沉井基础在桥梁工程中的应用

2012-08-15徐学斌

科技传播 2012年7期

徐学斌

长安大学，陕西西安 710018

1 概述

桥梁工程中常用沉井作为墩台的深基础。沉井是一个柱体形无底无盖的井筒状结构，是井孔内不断除土，井体借自重克服外壁与土的摩阻力而不断下沉至设计标高，经过封底、填心以后，成为桥梁墩台或其他构建物的基础。一般沉井四周井壁是由刚度很大的钢筋混凝土或少筋混凝土预制而成的。

沉井是一种刚性深基础，施工时不需要板桩围护。沉井基础的特点是埋置深度大，没有深度上的限制，整体稳定性好，能承受较大的垂直荷载和水平荷载，尤其在深水中有较大卵石不便桩基础施工而需要承受巨大的水平力和竖直力时，多采用沉井基础。沉井的施工过程中也不需要很复杂的机械设备，施工技术简单，可全面开工。因此，沉井基础在桥梁工程中得到了较为广泛的应用。例如南京长江大桥、江阴长江大桥均采用了不同类型的大型沉井基础。

沉井基础的缺点：施工工期比较长，当遇到流砂、树干、老桥基等难以清除的障碍物时，沉井下沉受阻并且很难克服；河床下面是倾角较大的岩层时，也会增加沉井施工的困难，使沉井基础的稳定性不好，受力后易发生倾斜。

2 沉井的类型及构造

2.1 沉井的类型

按制作材料分：混凝土沉井、钢筋混凝土沉井、竹钢筋混凝土沉井、钢沉井。

按施工方法分：现浇预制沉井、浮运沉井。

按沉井平面形状分：圆形沉井、矩形沉井、圆端形沉井等。

按沉井立面形状分：竖直式、倾斜式、台阶式等。

2.2 沉井的构造

一般沉井构造上主要由井壁、刃脚、隔墙、井孔、凹槽、射水管、封底混凝土和顶盖板等构成。

2.2.1 井壁

井壁是沉井的主体部分，形成沉井基础的外形尺寸，起其作用是：1）作为施工时的围堰，起挡土隔水作用；2）提供足够的重量用以克服阻力，顺利下沉；3）填心后作为墩台基础。因此，沉井外壁可做成台阶或斜坡面，用以减小井壁与周围土的摩阻力。沉井较高时，可根据施工要求分节下沉。

2.2.2 刃脚

刃脚是沉井井壁下端斜形部分，如刀刃状，故称刃脚。其作用是在沉井自重作用下易于切土下沉，同时又支撑沉井的作用。

2.2.3 隔墙

当沉井的长宽尺寸较大时，应在沉井内设置隔墙，以加强沉井的刚度，使井壁的挠曲应力减小。

2.2.4 井孔

井孔是挖土排土的工作场所和通道。

2.2.5 凹槽

凹槽设在井孔下端近刃脚处，用以增强封底混凝土和井壁的联结强度。

2.2.6 封底和盖板

沉井至设计标高后，便浇筑封底混凝土。混凝土达到设计强度后，可从井孔中抽干水并填满混凝土或其它圬工材料。

3 沉井基础的施工

沉井的施工与墩台基础所在地点的水文地质条件有关。施工前应做好资料的调查勘测，制定合适的施工措施，确保施工安全。

3.1 旱地施工

3.1.1 定位放样，整平场地并建筑第一节沉井

旱地沉井施工时，应先根据设计图纸进行定位放样，在地面上定出沉井纵横两个方向的中轴线，基坑的轮廓线以及水准点等，作为施工的依据。之后平整场地，铺砂垫层，设垫木、立模、浇筑第一节沉井混凝土。在支立模同时要将刃脚加强角钢及配置的钢筋绑扎就位，外模应平滑以利于下沉，混凝土应该对称均匀一次性连续浇完。在此过程中，模板垂直、中心与沉井中心重合是保证沉井位置安装正确的关键。

3.1.2 拆模和抽垫

混凝土强度达到设计强度的75%时方可拆除模板，达到设计强度后可以抽除垫木。拆除垫木是一道很重要的工序，必须按一定的顺序进行，以免引起沉井开裂、移动或倾斜。其顺序一般是先撤出内隔墙下的垫木，再抽出沉井短边下的垫木，最后抽出长边下的垫木。

3.1.3 挖土下沉

沉井下沉施工可分为排水下沉和不排水下沉。开挖必须有规律、分层、对称进行，使沉井均匀下沉。切不可盲目乱挖，造成沉井的倾斜，甚至发生事故。

3.1.4 沉井接高

当沉井下沉至距地面只剩一米左右时，应停止挖土，并浇筑第二节沉井。接高前要对第一节沉井纠正倾斜，保持井位正确，使第二节沉井竖向中轴与第一节轴线相重合。

3.1.5 沉井封底与浇筑顶盖

沉井沉至设计标高，基地检查合格后应及时浇筑封底混凝土。井孔填充与否，应按设计要求处理，如果沉井为空心沉井或者仅填砾石时，井面应浇筑钢筋混凝土顶盖板，然后砌筑墩身。

3.2 水中施工

当基础处于水下时，可根据水深、流速、施工设备等条件确定采用筑岛法或者浮运法。

3.2.1 筑岛法

水流速度不大时可以用水中筑岛的方法，即先修筑人工砂岛，再在岛上进行沉井的制作和挖土下沉。筑岛前，清理河床上淤泥和软土等承载力较弱的土层，筑岛多采用砾石粗砂等易于压实、透水性好的材料，切不可用粉砂黄土。另外，筑岛应尽可能选在河流的枯水季节，这样不仅可以减小筑岛的填方量，还能降低造价，确保安全。筑岛完成后，就营造了旱地施工条件，之后施工方法与旱地施工相同。

3.2.2 浮运法

在深水中修筑沉井，当筑岛法不经济，施工也困难，可采用浮运法施工。

采用浮运法时，沉井在旱地做成空体结构，利用在岸边铺成的滑道滑入水中，然后用绳索牵引或船只拖运到设计墩位。再逐步用混凝土或水灌入空体内增加自重，使其徐徐沉入河底，按不排水挖土下沉。或依靠在悬浮状态下接长沉井及填充混凝土使它逐步下沉，这时每个步骤都要保证沉井本身足够的稳定性。沉井切入河床一定深度时，可采用旱地下沉方法施工。

4 沉井下沉的助沉和纠偏

4.1 沉井下沉的助沉措施

在沉井下沉过程中，由于井壁摩擦力太大，超过了沉井的重量，会导致下沉困难。因此，可采用压重或排水、井壁外饱水降低摩擦力、炮震法助沉。

压重或排水：在井顶搭设平台压重，或在井孔中强制性排水降低井孔内的水位而相对增加自重，使沉井下沉。

井壁外饱水降低摩阻力：在上部尽可能贴着井壁挖深槽，在槽中沿井壁插管均匀射水，达到降低摩阻力助沉的目的。

炮震法：在井底放适量炸药，引爆后产生震动力，减小刃脚下土的反力和井壁上土的摩擦力，增加下沉的冲击力，迫使沉井下沉。

4.2 沉井的纠偏

沉井在施工过程中总会发生一些偏斜，所以要随时观测沉井下沉的位置和方向，发生较大偏差时应当及时进行详细的检查分析，针对产生偏差的原因采取合适的措施，纠正偏差。

公路桥涵施工技术规范中规定，沉井沉至设计标高时，底面、顶面中心与设计中心的偏差应符合设计要求，当设计无要求时，其允许偏差纵横方向为沉井高度的1/50（包括因倾斜而产生的位移）。对于浮式沉井，允许偏差值可增加250mm，即1/50H+250mm。沉井的最大倾斜度为1/50。矩形、圆端形沉井的平面扭转角偏差，就地制作的沉井不得大于1°，浮式沉井不得大于2°。

4.2.1 纠正倾斜

一般采用偏侧除土的方法，即除去刃脚较高一侧的土，在刃脚较低的一侧加撑支垫。

4.2.2 纠正位移

先偏侧除土，使沉井底面中心向墩位设计中心倾斜，随后均匀除土，使沉井底中心线下沉至设计中线，然后再对偏侧除土扶正。

4.2.3 纠正扭转

沉井中心位置符合要求但是水平角度扭转时，可在对角线两角除土，在另外两角填土，借助于刃脚下不相等的土压力所形成的扭矩使沉井在下沉过程中逐步纠正扭转角度。