某鐵路長江橋大型沉井吸泥下沉施工計算及偏位分析

姜金鳳, 姜 賀

(1.中鐵大橋勘測設(shè)計院，湖北武漢 430050; 2. 中鐵大橋局, 湖北武漢 430050)

某鐵路長江橋大型沉井吸泥下沉施工計算及偏位分析

姜金鳳1, 姜 賀2

(1.中鐵大橋勘測設(shè)計院，湖北武漢 430050; 2. 中鐵大橋局, 湖北武漢 430050)

詳細(xì)闡述了大型沉井不排水吸泥下沉的計算方法，并結(jié)合某鐵路長江橋大型沉井施工進(jìn)行驗證分析，同時對沉井下沉過程中容易出現(xiàn)的偏位現(xiàn)象進(jìn)行了分析，并提出針對性的糾偏措施。

吸泥下沉; 計算方法; 偏位分析

隨著橋梁建設(shè)事業(yè)的不斷發(fā)展，沉井在深基礎(chǔ)施工中得到廣泛應(yīng)用，其下沉技術(shù)也就成為了施工的關(guān)鍵，而最常用的下沉方式為：全降排水下沉施工工藝、部分降排水下沉施工工藝和不排水下沉施工工藝。本文結(jié)合某鐵路長江橋大型沉井施工，詳細(xì)闡述了不排水吸泥下沉法施工計算方法及糾偏措施的關(guān)鍵技術(shù)。

1 工程概述

沉井采用倒圓角的矩形沉井基礎(chǔ)，井身頂面平面尺寸為86.9 m×58.7 m。倒圓半徑為7.45 m，為方便吸泥下沉，沉井平面布置為24個12.8 m×12.8 m井孔，沉井總高105 m，其中鋼沉井高50 m(圖1)。

圖1 沉井結(jié)構(gòu)(單位：cm)

沉井上部為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土沉井接高第一節(jié)后頂面標(biāo)高約為+22.0 m，底標(biāo)高約為-34.0 m，水面低潮位標(biāo)高+0.0 m，為滿足空壓機(jī)工作需要，開始吸泥下沉，沉井吸泥下沉與接高交替進(jìn)行，混凝土沉井分批接高高度為6+24+25=55 m。沉井吸泥下沉與接高對應(yīng)同樣分為三次。

2 吸泥下沉計算

沉井下沉采用空氣吸泥機(jī)吸泥為主，局部地區(qū)高壓射水輔助。下沉階段在沉井頂面布置16臺20 t龍門吊機(jī)和6臺塔吊負(fù)責(zé)吊掛吸泥機(jī)，并由6臺塔吊和浮吊配合吸泥機(jī)安裝、拆除及維修等作業(yè)?？諌簷C(jī)設(shè)備布置在沉井下游的空壓機(jī)平臺上，通過棧橋?qū)⒏邏嚎諝廨斔椭脸辆斆婀夤苈?。沉井終沉標(biāo)高為-97.0 m。

若沉井下沉緩慢或困難時，可利用在井孔內(nèi)吸泥及外周空氣幕輔助等下沉技術(shù)措施。根據(jù)國內(nèi)外同類型橋梁經(jīng)驗，一個氣龕能克服的摩擦面積，對于φ1 mm 噴氣孔而言，井深0～50 m內(nèi)為2.6 m2/個，50 m以下為1.3 m2/個。由于本工程沉井巨大，為減少氣龕數(shù)量，采用φ3 mm的噴氣孔，此時氣龕有效面積可達(dá)2.25 m2/個～3 m2/個。按此布置，水平間距可取1.5 m，豎向行間距下部1.5 m，上部2 m，相鄰兩層氣龕錯位布置。

2.1 沖洗法空氣吸泥計算

每個隔艙布置一臺吸泥機(jī)共24臺，受起吊設(shè)備限制最多開啟14臺吸泥機(jī)。正常情況下每天需吸泥下沉0.6～1.0 m。以沉井核心區(qū)隔艙吸泥作為計算依據(jù)，核心區(qū)每個隔艙的尺寸為：14.1 m×14.1 m，計算按每天吸泥深度1.0 m考慮，故凈吸泥量為：14.1 m×14.1 m×1.0 m=198 m3/d，每天有效工作時間按12小時計算，則每小時吸泥量為198÷12=16.5 m3/h。

2.1.1 噴出泥漿流量計算

式中：qv1為按天然狀態(tài)土體積計每1h凈出土量(m3/h)；

d1為土在天然狀態(tài)下的相對密度：按《公路施工手冊—橋涵》上冊820頁表9—11取值；

d0為土顆粒相對密度，用d0=2.6；

ω為每1m3天然狀態(tài)的土成為泥漿所需的水量(m3/m3), 按《公路施工手冊—橋涵》上冊820頁表9—11取值。

2.1.2 泥漿相對密度d2

式中：d為水的相對密度，d=1,余同前。

2.1.3 吸泥管截面積AS

vS為吸入泥漿的速度，視土顆粒大小采用1～2m/s。

2.1.4 吸泥機(jī)排出水量qv3

2.1.5 吸泥機(jī)壓縮空氣消耗量qv4

式中：H為空氣混合氣在水面以下的深度(河床沖刷后水深35m-1m=34m)；

h為排泥管出口處高于井內(nèi)水面的高度(沉井接高至56m-水深35m-入泥深度1m=20m)；

q″v2為泥漿流量(m3/min)；

c1為校正系數(shù)，應(yīng)在施工中測驗求得，在沒有測驗值時用c1≈1.5～2.0試算；

m為由吸揚(yáng)凈水所需的空氣量換算為吸揚(yáng)泥漿的增大系數(shù)：

2.1.6 需要的壓縮空氣壓力(空氣壓縮機(jī)氣壓表讀數(shù))p

0.36～0.39MPa

隨著沉井的下沉深度增加(最深達(dá)到-97 m)，氣壓表的讀數(shù)越大，最大可達(dá)0.99～1.02 MPa。

2.1.7 需要的揚(yáng)泥管面積

按泥漿排出口處計算，排漿口處泥漿中的空氣泡受外界大氣(常壓)的壓力，體積較前擴(kuò)大，所需截面積為AC。

吸泥管和揚(yáng)泥管選用等直徑的無縫鋼管，即全長內(nèi)徑一致的柱形導(dǎo)管，故揚(yáng)泥管和吸泥管均采用φ351×8的無縫鋼管。

式中：vC為在排泥口處的混合漿流速，取6～8m/s；

2.1.8 需要壓縮空氣管的截面積AZ

選用外徑φ133×5mm的無縫鋼管。

vZ為空氣在管內(nèi)的流速，用10～20m/s。

2.1.9 需要的壓縮空氣總量

14×36.2×0.6=365～395m3/min

式中：n為吸泥機(jī)臺數(shù)；

k為吸泥機(jī)同時工作系數(shù)(查表取值0.6)；

n值與k值得關(guān)系見橋涵上冊832頁表9-17。

2.2 下沉系數(shù)及接高穩(wěn)定計算

2.2.1 極限承載力

對于地基極限承載力的計算經(jīng)研究對比，認(rèn)為采用太沙基公式計算極限承載力比較合理。采用太沙基公式按條形基礎(chǔ)進(jìn)行地基極限承載力的計算，其公式如下：

式中：Nr、Nq、Nc為由內(nèi)摩擦角決定的系數(shù)，參照太沙基公式承載力系數(shù)表(表1)；

γ為沉井底部土容重，不排水下沉取土浮重；

B為沉井底部支承面寬度；

q為超荷載，或q=γ0×h；

γ0為沉井內(nèi)回填砂或土的容重，水下取浮容重；

h為沉井內(nèi)回填土塞的高度；

c為沉井底部土的內(nèi)聚力。

表1 太沙基公式承載力系數(shù)表

2.2.2 極限摩阻力

井壁與土體間的極限摩阻力很難通過現(xiàn)場原位試驗得出，多根據(jù)現(xiàn)場荷載試驗或以往的工程經(jīng)驗得出，我們根據(jù)以往類似地質(zhì)條件推薦的極限摩阻力工程經(jīng)驗值見表2、表3，并采用經(jīng)驗值進(jìn)行相關(guān)計算。

表2 沉井接高過程穩(wěn)定計算結(jié)果

說明：當(dāng)下沉系數(shù)kst>1.05時沉井即可下沉，當(dāng)kst’<0.9時沉井即可止沉，從上表系數(shù)可以看出沉井下沉?xí)r的取土狀態(tài)和止沉?xí)r需要的支撐狀態(tài)。

2.2.3 下沉系數(shù)和接高穩(wěn)定系數(shù)

根據(jù)不同的工況，對沉井的下沉系數(shù)和接高穩(wěn)定系數(shù)采用的計算公式如下：

表3 沉井吸泥下沉計算結(jié)果

說明：上表中各工況對應(yīng)接高工況下的接高完成后下沉到計算深度時刃腳及隔墻土體全部取空剩余踏面支承時、隔墻取空剩余刃腳支承時、隔墻及刃腳全斷面支承時的下沉系數(shù)。

式中：G為已澆注沉井的總自重；

G′為施工荷載，按沉井表面2 kN/m2進(jìn)行計算；

F為水的浮力；

R1為刃腳及隔墻底面的正面反力，R1=S×pu；

R2為沉井的側(cè)壁外摩阻力，R2=fka×S’ka，S’ka為沉井進(jìn)入土體的側(cè)壁接觸面積；

fka為多土層的加權(quán)平均單位摩阻力:

fki為i土層的單位摩阻力；

hsi為i土層的厚度；

n為沿沉井下沉深度不同類別土層的層數(shù)。

3 鋼沉井下沉計算結(jié)果

鋼沉井井壁混凝土灌注完畢之后，即布置吸泥設(shè)備，開始第一次吸泥。此后，吸泥與混凝土沉井接高交替進(jìn)行。共吸泥下沉3次，混凝土接高3次。沉井井壁與周圍土體產(chǎn)生的摩擦力和刃腳與踏面提供的支撐反力作用下保持穩(wěn)定。吸泥的目的，就是將刃腳與踏面下的土體破除、取出，使刃腳與踏面的支撐反力減少，沉井在自重作用下，即可克服摩擦力下沉。根據(jù)上述原理，結(jié)合本工程的施工工況及地質(zhì)等因素，即可計算出每種工況下的沉井受力情況，從而得出下沉系數(shù)。進(jìn)而依據(jù)施工經(jīng)驗，判斷沉井的各工況下的下沉趨勢(表2、表3)。

根據(jù)表2計算結(jié)果表明，混凝土沉井接高過程中，均需全斷面支承，混凝土沉井接高完畢后，隔墻進(jìn)入土體一定深度沉井才能穩(wěn)定。

根據(jù)計算結(jié)果，當(dāng)沉井下沉系數(shù)Kst>1.05時沉井下沉，各階段全斷面支撐時的下沉系數(shù)均較小，因此各階段隔墻下土體需大部分或部分取土后方可下沉到位。沉井在下沉過程中先從中間吸沉井隔墻附近土體，然后向井壁周圍吸泥下沉沉井。

4 偏位分析

在沉井均勻下沉過程中做到“有偏必糾”，預(yù)防為主。沉井的偏差通過GPS全球定位系統(tǒng)和全站儀兩種手段，隨時收集并分析。

4.1 現(xiàn)象

(1)沉井下沉過程中或下沉后，沉井發(fā)生傾斜，使沉井中心線與刃腳中心線不重合，沉井垂直度出現(xiàn)歪斜，超過允許范圍。沉井軸線位置發(fā)生一個方向偏移(稱為位移)，或兩個方向的偏移(稱為扭轉(zhuǎn))。

(2)沉井下沉過程中，下沉速率突然急劇增大。嚴(yán)重時往往使沉井產(chǎn)生較大的傾斜或使周圍河床面塌陷。此情況在沉井下沉初期常常遇到。

4.2 預(yù)防措施

(1)加強(qiáng)測量控制和檢測，在沉井外壁上設(shè)控制線，內(nèi)壁上設(shè)垂度觀測標(biāo)志，以控制平面位置和垂直度，每班觀測不少于2次，發(fā)現(xiàn)偏位或傾斜及時糾正。

(2)根據(jù)不同土質(zhì)情況，采用不同的吸泥工藝，分層對稱均勻取土，使刃腳均勻受力，沉井均勻、豎直平穩(wěn)下沉。

(3)利用井壁連通孔向井內(nèi)自然補(bǔ)水，保持井內(nèi)水位不低于井外水位1 m，以防涌砂。必要時，還可用潛水泵向井內(nèi)補(bǔ)水，維持沉井內(nèi)外壓力平衡。

(4)刃腳遇異物擱住，可將其四周土清除后取出。

(5)沉井上施工荷載應(yīng)均勻、對稱布置。井外不得排放渣土，棄渣全部由運(yùn)渣船外運(yùn)至指定地點(diǎn)排放。

洪水期沉井進(jìn)行動態(tài)防護(hù)，在沉井上游側(cè)拋填塊石等，避免上下游井外堆載相差過大。

(6)下沉過程中加強(qiáng)測量觀測，在沉井外設(shè)置控制網(wǎng)，及時掌握監(jiān)控信息并作出處理。加強(qiáng)測量的檢查和復(fù)核工作。

4.3 治理方法

(1)沉井傾斜。若傾斜發(fā)生在吸泥下沉階段，立即停止作業(yè)，在沉井刃腳高的一側(cè)進(jìn)行取土，低的一側(cè)保持不動，盡可能地減小高的一側(cè)的正面阻力，增大沉井的糾偏力矩，隨著高側(cè)的下沉，傾斜即可糾正。

(2)沉井偏移。位移糾正方法主要是控制沉井不再向刃腳位移相反方向傾斜，同時有意識地使沉井向刃腳位移方向傾斜，下沉一定深度糾正傾斜后，使其伴隨向刃腳位移方向產(chǎn)生一定位移糾正。

如沉井偏差較大(沉井頂面中心與設(shè)計中心偏差大于50 cm)，也可有意使沉井向偏位的一方傾斜，然后沿傾斜方向下沉，直到刃腳處中心線與設(shè)計中心線位置吻合或接近時，再糾正傾斜，位移相應(yīng)得到糾正。

(3)沉井扭轉(zhuǎn)。扭轉(zhuǎn)(平面扭轉(zhuǎn)角偏差大于1°)可在與沉井扭轉(zhuǎn)角相反方向的對角偏取土，偏取土深度控制在2 m左右，借助于刃腳下不相等的土壓力所形成的扭矩，使沉井在下沉過程中逐步糾正其扭轉(zhuǎn)。

5 結(jié)束語

影響沉井位移的因素很多，因此吸泥下沉計算及糾偏分析是其順利施工的關(guān)鍵，要充分考慮下沉系數(shù)及接高穩(wěn)定系數(shù)的計算。本文結(jié)合本工程的施工工況及地質(zhì)等因素，計算出每種工況下的沉井受力情況，從而得出下沉系數(shù)，依據(jù)施工經(jīng)驗，判斷沉井的各工況下的下沉趨勢；并對施工過程中沉井的偏位情況進(jìn)行了充分的預(yù)估，確保沉井順利下沉就位。

[1] 《建筑施工手冊》編寫組.建筑施工手冊[M].4版.北京：中國建筑工業(yè)出版社,2003.

[2] 高大釗. 土力學(xué)與基礎(chǔ)工程[M] . 北京:中國建筑工業(yè)出版社,1998.

姜金鳳(1984～),女，碩士，工程師；姜賀(1986～),男，本科，工程師。

U445.55+7

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[定稿日期]2015-04-01