洞庭湖大桥组合式沉井施工关键技术及仿真分析

李德

（中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081）

1 工程概况

考虑航道疏浚的需要，洞庭湖大桥北岸引桥N001#—N005#墩基础埋置较深，承台最大埋深10.7 m。施工中采用组合式沉井的施工方案（图1），沉井采用圆形结构设计，下部结构采用钢筋混凝土，上部结构采用钢板桩。主要结构包括：刃脚、井壁、底隔墙、钢板桩、内支撑。内支撑由圈梁、撑座、撑管组成。

N003#墩钢筋混凝土沉井外径31.6 m，壁厚1.5 m，高9.1 m。钢板桩采用拉森-4钢板桩，型号SP⁃U400×170 × 15.5，钢板桩沉井井壁直径30.26 m，高8.6 m。钢筋混凝土沉井底部设刃脚、底隔墙。刃脚外部采用16 mm 厚钢板包裹，刃脚踏面宽0.3 m，斜面宽1.2 m，高1.2 m。底隔墙踏面宽0.3 m，斜面宽0.6 m，高1.2 m。内支撑圈梁采用2HN700 × 300 型钢，撑管采用600 mm × 10 mm 螺旋钢管，封底混凝土采用C25，厚1.5 m。钢筋混凝土井壁与钢板桩之间采用内槽镶嵌的方式连接，内槽部位钢筋加密。钢板桩与钢筋混凝土沉井搭接长度0.5 m。

2 施工方案

平整场地后换填砂垫层，铺设枕木，安装钢刃脚。底节钢筋混凝土沉井分2次浇筑，1次下沉。沉井下沉至开挖面0.5 m 时停止下沉，安装圈梁、内支撑、插打钢板桩。沉井制作完成后采用排水、吸泥的方式继续下沉。主要施工步骤：①测量放样，设置测量基准点；②清理地表，换填砂垫层、铺设枕木；③安装钢刃脚、安装刃脚和底节的钢筋、模板；④第1 次浇筑混凝土4.6 m；⑤安装第2 节钢筋及模板，第2 次浇筑混凝土4.5 m；⑥钢筋混凝土沉井下沉；⑦安装内支撑及钢板桩；⑧组合式沉井下沉；⑨混凝土封底施工。

3 施工要点

3.1 换填砂垫层、铺设枕木

砂垫层的厚度和宽度应满足地基承载力要求，枕木数量应满足将上部荷载均匀传递到砂垫层的需要［1］。经计算砂垫层厚度不应小于0.96 m，实际工况取1.5 m；宽度不应小于3.44 m，实际工况取4 m；枕木铺设397根。

3.2 钢刃脚安装

钢刃脚以折代曲分段制造，安装前应测量放样每一段钢刃脚的位置。安装时利用角钢焊接成的三角形支架定位，从上游往下游对称拼装，随时测量和纠正刃脚的平面位置，确保精确合龙。

3.3 钢筋混凝土沉井浇筑

主要施工步骤：①检查钢筋、混凝土原材料的质量。②检测混凝土拌合物的性能指标。③检查模板安装定位的准确性和稳定性。④浇筑混凝土时连续、分层浇筑，做好振捣工作。⑤混凝土浇筑后带模、覆盖土工布、洒水养护不少于7 d。⑥混凝土接茬面做好凿毛。

3.4 沉井下沉

1）沉井下沉前，在沉井周边设置排水沟，在沉井基坑内设置排水沟和集水井。复核测量控制点，在沉井侧面绘制下沉标尺。

2）在底节混凝土强度达到设计强度100%，顶节混凝土强度达到70%后方可进行沉井下沉作业。

3）将枕木分组编号，合理确定每组的抽除顺序。共分10个区间，其中4个为定位区间。

4）抽除枕木时先抽定位区间以外的枕木，逐步扩大抽除范围，最后抽除定位区间枕木。每抽除1组，立即用砂回填并压实。

5）沉井出土方式采用人工射水、吸泥，排水下沉的方法。出土顺序由内向外：先取靠近中间底隔墙处的土体，再取远离底隔墙的土体。采用分层、均匀、对称的方式进行射水取土。从沉井中间开始，逐渐向四周取土，每层取土厚度为0.4～0.5 m，沿刃脚周围保留0.5～1.5 m 厚的土体，然后沿沉井井壁每2～3 m 一段向刃脚方向逐层全面、对称、均匀地削薄土层，每次削除厚度为10～20 cm。当土层承受不住刃脚的挤压力而破裂时，沉井在自重的作用下挤土下沉。

6）沉井下沉接近设计标高时停止井内挖土和排水，使沉井依靠自重下沉至设计标高。

3.5 钢板桩安装

安装顺序为：①钢筋混凝土沉井下沉至开挖面0.5 m 左右时停止下沉。②先安装圈梁及内支撑，后安装钢板桩。钢板桩采用吊机从下游往上游对称安装。钢板桩嵌入钢筋混凝土沉井顶部的凹槽内，用水泥砂浆填充密实后紧固锚固钢筋。

3.6 沉井封底

沉井下沉至接近设计标高时，经下沉观测确定沉井已稳定再进行封底［2］。根据地下水情况，该沉井采用水封施工。施工要点包括：①搭建安全可靠的施工平台，根据导管作用半径合理布置导管位置。②混凝土拔球顺序从四周往中间进行，首封过程中导管悬空20～40 cm，首盘方量满足导管埋深0.5～1.0 m 的要求。③用平底测坨测量封底混凝土标高，尤其是边角位置。④在各下料点交替灌注混凝土，保证混凝土面整体均匀上升。⑤封底混凝土强度达到设计要求方可抽水。

封底混凝土首盘方量V按式（1）计算，即

式中：h1为导管孔内混凝土高度达到首批混凝土灌注所需的高度Hc时，导管内混凝土立柱与导管外水压平衡的高度，h1=HW×γW÷γC；其中HW为井内水面至首批混凝土角堆体重心高度，HW=H0-Hc÷3，H0为井内水面到井底高度，γW为沉井内水的重度，γC混凝土拌合物的重度；d为导管直径；D为混凝土扩散直径。

将如下参数代入式（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，导管埋深不小于0.5 m。

4 施工监测

1）沉井变形监测的项目包括钢筋混凝土沉井和钢板桩沉井的竖向及水平位移、内支撑变形、临近栈桥管桩水平及竖向位移等。

2）沉井下沉过程中，沉井四角高差、轴线偏差控制在10 cm 以内［3］。栈桥水平及竖向位移预警值控制在10 mm。

3）采用全站仪监测位移，每个沉井至少设置3个稳定的测量基准点，以沉井中心为原点建立独立坐标系。

4）一般情况下，围堰监测频率为1 次∕d。当钢筋混凝土围堰的累计变形超过1 mm 或钢板桩围堰的累计变形超过3 mm时，观测频率改为2次∕d。

5）当钢筋混凝土围堰的累计变形超过2 mm 或变形速率连续2 d 达到1 mm∕d 时，当钢板桩围堰的累计变形超过3 mm 或变形速率连续2 d达到2 mm∕d 时，应立即报警，停止施工。

6）监测工作从沉井下沉前2 d 开始，直至沉井回填完为止，贯穿地下工程施工全过程。

5 安全验算

5.1 砂垫层计算

为了便于整平、支模及下沉前抽除承垫木，在垫木下铺设一层砂垫层，将沉井重量扩散到更大的面积上，使表面土层强度可以支持混凝土沉井重量，保证钢筋混凝土沉井在浇筑过程的稳定性［4］。

5.1.1 砂垫层厚度

砂垫层的厚度根据沉井重量和地基土的承载力确定，可采用下式计算［5-6］：

式中：Hs为砂垫层厚度；G为9.1 m高混凝土围堰每米的重力，取293 kN∕m；fa为砂垫层底部土层承载力标准值，取100 kPa；L为沉井刃脚下枕木有效计算宽度，取2.0 m；θ为砂垫层压力扩散角，取26°。

经计算Hs≥0.97 m，实际取值1.5 m，满足要求。

5.1.2 砂垫层底层宽度

砂垫层底层宽度为

经计算B≥3.44 m，砂垫层底层宽度实际取值4.0 m，满足要求。

5.2 垫木计算

为了将沉井自重扩散到砂垫层和地基土上，在沉井井壁刃脚及底隔舱刃脚底部支垫垫木。垫木采用断面尺寸为160 mm×200 mm，长度2.5 m的枕木。

5.2.1 垫木间距与数量

沉井井壁刃脚每米垫木数量n计算式为式中：A为每根枕木与砂垫层接触的底面积，取0.5 m2；F为砂垫层承载力设计值，取200 kPa。

经计算每米井壁刃脚需垫木2.93根，垫木中心间距0.34 m。钢筋混凝土沉井井壁刃脚垫木278 根，底隔舱刃脚垫木119 根，钢筋混凝土沉井刃脚共需垫木397根。

5.2.2 垫木压力

垫木局部压力R压为

式中：G1为每根垫木承受钢筋混凝土围堰重力，取100 kN；A1为每根垫木受压面积，取0.06 m2。

经计算R压=1 667 kN∕m2，小于木材横纹局部挤压强度容许值3 000 kN∕m2。

5.2.3 垫木剪力

垫木局部剪力τ为

式中，A2为每根垫木受剪面积，取0.032 m2。

经计算τ=1 563 kN∕m2，小于木材横纹抗剪强度容许值2 000 kN∕m2。

5.3 沉井下沉计算

为使沉井平稳下沉至设计标高，应根据土层性质、施工方法、下沉深度等因素选择适当的下沉系数［7-8］。参考相关资料对混凝土沉井、组合沉井下沉系数及下沉稳定系数进行计算。

5.3.1 钢筋混凝土沉井下沉计算

1）钢筋混凝土围堰自重。钢筋混凝土重度取25 kN∕m3，混凝土围堰体积1 494 m3，则沉井重量G2=37 350 kN。

2）摩阻力。土壤与井壁摩阻力按下式计算

式中：F1为井壁总摩阻力；U为井壁外周长，取99.27 m；f为每单位周长所受摩擦力，地面以下5 m 按三角形分布计算，5 m以下按均布荷载计算。

地面上层1.45 m 为粉质黏土，极限摩阻力40 kPa；地面下层7.15 m为淤泥质粉质黏土，极限摩阻力20 kPa。经计算f=136.50 kN∕m，F1=13 551.00 kN。

3）下沉系数。排水下沉不计浮力的影响，下沉系数K1为自重与摩阻力的比值，K1=G2∕F1=2.76>1.05，满足下沉要求。

4）下沉稳定系数。地基承载力为240 kN∕m2，底隔墙踏面支撑力R2=9 554.08 kN，刃脚踏面支撑力R1=21 443.30 kN，下沉稳定系数K2=G2∕（F1+R1+R2）=0.84<0.90，满足下沉稳定性要求［1］。

5.3.2 组合式沉井下沉计算

1）组合式沉井自重。钢板桩自重2 656.14 kN，则组合式沉井自重G3=40 006.14 kN。

2）摩阻力。沉井下沉到位后，下沉深度16.1 m，钢筋混凝土沉井下沉9.1 m，钢板桩沉井下沉7 m。上层粉质黏土高1.45 m，以下为淤泥质粉质黏土。钢板桩型号SP⁃U400×170×15.5，井壁直径30.26 m，周长156 m。经计算组合围堰摩阻力F2=34 369.97 kN。

3）下沉系数。下沉系数K3=G3∕F2=1.16>1.05，满足下沉要求。

4）下沉稳定系数。下沉稳定系数K4=G3∕（F2+R1+R2）=0.61<0.90，满足下沉稳定性要求［1］。

6 仿真计算

6.1 模型建立

图2 组合式沉井受力模型

采用有限元软件建立仿真模型（图2）对结构受力状态进行验算［9］。以沉井底面中心为原点建立坐标系，z轴为竖直方向，x轴、y轴分别为平行于和垂直于底隔墙方向。钢结构用Q235，钢板桩采用板单元，板厚15.5 mm，钢筋混凝土沉井采用实体单元，混凝土强度等级C30，内支撑及圈梁采用梁单元。按沉井几何形状建立结构模型。根据结构受力情况，在钢筋混凝土沉井底部约束设6 处固定约束，每处约束4 个节点。土压力采用重液理论，近似用Pw+e=13HL计算，分析结构在自重及土压力作用下的受力情况。其中，Pw+e为沉井所受水、土压力之和，HL为计算点至原地面高度。

6.2 相关参数

由文献［10-11］可知：Q235 钢材容许弯曲应力［σ］=170 MPa，容许剪切应力［τ］=100 MPa；C30 混凝土容许压应力［σc］=8.0 MPa，容许拉应力［σt］=0.73 MPa。

6.3 计算结果

钢板桩、内支撑、钢筋混凝土结构应力计算结果见图3。可知：钢板桩最大有效应力116.5 MPa，最大剪力66.6 MPa；内支撑最大组合应力53.6 MPa，最大剪力7.3 MPa；钢筋混凝土结构最大有效应力7.1 MPa。结构最大应力的部位分别在钢筋混凝土沉井底部支承处、钢板桩底部、撑管与圈梁连接处，这些部位有刃脚钢板、支撑座加强，结构受力满足容许应力要求。

图3 钢板桩、内支撑、钢筋混凝土结构有效应力（单位：MPa）

钢筋混凝土沉井和钢板桩水平位移见图4。可见：钢筋混凝土沉井最大水平位移1.57 mm，发生在沉井底部，最大竖向位移1.3 mm，发生在底隔墙中部；钢板桩最大水平位移7.9 mm，发生在钢板桩底部。沉井位移理论值可为位移监测预警值的设置提供参考。

图4 钢筋混凝土沉井和钢板桩水平位移（单位：mm）

7 结语

本文对沉井施工的主要步骤、施工要点进行了总结。计算结果表明，沉井满足下沉、受力、变形及稳定性要求。沉井在设计、施工过程中还应对沉井的钢筋配置、封底混凝土抗浮等进行验算。