鋼筋砼圓形沉井的設計與施工技術

劉棟 LIU Dong

（中鐵十四局集團第三工程有限公司，濟南 250300）

1 工程概況

1.1 工程簡介

青鹽鐵路大沽河特大橋橋長6.21km，起訖里程K25+703.82～K31+919.13，主河道位置采用48+80+48m 連續(xù)梁形式跨越，連續(xù)梁主墩7#、8#墩分別位于河道兩側，7#墩位于河道東側混凝土碼頭上，承臺侵入河道約2m；8#墩位于河道西側河灘內(nèi)。下部結構設計為樁基+承臺+墩柱，7#墩樁基20 根，樁徑?1.5m，樁長15m，承臺為雙層承臺，下層尺寸14.6×12.2×3.0m，上層尺寸11.6×7.5×1m，基坑開挖深度約12.3m，承臺底距河床高度約5m，承臺位置水深約4.5m，墩柱為雙線圓端形實體墩，墩高12.5m；8# 墩樁基16 根，樁徑?1.5m，樁長11.5m，承臺為雙層承臺，下層尺寸為14.6×12.2×3.0m，上層尺寸為11.6×7.5×1m，基坑開挖深度約10m，承臺底距河床高度約5m，水深約4.5m，墩柱為雙線圓端形實體墩，墩高12.5m。

1.2 地質(zhì)情況

7# 墩位于東岸碼頭處，地質(zhì)情況為：0.2m 混凝土+1.7m 雜填土+3.7m 淤泥質(zhì)粉土（σ=60kPa）+4.4m 粉砂巖（σ=400kPa）+7m 砂巖（σ=500kPa）+1.7m 粉砂巖（σ=600kPa）+6.3m 砂巖（σ=800kPa），巖層面為斜面。

8# 墩位于西岸河灘內(nèi)，地質(zhì)情況為：3.2m 回填土+3.3m 粉砂（σ=60kPa）+8.9m 砂巖（σ=500kPa）+6m 砂巖（σ=800kPa），巖層面為斜面。

1.3 施工難點

①為保證漁民通航，兩個主墩承臺頂標高不得超出河床標高，整個承臺結構均位于（σ=500kPa）的砂巖內(nèi)，硬度高開挖難度大；②大沽河內(nèi)水位較高，水壓力大，并且水流流速較快，如何防止涌水，難度較大；③基坑深度較大，并且位于流動的水下，施工安全風險較大；④圍堰形式選擇困難，地質(zhì)為巖層鋼板樁圍堰無法生根，普通鋼圍堰自重輕在水流作用下容易移位，下沉困難，經(jīng)過比選最終選擇鋼筋砼圓形沉井作為施工圍堰。

2 沉井設計

2.1 沉井結構形式

鋼筋混凝土沉井采用結構受力較好的圓形結構，混凝土采用C30 砼，兩個主墩下層承臺平面尺寸為12.2m×14.6m，對角長度19m，為滿足施工需要，沉井直徑設計為23m（見圖1），在滿足結構受力的情況下，遵循節(jié)約成本原則，沉井壁厚根據(jù)埋深不同，設計為1.0m、0.8m 兩種。沉井采用豎向分節(jié)澆筑，每澆筑一節(jié)下沉一節(jié)的方式施工，7#墩沉井總高度為5.6m（分節(jié)為1m 高韌角+2m 高壁厚1m+2.6m 高壁厚0.8m）；8#墩沉井總高度為7.2m（分節(jié)為1m高韌角+3m 高壁厚1m+3.2m 高壁厚0.8m），本文以設計高度大的8#墩沉井介紹沉井設計方案。

圖1 沉井平面圖

沉井采用內(nèi)外雙層配筋，鋼筋直徑?20，內(nèi)外環(huán)向鋼筋和豎向鋼筋間距按照16cm 布置。圍堰頂標高+3m，高出設計水位0.5m。

2.2 沉井受力驗算

2.2.1 基本設計參數(shù)

①基本信息。浮力折算系數(shù)1.00，裂縫寬度限值0.25mm，抗浮系數(shù)1.10。

②荷載信息。地面動荷載：10.00kN/m2，動荷載組合系數(shù):0.90，荷載分項系數(shù)：自重：1.20、其它恒載：1.27、地下水壓：1.27、其它動載：1.40、荷載準永久值系數(shù)：地面堆積荷載：0.50、地下水壓：1.00、溫（濕）度作用：1.00、活載調(diào)整系數(shù)：其它活載：1.00。

③混凝土與土信息。

土天然重度：18.00kN/m3；

土飽和重度：20.00kN/m3；

土內(nèi)摩擦角ψ：18.0 度；

修正后的地基承載力特征值fa=400.00kPa；

混凝土等級：C30；

縱筋級別：HRB400；

混凝土重度：25.00kN/m3；

配筋調(diào)整系數(shù)：1.20；

鋼筋保護層厚度：圍堰內(nèi)側40mm，外側35mm。

④計算內(nèi)容。

1）荷載標準值計算；2）地基承載力計算；3）內(nèi)力及配筋計算；4）抗裂度、裂縫計算。

2.2.2 荷載標準值計算

①參數(shù)說明。

γc、γw、γ土、γ飽和、γ水——混凝土、水、自然土、飽和土、水的重度；

H、R、t、As、Hb、Hw——沉井凈高、圍堰內(nèi)半徑、圍堰厚、圍堰內(nèi)壁、基底到地面的距離、地下水到地面的距離。

②荷載計算。

圍堰外側主動土壓力系數(shù)Ka=tg2（45-ψ/2）=0.53

圍堰外側土作用pep=pep_w＋（γ飽和－γ土）×（Hb－Hw－t2）×Ka=0.00 ＋（20.00 －10.00）×（6.700 －0.000 －0.50）×0.53 =32.73kN/m2

地面活荷載qm=q×Ka=10.00×0.53=5.28kN/m2

沉井受力情況見圖2。

圖2 沉井荷載圖

2.2.3 地基承載力計算

選取圍堰下沉到位后的工況進行地基承載力驗算：

圍堰內(nèi)壁圓面積：Aic=πR2=3.14×11.0002=380.13m2

圍堰外壁圓面積：At=π（R＋t）2=3.14×（11.000＋0.80）2=437.44m2

圍堰自重Gs=γc×As×H=25.00×57.30×7.200

=10314.48kN

基礎底面的壓力pk=Gs/Ab=10314.48/（Aic- At）=180kPa

修正后的地基承載力特征值為：400.00kPa

pk=180kPa＜fa=400.00kPa 地基承載力滿足要求

2.2.4 內(nèi)力及配筋計算

①基本信息。

軸力：kN、彎矩：kN·m、面積：mm2、配筋面積：mm2/m；

圍堰側壁：彎矩外側受拉為正，軸力受拉為正；圍堰約束條件為上端自由，下端鉸接固定。

內(nèi)力計算查表系數(shù)H2/dt=7.2002/22.800×0.80=2.84

②荷載組合及內(nèi)力計算。

計算工況為：圍堰內(nèi)無水，圍堰外側考慮土壓力。

基本組合：1.27×側向土壓力作用＋1.27×水壓力作用＋0.90×1.40×地面活荷載

標準組合：1.00×側向土壓力作用＋1.00×水壓力作用＋0.90×1.00×地面活荷載

準永久組合：1.00×側向土壓力作用＋1.00×水壓力作用＋0.50×地面活荷載

③裂縫計算。

豎向配筋及裂縫驗算：豎向彎矩按基本組合進行承載力計算，按準永久組合進行裂縫驗算。

環(huán)向配筋及抗裂度驗算：軸心受拉或小偏心受拉按標準組合進行抗裂度驗算，受彎和大偏心受拉按準永久組合進行裂縫驗算。

④計算結果。

池壁的豎向最大裂縫寬度：0.17＜=0.25，滿足要求。

池壁的環(huán)向最大裂縫寬度：0.03＜=0.25，滿足要求。

表1 受力計算結果

3 沉井圍堰施工

以下沉深度大的8#墩沉井圍堰為例，介紹該沉井施工技術。

總體方案：填筑施工平臺→沉井制作→沉井下沉→封底→主體結構施工。

3.1 平臺填筑

8#主墩位于河道西側灘涂內(nèi)，施工沉井需首先填筑施工平臺，平臺填筑采用穩(wěn)定性較好的碎石土進行分層填筑壓實，重點對沉井位置進行壓實，壓實的目的是防止沉井砼澆筑后，在自重的作用下產(chǎn)生不均勻沉降，造成沉井裂縫等問題，影響整體穩(wěn)定性。平臺填筑不得采用建筑垃圾或者含有大石塊土進行填筑，以免影響沉井下沉。

3.2 沉井制作

墊層澆筑：平臺填筑完成后，在平臺上進行測量放線，定出沉井的平面位置。在沉井位置再次進行精細整平，整平后澆筑2m 寬，10cm 厚砼墊層，墊層砼采用C20 砼。墊層澆筑完成后在韌角位置鋪1cm 厚鋼板，然后進行鋼筋綁扎，韌角模板采用鋼板，砼澆筑后不拆除，下沉時作為鋼靴，保護韌角。

鋼筋綁扎：嚴格按照設計進行鋼筋綁扎，嚴格控制鋼筋間距，在韌角鋼板上按照設計間距做出標記，豎向鋼筋按照標記位置進行布筋，搭設臨時腳手架進行固定，豎向鋼筋固定好以后，從韌角底部開始由下到上按照設計間距依次綁扎水平環(huán)向鋼筋，形成鋼筋骨架。

由于沉井豎向分節(jié)澆筑，豎向鋼筋需要接長，注意鋼筋接頭要錯開，不得在同一斷面。鋼筋綁扎完成后進行模板安裝。

模板安裝：鋼筋驗收合格后進行模板安裝，韌角模板采用鋼板，其余節(jié)段模板采用木模。韌角模板加固采用外頂內(nèi)拉的方式進行加固，其余節(jié)段模板加固主要采用對拉方式進行加固。模板形式由內(nèi)向外依次為竹膠板+方木+鋼管+蝴蝶卡，采用對拉螺栓固定。模板安裝完畢后，嚴格進行驗收，全面檢查扣件、螺栓、斜撐是否堅固、穩(wěn)定，模板拼縫及下口是否嚴密。模板驗收合格后進行砼澆筑。

混凝土澆筑：砼澆筑前，對模板的平面位置、頂標高、斷面尺寸、模板的加固情況以及接縫位置是否有錯臺等進行驗收，驗收合格后才能進行砼澆筑。

混凝土澆筑采用泵車分層澆筑入模，嚴格控制每層澆筑厚度，每層厚度控制在30cm-40cm 之間，環(huán)向均勻澆筑混凝土，邊澆筑邊振搗，確保砼振搗密實。為了防止沉井在砼澆筑過程中，在砼自重作用下地基產(chǎn)生不均勻沉降而發(fā)生傾斜，澆筑前在沉井四周模板上設置沉降觀測點，每澆筑一層砼測量一次，若發(fā)生傾斜情況及時調(diào)整澆筑順序進行糾正，以保證沉井豎直度滿足要求。

砼澆筑完成后，按照規(guī)范要求做好養(yǎng)護，待砼達到設計強度后，開始下沉。

3.3 沉井下沉

下沉前將井內(nèi)所有的材料、工具等清理干凈，沉井砼達到設計強度后，開始下沉，下沉采用挖機在井內(nèi)開挖，沉井依靠自身重力緩慢下沉的方式就位。總共配置3 臺挖機，井內(nèi)配置2 臺均勻對稱開挖，井外配置1 臺長臂挖機將多余渣土清出井外，清出的多余渣土采用自卸車運至指定的棄土場。

下沉時可能存在以下問題：①地質(zhì)條件軟硬不均，軟的一側下沉快，硬的一側下沉慢，造成沉井傾斜；②開挖方式不對，單側開挖過度，造成沉井傾斜；③在下沉過程中出現(xiàn)涌水，進內(nèi)挖機來不及撤離，造成損失。

因此下沉前必須做好充分的準備工作，首先要熟悉設計圖紙中該位置的地質(zhì)情況，并對現(xiàn)場作業(yè)人員進行交底；二是下沉時要設置專人指揮，并在沉井四周設置沉降觀測點，下沉過程中隨時進行觀測；三是要制定相應的應急措施，配備抽水設備等。

一切準備完畢后開始開挖下沉，開挖必須均勻對稱進行，由中心向四周分層開挖，每層的開挖深度控制在30cm左右。井內(nèi)開挖應保持中間稍低于四周，但高差不得超過1m，保證韌角部位裸露在外面，能夠隨時看到韌角底部的地質(zhì)情況。嚴禁深鍋挖土，防止突然沉降，造成沉井四周地面沉陷和沉井傾斜。

下沉過程中，測量人員要密切進行觀測，如發(fā)生偏移、扭曲或者傾斜等問題，及時向現(xiàn)場下沉總指揮進行匯報，并組織糾偏。

糾偏遵從“多沉則少挖，少沉則多挖”的原則，韌角下挖土要分段間隔開挖，不能一次連續(xù)長段落掏空，更不能通過大量挖土來糾偏，糾偏應根據(jù)測量數(shù)據(jù)隨偏隨糾，當沉井偏斜達到允許值的1/4 時，就開始糾偏，下沉過程中要勤測、勤糾、緩糾。

沉井每下沉一次要進行垂直度與中心軸線的檢測，防止出現(xiàn)偏位過大，糾正不了，并隨時檢查沉井四周有無涌水風險，配備水泵，對地下水及時抽排。

下沉至接近設計標高1m 左右，應減慢下沉速度，最后30cm 時停止開挖，觀測沉井在不開挖的情況下的下沉情況，靠自身重力下沉到位，確保沉井下沉標高嚴格控制在范圍內(nèi)。沉井下沉到設計標高以后，及時對韌角底部進行封底，封底采用C20 砼。封底完成后回填沉井，進行后續(xù)樁基、承臺、墩柱施工。沉井就位效果圖見圖3。

3.4 鋼筋砼沉井施工注意事項

①整體施工順序為先將沉井下沉到位，然后回填沉井，再施工樁基、承臺、墩柱等主體結構，若先施工樁基，影響沉井下沉，將無法施工后續(xù)施工內(nèi)容。②施工平臺的填筑要選擇止水效果好的填料，并且不得有大塊建筑垃圾或石塊，以免影響沉井下沉。③沉井砼澆筑時，必須分層環(huán)向均勻澆筑，避免出現(xiàn)砼偏載，造成沉井傾斜。④井內(nèi)開挖必須均勻對稱進行，由中心向四周分層開挖，每層的開挖深度控制在30cm 左右。井內(nèi)開挖應保持中間稍低于四周，保證韌角部位裸露在外面，能夠隨時看到韌角底部的地質(zhì)情況，若出現(xiàn)偏移或傾斜能及時采取措施。⑤下沉時密切監(jiān)測，出現(xiàn)問題及時糾偏，切忌韌角底部過量掏空。

4 施工工效總結

表2 沉井施工工效

5 結束語

采用鋼筋砼圓形沉井方案解決了大沽河河床以下承臺施工的難題，降低了臨水面深基坑開挖的安全風險，攻克了青鹽鐵路一大施工難點，為青鹽鐵路的按期開通奠定了基礎，也給后續(xù)類似工程施工提供了一個很好的參考。