沉井基础施工

1第四节沉井基础施工一、沉井基础的基本概念1、沉井基础的适用情况对于大跨径斜拉桥这样的在竖向和横向都需要承受大承载力的深基础，如果受水文、地质条件限制采用桩基础施工难度较大，而沉井下沉施工又不困难时，则常采用沉井基础。沉井是桥梁深基础中常采用的基础结构形式。2、沉井基础的作用及工作原理沉井基础利用沉井结构作为桥梁墩、塔等结构的基础，承受并将墩、塔等结构传来的荷载最终传递、分散到地基中去，使桥梁结构处于稳定、安全的受力状态。沉井基础工作方式和原理见图3-2-28。图3-2-28沉井基础工作方式和原理示意图3、沉井结构的组成沉井从主体上看为空心的柱体结构，一般由刃脚、井壁、隔墙、封底混凝土、顶盖板等部分构成，见图3-2-29。261423757图3-2-29沉井结构示意图1、刃脚；2、井壁；3、井孔；4、顶盖板；5、隔墙；6、凹槽；7、封底（1）刃脚刃脚为斜尖状构造，这种形式使刃脚能更容易地切入土层中，从而引导整体沉井在土中下沉。刃脚也可看作是沉井井壁的一部分，即刃脚是从沉井最底部至尖状体顶面的那一部分井壁体，或者说是沉井井壁底部的尖状体部分。为了减少刃脚底面的承载应力，刃脚底有时做成较窄的，但有一定宽度的平底面形式。刃脚的平底面称为刃脚踏面。（2）井壁井壁是沉井的主体部分，既是沉井基础中的主要受力构造，又是沉井施工过程中挡土和挡水的主堰体构造。（3）隔墙当沉井承受井外土体侧压力或承受井内外水头差压力时，隔墙对井壁起支撑作用，以减少井壁的跨间弯矩。而且，在沉井基础承受桥梁结构的竖直和水平荷载时，隔墙既加强了井壁间的联系，提高了沉井截面的整体刚度，又增加了沉井截面的抵抗面积和抵抗惯性矩。3隔墙底面要高出刃脚50cm以上，以避免妨碍沉井下沉。（4）封底混凝土封底混凝土是在沉井内底部所浇筑的混凝土，是传递墩、塔等结构荷载于地基的承重结构，是在井内抽水时的阻水构造。封底混凝土必须与井壁、隔墙紧密结合，而且必须有足够的厚度，以便通过井壁、隔墙与混凝土之间的剪力传递而使封底混凝土能有效地承受沉井传下来的荷载。为此，在井壁、隔墙的相应部分设置凹槽或剪刀键，其目的就是为了使沉井与封底混凝土之间更有效地传递剪力。（5）顶盖板沉井顶盖板是直接承受墩、塔等结构的构件。墩、塔等结构传下来的荷载在顶盖板上分布后再传给沉井其他部分。4、沉井的形式（1）根据沉井底节的施工方式分类①就地制作下沉沉井一般在岸上、水深及水流速度不大的位置上采用。该类沉井多采用混凝土或钢筋混凝土结构。这种沉井是在墩、塔等结构的位置上筑岛或仅需整、处理场地后制作底节，然后使沉井就地边接高边下沉。②浮式沉井一般在深水位置处采用。浮式沉井有钢丝网水泥薄壁、钢筋混凝土薄壁、装配式钢筋混凝土薄壁、带钢气筒、双壁套箱钢壳等结构形式。其底节是在岸上制作成形，并通过在滑道上滑移等方式下水，并被浮运到位。此后，使沉井边接高边下沉，直到其达到规定要求。底节制作及就位还可采用如下方式：在船上制作4底节，并采用吊装设备吊装和其他措施，使底节下水并被浮至设计位置。沉井底节也可采用沉船入水的下水方式。（2）根据沉井的竖剖面形状分类沉井有柱形沉井、锥形沉井、阶梯形沉井等类型，这些沉井的形状见图3-2-30。阶梯形锥形柱形图3-2-30沉井按竖剖面形状分类图(3)根据沉井的平面形状分类沉井有圆形沉井、矩形沉井、圆端形沉井等类型，这些沉井的形状见图3-2-31。图3-2-31沉井按平面形状分类图(4)根据沉井刃脚是否等高的情况分类5沉井有等高刃脚沉井和不等高刃脚沉井。前者是常采用的沉井类型，后者是特殊的沉井类型。不等高刃脚沉井一般是在不等高岩面上，且需要使沉井刃脚着岩的情况中采用。5、沉井基础的一般施工方法承受大跨径斜拉桥荷载的沉井，除必须具有足够大的截面尺寸以满足强度和刚度要求外，还必须能将荷载有效地传至足够大范围和足够大强度的地基上，使地基能够安全稳定地承受桥梁荷载。为了满足强度和刚度要求，沉井的平面尺寸和截面积一般是很大的。为了满足地基受力要求，沉井一般要深入到地基中较深位置，因而沉井高度一般也是很大的。所以沉井的平面尺寸、高度、体积和重量一般都是很大的。沉井基础施工的主要难度和主要目的就是要将规模很大的沉井下沉到地层中要求的深度。沉井下沉到要求的深度后，沉井基础此后的施工相对就容易多了。大规模沉井的下沉，从吊装，从对沉井状态的控制等的能力上考虑，只能采取逐步接高沉井，逐步使沉井下沉的方式。沉井基础的各种施工方法，均是按照逐步接高和逐步下沉的指导思想考虑的。沉井施工的主要工序及其大致顺序是：沉井首节即底节的制作及就位、沉井的接高及下沉、沉井的封底、沉井的填芯、沉井顶盖板的架设。沉井底节的制作及就位一般采用两种方法，即就地制作就位法和预制浮运就位法。前者是在设计的沉井位置筑岛作为沉井底节的制作场地，在筑岛的场地上完成底节的制作后，就地使沉井边接高边下沉。后者是在方便制作、下水的场地上制作可自浮的沉井底节，然后采用一定方法使底节下水并被浮运就位，并在沉井设计位置上设置锚碇系统使底节处于可控状态。此后在底节上边接高边下沉沉井。当沉井进入土层一定深度后，对沉井为满足自浮需要而设置的空腔结构进行6填充，以满足沉井作为基础构造的受力要求。沉井的接高是从底节上开始的，且是与沉井的下沉交替进行的。沉井的下沉必须通过排除刃脚、井壁及隔墙附近的土体，使沉井所受土体阻力减少才能实现。排除土体一般只能在井内进行。井内除土是沉井下沉的必要和主要措施、方法。对于沉井的下沉，此外还有井内抽水减浮、沉井临时压重、炮振、以空气幕或泥浆润滑套对外井壁土层进行扰动等助沉措施。沉井的封底可采用排水浇筑混凝土、浇筑水下混凝土、浇筑水下压浆混凝土等方法。沉井的填芯有的沉井需要，而有的沉井是不需要的，这要根据设计的要求确定。需要填芯时，一般需先在井内抽水，然后清除封底面的淤泥、浮浆等杂质，此后再在井内分层填充填芯物，并分层夯实之。沉井顶盖板的架设是在沉井顶部进行的。鉴于通航、节省圬工材料及美观的需要，沉井顶面，包括井顶盖板，必须是置于地面或水面以下一定深度的。为此，当最后一节沉井下沉到顶面距地面或水面一定高度时，在井顶设置挡土或防水围堰，以便沉井在顶面没入地面或水面以下后，能够继续在无土干扰和无水情况下进行其顶盖板及墩、塔的地下或水下部分的施工。因此，沉井顶盖板是在有井顶围堰保护的情况下进行的。二、沉井在土层中的下沉施工方法1、排水开挖下沉这种方法是通过挖除沉井内和刃脚下的土体，使沉井减少所受阻力而下沉。在排水不会产生土体坍塌的较稳定的土层中，沉井可在井内排水后，在无水7的情况下开挖下沉。这种方式使沉井的状况包括精度状况更容易得到控制，使得沉井即使发生问题，也能使问题及时得到解决。排水可在井内或井外四周挖设集水井后，在集水井内抽水进行。井内土体采用人力或风动工具开挖。对于粘土、淤泥等淤状土体，可采用高压吸泥泵吸除。对于较硬的岩层，可采用放炮松土的方式挖除。开挖必须对称地进行，保证沉井均匀下沉。2、不排水除土下沉同上，这种方法也是通过清除沉井井内和刃脚下土体而使沉井下沉的一种方法。对于渗漏严重而无法在井内排水的情况，采用抓土机械和吸泥设备除土。在吸泥过程中，由于泥水一同被排出，为保持井内外水头平衡，需同时以抽水机抽水向井内补水。在较坚硬土层中抓、吸土较困难时，可采用高压射水方法先将土体冲松，再将土体抓出或吸出。抓土施工见图3-2-32，吸泥施工见图3-2-33，高压射水施工见图3-2-34。吊绳及抓斗空气压缩机风包风管小风包吸泥机沉井图3-2-32沉井抓土施工示意图图3-2-33沉井吸泥施工示意图8图3-2-34沉井高压射水冲射土层示意图3、下沉辅助措施(1)空气幕助沉空气幕方法适用于沉井在水中或在地下水位较高的细砂、粉砂类及粘性土层中下沉时采用。空气幕方法是通过预埋在井壁管路上的小孔即气龛向井壁外土层中喷射压缩空气，气流沿沉井外壁上升带动土体翻滚，使土体被扰动，因而使土对沉井外壁的摩阻力减少，从而使沉井下沉。1)空气幕的组成空气幕由井壁中的预埋管路、外井壁表层的气龛、空压机、风包及送风管路等构造和设备构成，见图3-2-35。9井壁纵剖面（钢筋未示）沉井台阶井壁预埋竖管（接地面风管）1/2Ⅰ-Ⅰ竖管1/2Ⅱ-Ⅱ半剖面半立面井壁展开示意图沉井台阶水平环管Ⅰ气龛竖管顶盖板位置环管及气龛ⅡⅠⅡ顶盖板竖管（接地压气环形管气龛面风管）环形管图3-2-35沉井空气幕系统构造示意图①气龛气龛是设置在沉井外壁的凹槽和槽中管路上的喷气孔。气龛凹槽平面尺寸及深度多采用5cm×15㎝×3cm这样一种规格，喷气孔一般采用1mm的小圆孔。气龛构造见图3-2-36。图3-2-36空气幕气龛构造图10②井壁内的预埋管路预埋管路是压力气体通过的途径。其布置有两种方式：一种是同时设环形管和竖管，喷气孔设在环形管上。竖管与环形管连接并伸出井顶。压气时气体由竖管进入环形管，然后从各气龛喷出。另一种则只设竖管，喷气孔即设在竖管上。竖管可采用塑料管或钢管，水平环管则采用直径为25mm的硬质聚氯乙烯管。③供气系统由空压机及风包供气，通过风管路送进井顶竖管，最后由气龛出气，形成压气通路。2)气幕构造的安装程序沉井气幕构造的安装程序为：管材下料、沉井模板及气龛成形用的木模块的安装→井壁内预埋管路的安装→井壁混凝土的浇筑→养生→拆模及木模块拆除→喷气孔的钻设→供气系统的连接→对气幕系统进行压气检查。3)气幕作业要点①开气的顺序是先上层后下层，否则气体可能从刃脚下喷进井内而引起翻砂；②压气时气压要尽可能用压风机的最大值。实践证明，压力大则压气效果就好；③压气时间一般只在25S～50S之间，最多不超过1min。压气时间过长，沉井周围砂土已液化，液化的砂土较易渗入气龛，造成堵塞，故每次压气时间不可过长；④压气时的堵塞问题必须引起足够的重视，除注意上述压气操作要点外，对11钢管的锈皮、塑管毛刺、废渣、泥土等容易造成气流堵塞的物质必须预先加以仔细清理，确保压气畅通。另外，可在管路的端头设贮砂筒，贮存由气龛渗进的砂子，防止喷气孔堵塞。(2)泥浆润滑套助沉沉井的泥浆润滑套下沉方法是在沉井外壁周围与土层之间设置泥浆隔离层，减少土与井壁间的摩阻力，以利沉井下沉。该方法一般在筑岛或岸地沉井中采用。泥浆由粘土、水和化学处理剂配成。泥浆润滑套对井壁的摩阻力为3Kpa～5Kpa。1)设施布置为了在井壁与土层之间设置泥浆隔离层，需要布置一套沉井泥浆润滑套施工系统，见图3-2-37。图3-2-37沉井泥浆套施工布置示意图泥浆润滑套系统的布置方式是，在沉井旁设置粘土存放和风干场、碎土设备、拌浆机和储浆池。在储浆池旁设置压浆机，通过输浆管路将泥浆压入泥浆套内。当沉井采用在水中筑岛的下沉方式时，泥浆润滑套系统的拌浆机、储浆池和压浆12机可装设在船只上。泥浆润滑套设施产生润滑套的过程是，泥浆由压浆机通过输浆管送至井顶压浆管，再通过压浆管从井壁外的射口围圈流散在土层和外井壁间的缝隙间，从而在其间产生润滑套。泥浆润滑套设施主要构造情况是：①输浆管可采用直径38mm～75mm的钢管或胶管，一端连接压浆机，一端通至井顶，并与三通管相连。三通管上装有胶管和闸阀，胶管可分别与井顶各压浆孔口的管头相连。当某一孔道需压浆时，只需连通胶管并将相应闸阀开启即可。②压浆管压浆管可采用内管和外管两种方式：内管方式是在井壁上设置预留压浆管道，见图3-2-37。外管方式又可采用井外、井内两种方式，其中井外外管法是将压浆管顺井壁外侧直接插入泥浆套内进行压浆。井内外管法是将压浆管从井孔内插下，在接近沉井台阶高度处穿过井壁，将压浆管出口引至泥浆套内，见图3-2-38。③泥浆管射口围圈采用内管法及井内外管法压浆时，压浆管的出口一段一般多采用铁皮弯管，射口设在底节沉井台阶处，射口方向与井壁周边的竖面成45°斜角。为防止压浆时泥浆直接冲射土壁及减少压浆孔出口处的II钢制地表围圈射口围圈对Ⅱ线中称IId38钢管d38钢管（井内外管法）图3-2-38井内外管法布置图13堵塞，可在射口处设置阻挡板，即所谓泥浆管射口围圈。④井壁地表围圈地表围圈是沿井壁周围埋设的围板，用以防