沉井基础在桥梁深基坑施工中的设计及应用

摘要：结合昆明枢纽铁路东南环线柴河双线特大桥5号墩承台沉井的设计、检算、施工过程，分析桥梁基础深基坑沉井施工的可行性，以减少防护工程投入、加快施工进度、节约施工成本。

关键词：沉井基础；桥梁；深基坑；设计；应用

中图分类号：S611文献标识码： A

1.工程概况

柴河双线特大桥5号墩位于茨巷河和上六公路之间，桩基承台基础，承台基坑开挖深度达7m（参见图1），设计为10根10m长的1.0×1.5m钢筋混凝土人工挖孔防护桩。考虑到原设计方案对工期影响较大，拟定了钢板桩围堰、锁扣钢管桩围堰、沉井围堰三个方案。若采取钢板桩或锁口钢管桩围堰需临时租赁围堰材料及专用打桩设备，并且需配备施工队伍，鉴于只有一个深基坑承台，并不经济，最终确定采取沉井基础施工。

2.沉井设计及检算

5号墩承台平面尺寸为9.5m×5.6m，沉井尺寸取11.0m×7.1m，壁厚0.6m，高6.5m，分两节，第一节3.5m（含0.5m刃脚），第二节3m，采用C30混凝土和HRB335钢筋，容重γ=25kN/m3，fc=14.3N/mm2，钢筋直径d＞10mm，fy=300N/mm2。因沉井壁厚较薄，高度较小，采用0.15m×0.1m垫木及20cm厚砂垫层。

图1单位：m

2.1垫木拆除时井壁强度检算

沉井采用四个支撑点，在开始下沉特别是抽垫木时，井壁会产生交大的弯曲应力，参见图2。

图2

图3(a) 图3(b )

设支撑垫木的间距为0.7L，不考虑刃脚下回填砂的承载力。参见图3(a)：

长边两支座间距L1=0.7L，L2=0.15L

第一节井壁单宽重量标准值：

第一节井壁单宽重量设计值：

支点弯矩：

跨中弯矩：

假定抽垫木时，先抽并回填部位已经压实变成支点，此时沉井井壁支撑在三支点上，参见图3(b)：

支点弯矩：

跨中弯矩：

由于L/H=11/6.5=1.69<2，按深梁进行设计，根据《混凝土结构设计规范》，计算如下：

因为L/H<2，内力臂

刃角底部：，

井墙顶部：，

求得的钢筋数量较小，按构造配筋即可满足要求。根据《混凝土结构设计规范》，本工程地基为土质较为均匀的软土地基，不必进行竖向拉断计算。

2.2下沉检算

井壁钢筋混凝土容重按25KN/m3计算，沉井重量GK=3232kN。

根据地层分布情况，上层人工填筑土摩阻f=15KN/m2，下层黏土f=20KN/m2，上部填筑土厚3.5m，下部黏土厚度3m。

平均摩阻力

井壁总摩阻力

下沉系数，故下沉过程中需要对其加压。

2.3渗水量及抗浮稳定性

鉴于钻孔桩施工前河道已经改移至远离承台10m外，且施工期间正处于旱季，根据设计地质资料及水文资料，地下水文较低，位于刃脚以下，渗水量很小，地下水浮力也可以忽略不计，因此不再进行渗水量及抗浮稳定性检算。

2.4下沉到位后、承台混凝土浇筑前井壁及刃脚配筋

沉井侧为5m宽县道，偏安全考虑，按I级公路计算换算土主高度。利用理正计算软件，输入下列参数：路基面总宽= 10m，路肩宽=0m，安全距离=0.5m，单车外侧车轮中心到车辆边缘距离= 0.35m，车与车间距=0.6m，计算得换算土柱高度h0= 0.531m。黏性土粘聚力γ=19kPa，内摩擦角φ=20°。

图4 图5

根据主动土压力计算公式和换算土柱高度，计算土压力（参见图4）：

h=4.031m，

h=7.031m，

h=7.531m，

按承载能力极限状态进行配筋（沉井长边为最不利状态，短边荷载较长边小，可参考长边配筋）：

长、短边惯性矩：，，，沉井受力参见图5。

第一单元节：

跨中配筋：

转角处弯矩：

长边跨中弯矩：

，

，选用。

转角配筋：

，

，选用

第二单元节：

跨中、转角配筋：计算方法与第一单元节相同，经计算，跨中和转角配筋均选用4φ20。

刃脚配筋：，弯矩值很小，构造配筋即可满足要求。偏安全考虑，选用5Φ28。

由于该沉井为临时结构，下沉到位采用20cm厚C20混凝土封底处理后即可绑扎钢筋、短时间内浇筑混凝土，故不再进行正常使用状态配筋及裂缝检算。

3.沉井施工质量控制要点

沉井预制为常规钢筋混凝土结构施工，本文不再详述，重点谈谈下沉过程中的常见问题及对策。

3.1土质软硬不均或土层变化

对人工填土先挖沉井中部土层，沿刃脚周围保留土体，然后从中部向刃脚分层均匀对称削薄土堤，直至均匀下沉。对松软土（细砂）先开挖中部土层，沿刃脚四周保留土体，使沉井挤土下沉；对较硬粘土层逐段挖除粘土，逐段回填细砂，待全部换填完成后，再对称均匀逐步挖出回填细砂。对黏土层先开挖沉井中间30cm厚的土，然后再分段开挖靠公路侧刃脚下的土，挖完后及时用细砂回填夯实，待最后几段掏空回填后再对称均匀开挖沉井四周的土。

3.2井内一侧出现流砂

首先采用降排水措施将沉井内外水头差控制在1.3m以内。然后每次开挖深度不大于40cm，先开挖中部土层，沿刃脚四周保留土堤，使沉井挤土下沉。同时在沉井顶部四周均匀加载砂袋，增加沉井自重，使沉井快速穿过细砂层。

3.3刃脚下掏空过多，使沉井不均匀突沉

在人工填土和细砂层挖土下沉时，在刃脚部位保留约50cm宽的土体，控制均匀削土，使沉井挤土缓慢均匀下沉。在粘土层中严格控制挖土深度，每次挖土深度为30cm，严格按次序均匀对称挖土，不得在刃脚部位过多掏空。严格控制水头，减小动水压力，避免出现深的锅底将刃脚掏空。

3.4垂直度偏差过大引起偏移

加强过程中的测量控制和检测频次，发现垂直度偏差大于8cm、偏移大于2cm时及时进行纠正。

4.总结

在本工程中，沉井对邻近公路和河道的影响较小，比其他防护方案实施起来更加方便、快捷、灵活，除了作为承台施工的临时支护措施，同时作为承台混凝土施工的外围模板，既保证施工安全，又节约成本，也为总工期的保证奠定了良好基础，取得了较好的效果，在桥梁深基坑基础施工中有着一定的借鉴和参考意义。

参考文献：

1. 同济大学出版社《沉井设计与施工》段良策、殷奇编著。

2. 中国建筑工业出版社《简明施工计算手册（第三版）》江正荣、朱国梁编著。

3. 中国建筑工业出版社《混凝土结构设计规范（GB 50010-2010）》

作者简介：雷鹏飞（1984-），男，河南省郑州市人，本科，就职于中铁七局集团郑州工程有限公司，工程师，铁路工程施工管理。