某鐵路長(zhǎng)江橋大型沉井吸泥下沉施工計(jì)算及偏位分析

姜金鳳, 姜 賀

(1.中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖北武漢 430050; 2. 中鐵大橋局, 湖北武漢 430050)

某鐵路長(zhǎng)江橋大型沉井吸泥下沉施工計(jì)算及偏位分析

姜金鳳1, 姜 賀2

(1.中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)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(jì)算方法，并結(jié)合某鐵路長(zhǎng)江橋大型沉井施工進(jìn)行驗(yàn)證分析，同時(shí)對(duì)沉井下沉過(guò)程中容易出現(xiàn)的偏位現(xiàn)象進(jìn)行了分析，并提出針對(duì)性的糾偏措施。

吸泥下沉; 計(jì)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(zhǎng)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(jì)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(gè)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(duì)應(yīng)同樣分為三次。

2 吸泥下沉計(jì)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(tái)20 t龍門吊機(jī)和6臺(tái)塔吊負(fù)責(zé)吊掛吸泥機(jī)，并由6臺(tái)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(tái)上，通過(guò)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(shí)，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(guó)內(nèi)外同類型橋梁經(jīng)驗(yàn)，一個(gè)氣龕能克服的摩擦面積，對(duì)于φ1 mm 噴氣孔而言，井深0～50 m內(nèi)為2.6 m2/個(gè)，50 m以下為1.3 m2/個(gè)。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(shí)氣龕有效面積可達(dá)2.25 m2/個(gè)～3 m2/個(gè)。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(cuò)位布置。

2.1 沖洗法空氣吸泥計(jì)算

每個(gè)隔艙布置一臺(tái)吸泥機(jī)共24臺(tái)，受起吊設(shè)備限制最多開啟14臺(tái)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(jì)算依據(jù)，核心區(qū)每個(gè)隔艙的尺寸為：14.1 m×14.1 m，計(jì)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(shí)間按12小時(shí)計(jì)算，則每小時(shí)吸泥量為198÷12=16.5 m3/h。

2.1.1 噴出泥漿流量計(jì)算

式中：qv1為按天然狀態(tài)土體積計(jì)每1h凈出土量(m3/h)；

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

d0為土顆粒相對(duì)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(cè)—橋涵》上冊(cè)820頁(yè)表9—11取值。

2.1.2 泥漿相對(duì)密度d2

式中：d為水的相對(duì)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(cè)驗(yàn)求得，在沒有測(cè)驗(yàn)值時(shí)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(jì)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(wú)縫鋼管，即全長(zhǎng)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(wú)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(wú)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(tái)數(shù)；

k為吸泥機(jī)同時(shí)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(cè)832頁(yè)表9-17。

2.2 下沉系數(shù)及接高穩(wěn)定計(jì)算

2.2.1 極限承載力

對(duì)于地基極限承載力的計(jì)算經(jīng)研究對(duì)比，認(rèn)為采用太沙基公式計(jì)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(jì)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)得出，多根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)或以往的工程經(jīng)驗(yàn)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(yàn)值見表2、表3，并采用經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。

表2 沉井接高過(guò)程穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

說(shuō)明：當(dāng)下沉系數(shù)kst>1.05時(shí)沉井即可下沉，當(dāng)kst’<0.9時(shí)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(duì)沉井的下沉系數(shù)和接高穩(wěn)定系數(shù)采用的計(jì)算公式如下：

表3 沉井吸泥下沉計(jì)算結(jié)果

說(shuō)明：上表中各工況對(duì)應(yīng)接高工況下的接高完成后下沉到計(jì)算深度時(shí)刃腳及隔墻土體全部取空剩余踏面支承時(shí)、隔墻取空剩余刃腳支承時(shí)、隔墻及刃腳全斷面支承時(shí)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(jì)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(jì)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(jì)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(yàn)，判斷沉井的各工況下的下沉趨勢(shì)(表2、表3)。

根據(jù)表2計(jì)算結(jié)果表明，混凝土沉井接高過(guò)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(jì)算結(jié)果，當(dāng)沉井下沉系數(shù)Kst>1.05時(shí)沉井下沉，各階段全斷面支撐時(shí)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(guò)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(guò)程中做到“有偏必糾”，預(yù)防為主。沉井的偏差通過(guò)GPS全球定位系統(tǒng)和全站儀兩種手段，隨時(shí)收集并分析。

4.1 現(xiàn)象

(1)沉井下沉過(guò)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(guò)允許范圍。沉井軸線位置發(fā)生一個(gè)方向偏移(稱為位移)，或兩個(gè)方向的偏移(稱為扭轉(zhuǎn))。

(2)沉井下沉過(guò)程中，下沉速率突然急劇增大。嚴(yán)重時(shí)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(cè)量控制和檢測(cè)，在沉井外壁上設(shè)控制線，內(nèi)壁上設(shè)垂度觀測(cè)標(biāo)志，以控制平面位置和垂直度，每班觀測(cè)不少于2次，發(fā)現(xiàn)偏位或傾斜及時(shí)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(duì)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(shí)，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(duì)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(dòng)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(guò)大。

(6)下沉過(guò)程中加強(qiáng)測(cè)量觀測(cè)，在沉井外設(shè)置控制網(wǎng)，及時(shí)掌握監(jiān)控信息并作出處理。加強(qiáng)測(cè)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(dòng)，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(shí)有意識(shí)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(jì)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(jì)中心線位置吻合或接近時(shí)，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(duì)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(guò)程中逐步糾正其扭轉(zhuǎn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

影響沉井位移的因素很多，因此吸泥下沉計(jì)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(jì)算。本文結(jié)合本工程的施工工況及地質(zhì)等因素，計(jì)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(yàn)，判斷沉井的各工況下的下沉趨勢(shì)；并對(duì)施工過(guò)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(cè)》編寫組.建筑施工手冊(cè)[M].4版.北京：中國(guó)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(guó)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