空气幕辅助沉井下沉施工工艺浅析

　　摘要：本文结合了马鞍山长江公路大桥北锚碇沉井下沉施工，简要的分析了利用空气幕辅助大型沉井下沉的施工工艺。

　　关键词：空气幕；沉井；下沉

　　中图分类号：U495 文献标识码：A

　　1 概述

　　目前我国在沉井的设计和施工中，大多采用重力式沉井。这种沉井的主要缺点是圬工量大，下沉时间长，造价高。采用空气幕辅助沉井下沉，可以有效降低圬工量，缩短下沉时间，降低成本。下面以马鞍山大桥北锚碇沉井为例，介绍空气幕辅助沉井下沉的施工方法。

　　2 工程概况

　　2.1 设计概况

　　马鞍山长江公路大桥北锚碇基础采用沉井基础。沉井长和宽分别为60.2m和55.4m（第一节沉井长和宽分别为60.6m和55.8m），沉井高41m，共分八节，第一节为钢壳混凝土沉井，高8m；第二至第八节均为钢筋混凝土沉井，其中2-6节为5m高，第七节为3.5m，第八节为4.5m。沉井顶面标高为＋4.5m，基底标高为-36.5m，基底置于中密的中砂层。

　　沉井为普通钢筋混凝土结构，共分为25个井孔，第一节钢壳沉井为工厂加工预制、施工现场就位拼装成整体。首节沉井为钢壳体筑混凝土，第二至八节为钢筋混凝土，均为现场浇筑。

　　为确保沉井顺利下沉至设计高程，采用壁后压气法辅助沉井下沉（简称压气助沉法）。该法较可将沉井沉到很深处，适合在岸滩和较深时沉井。沉井压气助沉法是通过井壁预埋的喷气管向壁外喷射压缩空气，促使壁外土壤液化以降低井壁与四周土层的摩阻力，加快下沉的速度。

　　2.2 地质概况

　　3 北锚碇位于和县江堤外侧，南距和县长江大堤约240m，墩位处地面主要为耕地及水塘。沉井施工方案考虑到过多的抽水会对长江大堤造成威胁，因此对抽水的深度必须严格控制，参考以往的降排水下沉施工经验，初步决定降排水下沉沉井25m左右。结合各方面因素考虑，确定沉井分三次下沉，第一、二次采用降排水下沉，第三次不排水下沉。施工流程如下：

　　①在加固后的复合地基上拼装第一节钢壳沉井，浇筑第一节、第二节和第三节沉井混凝土。②第一次降排水下沉沉井14.2m，累计下沉沉井14.2m。③浇筑第四节和五节沉井混凝土。④第二节降排水下沉沉井10m，累计下沉沉井24.2m。⑤浇筑第六～八节沉井混凝土。⑥第三次不排水下沉沉井15.8m到设计标高。

　　3.1 沉井下沉的有关计算分析

　　沉井下沉过程中，必须克服井壁与土体之间的摩擦力和地层对刃脚的反力。对沉井的下沉系数进行计算，所采取的计算公式如下：

　　K=（G+G’－F）/（R1+R2）

　　式中：

　　G-已浇筑沉井的总自重。

　　G’-施工荷载，按0.2t/m2进行计算；

　　F-水的浮力

　　R1-刃脚及隔墙底面的正面反力，R1=S×Pu，S为与地面接触的沉井投影面积，Pu为地基的极限承载力。

　　R2-沉井的侧壁外摩阻力，R2=∑τi×i，τi为地基的极限摩阻力，ai为沉井进入土体的侧壁外接触面积。

　　沉井下沉所需的起动下沉系数K不得小于1.05～1.25。计算中仍按沉井下沉到位时在全截面支承时下沉系数K〈1，在半刃脚支承时下沉系数K大于起动下沉系数进行控制。

　　经计算，沉井终沉系数为0.75，远小于通常使用的沉井下沉系数（1.15～1.25）；另外，在沉井下沉过程中若出现偏斜和位移的情况，采用局部吸泥的方法进行纠偏不容易达到预期的效果。所以，结合施工区域地质情况和沉井自身体积较大、下沉深度较深、刃脚偏差难以控制等特点，在沉井下沉过程中采取空气幕法辅助沉井进行下沉施工。

　　3.2 空气幕的基本原理

　　空气幕一般是利用设置在沉井井壁外侧预先埋设好的喷气管路向壁外的土体不断喷射高压气体，喷出的空气沿着沉井外壁不断上升形成一个压气层即气幕，使砂粒翻滚而粘土形成泥浆，从而使土体对外侧井壁的摩阻力大大降低，达到辅助沉井下沉的目的。

　　3.3 空气幕系统的布置

　　空气幕由沉井外壁上布设的气龛、井壁内预埋的水平风管、竖向风管、供气主管和压气设备组成。气龛在井壁表面上是个上宽20cm，下宽8cm，高20cm的倒梯形，在井壁上是个深3cm的凹槽，凹槽底部即为水平管。在立模时用木板将模板与水平管隔离，隔离间距为3cm。在拆模后将木板凿除，清理出水平管，用电钻在在水平管上钻一个3mm气龛孔。气龛主要作用:沉井在下沉中，保护喷气孔与土壤不直接发生摩擦，并且使喷出的气体能均匀的扩散出去。

　　混凝土沉井气龛布置：把沉井第二节和第三节底部壁体四边分成八段。在沉井的立面上，每段布置四层气龛，上下层气龛错开排列。每层气龛间距125cm，相邻层气龛在水平间距上错开200cm排列。水平风管采用内径20mmPP-R管，每根水平管长31m和28m，通向同一水平段的气龛，水平风管两端向下弯曲，端头堵死。水平管向下弯曲部分，主要储存从喷气孔挤入管内的少量泥砂。竖向风管采用内径32mmPP-R管，每根竖管用塑料连通接头与相应水平段的水平管相连。竖向风管上端伸出沉井顶部，以便与地面风管相接。预埋管（水平管和竖管）须在每节模板完全立好后再安装，混凝土浇筑时不能损坏预埋管，保持喷气孔畅通，清洁干净。

　　压气设备为空气压缩机，风压须大于最深处的水压力与送气时的损失值之和，以水压强的2～2.5倍取用。各凹槽正常情况下的气体耗费量为0.02～0.03m3/min。供气主管设置应简捷，尽量短，并减少弯头和接头。

　　3.4 沉井下沉

　　沉井下沉前，应对供气管路作压气检查。首先将刃脚下的泥土清除，待正面阻力基本消除后，开始压气下沉，先开井壁上层凹槽，再开下层，逐层开通。压气时间一般一次不超过1min。在井外1m左右范围内的地面应低于约0.5m，并保持积水，以利于观察气翻情况。应尽量使风压机达到最大气压值，在凹槽开通经过一段时间喷气后，若不经除土，会使沉井下沉减慢，此时应立即停气除土。停气须缓慢减压，不能将高压气体突然停止，易造成瞬间负压而使喷气孔内吸入泥砂被堵塞。待刃脚下除土完，正面阻力基本消除后，再次进行压气下沉。通过压气除土交替作业，使井沉于基底。

　　3.5 沉井纠偏

　　本沉井下沉过程中以不对称吸泥除土、辅以空气幕的方法进行纠偏。当沉井发生倾斜时，立即停止整体下沉，在沉井顶面高的一侧刃脚处进行不对称吸泥除土，刃脚低的一端保持不动，造成刃脚踏面的反力差异，调整沉井各部位下沉速度。当采取不对称吸泥除土纠偏效果不明显时，应开启空气幕以辅助进行纠偏，在刃脚标高较高的一侧的气龛中压气，减小该侧井壁的摩阻力，从而达到辅助纠偏的目的。

　　4 结束语

　　使用空气幕辅助沉井下沉以及纠偏的效果显著，是沉井下沉减阻的最有效方法之一，空气幕所需的技术并不复杂，而且经济成本较低。

　　参考文献

　　[1]叶耀东，叶为民，宋永辉，易国平．空气幕法在沉井下沉中的应用．建筑工程第33卷（2002年）第3期.

　　[2]空气幕沉井试验工程概况．桥梁建设，1977（4）.