钢筋砼圆形沉井的设计与施工技术

刘栋 LIU Dong

（中铁十四局集团第三工程有限公司，济南 250300）

1 工程概况

1.1 工程简介

青盐铁路大沽河特大桥桥长6.21km，起讫里程K25+703.82～K31+919.13，主河道位置采用48+80+48m 连续梁形式跨越，连续梁主墩7#、8#墩分别位于河道两侧，7#墩位于河道东侧混凝土码头上，承台侵入河道约2m；8#墩位于河道西侧河滩内。下部结构设计为桩基+承台+墩柱，7#墩桩基20 根，桩径ϕ1.5m，桩长15m，承台为双层承台，下层尺寸14.6×12.2×3.0m，上层尺寸11.6×7.5×1m，基坑开挖深度约12.3m，承台底距河床高度约5m，承台位置水深约4.5m，墩柱为双线圆端形实体墩，墩高12.5m；8# 墩桩基16 根，桩径ϕ1.5m，桩长11.5m，承台为双层承台，下层尺寸为14.6×12.2×3.0m，上层尺寸为11.6×7.5×1m，基坑开挖深度约10m，承台底距河床高度约5m，水深约4.5m，墩柱为双线圆端形实体墩，墩高12.5m。

1.2 地质情况

7# 墩位于东岸码头处，地质情况为：0.2m 混凝土+1.7m 杂填土+3.7m 淤泥质粉土（σ=60kPa）+4.4m 粉砂岩（σ=400kPa）+7m 砂岩（σ=500kPa）+1.7m 粉砂岩（σ=600kPa）+6.3m 砂岩（σ=800kPa），岩层面为斜面。

8# 墩位于西岸河滩内，地质情况为：3.2m 回填土+3.3m 粉砂（σ=60kPa）+8.9m 砂岩（σ=500kPa）+6m 砂岩（σ=800kPa），岩层面为斜面。

1.3 施工难点

①为保证渔民通航，两个主墩承台顶标高不得超出河床标高，整个承台结构均位于（σ=500kPa）的砂岩内，硬度高开挖难度大；②大沽河内水位较高，水压力大，并且水流流速较快，如何防止涌水，难度较大；③基坑深度较大，并且位于流动的水下，施工安全风险较大；④围堰形式选择困难，地质为岩层钢板桩围堰无法生根，普通钢围堰自重轻在水流作用下容易移位，下沉困难，经过比选最终选择钢筋砼圆形沉井作为施工围堰。

2 沉井设计

2.1 沉井结构形式

钢筋混凝土沉井采用结构受力较好的圆形结构，混凝土采用C30 砼，两个主墩下层承台平面尺寸为12.2m×14.6m，对角长度19m，为满足施工需要，沉井直径设计为23m（见图1），在满足结构受力的情况下，遵循节约成本原则，沉井壁厚根据埋深不同，设计为1.0m、0.8m 两种。沉井采用竖向分节浇筑，每浇筑一节下沉一节的方式施工，7#墩沉井总高度为5.6m（分节为1m 高韧角+2m 高壁厚1m+2.6m 高壁厚0.8m）；8#墩沉井总高度为7.2m（分节为1m高韧角+3m 高壁厚1m+3.2m 高壁厚0.8m），本文以设计高度大的8#墩沉井介绍沉井设计方案。

图1 沉井平面图

沉井采用内外双层配筋，钢筋直径ϕ20，内外环向钢筋和竖向钢筋间距按照16cm 布置。围堰顶标高+3m，高出设计水位0.5m。

2.2 沉井受力验算

2.2.1 基本设计参数

①基本信息。浮力折算系数1.00，裂缝宽度限值0.25mm，抗浮系数1.10。

②荷载信息。地面动荷载：10.00kN/m2，动荷载组合系数:0.90，荷载分项系数：自重：1.20、其它恒载：1.27、地下水压：1.27、其它动载：1.40、荷载准永久值系数：地面堆积荷载：0.50、地下水压：1.00、温（湿）度作用：1.00、活载调整系数：其它活载：1.00。

③混凝土与土信息。

土天然重度：18.00kN/m3；

土饱和重度：20.00kN/m3；

土内摩擦角ψ：18.0 度；

修正后的地基承载力特征值fa=400.00kPa；

混凝土等级：C30；

纵筋级别：HRB400；

混凝土重度：25.00kN/m3；

配筋调整系数：1.20；

钢筋保护层厚度：围堰内侧40mm，外侧35mm。

④计算内容。

1）荷载标准值计算；2）地基承载力计算；3）内力及配筋计算；4）抗裂度、裂缝计算。

2.2.2 荷载标准值计算

①参数说明。

γc、γw、γ土、γ饱和、γ水——混凝土、水、自然土、饱和土、水的重度；

H、R、t、As、Hb、Hw——沉井净高、围堰内半径、围堰厚、围堰内壁、基底到地面的距离、地下水到地面的距离。

②荷载计算。

围堰外侧主动土压力系数Ka=tg2（45-ψ/2）=0.53

围堰外侧土作用pep=pep_w＋（γ饱和－γ土）×（Hb－Hw－t2）×Ka=0.00 ＋（20.00 －10.00）×（6.700 －0.000 －0.50）×0.53 =32.73kN/m2

地面活荷载qm=q×Ka=10.00×0.53=5.28kN/m2

沉井受力情况见图2。

图2 沉井荷载图

2.2.3 地基承载力计算

选取围堰下沉到位后的工况进行地基承载力验算：

围堰内壁圆面积：Aic=πR2=3.14×11.0002=380.13m2

围堰外壁圆面积：At=π（R＋t）2=3.14×（11.000＋0.80）2=437.44m2

围堰自重Gs=γc×As×H=25.00×57.30×7.200

=10314.48kN

基础底面的压力pk=Gs/Ab=10314.48/（Aic- At）=180kPa

修正后的地基承载力特征值为：400.00kPa

pk=180kPa＜fa=400.00kPa 地基承载力满足要求

2.2.4 内力及配筋计算

①基本信息。

轴力：kN、弯矩：kN·m、面积：mm2、配筋面积：mm2/m；

围堰侧壁：弯矩外侧受拉为正，轴力受拉为正；围堰约束条件为上端自由，下端铰接固定。

内力计算查表系数H2/dt=7.2002/22.800×0.80=2.84

②荷载组合及内力计算。

计算工况为：围堰内无水，围堰外侧考虑土压力。

基本组合：1.27×侧向土压力作用＋1.27×水压力作用＋0.90×1.40×地面活荷载

标准组合：1.00×侧向土压力作用＋1.00×水压力作用＋0.90×1.00×地面活荷载

准永久组合：1.00×侧向土压力作用＋1.00×水压力作用＋0.50×地面活荷载

③裂缝计算。

竖向配筋及裂缝验算：竖向弯矩按基本组合进行承载力计算，按准永久组合进行裂缝验算。

环向配筋及抗裂度验算：轴心受拉或小偏心受拉按标准组合进行抗裂度验算，受弯和大偏心受拉按准永久组合进行裂缝验算。

④计算结果。

池壁的竖向最大裂缝宽度：0.17＜=0.25，满足要求。

池壁的环向最大裂缝宽度：0.03＜=0.25，满足要求。

表1 受力计算结果

3 沉井围堰施工

以下沉深度大的8#墩沉井围堰为例，介绍该沉井施工技术。

总体方案：填筑施工平台→沉井制作→沉井下沉→封底→主体结构施工。

3.1 平台填筑

8#主墩位于河道西侧滩涂内，施工沉井需首先填筑施工平台，平台填筑采用稳定性较好的碎石土进行分层填筑压实，重点对沉井位置进行压实，压实的目的是防止沉井砼浇筑后，在自重的作用下产生不均匀沉降，造成沉井裂缝等问题，影响整体稳定性。平台填筑不得采用建筑垃圾或者含有大石块土进行填筑，以免影响沉井下沉。

3.2 沉井制作

垫层浇筑：平台填筑完成后，在平台上进行测量放线，定出沉井的平面位置。在沉井位置再次进行精细整平，整平后浇筑2m 宽，10cm 厚砼垫层，垫层砼采用C20 砼。垫层浇筑完成后在韧角位置铺1cm 厚钢板，然后进行钢筋绑扎，韧角模板采用钢板，砼浇筑后不拆除，下沉时作为钢靴，保护韧角。

钢筋绑扎：严格按照设计进行钢筋绑扎，严格控制钢筋间距，在韧角钢板上按照设计间距做出标记，竖向钢筋按照标记位置进行布筋，搭设临时脚手架进行固定，竖向钢筋固定好以后，从韧角底部开始由下到上按照设计间距依次绑扎水平环向钢筋，形成钢筋骨架。

由于沉井竖向分节浇筑，竖向钢筋需要接长，注意钢筋接头要错开，不得在同一断面。钢筋绑扎完成后进行模板安装。

模板安装：钢筋验收合格后进行模板安装，韧角模板采用钢板，其余节段模板采用木模。韧角模板加固采用外顶内拉的方式进行加固，其余节段模板加固主要采用对拉方式进行加固。模板形式由内向外依次为竹胶板+方木+钢管+蝴蝶卡，采用对拉螺栓固定。模板安装完毕后，严格进行验收，全面检查扣件、螺栓、斜撑是否坚固、稳定，模板拼缝及下口是否严密。模板验收合格后进行砼浇筑。

混凝土浇筑：砼浇筑前，对模板的平面位置、顶标高、断面尺寸、模板的加固情况以及接缝位置是否有错台等进行验收，验收合格后才能进行砼浇筑。

混凝土浇筑采用泵车分层浇筑入模，严格控制每层浇筑厚度，每层厚度控制在30cm-40cm 之间，环向均匀浇筑混凝土，边浇筑边振捣，确保砼振捣密实。为了防止沉井在砼浇筑过程中，在砼自重作用下地基产生不均匀沉降而发生倾斜，浇筑前在沉井四周模板上设置沉降观测点，每浇筑一层砼测量一次，若发生倾斜情况及时调整浇筑顺序进行纠正，以保证沉井竖直度满足要求。

砼浇筑完成后，按照规范要求做好养护，待砼达到设计强度后，开始下沉。

3.3 沉井下沉

下沉前将井内所有的材料、工具等清理干净，沉井砼达到设计强度后，开始下沉，下沉采用挖机在井内开挖，沉井依靠自身重力缓慢下沉的方式就位。总共配置3 台挖机，井内配置2 台均匀对称开挖，井外配置1 台长臂挖机将多余渣土清出井外，清出的多余渣土采用自卸车运至指定的弃土场。

下沉时可能存在以下问题：①地质条件软硬不均，软的一侧下沉快，硬的一侧下沉慢，造成沉井倾斜；②开挖方式不对，单侧开挖过度，造成沉井倾斜；③在下沉过程中出现涌水，进内挖机来不及撤离，造成损失。

因此下沉前必须做好充分的准备工作，首先要熟悉设计图纸中该位置的地质情况，并对现场作业人员进行交底；二是下沉时要设置专人指挥，并在沉井四周设置沉降观测点，下沉过程中随时进行观测；三是要制定相应的应急措施，配备抽水设备等。

一切准备完毕后开始开挖下沉，开挖必须均匀对称进行，由中心向四周分层开挖，每层的开挖深度控制在30cm左右。井内开挖应保持中间稍低于四周，但高差不得超过1m，保证韧角部位裸露在外面，能够随时看到韧角底部的地质情况。严禁深锅挖土，防止突然沉降，造成沉井四周地面沉陷和沉井倾斜。

下沉过程中，测量人员要密切进行观测，如发生偏移、扭曲或者倾斜等问题，及时向现场下沉总指挥进行汇报，并组织纠偏。

纠偏遵从“多沉则少挖，少沉则多挖”的原则，韧角下挖土要分段间隔开挖，不能一次连续长段落掏空，更不能通过大量挖土来纠偏，纠偏应根据测量数据随偏随纠，当沉井偏斜达到允许值的1/4 时，就开始纠偏，下沉过程中要勤测、勤纠、缓纠。

沉井每下沉一次要进行垂直度与中心轴线的检测，防止出现偏位过大，纠正不了，并随时检查沉井四周有无涌水风险，配备水泵，对地下水及时抽排。

下沉至接近设计标高1m 左右，应减慢下沉速度，最后30cm 时停止开挖，观测沉井在不开挖的情况下的下沉情况，靠自身重力下沉到位，确保沉井下沉标高严格控制在范围内。沉井下沉到设计标高以后，及时对韧角底部进行封底，封底采用C20 砼。封底完成后回填沉井，进行后续桩基、承台、墩柱施工。沉井就位效果图见图3。

3.4 钢筋砼沉井施工注意事项

①整体施工顺序为先将沉井下沉到位，然后回填沉井，再施工桩基、承台、墩柱等主体结构，若先施工桩基，影响沉井下沉，将无法施工后续施工内容。②施工平台的填筑要选择止水效果好的填料，并且不得有大块建筑垃圾或石块，以免影响沉井下沉。③沉井砼浇筑时，必须分层环向均匀浇筑，避免出现砼偏载，造成沉井倾斜。④井内开挖必须均匀对称进行，由中心向四周分层开挖，每层的开挖深度控制在30cm 左右。井内开挖应保持中间稍低于四周，保证韧角部位裸露在外面，能够随时看到韧角底部的地质情况，若出现偏移或倾斜能及时采取措施。⑤下沉时密切监测，出现问题及时纠偏，切忌韧角底部过量掏空。

4 施工工效总结

表2 沉井施工工效

5 结束语

采用钢筋砼圆形沉井方案解决了大沽河河床以下承台施工的难题，降低了临水面深基坑开挖的安全风险，攻克了青盐铁路一大施工难点，为青盐铁路的按期开通奠定了基础，也给后续类似工程施工提供了一个很好的参考。