洞庭湖大橋組合式沉井施工關鍵技術及仿真分析

李德

（中國鐵道科學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），沉井采用圓形結構設計，下部結構采用鋼筋混凝土，上部結構采用鋼板樁。主要結構包括：刃腳、井壁、底隔墻、鋼板樁、內支撐。內支撐由圈梁、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槽鑲嵌的方式連接，內槽部位鋼筋加密。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，鋪設枕木，安裝鋼刃腳。底節鋼筋混凝土沉井分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、吸泥的方式繼續下沉。主要施工步驟：①測量放樣，設置測量基準點；②清理地表，換填砂墊層、鋪設枕木；③安裝鋼刃腳、安裝刃腳和底節的鋼筋、模板；④第1 次澆筑混凝土4.6 m；⑤安裝第2 節鋼筋及模板，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、鋪設枕木

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

3.2 鋼刃腳安裝

鋼刃腳以折代曲分段制造，安裝前應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、混凝土原材料的質量。②檢測混凝土拌合物的性能指標。③檢查模板安裝定位的準確性和穩定性。④澆筑混凝土時連續、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，在沉井周邊設置排水溝，在沉井基坑內設置排水溝和集水井。復核測量控制點，在沉井側面繪制下沉標尺。

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

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

4）抽除枕木時先抽定位區間以外的枕木，逐步擴大抽除范圍，最后抽除定位區間枕木。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）沉井下沉接近設計標高時停止井內挖土和排水，使沉井依靠自重下沉至設計標高。

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，用水泥砂漿填充密實后緊固錨固鋼筋。

3.6 沉井封底

沉井下沉至接近設計標高時，經下沉觀測確定沉井已穩定再進行封底［2］。根據地下水情況，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，根據導管作用半徑合理布置導管位置。②混凝土拔球順序從四周往中間進行，首封過程中導管懸空20～40 cm，首盤方量滿足導管埋深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為導管孔內混凝土高度達到首批混凝土灌注所需的高度Hc時，導管內混凝土立柱與導管外水壓平衡的高度，h1=HW×γW÷γC；其中HW為井內水面至首批混凝土角堆體重心高度，HW=H0-Hc÷3，H0為井內水面到井底高度，γW為沉井內水的重度，γC混凝土拌合物的重度；d為導管直徑；D為混凝土擴散直徑。

將如下參數代入式（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，導管埋深不小于0.5 m。

4 施工監測

1）沉井變形監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［3］。棧橋水平及豎向位移預警值控制在10 mm。

3）采用全站儀監測位移，每個沉井至少設置3個穩定的測量基準點，以沉井中心為原點建立獨立坐標系。

4）一般情況下，圍堰監測頻率為1 次∕d。當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）當鋼筋混凝土圍堰的累計變形超過2 mm 或變形速率連續2 d 達到1 mm∕d 時，當鋼板樁圍堰的累計變形超過3 mm 或變形速率連續2 d達到2 mm∕d 時，應立即報警，停止施工。

6）監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定性［4］。

5.1.1 砂墊層厚度

砂墊層的厚度根據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準值，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 墊木間距與數量

沉井井壁刃腳每米墊木數量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為砂墊層承載力設計值，取200 kPa。

經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

為使沉井平穩下沉至設計標高，應根據土層性質、施工方法、下沉深度等因素選擇適當的下沉系數［7-8］。參考相關資料對混凝土沉井、組合沉井下沉系數及下沉穩定系數進行計算。

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 為粉質黏土，極限摩阻力40 kPa；地面下層7.15 m為淤泥質粉質黏土，極限摩阻力20 kPa。經計算f=136.50 kN∕m，F1=13 551.00 kN。

3）下沉系數。排水下沉不計浮力的影響，下沉系數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）下沉穩定系數。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，下沉穩定系數K2=G2∕（F1+R1+R2）=0.84<0.90，滿足下沉穩定性要求［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。上層粉質黏土高1.45 m，以下為淤泥質粉質黏土。鋼板樁型號SP?U400×170×15.5，井壁直徑30.26 m，周長156 m。經計算組合圍堰摩阻力F2=34 369.97 kN。

3）下沉系數。下沉系數K3=G3∕F2=1.16>1.05，滿足下沉要求。

4）下沉穩定系數。下沉穩定系數K4=G3∕（F2+R1+R2）=0.61<0.90，滿足下沉穩定性要求［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）對結構受力狀態進行驗算［9］。以沉井底面中心為原點建立坐標系，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。鋼結構用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，內支撐及圈梁采用梁單元。按沉井幾何形狀建立結構模型。根據結構受力情況，在鋼筋混凝土沉井底部約束設6 處固定約束，每處約束4 個節點。土壓力采用重液理論，近似用Pw+e=13HL計算，分析結構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 相關參數

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

6.3 計算結果

鋼板樁、內支撐、鋼筋混凝土結構應力計算結果見圖3。可知：鋼板樁最大有效應力116.5 MPa，最大剪力66.6 MPa；內支撐最大組合應力53.6 MPa，最大剪力7.3 MPa；鋼筋混凝土結構最大有效應力7.1 MPa。結構最大應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，結構受力滿足容許應力要求。

圖3 鋼板樁、內支撐、鋼筋混凝土結構有效應力（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，發生在沉井底部，最大豎向位移1.3 mm，發生在底隔墻中部；鋼板樁最大水平位移7.9 mm，發生在鋼板樁底部。沉井位移理論值可為位移監測預警值的設置提供參考。

圖4 鋼筋混凝土沉井和鋼板樁水平位移（單位：mm）

7 結語

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