新型桥梁基础——根式沉井施工关键技术.pdf

2 0 2 公 与 汽 运 第4 期 hi g h w a y s& au t o mo t i v e ap p l i c a t i o n s 2 0 两 年 月 新型桥梁基础 根式沉 井施工关键技术 赵 天法 ，李德钦 ，鲜正 洪，杨 江虎 ( 路桥 集 团国际建设 股份 有限公 司，北京 5 2 8 4 0 3 ) 摘要 ： 根 式沉井是 以传统沉井为基 础， 通过仿生创新 而设计 的一种新 型桥梁基础 。文 中分 析 了根式沉 井的加 固原理 ； 以阜阳至合肥 高速公路 淮河特大桥跨 堤桥 左半 幅桩基础施 工为例 ， 从 底 节沉井管壁施 工、 沉井安装下沉辅助措施 、 顶推 根键等 方面对根 式沉 井的施 工技术进行 了摸 索 和 改进 ， 简述 了其关键施 工技 术。 关键词 ：桥梁 ； 根式沉 井； 项 推；根键 ；空气幕 ； 施 工技 术 中图分类号 ： u4 4 3 1 5 文献标识码 ： b 文章 编号 ： 1 6 7 1 2 6 6 8 ( 2 0 0 9 ) 0 4 0 2 0 2 0 4 阜阳至合肥高速公路位于安徽省 中西部 ， 其 中 跨越淮河的淮河特大桥 1 桥位于淮南市 毛集试 验 区， 跨董峰湖行洪区及淮北大堤， 起止桩号为 k7 4 + 8 2 8 4 k7 8 +5 6 5 5 。跨 堤 桥 为 4 5 m+7 0 m+4 5 m 预应 力砼 连续梁 桥 ， 左 右 幅基 础原 设 计 采 用 4根 直径为 1 8 m 的钻孔灌 注桩群桩基础 ， 桩长 4 3 0 m； 承台为矩形 ， 其长、 宽均为 7 6 m， 高 2 5 m。后 左半 幅变更 为新 型桥梁 基础 根 式沉 井 。 1 地质 水文条件 1 )地质资料。桥址 区域位于淮河冲积平原 ， 根 据 区内地貌形成的基本特征与成 因类型及时代 ， 淮 河 冲积平原 微地 貌单 元 可进一 步分 为二级 阶地及 河 漫 滩 ， 海 拔 一般 2 2 3 0 m， 地 势平坦 ， 组 成物 质 为上 更 新统 粘 土 、 亚 粘土 。招 标地 质参考 资料 显示 ， 沉井 位 置 各层地 质情 况 如表 1所示 。 表 1 淮河特大桥跨堤桥 沉井位 置地 质情况 分层厚度 m 层底深度 m 层底标高 m 土层特征 容许 k 承 p 载 a 力 极 限 k 摩 p 阻 a 力 3 00 6 0 0 8 30 1 3 5o l7 6 o 1 9 8o 2 2 oo 2 6 90 2 8 20 1 91 9 1 61 9 1 3 89 8 69 4 59 2 39 0 19 47 1 6 01 粘土 亚粘 土 粘 土 亚粘土与亚 砂土互层 亚粘土 亚粘 土 亚粘 土 粘土 亚粘 土 2 )水文资料。桥址区处于 中国南北气候 过渡 带 ， 水位变化大， 洪涝、 干旱灾害易发。淮河汛期与 雨 季一致 ， 6 8月 为 丰水 期 ， 1 1月 翌 年 2月 为 枯 水期 。汛期淮河水位升 幅较大 ， 常淹没两岸低洼地 。 2 根式沉井介绍 根式沉井是在沉井侧壁预留顶推孔 ， 待沉井下 沉到设计标高后 ， 在沉井 内向周 围土层中顶推预制 根键 而形 成一 种仿生基 础 。顶推 根键 的挤 密和应 力 扩散作用充分调动 了周边土体的承载能力， 既提高 了基础的承载力 ， 也大大提高了基础的抗拔力 。 根式沉井 的承载力 由两大部分组成， 即沉井本 身的承载能力和根键的承载能力 。前者基本与传统 的沉井承载力相同， 有较成熟的理论和计算 ， 但后者 还处于研究 阶段 ， 没有成熟的理论和计算公式 。因 此次是首次将根式沉井用于桥梁基础 ， 因此在设计 理念、 施工 中存在一些特殊性 ： 1 )设计理念特殊性 。本工程 的根式沉井 以沉 们 o o o o o o o o 0 毖 加 孔 加 3 3 2 5 4 2 2 4 l 总 第 1 3 3 期 公 路 与 汽 运 hi ghwa ys au t o mo t i ve appl i c at i o ns 2 o 3 井本身承受全部荷载为基本 ， 根键 承载作 为补充和 储备效果 。同时在工程用沉井附近作-4 , 型试验沉 井 ， 并在工程沉井之前施工 ， 取得相关承载力数据后 再进行工程沉井 的施工 。为对这种复合基础的承载 能力 和施 工工 艺进 行 科 学 研 究 ， 在 根 式 沉 井 中设 计 一 套 检验 检测设 备 。 2 )施工特殊性 。除前期沉井施 工可参 考传统 沉井施工外 ， 对于与根键相关的施工没有经验资料 ， 也没有现成的设备， 从施工方法、 工艺到施工设施和 设备都处于摸索过程中， 边施工边改进 。 淮河特大桥跨堤桥左半幅根式沉井基础 的主体 结构 ( 见 图 1 ) 如下 ： 设计深度 2 3 5 m， 采用外径为 8 0 m 的空心 钢筋 砼 圆管 ， 壁 厚 0 8 m， 根 键 封 壁厚 0 4 m， 底部封底厚 2 0 m； 上部封顶承台高 2 5 m， 承 台平 面 尺寸 为 8 2 m8 2 m； 封顶 承 台下设 置 牛 腿构造。沉井管壁处布置 1 1层根键 ， 共计 8 8根根 键 ， 呈梅花形布置， 每层沿管壁周边均布 8根 ， 根键 采用梯 形截 面。承 台采用 c 3 0砼 ， 沉井 、 根 键、 封 壁 、 封底 、 牛腿 等均采用 c 3 o水下砼 。一根 8 m 直 径 沉 井 的砼 用量 约 6 7 4 0 m。 。 o 6 4 0 8 d原最 台 黧 一承 台 2 管 壁 、 辫 80 80 节段 j 台 8 0 2 7 0 麓 8 o i f3 2 q： j i -l= j i l 毯 节 段 导8 l 螽 j j ； 望 l ； ； 节段 篮 r 圣f ： i 、 【 ： ? ： 奠 印 7 o 沉井基 础立 面 6 7 礤 嗵 辍 蹙 是 6 5悸 归 霄 2 生 正三e三 司 图 1 根式沉井结构图 ( 单 位 ： 标 高为 m， 其他为 e m) 3根式沉井施工关键 技术 本工程根式沉井施工 总体方案 ( 见 图 2 ) ： 先测 量定放中心桩位 ， 采用砂垫层换填原地基 ， 经压实后 在其上铺垫枕木进行底节井管预制 ， 再逐节预制逐 节下沉就位。沉井管壁分 6节预制 ， 除顶节为 3 5 m外 ， 其余 5 节高度均为 4 0 m。下沉方式采用坑 内人工配合机械取 土、 空气 幕辅助下沉及配重下沉 等方法 ； 采用均衡取土及空气幕辅助纠偏 。沉井下 沉到位并封底后 ， 搭设根键顶推平台顶推根键 ， 注浆 封闭固结 ， 浇筑封 壁砼 ， 使根键与沉 井管壁共 同受 力。最后进行荷载试验及应力应变监测 。 3 1底 节 沉 井管壁 施工 沉 井 所 处位 置 原 地 表 土为 粘 土 ， 地 下 水 位在 地 表 以下 5 m 左右。总体来说 ， 地 表地质 较好 ， 可 以 采用挖土内模法施工底节沉井管壁 。但实际施工时 采用换填处理 ： 在沉井管壁预制前 ， 对沉井位置 的原 状 土采用机械配合人工开挖直径 为 l 1 0 m、 深2 0 m 的基坑进行换填粗砂处理 ， 然后呈放射状 布置枕 垫木( 截面为 2 o c m2 o c m 的方木 ， 布置净距为 2 o c m， 一个沉井共 布置 6 o根 枕木) ， 再用水 泥砂浆调 平处理 ， 采用水 准仪 进行 抄平 ， 确保顶面高差在 1 o mm 以内 ， 以此作为沉井管壁的施工支撑平 台( 如 图 3所示 ) 。 20 4 公 路 与 汽 运 h i g h wa y s au t o mo t i v e ap pl i c a t i o n s 第 4期 2 0 0 9年 7月 施工准备 砼拌和、 运输 沉井植入 根键 、 封壁 外模安装 砼浇筑、 养生 沉井管壁下沉 沉井管壁分节 下沉到位 二二二二 整个管壁下沉到 设计标高 一 沉井封底 二二二二二 沉井第一次竖 向 荷载试 验 注浆加固 二二二 二二二 沉井第二次竖 向 荷载试验 施工承台 墩身 检测设 备安装 分节预制 取土、 空气幕 辅 助纠偏 图 2 根 式 沉 井基 础 施 工 流 程 砂 垫层 图 3 沉 并地基处理 图( 单位 ： e m) 底节 沉井 管壁施 工采 用换填 法 而没有 采用挖 土 内模法的主要原 因： 1 )挖 土内模法 对 地基承 载力 要 求较 高 ， 本工 程 中首节沉井高达 4 r n ， 总重达 1 8 0 t ， 如有不慎 ， 易在 浇筑沉井底节时出现不均匀沉降 ， 进而对沉井管壁 的施工质量构成危 害， 很可能因此 而使砼沉井管壁 出现裂缝。 2 )挖土内模法施工完沉井底节后 ， 沉井内取土 受空间限制 ， 无法用机械开挖 ， 只能人工开挖 ， 会影 响施工速度和效率 。采用换填法 ， 挖原状土时全部 机械作业， 底节沉井施 工后人工挖粗砂。尽管换填 法多了一些工序 ， 但总体施工进度仍 比挖土内模法 快许多。 3 )首节沉管下沉过程 中最容易发生倾斜和偏 位 ， 控制好首节沉管 的下沉是全节段沉管下沉的重 点 。在首节 下沉 时 ， 沉 井 在 原 状 土 中下 沉 和在 均匀 的粗 砂 中下 沉 ， 后 者 更容 易保 证对 称均衡 下沉 ， 不易 出现偏位 。 4 )所换填的 2 m高度全部处于承台范围内， 不 会影 响沉井 的最 终承 载 力 。 刃脚 坡 面参 考 填 砂 内模 法 ， 由土胎 和水 泥 砂浆 制作 而成 。待 内模 安 装 并 调 设 完毕 后 ， 先 测 量 放样 出刃脚线 ， 安装刃脚部位角钢， 利用粘土填充刃脚坡 面部位 ， 然后 在粘 土上用水 泥砂浆抹 面 ( 见图 4 ) 。 沉井下沉前粘土及水 泥砂浆易 于凿除 ， 施工方便。 与 加工安 装钢模 板 相 比 ， 用 此方 案 处 理 刃脚 坡 面施 工方便且经济 ， 效果 明显。 图 4 刃 脚 坡 面 内模 沉井底节施工的其他工序如钢筋安装 、 外模安 装 和砼 浇筑 等为 常规施 工 ， 从 略 。 3 2 空气幕 辅 助下 沉 本工程沉井基础采用 空气幕辅助下沉 ， 下沉时 通气后下沉速度 明显加快 。其原理 ： 在沉井外壁与 土之间制造一层润滑薄膜层 ， 减小沉 井管壁与土的 摩阻力， 以利于沉井下沉。空气幕设计布置如图 5 所示 。各 管路 由塑料 管 形成 ， 并 在气 龛处开孑 l ， 气龛 以经过加工的异形小木块为模 型， 绑在相应空气管 路上 ， 沉井模 板拆除后 ， 将木模型挖 出， 形成气龛。 另外 ， 水平环路气管并非完整的圆环 ， 而是断成 四个 总第 1 3 3期 公 路 与 汽 运 hi g h wa y s& au t o mo t i v e app l i c a t i o n s 2 0 5 区域 ， 此点非常重要 ， 起两大作用 ： 一是分区域后 ， 对 空压机的功率要求降低 ； 二是可以分区域开通 ， 起到 纠偏 的作用 。 厂 b 竖竖竖竖 竖 l 2 1 l 厍 水平 堂 0 2 l水 平 蝗 j 擐荆 管 、 3 水 平 气龛 乞 管 b 4 水 平 击 2 | 管 5层水平 管 百 击 2 5 塑料 管 气 兰 厂 5 l 5 善 器 1 o层 水 平 曹 霹 营 、 十 a a_ j b b a a 气 龛 大样 图 5空气 幕管路设计图( 单位 ： c m) 3 3根 键顶 推 1 )根键制作 。所谓根键 ， 通俗一点讲 ， 就是预 制“ 砼棒” 。本工程中， 一根沉井根键重 3 t 以上 ， 长 达 4 m， 要 将这 样 一 根 “ 砼 棒 ” 通 过 管 壁 的预 留孔 顶 入 沉井 外 的土体 ， 要 求 根 键 的制 作 质量 必 须 达 到 内 实 外美 ： 只有做 到线 形流 畅 、 尺寸 准确 、 外 表光 滑 ， 顶 推时阻力才会相对较小 ； 只有其内在质量坚固结实 ， 才不会 因顶 推力 较 大而 导致 根键 整体 或局部 破 坏 。 2 )预 留孔 。顶 根 键 的预 留 孔是 由事 先 安 装 在 沉井壁内的“ 钢板盒” 构成的 ， 要求“ 钢板盒” 制作 尺 寸、 安装角度准确 ， 这样才能为后期根键顶推提供合 格 的预 留孔 。“ 钢 板 盒” 向沉 井 内侧 是 开 口的 ， 但 向 外侧没有开 口， 这主要是为了使 沉井下沉过程 中保 持一个较完整 的外侧面 ， 减少沉井 与周 围的摩擦 。 在沉井下沉到位顶根键前 ， 预 留孔再逐个打开。 3 )顶 根键 平 台 。根 键顶 推 平 台 、 后 座及 反 力 架 采用型钢和钢板加工而成。其中后座采用调节螺栓 设计成调节支腿 ， 易于调整后座与管壁之间的接触 面使其平整、 严密 ； 顶推平 台设计成可升降、 可 3 6 0 。 旋转的平台( 人工可旋转) 。根键顶推前 ， 启 动卷扬 机调设好平台的水平度 ， 使平台、 根键盒的水平度一 致 ， 并在根键安装时注意确保后座 、 反力架 、 千斤顶 及根键 中心位于一条 直线上 ， 以防根键顶推过 程中 产生偏载及根键偏斜 。 原平 台中采用钢管轨道 ， 平 台整体升降 困难较 大 。改进 以后 ， 取 消径 向轨 道 ， 在沉 井 口对 称 布 置 4 台小型卷扬机直接升降平台， 升降灵活 ， 且能较方便 地调整平 台的整体水平 ， 效果理想 。 4 )专用千斤顶。刚开始采用预应力束张拉用 穿心式千斤顶 顶根键 ， 受其行程 制约 ， 施 工进度缓 慢 ： 一是多次在千斤顶后加垫钢垫费时 ； 二是由于停 顿后再次启 动顶推 ， 摩擦力加大， 用时增加 。为此 ， 设计制造了顶根键 专用实心千斤顶 ， 为 3 0 0 t液压 千斤顶 ， 油缸行程为 6 o c m( 约为穿心式千斤顶行程 的 1 5 倍) 。用专用千斤顶顶推根键 ， 大大减少了停 顿次 数 ， 顶根 键效 率 大幅提 高 。 3 4 检 测 设备 安装 为检测根式沉井各主要部位的应力 、 变形 ， 在其 中布置 自平衡荷载箱 、 位移管 、 测斜 管、 荷载箱油管 及钢筋传感器等多种检测设备。这些检测设备种类 多 样 ， 安装 部