薄壁沉井施工

1、薄壁沉井施工技术总结孙建林 谢伟东 刘 阳【内容提要】本文结合哈西公路工程东江扩孔桥承台施工来介绍：承台施工中如何解决基坑地下水及基坑边坡失稳问题，采用井点降水结合薄壁沉井的方法综合处理基坑流砂问题，薄壁沉井的设计施工以及在施工中常遇到的问题和处理方法。【关键词】薄壁沉井 井点降水 排水下沉 流水作业 定位垫木1.工程简介黑龙江省哈西公路工程K595+954.28大桥是一项扩孔工程，全桥长451.14米。上部结构采用13孔32.70m预应力混凝土T型梁，下部结构采用钢筋混凝土实体式桥墩及框架式桥台,基础采用钻孔桩基础。 该工程是一项扩孔工程，新规划的河床线在原地面以下，承台和桥墩下部都设置在原

2、地面以下，使得基坑开挖较深，最深处距原地面线约14m。桥址地处松花江北岸，距松花江200m，地下水丰富，且有一孔隙率较的砂层，承台施工时出现流砂现象, 哈西公路扩孔桥在施工过程中采用井点降水结合薄壁沉井的方法综合处理基坑流砂问题，取得了良好的效果。2.承台施工低桩承台部分大都在原地面以下，承台施工一般都要采用开挖基坑的方式施工，实际施工中基坑排水和基坑围护是基坑施工的主要技术难点，施工处理方式因水文地质条件和施工条件不同所采用的施工处理方式也不相同。基坑排水的方式主要有表面排水法和井点降水法。表面排水法采用集水坑集水然后排除，此法适合较广，除出现严重流砂现象时一般都可以采用，但基坑较深或渗流量

3、较大及基坑土质不好时应该谨慎使用，同时应做好围护措施。井点降水法采用轻型井点或者管井抽水的方式来降低地下水位，此法一般在基坑土质不好，地下水位较高，采用集水坑排水出现流砂现象时应用具有良好的效果，安全可靠。此外还可以采用板桩或沉井增大渗流路径的方式来处理基坑较深，土质渗透性较大的基坑。基坑围护一般采用以下几种方式:开挖基坑，在基坑出现不稳定的地方采用袋装土或多支撑板墙来围护。此方法简单经济，施工速度较快，在基坑开挖不深，或者是基坑土体较稳定，含水量不大的时候适用很广。采用打入式钢板桩围堰来围护土体稳定，让后再明挖其中土体形成基坑。这种方式安全可靠，适用于基坑较深土体不稳定且含水量较大的基坑。采

4、用沉井基础或者钢沉箱施工，在沉井下沉过程中井壁起到围护土体的作用，同时沉井还可以加大地下水渗流路径，减少基坑涌水及流砂现象的发生。此法一般在基坑土体不稳定含水量较大或出现涌水及流砂现象时采用。哈西公路大桥工程前期施工采用井点降水的方式来降低地下水位，把水位降低到基坑地面以下，同时采用明挖法施工开挖基坑。该方法简单经济，施工速度快，在0#、1#、12#、13#承台施工中取得了良好的效果。在施工11#承台过程中，在标高110.50m处出现孔隙率较大含水量较大的砂层，在开挖时出现流砂现象，在施工时采取加密降水井的方式强行降低水位，同时采用袋装土围护基坑边坡，效果不是很好，单独使用降水井很难把水位降低

5、到设计标高，使得基坑渗水量较大，基坑围护较困难，影响施工速度。考虑到其余承台标高都在11#以下，且当时气温较低，下部工程停止施工。由项目部成员重新组织施工解决方案，解决方案主要有以下几种方式:A 采用加密降水井的方式强行排除地下水，先开挖再围护，采用袋装土围护或多支撑板墙围护控制边坡稳定，防止滑坡塌方。B 采用打入式钢板桩围堰围护边坡，先围护再开挖，采用明挖法施工挖除土方，使用钢板桩围堰封闭基坑加大地下水的渗流路径来减少基坑渗水。C 采用薄壁式沉井在开挖下沉的同时围护边坡，同时采用井点降水配合沉井下沉，使用机械开挖，提高施工速度。方法A虽然方式施工简单经济，但采用明挖施工时遇到流砂层围护困难，

6、单独使用井点降水很难达到预期效果，基坑渗水量很大，方案实施风险较大，而且由于施工时临时问题较多，施工速度很慢，这在11#承台施工中已经得到了验证。方法B虽然施工方案可行，且安全可靠，但投入较高，且需专门的机械配合使用，而且钢板桩在使用中周转困难，施工速度很慢，由于工程工期影响，此方案也被无法实施。方法C是在A，B方案之后提出来的，具有很多适合本工程的优点：1 采用沉井井壁围护基坑安全可靠，而且投入不大，经济合理。2 利用沉井做承台施工的模板，减少模板投入及承台施工中模板拼装支撑加固施工工序，降低工程费用，加快施工速度。3 可以采用流水作业施工，施工过程连续，施工速度较快。4 降水井可以在转孔桩

7、施工时预先做好，不占用沉井施工时间。经过方案比选以及结合本工程实际情况，C方案在技术、经济、安全、工期等诸方面都有突出的优点，在与设计单位协商取得一致意见后，决定采用C方案施工。3.设计验算3.1沉井设计沉井作用1 基坑围护，对土体的支撑，防止流沙、滑坡；2 增大渗流路径，降低渗水速度，防止涌水及流沙现象；3 承台施工的模板。3.1.2 结构尺寸考虑承台施工时钢筋绑扎方便及防止由于沉井偏斜造成承台移位而无法施工，设计沉井尺寸比承台尺寸略大。沉井井壁及刃脚采用2116钢筋水平配置，箍筋采用10钢筋，间距20。井壁采用C30混凝土浇铸，在混凝土达到70%时即可抽垫下沉(由于低温季节施工强度达到10

8、0%需要时间较长)。由于沉井仅作为施工时围护基坑的护壁及承台施工时的模板，不作为承载结构，故不做承载力验算。（原设计已做过承台承载力验算）3.1.3 计算部分3.1.3.1重力下沉验算井壁体积:V1=3.2×（9.4××3.4+0.05×0.05×2.0）=40.096m3刃脚体积:V2=（0.1+0.5）×0.8×0.5×（9.4+3.4）×2=6.144 m3沉井自重:G=×（V1+ V2）=25×47.12=1.178×103kN沉井顺利下沉的条件为G1.25F式中：G

9、沉井重力(不排水下沉时应该扣除水的浮力)F土对沉井井壁摩阻力F=A其中：A沉井井壁与土的接触面积努力单位面积土的摩阻力,本设计取=15kPaF=15×9.4×4.4×4.0=2.482×103kNG<1.25F 由计算可知，沉井下沉困难，施工时应该采用助沉方式下沉。3.1.3.2下沉应力验算取沉井下沉时沉井各部位受力情况分析其最不利情况，根据其最不利情况下力的图示进行验算其强度。(本文限于篇幅仅作最不利情况分析,具体计算过程从略)竖向挠曲验算把沉井简化为支撑在定位垫木上的梁计算(计算数据见后面定位垫木的确定)。刃脚受力计算刃脚向外挠曲：最不利情况，

10、沉井下沉中途，刃脚切入土中0.8m时，由于沉井自重，刃脚斜面上产生土的抵抗力，使刃脚向外挠曲。刃脚向内挠曲：最不利情况，沉井已下沉至设计标高，刃脚下土体已挖空， 尚未浇筑封底砼时。可将刃脚作为固定在井壁上的悬臂梁来计算最大的向内弯矩。刃脚水平钢筋:最不利情况，沉井已下沉至设计标高，刃脚下土体已挖空，尚未浇筑封底砼时。根据作用在水平框架上的外力，计算出框架的弯矩及轴向力值。 Ma=1/24(-2K2+2K+1)pb2Mb=-1/12(K2-K+1)pb2Mc=1/24(K2+2K-2)pb2式中: K=a/b，a为短边长度，b为长边长度。 P外力荷载井壁受力计算竖向:刃脚下部土体挖空且上部被摩擦

11、力较大的土体夹住呈悬挂状态，计算井壁在自重作用下竖向拉应力。横向: 最不利情况，沉井已下沉至设计标高，刃脚下土体已挖空，尚未浇筑封底砼时.根据作用在水平框架上的外力，计算出框架的弯矩及轴向力值。由于最后沉井封底和承台施工为同一工序，故不作封底验算。3.2降水井设计3.2.1降水井作用降低地下水位，且形成一个反向的水力梯度，防止因为表面排水造成涌水及流砂现象。3.2.2 结构尺寸及布置由于地下水渗流量较大(约40m/d)，采用轻型井点无法达到排水要求，在施工中采用管井井点降水的措施。管井骨架采用1016钢筋，箍筋采用10钢筋，每40一道。外包孔径5mm×5mm钢丝网一层及尼龙纱布两层。

12、每个沉井在四个角的位置布置四个井点，井点距离沉井井壁3m左右。 4.工艺流程及流水作业施工4.1工艺流程基坑开挖整平铺垫内模支立土模制作钢筋绑扎外模支立混凝土浇筑加温养生拆除模板继续养生排水抽垫挖土下沉凿除桩头承台施工4.2流水作业施工工期计算采用流水作业施工能够同时容纳不同专业队伍在不同的位置上进行平行作业或者顺序施工，施工过程具有明显的连续性，施工速度较快。而且资源供应均衡，降低工程成本。流水作业参数的确定空间参数m，以工作面来确定,每个桥墩为一个工作面，m=9。工艺参数n，以施工工序来划分，工序划分如下表，n=6。时间参数ti，流水节拍，按照下表所示，各道工序在施工段上完成工序操作的时间

13、为ti=2d。流水作业工序划分及参数表格施工工序时间参数主要机械人工分配基坑开挖整平铺垫2d挖掘机10人绑扎钢筋支护模板2d吊车10人混凝土浇筑及养生2d吊车15人拆模养生至满足强度2d吊车15人排水抽垫挖土下沉2d挖掘机 潜水泵10人检桩及承台施工2d压风机 吊 车25人照上表所示各道工序的流水节拍在各个施工段上完全相等，且工序之间的流水节拍也完全相等，这种流水作业称为稳定流水或全等节拍流水，其工期计算方式为:T=K+Tn+tg =（m+n-1）×ti+tg式中： T全等节拍流水施工的工期 Tn末道工序完成各个施工段上流水节拍之和 tg工序间停顿之和 m空间参数即工作面 n工艺参数

14、即工序数 T=（9+6-1）×2=28d在实际施工过程中，最后两道工序要求持续排水，由于工作电压不够，无法使用8台潜水泵使两个沉井同时进行最后两道工序的施工，出现最后两道施工工序滞工现象。应用最后两道工序控制工期计算:T=（2+2）×9=36d由于前几道工序专业队伍在完成各自工作任务后可直接进入桥墩及盖梁的流水作业施工，故不会影响总工期。5.施工方法5.1基坑开挖及整平铺垫基坑开挖基底平面标高应比施工时最高水位标高高出0.51m；开挖时应该预留出沉井施工工作面>2m，且基坑边坡坡度不应过陡。5.1.1定位垫木的确定抽垫下沉时先抽除短边下的垫木然后在抽除长边下的垫木，最

15、后抽除的垫木就称为定位垫木。定位垫木的确定应使沉井自重产生的挠曲应力最小，防止沉井顶部及下部开裂。对于矩形沉井而言，应使其垫木支点和跨中弯矩大致相等。如果沉井长宽比>1.5，定位垫木一般设置在长边上，垫木间距0.7L。定位垫木布置方式如下图：计算沉井竖向挠曲可以把沉井简化为支撑在定位支垫上的梁来计算:沉井单位荷载：q=1/2×G/l=1.178×103/(2×9.4)=62.66KN/m有利布置方式：Ma=ql12/2=62.66×1.52/2=70.5KN·m Mb=ql22/8-ql12/2=62.66×6.42/8-70.

16、5=250.3 KN·m最不利布置方式1：Mmax= ql2/8=62.66×9.42/8=692.1 KN·m最不利布置方式2：Mmax= ql2/8=62.66×9.42/8=692.1 KN·m5.1.2垫木数量及安排刃脚下垫木数量应满足使垫木底面压应力0.1MPa:式中： n垫木根数G沉井重力kNL,b垫木的长和宽(120×20)基底土容许压应力MPa（1MPa=0.1kN/cm2）n=1.178×103/（120×20×0.1×0.1）=49.1考虑沉井内外模板重力，实际施工采用42个

17、120×20垫木，12个100×20垫木。5.1.3铺垫要求垫木应该垂直与刃脚方向（圆弧段径向）铺设，间距40，使各垫木产生的应力基本相等，防止不均匀沉陷产生；垫木铺设应该以定位垫木为中心向两边延伸铺设，定位垫木应做好标记，以便抽垫时区别；铺垫顶面应该平整，间隙填砂捣实。 5.2模板支撑及钢筋绑扎模板支撑顺序:支立内模-布置土模-绑扎钢筋-支立外模-支撑加固在铺垫上面铺一层40宽5mm厚薄木板，然后在上面堆砌土模，土模沿内模四周布置，且与内模接触严密，土模采用碎石土捣实，表面抹平， 并涂隔离剂，以便挖除。基坑底面位于水位线以上且土质较好时，刃脚模板采用土模可以节省材料，同时

18、土模拆除方便，节省工期。 5.3沉井浇筑及养生拆模沉井浇筑应该沿井壁四周分层浇筑，避免混凝土面高低相差悬殊，造成裂缝；由于施工时气温较低，混凝土浇筑完毕后应马上使用棉盖布苫上，同时在沉井内加温养生。在混凝土强度达到5MPa时即可拆除模板，拆除后继续养生直至沉井达到强度(70%)后才可以抽垫下沉。5.4沉井抽垫及排水下沉采用排水下沉方式，施工简便、下沉平稳、速度较快。沉井下沉主要是通过从井孔中用机械及人工方法均匀除土，削弱基底土对刃脚的阻力及井壁与土之间的摩阻力，使沉井依靠自重力克服阻力下沉。由于工期要求，施工中采用机械除土排水下沉，排水采用内外结合的方式，下沉初期采用井点降水的方式降低地下水位

19、，在基坑渗水量较大的时候在井内增设潜水泵抽水。在下沉困难时采用配重方式助沉，施工速度较快（23m/d），极大节省工期。5.4.1抽除垫木抽垫下沉之前应该试压同体养生试块，满足强度要求才可以抽垫下沉（由于工期要求，混凝土强度达到70%即可以抽垫下沉），抽除垫木应该以定位垫木为中心对称同步的抽除，防止不均匀沉降。沉井抽垫过程应该先慢后快，开始抽垫应该充分回填，最后阶段应该尽快将剩余垫木全部抽除，使沉井刃脚平稳下落。5.4.2排水下沉下沉前应该预先排水，且在下沉过程中持续排水；沉井开始下沉时应该采用人工挖除刃脚部位土体，分区均匀对称挖除，防止沉井偏斜；中间部分土体采用机械挖除。挖除土体应该注意使最后

20、挖除土体在定位垫木附近，防止沉井出现最不利受力方式；在沉井内部出现积水较多时可在井内增设潜水泵予以清除；下沉时注意防止偏斜，出现偏斜时应该及时纠正；下沉困难时应该考虑助沉措施，应用配重下沉时受力应该均匀，防止偏斜。5.5检桩及承台施工在沉井下沉至设计标高后，马上进行基底检验及凿除桩头浮浆的工作，在基底检验及超声波检桩合格后即可以进行承台施工。沉井封底和承台浇铸一次性完成，采用排水封底， 施工过程中应保持排水，保证基底渗流量在6mm/min之下，然后在井内角落位置设置集水井，封底浇铸过程中应用潜水泵抽除井内积水，保持沉井内部不出现积水，在终凝后撤泵并向井内充填水下混凝土。对于出现较大渗流量且较难控制的沉井应该使用水下砼封底(仅作为备选方案)。6.施工中突发事件的技术处理6.1沉井偏斜沉井一般在下沉的初期易出现偏移及倾斜现象，主要原因为：基底表面土质软硬不一，沉井下沉不均；井内发生流砂现象突然下沉；刃脚遇到障碍物；挖土不对称；助沉时加载不均等。出现偏斜应先分析原因再采用具体的纠偏措施，如刃脚遇到障碍物应该先除去障碍物后再作纠偏处理。 发生倾斜时处理方法：在沉井高的一侧集中挖土，低的一侧回填；在高的一侧加重物使其下沉；倾斜较严重应采用施加水