薄壁沉井在桥梁基坑支护施工中的应用
内容简介：本文介绍水中承台基础采用薄壁沉井作为临时围护方案的设计原理及施工控制技术。上海地区一般桥墩基础开挖，大多采用钢板桩围护支撑，但在个别情况下，比如水中、明暗浜中桥墩，则采用薄壁沉井支护较钢板桩在止水、防泥、方便、经济、快速等方面更能体现其优越性。上海嘉闵快速路高架JM-3标徐泾中路匝道12#、21#墩基础位于小涞港河中，河水不深，但淤泥较厚，因此水位也较高。原方案采用河道回填、钢板桩围护。但承台基础开挖时，发现流砂严重，涌水量大，似无法穷尽，同时钢板桩变形严重，施工已无法继续进行，经过研究，决定采用薄壁沉井施工。 主题词：薄壁沉井 基坑支护 应用 1 概述
沉井是地下工程和深埋基础施工的一种方法，具有基础和围护的双重特点。其施工工艺是：在地面以上预制井身，形成一个井状结构，然后在井内不断挖士，借助井体自重而逐步下沉．下沉到预定设计标高后，进行封底、填充或者构筑井内部结构，最终形成一个围护结构、地下建筑物或者建筑物基础。
沉井井壁厚度一般为40～120m左右，厚度小于40cm者属于薄壁沉井。薄壁沉井一般是作为施工时的挡土和挡水围护结构物，施工工艺并不复杂。沉井支护施工，占地面积小，在挡土和挡水方面优于板桩围护；与大开挖相比较，挖土量少，对邻近建筑物的影响比较小，操作简便，无需特殊的专业设备。因此广泛应用于桥梁墩台基础、顶管工作井等地下构筑物的围护等工程。
上海嘉闵快速路高架JM-3标徐泾中路匝道12#、21#墩位于水中，先是采用钢板桩支护开挖，开挖一定深度，用涌水严重，无法进行，经研究采用薄壁沉井支护，顺利进行。本文即是叙述薄壁沉井的方案处理基坑开挖涌水的实例。 2 工程概况
上海嘉闵快速路高架JM-3标徐泾中路北侧匝道，位于青浦区徐泾镇。匝道跨越小涞港河，河道宽18 m，水深约2m，水位涨落高度约0.5m，淤泥厚约2.3m。
本匝道均为高架桥结构，单箱两室现浇砼连续梁，双柱式立柱，钻孔桩基础。匝道分上下两条，总计28跨、8联连续梁，全长718.8m。上匝道的12#墩以及下匝道的21#墩均位于水中。12#、21#墩有关设计参数如下：
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墩号 12# 21# 钻孔桩 直径mm 1000 1000 桩长m 45 45 开挖深度m 8.3 8.3 承台 长×宽×厚m 4.6×4.6×2.2 4.6×4.6×2.2 立柱高度m 20.094 19.675 本工程2008年10月进场，当时因为考虑钻孔桩施工平台、施工便道以及连续梁施工等因素，将线路跨小涞港河约50m范围河道全部用建筑垃圾回填至原地面标高并压实。
2009年4月开始进行12#承台开挖，方案为先卸载部分回填土，再进行待内支撑的钢板桩支护、深井及轻型井点强制降水、深基坑开挖。钢板桩采用9m长[22槽钢，沿承台四周每边放大70cm。钢板桩方案示意图见下页。
4月2号开始开挖，起初正常，但大约挖至河床与填料分界位置，涌水、突泥明显，基坑下部被泥水覆盖，钢板桩最大内倾超过50cm，施工已无法进行，随回填基坑并停止开挖。经过现场调查，可初步确定，造成基坑涌水原因，乃回填河道时，未采用素土而是建筑垃圾，建筑垃圾成为透水通道，导致涌水、突泥发生。
经过反复比较，决定采用薄壁沉井支护方案，顺利解决了问题。 3 地质概况
本工程属长江入海口东南前缘的滨海平原地貌类型，拟建场地较为平坦，地面高程一般在4.9m～5.2m之间，12#墩岸侧地质土层情况如下： 层序 土层名称 平均层厚m 1.39 1.70 1.10 3.50 - 2 -
容重kN/m3 19.0 17.6 16.9 18.0 孔隙比e 0.770 0.795 0.992 0.622 内摩擦角φ 23.5° 16° 28° ①1 杂填土 ② ③ 粉质粘土 淤泥质粉质粘土 ③夹 粉砂
③ 淤泥质粉质粘土 3.60 5.80 16.9 16.5 0.992 1.127 16° 12.9° ④1 淤泥质粘土 4 基坑支护设计 4.1方案比选
鉴于目前现场状况，可以采用的基坑挡水加固施工方法较多，比较适合我公司采用的主要有6种，分别是换拉森钢板桩支护、水泥搅拌桩、简易钢套箱支护、高压旋喷桩注浆、薄壁沉井支护等方案。其施工难易程度、支护加固效果、施工费用、进度等项指标对照比较如下： 序号 1 2 3 4 5 施工方案 拉森钢板桩 水泥搅拌桩 简易钢套箱 高压旋喷桩 薄壁沉井支护 施工难易 加固效果 施工费用 施工进度 一般 易 一般 难 易 好 较好 较好 好 较好 高 高 较高 高 低 较快 慢 较快 快 较快 其它 本地常用 本地常用 深水采用 本地常用 本地少用 经过以上对比，又充分考虑现场实际情况，确定保留钢板桩，修复变形严重的西侧钢板桩，并在钢板桩围护结构内再施工薄壁沉井围护的支护方案。 4.2薄壁沉井支护设计参数
回填黏土至钢板桩顶以下150cm位置，即0.9m标高处，在钢板桩内设置沉井。沉井采用C25钢筋砼结构，考虑既有钢板桩尺寸、承台尺寸、现场钢筋种类、沉井与钢板桩之间的工作距离以及有关规范要求，沉井内框尺寸为4.8×4.8m，外包尺寸为5.4×5.4m,井壁厚取30cm，沉井高度取4.0m。井壁钢筋按内外侧对称布置，其中水平方向取φ12＠150mm，竖向取φ12＠250mm。由于下沉高度短（沉井下沉深度为4.5～4.7m），井身不厚重、地基为软土，同时该沉井也是一施工临时结构，因此决定不设刃脚，但在沉井底部设置钢筋加强。
由于未听说过上海地区有类似处理基坑的实例，因此，下沉前我有许多顾虑，主要有以下三点：一是沉井能否下沉？下沉是否会出现静壁开裂情况？二是会不会突然下沉或者止不住的下沉？三是能否挡的住水？对于第三点，根据分析应该是可以的，因为沉井本身的一大作用就是党水。至于前两点，则需要进行以下一些验算。 4.3沉井下沉验算
沉井自重与土对井壁的摩擦力之比称为沉降系数。为了保证沉井能在自重作用下顺利
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下沉，到达设计标高，必须对沉降系数进行验算。根据《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》（CECS137:2002）第6.1.2规定，沉井下沉系数应符合下式要求:
Kst≥1.05
Kst=(Gk-Ffw,k)/Ffk 式中Kst—下沉系数；
Gk—沉井自重标准值(包括外加助沉重量的标准值)(kN)； Ffw，k—下沉过程中水的浮托力标准值(kN)； Ffk—井壁总摩阻力标准值(kN)。
计算时，回填土部分不考虑摩擦力，由于下沉前已经过降水，因此Ffw，k=0，经过计算： Kst= Gk / Ffk =612/562=1.09＞1.05，满足规范要求，可以下沉。 4.4井壁竖向挠曲强度验算
沉井制作后，抽掉垫木或者其他支垫物准备下沉， 或在挖土下沉过程中， 沉井下部由于不同的支承可使井壁在自重作用下产生较大的竖向挠曲应力，需要根据不同的支承情况，进行井壁的强度验算。本例中由于地基土为软土，因此只考虑抽掉垫木或者其他支垫物准备下沉时，井壁产生的竖向挠曲应力。
对本薄壁沉井而言，将沉井看作支承于四边的八个支点上，每边两个，支点间距取边长的0.7倍，以此验算沉井井壁，示意如下：
由于l0/h=0.95＜2，可按深梁结构计算。
根据《砼结构设计规范》（GB50010-2002）第10.7.3条规定，钢筋混凝土深梁受弯构件的正截面受弯承载力应符合下列要求：
M≤fyAsZ Z=αd(h0-0.5x)
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αd=0.80+0.04l0/h
当l0＜h时，取Z=0.6l0。 式中：
fy-普通钢筋的抗拉强度设计值； As-受拉区纵向钢筋的截面面积；
Z--纵向受拉钢筋合力至砼受压区合力点之间的距离，即内力臂； l0-梁的计算跨度，本例中l0=3.78m；
x-截面受压区高度，经过以上公式反算：x=1.8m； h0-截面有效高度，本例中h0=3.6m；
经计算：fyAsZ=300×3166.8×.27=2156.6kN.m 沉井竖向弯曲内力计算简图如下：
qM支M中M支
M支=-ql22/2=-9.84kN.m M中=ql12/8-M支=224.2kN.m
式中：q-沉井单位长度静壁自重（kN/m）； l1-两个支座间的距离，取0.7L（m）； l2-支座外的悬臂长度，取0.15L（m）；
所以Mmax≤fyAsz,满足规范要求。薄壁沉井不会因去除底部支撑物而开裂破坏。 4.5沉井下沉稳定性验算
沉井在软土中下沉，不光要能沉，还不能发生突沉，这时需要进行沉井稳定性验算，由于设定的下沉标高基本为承台设计底标高，承载力不存在问题，因此主要进行稳定性验算。根据《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》（CECS137:2002）第6.1.32规定，当下沉系数较大，或在下沉过程中遇有软弱土层时，应根据实际情况进行沉井的下沉稳定验算，并符合下式的要求:
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Kst,s=0.8～0.9
Kst,s=(Gk- F′fw,k)/( F,fk-Rb) 式中Kst,s-下沉稳定系数；
F′fw,k-验算状态下水的浮托力标准值(kN)； F′fk-验算状态下井壁总摩阻力标准值(kN)；
Rb-沉井下地基土的极限承载力 (kN)，根据规范选取200kN。
经计算：Ksts=(Gk- F′fw,k)/( F,fk-Rb)=0.8，满足规范要求，下沉是稳定的。 4.6钢筋验算
根据沉井所受水平土压力，取最下面1.0m高井壁进行验算，根据现场情况，土压力计算仍按初始状态进行，如此偏于安全。沉井受水平土压力作用下，计算简图如下：
qM角M角M中qM中M中M角M角qM角M角M中qM角M角
沉井跨中弯距M中=75.9kN.m，边角弯距M角=-151.7kN.m，轴力N=178.5kN。经过计算：水平方向As=As’=1497mm2，取12Φ12，即井壁水平方向钢筋取Φ12@150双侧布置是合适的。
由于地基为软土，不存在孤石等可导致沉井竖向拉断的可能性，因此竖向钢筋按构造配筋，故选Φ12@250。 5 薄壁沉井支护施工 5.1 施工方案
采用黏土将基坑回填至钢板桩顶以下1.5m附近，并人工夯实，将变形严重的西侧钢板桩拔起，重新插打，在钢板桩内制作薄壁沉井支护，同时基坑四周采用深井及轻型井点强制降低地下水，降水3～5天后才能进行沉井下沉，要求沉井下沉至承台垫层以下至少
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20cm以阻挡涌水、突泥。下沉到位后，回填碎石，施工C15砼垫层。利用沉井内侧作为承台外模，迅速进行钢筋制安及承台砼灌注。薄壁沉井支护施工布置见下页图。 5.2 施工步骤 5.2.1现状处理
拔出已变形钢板桩，钢板桩内外侧进行素土回填至钢板桩顶以下1.5m，按照6.0m×6.0m平面尺寸重新插打钢板桩。 5.2.2加强排水
（1）继续对河道渗水处进行封堵，基坑四周设置排水沟及集水井。
（2）加强强制降水，除原有深井井点继续保留外，原轻型井点重新布设，采用双排、密间距（不大于1m）布置，整个处理期间做到持续降水。 5.2.3薄壁沉井支护施工
（1）钢板桩内设置C25钢筋砼正方形护壁，薄壁沉井厚30cm，高4m（考虑井顶高出最大涌水点100cm及井底伸入基底20cm），沉井内侧平面尺寸为4.8m×4.8m（较承台尺寸每边放大10cm），沉井外侧平面尺寸为5.4m×5.4m，内壁以后即作为承台外模，井顶预留钢筋接茬，保留继续接高可能。
（2）薄壁沉井总重约61t，考虑地基承载力以及施工便利情况，采用一次预制、整体下沉。沉井预制施工前，其底部需进行地基加固，采用回填20cm厚碎石，其上沿沉井底端铺设2cm厚木板。
（3）薄壁沉井钢筋采用对称布置，其中水平、垂直方向均采用Φ12@150。由于是临时工程，钢筋保护层采用35mm。箍筋及角部加强筋按常规构造布置。
（4）考虑进度要求，薄壁沉井可添加早强剂或提高其砼强度等级，薄壁沉井底部不设刃脚，但沉井底部设置加强钢筋。
（5）薄壁沉井模板采用1.5cm竹夹板，局部采用组合钢模。砼采用砼罐车运输，现场采用溜槽、串桶、料斗并辅以汽车吊进行灌注入模。
（6）薄壁沉井下沉采用排水下沉法，机械挖土、人工配合。沉入钢板桩顶面标高后，需及时在钢板桩顶部布置一道对口支撑，采用[22a槽钢或10×10cm方木支撑。
（7）薄壁沉井沉入设计承台垫层底以下20cm且基本稳定时，即进行砼封底，封底采用20厚碎石、15cm厚C15砼。 5.2.4承台施工及其他
（1）封底完毕，砼达到一定强度，立即进行承台钢筋及砼施工。
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（2）承台施工完毕，尽早施工首节立柱，首节立柱顶标高至少大于原回填河道顶面标高50cm。
（3）首节立柱施工完毕，凿除-1.0m标高以上薄壁沉井，拔出钢板桩并回填。
薄壁沉井支护施工工艺流程 施工准备 薄壁沉井预制 钢板桩调整、修复 回填素土、碎石、铺木板 管井、井点降水 沉井挖土、下沉 不稳定、调整沉井
沉井伸入承台垫层20cm 沉井基本稳定 沉井封底 承台施工 立柱施工 凿除井壁、钢板桩拔出、回填
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5.3施工主要安全质量技术措施
（1）钢板桩内外侧回填需回填素土，且分层进行夯实，每层厚度不应超过40cm，回填夯实可采用人工或机械进行。对于基坑内回填更要注意夯实，作为薄壁沉井制作平台，要求基底承载力大于100KPa。
（2）整个施工过程，降水不能停止。降水期间，需安排专人实时监控其出水及机械运转情况，如遇堵塞或机械故障，需及时处理检修。井壁与钢板桩之间及基坑外部设置排集水井及水明沟，及时排除地下渗水及地表水。
（3）井壁钢筋搭接采用焊接方式，搭接长度为单面焊10d，双面焊5d；井壁模板采用拉筋辅以斜撑加固；井壁砼灌注应四周均匀进行，不得集中一端灌注，以避免井壁倾斜。
（4）沉井下沉采用机械挖土，依其重力下沉，不宜采用水冲方式。钢板桩及薄壁沉井顶部（或顶部侧面）每边至少布置一个监控点，时时监测沉井水平、垂直等方向位移情况，监控基点至少设置2个，且选在不受施工影响之地。若钢板桩变形较大，需采取排水、封堵、注浆、支撑等措施进行复位；如遇沉井位置偏移设计，应及时进行纠偏。
（5）沉井内外人员走动需设置专门爬梯及通道，安全人员现场旁站，发现有异常情况，及时通知现场人员撤离。 6 施工效果
4月2日12#墩承台基础开挖遇较大涌水、流砂，基坑回填后即停止开挖。4月6日经过多方研究，决定采用薄壁沉井支护。4月9号开始进行12#墩薄壁沉井预制；4月18号12#墩薄壁沉井开始下沉，用时2.5h即下沉到位，井内只有少量渗水，大部分涌水已被成功阻挡。4月19号12#墩承台砼灌注完毕。同时，按照同样方法进行21#墩承台基础施工，至4月30号，两个桥墩承台基础及首节墩身（露出原地面）已全部施工完毕。
综观整个施工过程，土的侧摩阻力选取适当 ,薄壁沉井下沉平稳，下沉过程中未发现薄壁沉井有较大偏移，封底时，其竖向中心轴线最大倾斜率为0.3%，井壁底部平均标高偏差为5mm，底部平面中心在东西及南北定位轴线上水平位移分别为2mm、3mm，完全满足了承台砼施工。较其它几个施工方案相比 ,进度较快、造价较低、设备简单、复杂程度低。
采用薄壁沉井支护方案，解决了施工中的实际问题，取得了较好的效果，同时也为以后类似条件下的施工，提供了良好的借鉴。
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