁组成的空心井壁沉井，这是制造浮运沉井较好的方法，具有施工方便、节省钢材等优点。沉井的内壁、外壁及横隔板都是钢筋钢丝网水泥制成。2）带钢气筒的浮运沉井沉井基础施工一般可分为旱地施工、水中筑岛及浮运沉井三种。5.4.1旱地沉井施工5.4沉井的施工大型沉井下沉施工中1、挖基坑及基础处理若天然地面土质较硬，只需清净地表杂物并整平；否则应换土或铺填不小于0.5m厚夯实的砂或砂砾垫层，防止沉井因沉降不均产生裂缝；为减小下沉深度，可挖一浅坑，在坑底制作沉井。2、制作第一节沉井先在刃脚处对称铺满垫木（支承第一节沉井），在刃脚处放上刃脚角钢，竖立内模，绑扎钢筋，再立外模浇筑第一节沉井。1-内模；2-外模；3-立柱；4-角钢；5-垫木；6-砂垫层首节沉井制作首节沉井制作3、拆模及抽垫当沉井混凝土强度达设计强度70％时可拆模，达设计强度后可抽撤垫木。抽垫应分区、依次、对称、同步地向沉井外抽出。抽垫顺序为：先内壁，再短边，最后长边。长边下垫木隔一根抽一根，以固定垫木为中心，由远而近对称地抽，最后抽除固定垫木，随抽随用砂土回填捣实，以免沉井开裂、移动或偏斜。4、除土下沉沉井宜采用不排水除土下沉，稳定的土层中也可采用排水除土下沉。除土方法可用：人工或机械。排水下沉常用人工除土，人工除土沉井下沉均匀，易于清除井内障碍物，但应有安全措施；不排水下沉时，可使用空气吸泥机、抓土斗、水力吸石筒、水力吸泥机等除土。可采用高压射水破坏土层。沉井正常下沉时，应自中间向刃脚处均匀对称除土，并随时注意沉井正位，保持竖直下沉，无特殊情况不宜采用爆破施工。第二节沉井的制作沉井下沉中沉井隔墙钢筋的绑扎5、接高沉井当首节沉井下沉至一定深度（井顶露出地面不小于0.5m，或露出水面不小于1.5m）时，停止除土，接筑下节沉井。凿毛顶面，立模，对称均匀浇筑混凝土，强度达设计要求后再拆模继续下沉。6、设置井顶防水围堰若沉井顶面低于地面或水面，应在井顶接筑临时性防水围堰，围堰的平面尺寸略大于沉井，其下端与井顶上预埋锚杆相连。常见的有：土围堰、砖围堰和钢板桩围堰。钢板围堰7、基底检验和处理沉井沉至设计标高后，应检验基底地质情况是否与设计相符。排水下沉时可直接检验；不排水下沉则应进行水下检验，必要时可用钻机取样。当基底达设计要求后，应对地基进行处理。砂性土或粘性土地基，一般可在井底铺砾石或碎石层至刃脚底面以上200mm；岩石地基，应凿除风化岩层，若岩层倾斜，还应凿成阶梯形。要除净井底浮土、软土，使封底混凝土与地基结合紧密。8、沉井封底基底检验合格后应及时封底。排水下沉时，可采用普通混凝土封底；否则宜用水下混凝土封底。若沉井面积大，可用多导管先外后内、先低后高依次浇筑。封底一般为素混凝土。9、井孔填充和顶板浇筑封底混凝土达设计强度后，再排干井孔中水，填充井内。如井孔中不填料或仅填砾石，则井顶应浇筑钢筋混凝土顶板，以支承上部结构。然后砌筑井上构筑物，并拆除临时性井顶围堰。10、泥浆润滑套施工泥浆润滑套是把配置的泥浆灌注在沉井井壁周围形成井壁与泥浆接触。选用的泥浆配合比应使泥浆性能具有良好的固壁性、触变性和胶体稳定性。泥浆对沉井壁起润滑作用，大大降低了井壁摩阻力加大了沉井的下沉深度，施工中沉井稳定性较好。泥浆润滑套射口挡板与内管法压浆管11、壁后压气施工壁后压气沉井法也是减少下沉时井壁摩阻力的有效方法。它是通过对沿井壁内周围预埋的气管中喷射高压气流，气流沿喷气孔射出，再沿沉井外壁上升，形成一圈压气层(又称空气幕)，使井壁周围土松动，减少井壁摩阻力，促使沉井顺利下沉。与泥浆润滑套相比