沉井施工質(zhì)量及關(guān)鍵控制技術(shù)研究

摘 要：近年來，隨著客運專線的不斷發(fā)展，鐵路橋梁的施工數(shù)量逐日增加，日漸增多的施工技術(shù)開始應(yīng)用在鐵路橋梁施工中，其中鐵路橋梁用沉井進行承臺基坑防護的施工技術(shù)就是一種得到比較廣泛應(yīng)用的施工技術(shù)。本文分析、總結(jié)了鐵路橋梁深水基礎(chǔ)沉井基坑防護施工的施工質(zhì)量及關(guān)鍵技術(shù)控制，為相關(guān)工程建設(shè)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：沉井；穩(wěn)定性計算；質(zhì)量控制

1 工程概況

1.1 工程特點

合肥至福州鐵路客運專線閩贛段柏路田特大橋全長1008.45m，橋梁在0#臺～3#墩之間以1聯(lián)（48+80+48）m連續(xù)梁跨越碧泥田河，其中2#墩為連續(xù)梁主墩，位于河道中間位置，設(shè)計采用沉井作為基坑防護措施，根據(jù)承臺結(jié)構(gòu)尺寸及水深設(shè)計沉井順?biāo)飨蜷L8m，垂直水流向長12m，深13m，外壁厚0.7m，中間設(shè)分隔墻厚0.4m，頂板厚0.8m，下端開口，中間為空箱，刃腳底面寬度0.3m。

1.2 工程地質(zhì)

沉井場址在勘探深度內(nèi)土層出露較簡單，分布較均勻。地基土砂性強，抗剪抗壓性能良好，砂性土抗沖能力差，易受水的影響。

2 沉井制作

沉井制作采用就地澆筑的方式，分二節(jié)制作，一次下沉。第一節(jié)制作高度8.5m，分三次澆筑混凝土，即1.0m、3.7m、3.8m。第一節(jié)沉井在筑島平臺上直接制作后下沉到-8.5m，然后在進行上部的接高，進行第二節(jié)4.5m的制作。

3 沉井施工過程及強度驗算

3.1 刃腳受力驗算

刃腳向外撓曲最不利的情況，按《公橋基規(guī)》建議定為刃腳下沉到中途，刃腳切入土中。

刃腳懸臂作用的分配系數(shù)為：

α=■=■=2.0>1.0

取α=1.0。

（1）計算各個力值（按低水位取單位寬度計算）

e2=17.44×4.6×0.621-22.4=27.2kN/m

e3=17.44×5.0×0.621-22.4=31.75kN/m

其中：tan2■=0.621，2ctan■=22.4kN/m

根據(jù)施工情況，并從安全考慮，作用在刃腳外側(cè)的土壓力為：

Pe=■（e2+e3）hk=■（27.42+31.75）×0.4=11.84kN

取用pe=11.84kN。

刃腳摩阻力為：T1=0.5E=0.5×■（27.42+31.75）×0.4×1=5.92kN

由表查的粘土層τ=20kN/m3

T1=τhk×1=8kN

故采用刃腳摩阻力為5.92kN。

單位寬沉井自重為：q=（0.13+0.678+2.623）×25.0=85.78kN

刃腳踏面豎向反力為：R=85.78-31.75×■×5×0.5=46.09kN

刃腳斜面橫向力為：H=V2tan（θ-δ2）=■tan（θ-δ2）

式中：δ2取為土的內(nèi)摩擦角，即δ2=？準(zhǔn)=13.5°

故：H=■tan（48.8°-13.5°）=24.82×0.74=17.57kN

井壁自重q的作用點至刃腳根部中心軸距為：

x1=■=0.072m

刃腳踏面下反力合力：V1=■R=■R=0.46R

刃腳斜面上反力合力：V2=R-0.46R=0.54R

R的作用點距離井壁外側(cè)為：

x=■V■■+V■■

=■0.46R■+0.54R■=0.18m

（2）各力對刃腳根部截面中心的彎矩計算

刃腳斜面水平反力引起的彎矩為：MH=17.57×（0.4-0.33）=1.23kN·m

水平土壓力引起的彎矩為：

M■=■■×■■h■=29.59×■×1.54×0.4=6.08kN·m

反力R引起的彎矩為：MR=46.09×■=3.23kN·m

刃腳側(cè)面摩阻力引起的彎矩為：MT=5.92×■=1.48kN·m

刃腳自重引起的彎矩為：Mg=0.13×0.4×25.0×0.072=0.09kN·m

總彎矩：M0=ΣM=1.29+3.23+1.48-6.08-0.09=-0.23kN·m

（3）刃腳根部處的應(yīng)力驗算

σh=■±■

式中：

N0=46.09-0.13×25.0=42.84kN

F=0.5×0.4=0.2

W=■×0.4×0.52=0.02

σh=■±■=234.2±（-11.5）=245.5kPa222.7kPa

由于水平剪力很小，驗算時未考慮。壓應(yīng)力小于R■■/γ■=14000/2.31=6060kPa

按受力條件不需設(shè)鋼筋，可按構(gòu)造要求配筋。

（4）刃腳向內(nèi)撓曲

1）計算各個力值

①水壓力及土壓力

按最高水位計算單位寬度上的水、土壓力為：

ω2=9.1×10.0=91kN/m2

ω3=9.5×10.0=95kN/m2

e2=17.44×9.1×0.621-22.4=76.2kN/m2

e3=17.44×9.5×0.621-22.4=80.5kN/m2

則p=■（91+76.2+95+80.5）=68.54kN

p對刃腳根部形心軸的彎矩為：

MP=68.54×■×■=68.54×■×■×0.4=13.82kN·m

②刃腳摩阻力產(chǎn)生的彎矩：

T1=0.5E=0.5×■（80.5+76.2）×0.4=15.67kN

或T1=τhk=25×0.4=10kN

取用T1=10kN

MT=-10×0.25=-2.5kN·m

③刃腳自重產(chǎn)生的彎矩

G=0.13×25.0=3.25kN

Mg=3.25×0.072=0.234kN·m

④所有各力對刃腳根部的彎矩、軸向力及剪力

M=MP+MT+Mg=13.82-2.5+0.234=11.55kN·m

2）刃腳根部截面應(yīng)力驗算

①彎曲應(yīng)力驗算

σ=■±■=■±■=33.75+577.5=-543.75kPa<1082kPa611.25kPa<6060kPa

②剪應(yīng)力驗算

σ■=■=342.7kPa<3300/2.31=1428kPa

計算結(jié)果表明，刃腳外側(cè)也只需按構(gòu)造配筋。

③刃腳框架計算

由于α=1.0，刃腳作為水平框架承受的水平力很小，故不需驗算，可按構(gòu)造布置鋼筋。

3.2 沉井井壁豎向拉力驗算

Smax=■（67.75+339.33+1312.22）=429.82kN

井壁受拉面積為：F1=■（7.02-6.02）=10.21m2

混凝土所收的拉應(yīng)力為：

σh=■=■=42.10kPa<0.8R■■=1600×0.8=1280kPa

井壁內(nèi)可按構(gòu)造布置豎向鋼筋，實際上根據(jù)土質(zhì)情況井壁不可能產(chǎn)生大的拉應(yīng)力。

3.3 計算沉井側(cè)面摩阻力的下沉系數(shù)

k1=Q/Rf。其中Q為沉井自重，按8.5m高計算，為7160kN

Rf為井壁總摩阻力，按Rf=U（H-2.5）fc計算。

fc為單位面積的摩阻力，錢塘江邊的粉砂土經(jīng)驗值取20kPa

故Rf=40×（8.3-2.5）×20=4640KN，k1=7160/4640=1.54>1.15

（如按部分不排水，地下水作用2～3m，沉井的浮力為1360kN，此時k1=（7160-1360）/4640=1.25>1.15）

3.4 計入側(cè)面摩阻力、刃腳及隔墻下土體的支承反力時的下沉系數(shù)

k2=G/（Rf+R）其中R為刃腳及隔墻下的土體的支承反力。

計算得k2=7160/（4800+3800+1277）=0.72<1.0

3.5 計入側(cè)面摩阻力和刃腳踏面下土的支承反力時的下沉系數(shù)

k3=G/（Rf+R1） 其中R1為刃腳踏面下土的支承反力。

k3=7160/（4800+2280）=1.01

從計算結(jié)果可知，k1>1，說明沉井能夠下沉，k2<1，說明沉井停沉?xí)r能夠穩(wěn)定而不會發(fā)生超沉，k3>1，說明沉井在下沉過程中，只要將隔墻土、刃腳鈄面掏空，沉井能開始下沉。所以在此種地質(zhì)條件下下沉沉井具有可行性。

4 下沉施工監(jiān)測要點

4.1 沉井下沉速度控制

沉井下沉速度控制也是一個重要方面，一般來講對沉井下沉速度沒有嚴(yán)格的限制，需根據(jù)施工經(jīng)驗和沉井下沉的具體情況而定，本工程施工中主要按以下原則進行：

（1）在沉井刃腳高差不大時（在水平間距的0.5%以內(nèi)），沉井的下沉速度越快越好；

（2）沉井下沉速度均勻為宜；

（3）沉井在粉砂土等易引起涌砂的土層中下沉?xí)r，應(yīng)加快下沉速度。

4.2 沉井平面位移控制

對沉井平面位移的控制主要是通過控制沉井刃腳高差來實現(xiàn)，如果沉井刃腳高差不大，則沉井平面位移較易得到控制，它們之間的關(guān)系并無定量計算，但有一些聯(lián)系：

（1）沉井哪個角下沉得快（即刃腳較低），則沉井就會向哪個方向移位；

（2）沉井刃腳高差大時，沉井位移量大；

（3）沉井始終在同一個方向的刃腳高差下下沉?xí)r，沉井位移量較大。

施工過程中需要具體情況具體分析，決定采取相應(yīng)的方法和措施。

5 結(jié) 語

沉井作為建造地下構(gòu)造物或深基礎(chǔ)的一種方法，是一項實踐性很強的施工技術(shù)，為保證沉井的順利下沉和井身的穩(wěn)定性，在沉井施工前必須要進行相關(guān)的強度驗算。本文以合肥至福州鐵路客運專線閩贛段柏路田特大橋為例，對沉井的施工過程進行了詳細(xì)的計算復(fù)核，也為以后的相關(guān)工程提供借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1]《建筑施工手冊》（縮印本，第二版）.

[2]《基礎(chǔ)工程施工手冊》（第二版）；中國計劃出版社.

[3]《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》（GB50204-2002）.