某铁路长江桥大型沉井吸泥下沉施工计算及偏位分析

姜金凤, 姜 贺

(1.中铁大桥勘测设计院，湖北武汉 430050; 2. 中铁大桥局, 湖北武汉 430050)

某铁路长江桥大型沉井吸泥下沉施工计算及偏位分析

姜金凤1, 姜 贺2

(1.中铁大桥勘测设计院，湖北武汉 430050; 2. 中铁大桥局, 湖北武汉 430050)

详细阐述了大型沉井不排水吸泥下沉的计算方法，并结合某铁路长江桥大型沉井施工进行验证分析，同时对沉井下沉过程中容易出现的偏位现象进行了分析，并提出针对性的纠偏措施。

吸泥下沉; 计算方法; 偏位分析

随着桥梁建设事业的不断发展，沉井在深基础施工中得到广泛应用，其下沉技术也就成为了施工的关键，而最常用的下沉方式为：全降排水下沉施工工艺、部分降排水下沉施工工艺和不排水下沉施工工艺。本文结合某铁路长江桥大型沉井施工，详细阐述了不排水吸泥下沉法施工计算方法及纠偏措施的关键技术。

1 工程概述

沉井采用倒圆角的矩形沉井基础，井身顶面平面尺寸为86.9 m×58.7 m。倒圆半径为7.45 m，为方便吸泥下沉，沉井平面布置为24个12.8 m×12.8 m井孔，沉井总高105 m，其中钢沉井高50 m(图1)。

图1 沉井结构(单位：cm)

沉井上部为钢筋混凝土结构，混凝土沉井接高第一节后顶面标高约为+22.0 m，底标高约为-34.0 m，水面低潮位标高+0.0 m，为满足空压机工作需要，开始吸泥下沉，沉井吸泥下沉与接高交替进行，混凝土沉井分批接高高度为6+24+25=55 m。沉井吸泥下沉与接高对应同样分为三次。

2 吸泥下沉计算

沉井下沉采用空气吸泥机吸泥为主，局部地区高压射水辅助。下沉阶段在沉井顶面布置16台20 t龙门吊机和6台塔吊负责吊挂吸泥机，并由6台塔吊和浮吊配合吸泥机安装、拆除及维修等作业。空压机设备布置在沉井下游的空压机平台上，通过栈桥将高压空气输送至沉井顶面供气管路。沉井终沉标高为-97.0 m。

若沉井下沉缓慢或困难时，可利用在井孔内吸泥及外周空气幕辅助等下沉技术措施。根据国内外同类型桥梁经验，一个气龛能克服的摩擦面积，对于φ1 mm 喷气孔而言，井深0～50 m内为2.6 m2/个，50 m以下为1.3 m2/个。由于本工程沉井巨大，为减少气龛数量，采用φ3 mm的喷气孔，此时气龛有效面积可达2.25 m2/个～3 m2/个。按此布置，水平间距可取1.5 m，竖向行间距下部1.5 m，上部2 m，相邻两层气龛错位布置。

2.1 冲洗法空气吸泥计算

每个隔舱布置一台吸泥机共24台，受起吊设备限制最多开启14台吸泥机。正常情况下每天需吸泥下沉0.6～1.0 m。以沉井核心区隔舱吸泥作为计算依据，核心区每个隔舱的尺寸为：14.1 m×14.1 m，计算按每天吸泥深度1.0 m考虑，故净吸泥量为：14.1 m×14.1 m×1.0 m=198 m3/d，每天有效工作时间按12小时计算，则每小时吸泥量为198÷12=16.5 m3/h。

2.1.1 喷出泥浆流量计算

式中：qv1为按天然状态土体积计每1h净出土量(m3/h)；

d1为土在天然状态下的相对密度：按《公路施工手册—桥涵》上册820页表9—11取值；

d0为土颗粒相对密度，用d0=2.6；

ω为每1m3天然状态的土成为泥浆所需的水量(m3/m3), 按《公路施工手册—桥涵》上册820页表9—11取值。

2.1.2 泥浆相对密度d2

式中：d为水的相对密度，d=1,余同前。

2.1.3 吸泥管截面积AS

vS为吸入泥浆的速度，视土颗粒大小采用1～2m/s。

2.1.4 吸泥机排出水量qv3

2.1.5 吸泥机压缩空气消耗量qv4

式中：H为空气混合气在水面以下的深度(河床冲刷后水深35m-1m=34m)；

h为排泥管出口处高于井内水面的高度(沉井接高至56m-水深35m-入泥深度1m=20m)；

q″v2为泥浆流量(m3/min)；

c1为校正系数，应在施工中测验求得，在没有测验值时用c1≈1.5～2.0试算；

m为由吸扬净水所需的空气量换算为吸扬泥浆的增大系数：

2.1.6 需要的压缩空气压力(空气压缩机气压表读数)p

0.36～0.39MPa

随着沉井的下沉深度增加(最深达到-97 m)，气压表的读数越大，最大可达0.99～1.02 MPa。

2.1.7 需要的扬泥管面积

按泥浆排出口处计算，排浆口处泥浆中的空气泡受外界大气(常压)的压力，体积较前扩大，所需截面积为AC。

吸泥管和扬泥管选用等直径的无缝钢管，即全长内径一致的柱形导管，故扬泥管和吸泥管均采用φ351×8的无缝钢管。

式中：vC为在排泥口处的混合浆流速，取6～8m/s；

2.1.8 需要压缩空气管的截面积AZ

选用外径φ133×5mm的无缝钢管。

vZ为空气在管内的流速，用10～20m/s。

2.1.9 需要的压缩空气总量

14×36.2×0.6=365～395m3/min

式中：n为吸泥机台数；

k为吸泥机同时工作系数(查表取值0.6)；

n值与k值得关系见桥涵上册832页表9-17。

2.2 下沉系数及接高稳定计算

2.2.1 极限承载力

对于地基极限承载力的计算经研究对比，认为采用太沙基公式计算极限承载力比较合理。采用太沙基公式按条形基础进行地基极限承载力的计算，其公式如下：

式中：Nr、Nq、Nc为由内摩擦角决定的系数，参照太沙基公式承载力系数表(表1)；

γ为沉井底部土容重，不排水下沉取土浮重；

B为沉井底部支承面宽度；

q为超荷载，或q=γ0×h；

γ0为沉井内回填砂或土的容重，水下取浮容重；

h为沉井内回填土塞的高度；

c为沉井底部土的内聚力。

表1 太沙基公式承载力系数表

2.2.2 极限摩阻力

井壁与土体间的极限摩阻力很难通过现场原位试验得出，多根据现场荷载试验或以往的工程经验得出，我们根据以往类似地质条件推荐的极限摩阻力工程经验值见表2、表3，并采用经验值进行相关计算。

表2 沉井接高过程稳定计算结果

说明：当下沉系数kst>1.05时沉井即可下沉，当kst’<0.9时沉井即可止沉，从上表系数可以看出沉井下沉时的取土状态和止沉时需要的支撑状态。

2.2.3 下沉系数和接高稳定系数

根据不同的工况，对沉井的下沉系数和接高稳定系数采用的计算公式如下：

表3 沉井吸泥下沉计算结果

说明：上表中各工况对应接高工况下的接高完成后下沉到计算深度时刃脚及隔墙土体全部取空剩余踏面支承时、隔墙取空剩余刃脚支承时、隔墙及刃脚全断面支承时的下沉系数。

式中：G为已浇注沉井的总自重；

G′为施工荷载，按沉井表面2 kN/m2进行计算；

F为水的浮力；

R1为刃脚及隔墙底面的正面反力，R1=S×pu；

R2为沉井的侧壁外摩阻力，R2=fka×S’ka，S’ka为沉井进入土体的侧壁接触面积；

fka为多土层的加权平均单位摩阻力:

fki为i土层的单位摩阻力；

hsi为i土层的厚度；

n为沿沉井下沉深度不同类别土层的层数。

3 钢沉井下沉计算结果

钢沉井井壁混凝土灌注完毕之后，即布置吸泥设备，开始第一次吸泥。此后，吸泥与混凝土沉井接高交替进行。共吸泥下沉3次，混凝土接高3次。沉井井壁与周围土体产生的摩擦力和刃脚与踏面提供的支撑反力作用下保持稳定。吸泥的目的，就是将刃脚与踏面下的土体破除、取出，使刃脚与踏面的支撑反力减少，沉井在自重作用下，即可克服摩擦力下沉。根据上述原理，结合本工程的施工工况及地质等因素，即可计算出每种工况下的沉井受力情况，从而得出下沉系数。进而依据施工经验，判断沉井的各工况下的下沉趋势(表2、表3)。

根据表2计算结果表明，混凝土沉井接高过程中，均需全断面支承，混凝土沉井接高完毕后，隔墙进入土体一定深度沉井才能稳定。

根据计算结果，当沉井下沉系数Kst>1.05时沉井下沉，各阶段全断面支撑时的下沉系数均较小，因此各阶段隔墙下土体需大部分或部分取土后方可下沉到位。沉井在下沉过程中先从中间吸沉井隔墙附近土体，然后向井壁周围吸泥下沉沉井。

4 偏位分析

在沉井均匀下沉过程中做到“有偏必纠”，预防为主。沉井的偏差通过GPS全球定位系统和全站仪两种手段，随时收集并分析。

4.1 现象

(1)沉井下沉过程中或下沉后，沉井发生倾斜，使沉井中心线与刃脚中心线不重合，沉井垂直度出现歪斜，超过允许范围。沉井轴线位置发生一个方向偏移(称为位移)，或两个方向的偏移(称为扭转)。

(2)沉井下沉过程中，下沉速率突然急剧增大。严重时往往使沉井产生较大的倾斜或使周围河床面塌陷。此情况在沉井下沉初期常常遇到。

4.2 预防措施

(1)加强测量控制和检测，在沉井外壁上设控制线，内壁上设垂度观测标志，以控制平面位置和垂直度，每班观测不少于2次，发现偏位或倾斜及时纠正。

(2)根据不同土质情况，采用不同的吸泥工艺，分层对称均匀取土，使刃脚均匀受力，沉井均匀、竖直平稳下沉。

(3)利用井壁连通孔向井内自然补水，保持井内水位不低于井外水位1 m，以防涌砂。必要时，还可用潜水泵向井内补水，维持沉井内外压力平衡。

(4)刃脚遇异物搁住，可将其四周土清除后取出。

(5)沉井上施工荷载应均匀、对称布置。井外不得排放渣土，弃渣全部由运渣船外运至指定地点排放。

洪水期沉井进行动态防护，在沉井上游侧抛填块石等，避免上下游井外堆载相差过大。

(6)下沉过程中加强测量观测，在沉井外设置控制网，及时掌握监控信息并作出处理。加强测量的检查和复核工作。

4.3 治理方法

(1)沉井倾斜。若倾斜发生在吸泥下沉阶段，立即停止作业，在沉井刃脚高的一侧进行取土，低的一侧保持不动，尽可能地减小高的一侧的正面阻力，增大沉井的纠偏力矩，随着高侧的下沉，倾斜即可纠正。

(2)沉井偏移。位移纠正方法主要是控制沉井不再向刃脚位移相反方向倾斜，同时有意识地使沉井向刃脚位移方向倾斜，下沉一定深度纠正倾斜后，使其伴随向刃脚位移方向产生一定位移纠正。

如沉井偏差较大(沉井顶面中心与设计中心偏差大于50 cm)，也可有意使沉井向偏位的一方倾斜，然后沿倾斜方向下沉，直到刃脚处中心线与设计中心线位置吻合或接近时，再纠正倾斜，位移相应得到纠正。

(3)沉井扭转。扭转(平面扭转角偏差大于1°)可在与沉井扭转角相反方向的对角偏取土，偏取土深度控制在2 m左右，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其扭转。

5 结束语

影响沉井位移的因素很多，因此吸泥下沉计算及纠偏分析是其顺利施工的关键，要充分考虑下沉系数及接高稳定系数的计算。本文结合本工程的施工工况及地质等因素，计算出每种工况下的沉井受力情况，从而得出下沉系数，依据施工经验，判断沉井的各工况下的下沉趋势；并对施工过程中沉井的偏位情况进行了充分的预估，确保沉井顺利下沉就位。

[1] 《建筑施工手册》编写组.建筑施工手册[M].4版.北京：中国建筑工业出版社,2003.

[2] 高大钊. 土力学与基础工程[M] . 北京:中国建筑工业出版社,1998.

姜金凤(1984～),女，硕士，工程师；姜贺(1986～),男，本科，工程师。

U445.55+7

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[定稿日期]2015-04-01