洞庭湖大橋組合式沉井施工關(guān)鍵技術(shù)及仿真分析

李德

（中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

1 工程概況

考慮航道疏浚的需要，洞庭湖大橋北岸引橋N001#—N005#墩基礎(chǔ)埋置較深，承臺最大埋深10.7 m。施工中采用組合式沉井的施工方案（圖1），沉井采用圓形結(jié)構(gòu)設(shè)計，下部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土，上部結(jié)構(gòu)采用鋼板樁。主要結(jié)構(gòu)包括：刃腳、井壁、底隔墻、鋼板樁、內(nèi)支撐。內(nèi)支撐由圈梁、撐座、撐管組成。

N003#墩鋼筋混凝土沉井外徑31.6 m，壁厚1.5 m，高9.1 m。鋼板樁采用拉森-4鋼板樁，型號SP?U400×170 × 15.5，鋼板樁沉井井壁直徑30.26 m，高8.6 m。鋼筋混凝土沉井底部設(shè)刃腳、底隔墻。刃腳外部采用16 mm 厚鋼板包裹，刃腳踏面寬0.3 m，斜面寬1.2 m，高1.2 m。底隔墻踏面寬0.3 m，斜面寬0.6 m，高1.2 m。內(nèi)支撐圈梁采用2HN700 × 300 型鋼，撐管采用600 mm × 10 mm 螺旋鋼管，封底混凝土采用C25，厚1.5 m。鋼筋混凝土井壁與鋼板樁之間采用內(nèi)槽鑲嵌的方式連接，內(nèi)槽部位鋼筋加密。鋼板樁與鋼筋混凝土沉井搭接長度0.5 m。

2 施工方案

平整場地后換填砂墊層，鋪設(shè)枕木，安裝鋼刃腳。底節(jié)鋼筋混凝土沉井分2次澆筑，1次下沉。沉井下沉至開挖面0.5 m 時停止下沉，安裝圈梁、內(nèi)支撐、插打鋼板樁。沉井制作完成后采用排水、吸泥的方式繼續(xù)下沉。主要施工步驟：①測量放樣，設(shè)置測量基準(zhǔn)點；②清理地表，換填砂墊層、鋪設(shè)枕木；③安裝鋼刃腳、安裝刃腳和底節(jié)的鋼筋、模板；④第1 次澆筑混凝土4.6 m；⑤安裝第2 節(jié)鋼筋及模板，第2 次澆筑混凝土4.5 m；⑥鋼筋混凝土沉井下沉；⑦安裝內(nèi)支撐及鋼板樁；⑧組合式沉井下沉；⑨混凝土封底施工。

3 施工要點

3.1 換填砂墊層、鋪設(shè)枕木

砂墊層的厚度和寬度應(yīng)滿足地基承載力要求，枕木數(shù)量應(yīng)滿足將上部荷載均勻傳遞到砂墊層的需要［1］。經(jīng)計算砂墊層厚度不應(yīng)小于0.96 m，實際工況取1.5 m；寬度不應(yīng)小于3.44 m，實際工況取4 m；枕木鋪設(shè)397根。

3.2 鋼刃腳安裝

鋼刃腳以折代曲分段制造，安裝前應(yīng)測量放樣每一段鋼刃腳的位置。安裝時利用角鋼焊接成的三角形支架定位，從上游往下游對稱拼裝，隨時測量和糾正刃腳的平面位置，確保精確合龍。

3.3 鋼筋混凝土沉井澆筑

主要施工步驟：①檢查鋼筋、混凝土原材料的質(zhì)量。②檢測混凝土拌合物的性能指標(biāo)。③檢查模板安裝定位的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。④澆筑混凝土?xí)r連續(xù)、分層澆筑，做好振搗工作。⑤混凝土澆筑后帶模、覆蓋土工布、灑水養(yǎng)護不少于7 d。⑥混凝土接茬面做好鑿毛。

3.4 沉井下沉

1）沉井下沉前，在沉井周邊設(shè)置排水溝，在沉井基坑內(nèi)設(shè)置排水溝和集水井。復(fù)核測量控制點，在沉井側(cè)面繪制下沉標(biāo)尺。

2）在底節(jié)混凝土強度達到設(shè)計強度100%，頂節(jié)混凝土強度達到70%后方可進行沉井下沉作業(yè)。

3）將枕木分組編號，合理確定每組的抽除順序。共分10個區(qū)間，其中4個為定位區(qū)間。

4）抽除枕木時先抽定位區(qū)間以外的枕木，逐步擴大抽除范圍，最后抽除定位區(qū)間枕木。每抽除1組，立即用砂回填并壓實。

5）沉井出土方式采用人工射水、吸泥，排水下沉的方法。出土順序由內(nèi)向外：先取靠近中間底隔墻處的土體，再取遠離底隔墻的土體。采用分層、均勻、對稱的方式進行射水取土。從沉井中間開始，逐漸向四周取土，每層取土厚度為0.4～0.5 m，沿刃腳周圍保留0.5～1.5 m 厚的土體，然后沿沉井井壁每2～3 m 一段向刃腳方向逐層全面、對稱、均勻地削薄土層，每次削除厚度為10～20 cm。當(dāng)土層承受不住刃腳的擠壓力而破裂時，沉井在自重的作用下擠土下沉。

6）沉井下沉接近設(shè)計標(biāo)高時停止井內(nèi)挖土和排水，使沉井依靠自重下沉至設(shè)計標(biāo)高。

3.5 鋼板樁安裝

安裝順序為：①鋼筋混凝土沉井下沉至開挖面0.5 m 左右時停止下沉。②先安裝圈梁及內(nèi)支撐，后安裝鋼板樁。鋼板樁采用吊機從下游往上游對稱安裝。鋼板樁嵌入鋼筋混凝土沉井頂部的凹槽內(nèi)，用水泥砂漿填充密實后緊固錨固鋼筋。

3.6 沉井封底

沉井下沉至接近設(shè)計標(biāo)高時，經(jīng)下沉觀測確定沉井已穩(wěn)定再進行封底［2］。根據(jù)地下水情況，該沉井采用水封施工。施工要點包括：①搭建安全可靠的施工平臺，根據(jù)導(dǎo)管作用半徑合理布置導(dǎo)管位置。②混凝土拔球順序從四周往中間進行，首封過程中導(dǎo)管懸空20～40 cm，首盤方量滿足導(dǎo)管埋深0.5～1.0 m 的要求。③用平底測坨測量封底混凝土標(biāo)高，尤其是邊角位置。④在各下料點交替灌注混凝土，保證混凝土面整體均勻上升。⑤封底混凝土強度達到設(shè)計要求方可抽水。

封底混凝土首盤方量V按式（1）計算，即

式中：h1為導(dǎo)管孔內(nèi)混凝土高度達到首批混凝土灌注所需的高度Hc時，導(dǎo)管內(nèi)混凝土立柱與導(dǎo)管外水壓平衡的高度，h1=HW×γW÷γC；其中HW為井內(nèi)水面至首批混凝土角堆體重心高度，HW=H0-Hc÷3，H0為井內(nèi)水面到井底高度，γW為沉井內(nèi)水的重度，γC混凝土拌合物的重度；d為導(dǎo)管直徑；D為混凝土擴散直徑。

將如下參數(shù)代入式（1），γW=10 kN∕m3，γC=24 kN∕m3，H0=11 m，Hc=0.7 m，HW=10.77 m，h1=4.21 m，D=8.0 m［1］，d=273 mm，得到V=12 m3。因此，首批混凝土灌注采用15 m3大料斗，正常灌注采用3.5 m3料斗，導(dǎo)管埋深不小于0.5 m。

4 施工監(jiān)測

1）沉井變形監(jiān)測的項目包括鋼筋混凝土沉井和鋼板樁沉井的豎向及水平位移、內(nèi)支撐變形、臨近棧橋管樁水平及豎向位移等。

2）沉井下沉過程中，沉井四角高差、軸線偏差控制在10 cm 以內(nèi)［3］。棧橋水平及豎向位移預(yù)警值控制在10 mm。

3）采用全站儀監(jiān)測位移，每個沉井至少設(shè)置3個穩(wěn)定的測量基準(zhǔn)點，以沉井中心為原點建立獨立坐標(biāo)系。

4）一般情況下，圍堰監(jiān)測頻率為1 次∕d。當(dāng)鋼筋混凝土圍堰的累計變形超過1 mm 或鋼板樁圍堰的累計變形超過3 mm時，觀測頻率改為2次∕d。

5）當(dāng)鋼筋混凝土圍堰的累計變形超過2 mm 或變形速率連續(xù)2 d 達到1 mm∕d 時，當(dāng)鋼板樁圍堰的累計變形超過3 mm 或變形速率連續(xù)2 d達到2 mm∕d 時，應(yīng)立即報警，停止施工。

6）監(jiān)測工作從沉井下沉前2 d 開始，直至沉井回填完為止，貫穿地下工程施工全過程。

5 安全驗算

5.1 砂墊層計算

為了便于整平、支模及下沉前抽除承墊木，在墊木下鋪設(shè)一層砂墊層，將沉井重量擴散到更大的面積上，使表面土層強度可以支持混凝土沉井重量，保證鋼筋混凝土沉井在澆筑過程的穩(wěn)定性［4］。

5.1.1 砂墊層厚度

砂墊層的厚度根據(jù)沉井重量和地基土的承載力確定，可采用下式計算［5-6］：

式中：Hs為砂墊層厚度；G為9.1 m高混凝土圍堰每米的重力，取293 kN∕m；fa為砂墊層底部土層承載力標(biāo)準(zhǔn)值，取100 kPa；L為沉井刃腳下枕木有效計算寬度，取2.0 m；θ為砂墊層壓力擴散角，取26°。

經(jīng)計算Hs≥0.97 m，實際取值1.5 m，滿足要求。

5.1.2 砂墊層底層寬度

砂墊層底層寬度為

經(jīng)計算B≥3.44 m，砂墊層底層寬度實際取值4.0 m，滿足要求。

5.2 墊木計算

為了將沉井自重擴散到砂墊層和地基土上，在沉井井壁刃腳及底隔艙刃腳底部支墊墊木。墊木采用斷面尺寸為160 mm×200 mm，長度2.5 m的枕木。

5.2.1 墊木間距與數(shù)量

沉井井壁刃腳每米墊木數(shù)量n計算式為式中：A為每根枕木與砂墊層接觸的底面積，取0.5 m2；F為砂墊層承載力設(shè)計值，取200 kPa。

經(jīng)計算每米井壁刃腳需墊木2.93根，墊木中心間距0.34 m。鋼筋混凝土沉井井壁刃腳墊木278 根，底隔艙刃腳墊木119 根，鋼筋混凝土沉井刃腳共需墊木397根。

5.2.2 墊木壓力

墊木局部壓力R壓為

式中：G1為每根墊木承受鋼筋混凝土圍堰重力，取100 kN；A1為每根墊木受壓面積，取0.06 m2。

經(jīng)計算R壓=1 667 kN∕m2，小于木材橫紋局部擠壓強度容許值3 000 kN∕m2。

5.2.3 墊木剪力

墊木局部剪力τ為

式中，A2為每根墊木受剪面積，取0.032 m2。

經(jīng)計算τ=1 563 kN∕m2，小于木材橫紋抗剪強度容許值2 000 kN∕m2。

5.3 沉井下沉計算

為使沉井平穩(wěn)下沉至設(shè)計標(biāo)高，應(yīng)根據(jù)土層性質(zhì)、施工方法、下沉深度等因素選擇適當(dāng)?shù)南鲁料禂?shù)［7-8］。參考相關(guān)資料對混凝土沉井、組合沉井下沉系數(shù)及下沉穩(wěn)定系數(shù)進行計算。

5.3.1 鋼筋混凝土沉井下沉計算

1）鋼筋混凝土圍堰自重。鋼筋混凝土重度取25 kN∕m3，混凝土圍堰體積1 494 m3，則沉井重量G2=37 350 kN。

2）摩阻力。土壤與井壁摩阻力按下式計算

式中：F1為井壁總摩阻力；U為井壁外周長，取99.27 m；f為每單位周長所受摩擦力，地面以下5 m 按三角形分布計算，5 m以下按均布荷載計算。

地面上層1.45 m 為粉質(zhì)黏土，極限摩阻力40 kPa；地面下層7.15 m為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，極限摩阻力20 kPa。經(jīng)計算f=136.50 kN∕m，F(xiàn)1=13 551.00 kN。

3）下沉系數(shù)。排水下沉不計浮力的影響，下沉系數(shù)K1為自重與摩阻力的比值，K1=G2∕F1=2.76>1.05，滿足下沉要求。

4）下沉穩(wěn)定系數(shù)。地基承載力為240 kN∕m2，底隔墻踏面支撐力R2=9 554.08 kN，刃腳踏面支撐力R1=21 443.30 kN，下沉穩(wěn)定系數(shù)K2=G2∕（F1+R1+R2）=0.84<0.90，滿足下沉穩(wěn)定性要求［1］。

5.3.2 組合式沉井下沉計算

1）組合式沉井自重。鋼板樁自重2 656.14 kN，則組合式沉井自重G3=40 006.14 kN。

2）摩阻力。沉井下沉到位后，下沉深度16.1 m，鋼筋混凝土沉井下沉9.1 m，鋼板樁沉井下沉7 m。上層粉質(zhì)黏土高1.45 m，以下為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。鋼板樁型號SP?U400×170×15.5，井壁直徑30.26 m，周長156 m。經(jīng)計算組合圍堰摩阻力F2=34 369.97 kN。

3）下沉系數(shù)。下沉系數(shù)K3=G3∕F2=1.16>1.05，滿足下沉要求。

4）下沉穩(wěn)定系數(shù)。下沉穩(wěn)定系數(shù)K4=G3∕（F2+R1+R2）=0.61<0.90，滿足下沉穩(wěn)定性要求［1］。

6 仿真計算

6.1 模型建立

圖2 組合式沉井受力模型

采用有限元軟件建立仿真模型（圖2）對結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)進行驗算［9］。以沉井底面中心為原點建立坐標(biāo)系，z軸為豎直方向，x軸、y軸分別為平行于和垂直于底隔墻方向。鋼結(jié)構(gòu)用Q235，鋼板樁采用板單元，板厚15.5 mm，鋼筋混凝土沉井采用實體單元，混凝土強度等級C30，內(nèi)支撐及圈梁采用梁單元。按沉井幾何形狀建立結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)結(jié)構(gòu)受力情況，在鋼筋混凝土沉井底部約束設(shè)6 處固定約束，每處約束4 個節(jié)點。土壓力采用重液理論，近似用Pw+e=13HL計算，分析結(jié)構(gòu)在自重及土壓力作用下的受力情況。其中，Pw+e為沉井所受水、土壓力之和，HL為計算點至原地面高度。

6.2 相關(guān)參數(shù)

由文獻［10-11］可知：Q235 鋼材容許彎曲應(yīng)力［σ］=170 MPa，容許剪切應(yīng)力［τ］=100 MPa；C30 混凝土容許壓應(yīng)力［σc］=8.0 MPa，容許拉應(yīng)力［σt］=0.73 MPa。

6.3 計算結(jié)果

鋼板樁、內(nèi)支撐、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算結(jié)果見圖3?？芍轰摪鍢蹲畲笥行?yīng)力116.5 MPa，最大剪力66.6 MPa；內(nèi)支撐最大組合應(yīng)力53.6 MPa，最大剪力7.3 MPa；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)最大有效應(yīng)力7.1 MPa。結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力的部位分別在鋼筋混凝土沉井底部支承處、鋼板樁底部、撐管與圈梁連接處，這些部位有刃腳鋼板、支撐座加強，結(jié)構(gòu)受力滿足容許應(yīng)力要求。

圖3 鋼板樁、內(nèi)支撐、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有效應(yīng)力（單位：MPa）

鋼筋混凝土沉井和鋼板樁水平位移見圖4。可見：鋼筋混凝土沉井最大水平位移1.57 mm，發(fā)生在沉井底部，最大豎向位移1.3 mm，發(fā)生在底隔墻中部；鋼板樁最大水平位移7.9 mm，發(fā)生在鋼板樁底部。沉井位移理論值可為位移監(jiān)測預(yù)警值的設(shè)置提供參考。

圖4 鋼筋混凝土沉井和鋼板樁水平位移（單位：mm）

7 結(jié)語

本文對沉井施工的主要步驟、施工要點進行了總結(jié)。計算結(jié)果表明，沉井滿足下沉、受力、變形及穩(wěn)定性要求。沉井在設(shè)計、施工過程中還應(yīng)對沉井的鋼筋配置、封底混凝土抗浮等進行驗算。