沉井基础施工

第四节沉井基础施工

一、沉井基础的基本概念

1、沉井基础的适用情况

对于大跨径斜拉桥这样的在竖向和横向都需要承受大承载力的深基础，如果受水文、地质条件限制采用桩基础施工难度较大，而沉井下沉施工又不困难时，则常采用沉井基础。沉井是桥梁深基础中常采用的基础结构形式。

2、沉井基础的作用及工作原理

沉井基础利用沉井结构作为桥梁墩、塔等结构的基础，承受并将墩、塔等结构传来的荷载最终传递、分散到地基中去，使桥梁结构处于稳定、安全的受力状态。沉井基础工作方式和原理见图3-2-28。

图3-2-28 沉井基础工作方式和原理示意图

3、沉井结构的组成

沉井从主体上看为空心的柱体结构，一般由刃脚、井壁、隔墙、封底混凝土、顶盖板等部分构成，见图3-2-29。

图3-2-29 沉井结构示意图

1、刃脚；

2、井壁；

3、井孔；

4、顶盖板；

5、隔墙；

6、凹槽；

7、封底

（1）刃脚

刃脚为斜尖状构造，这种形式使刃脚能更容易地切入土层中，从而引导整体沉井在土中下沉。刃脚也可看作是沉井井壁的一部分，即刃脚是从沉井最底部至尖状体顶面的那一部分井壁体，或者说是沉井井壁底部的尖状体部分。为了减少刃脚底面的承载应力，刃脚底有时做成较窄的，但有一定宽度的平底面形式。刃脚的平底面称为刃脚踏面。

（2）井壁

井壁是沉井的主体部分，既是沉井基础中的主要受力构造，又是沉井施工过程中挡土和挡水的主堰体构造。

（3）隔墙

当沉井承受井外土体侧压力或承受井内外水头差压力时，隔墙对井壁起支撑作用，以减少井壁的跨间弯矩。而且，在沉井基础承受桥梁结构的竖直和水平荷载时，隔墙既加强了井壁间的联系，提高了沉井截面的整体刚度，又增加了沉井截面的抵抗面积和抵抗惯性矩。

隔墙底面要高出刃脚50cm以上，以避免妨碍沉井下沉。

（4）封底混凝土

封底混凝土是在沉井内底部所浇筑的混凝土，是传递墩、塔等结构荷载于地基的承重结构，是在井内抽水时的阻水构造。封底混凝土必须与井壁、隔墙紧密结合，而且必须有足够的厚度，以便通过井壁、隔墙与混凝土之间的剪力传递而使封底混凝土能有效地承受沉井传下来的荷载。为此，在井壁、隔墙的相应部分设置凹槽或剪刀键，其目的就是为了使沉井与封底混凝土之间更有效地传递剪力。

（5）顶盖板

沉井顶盖板是直接承受墩、塔等结构的构件。墩、塔等结构传下来的荷载在顶盖板上分布后再传给沉井其他部分。

4、沉井的形式

（1）根据沉井底节的施工方式分类

①就地制作下沉沉井

一般在岸上、水深及水流速度不大的位置上采用。该类沉井多采用混凝土或钢筋混凝土结构。这种沉井是在墩、塔等结构的位置上筑岛或仅需整、处理场地后制作底节，然后使沉井就地边接高边下沉。

②浮式沉井

一般在深水位置处采用。浮式沉井有钢丝网水泥薄壁、钢筋混凝土薄壁、装配式钢筋混凝土薄壁、带钢气筒、双壁套箱钢壳等结构形式。其底节是在岸上制作成形，并通过在滑道上滑移等方式下水，并被浮运到位。此后，使沉井边接高边下沉，直到其达到规定要求。底节制作及就位还可采用如下方式：在船上制作

底节，并采用吊装设备吊装和其他措施，使底节下水并被浮至设计位置。沉井底节也可采用沉船入水的下水方式。

（2）根据沉井的竖剖面形状分类

沉井有柱形沉井、锥形沉井、阶梯形沉井等类型，这些沉井的形状见图3-2-30。

图3-2-30 沉井按竖剖面形状分类图

(3)根据沉井的平面形状分类

沉井有圆形沉井、矩形沉井、圆端形沉井等类型，这些沉井的形状见图3-2-31。

图3-2-31 沉井按平面形状分类图

(4)根据沉井刃脚是否等高的情况分类

沉井有等高刃脚沉井和不等高刃脚沉井。前者是常采用的沉井类型，后者是特殊的沉井类型。不等高刃脚沉井一般是在不等高岩面上，且需要使沉井刃脚着岩的情况中采用。

5、沉井基础的一般施工方法

承受大跨径斜拉桥荷载的沉井，除必须具有足够大的截面尺寸以满足强度和刚度要求外，还必须能将荷载有效地传至足够大范围和足够大强度的地基上，使地基能够安全稳定地承受桥梁荷载。为了满足强度和刚度要求，沉井的平面尺寸和截面积一般是很大的。为了满足地基受力要求，沉井一般要深入到地基中较深位置，因而沉井高度一般也是很大的。所以沉井的平面尺寸、高度、体积和重量一般都是很大的。沉井基础施工的主要难度和主要目的就是要将规模很大的沉井下沉到地层中要求的深度。沉井下沉到要求的深度后，沉井基础此后的施工相对就容易多了。大规模沉井的下沉，从吊装，从对沉井状态的控制等的能力上考虑，只能采取逐步接高沉井，逐步使沉井下沉的方式。沉井基础的各种施工方法，均是按照逐步接高和逐步下沉的指导思想考虑的。

沉井施工的主要工序及其大致顺序是：沉井首节即底节的制作及就位、沉井的接高及下沉、沉井的封底、沉井的填芯、沉井顶盖板的架设。

沉井底节的制作及就位一般采用两种方法，即就地制作就位法和预制浮运就位法。前者是在设计的沉井位置筑岛作为沉井底节的制作场地，在筑岛的场地上完成底节的制作后，就地使沉井边接高边下沉。后者是在方便制作、下水的场地上制作可自浮的沉井底节，然后采用一定方法使底节下水并被浮运就位，并在沉井设计位置上设置锚碇系统使底节处于可控状态。此后在底节上边接高边下沉沉井。当沉井进入土层一定深度后，对沉井为满足自浮需要而设置的空腔结构进行

填充，以满足沉井作为基础构造的受力要求。

沉井的接高是从底节上开始的，且是与沉井的下沉交替进行的。

沉井的下沉必须通过排除刃脚、井壁及隔墙附近的土体，使沉井所受土体阻力减少才能实现。排除土体一般只能在井内进行。井内除土是沉井下沉的必要和主要措施、方法。对于沉井的下沉，此外还有井内抽水减浮、沉井临时压重、炮振、以空气幕或泥浆润滑套对外井壁土层进行扰动等助沉措施。

沉井的封底可采用排水浇筑混凝土、浇筑水下混凝土、浇筑水下压浆混凝土等方法。

沉井的填芯有的沉井需要，而有的沉井是不需要的，这要根据设计的要求确定。需要填芯时，一般需先在井内抽水，然后清除封底面的淤泥、浮浆等杂质，此后再在井内分层填充填芯物，并分层夯实之。

沉井顶盖板的架设是在沉井顶部进行的。鉴于通航、节省圬工材料及美观的需要，沉井顶面，包括井顶盖板，必须是置于地面或水面以下一定深度的。为此，当最后一节沉井下沉到顶面距地面或水面一定高度时，在井顶设置挡土或防水围堰，以便沉井在顶面没入地面或水面以下后，能够继续在无土干扰和无水情况下进行其顶盖板及墩、塔的地下或水下部分的施工。因此，沉井顶盖板是在有井顶围堰保护的情况下进行的。

二、沉井在土层中的下沉施工方法

1、排水开挖下沉

这种方法是通过挖除沉井内和刃脚下的土体，使沉井减少所受阻力而下沉。

在排水不会产生土体坍塌的较稳定的土层中，沉井可在井内排水后，在无水

的情况下开挖下沉。这种方式使沉井的状况包括精度状况更容易得到控制，使得沉井即使发生问题，也能使问题及时得到解决。

排水可在井内或井外四周挖设集水井后，在集水井内抽水进行。

井内土体采用人力或风动工具开挖。对于粘土、淤泥等淤状土体，可采用高压吸泥泵吸除。对于较硬的岩层，可采用放炮松土的方式挖除。开挖必须对称地进行，保证沉井均匀下沉。

2、不排水除土下沉

同上，这种方法也是通过清除沉井井内和刃脚下土体而使沉井下沉的一种方法。

对于渗漏严重而无法在井内排水的情况，采用抓土机械和吸泥设备除土。在吸泥过程中，由于泥水一同被排出，为保持井内外水头平衡，需同时以抽水机抽水向井内补水。在较坚硬土层中抓、吸土较困难时，可采用高压射水方法先将土体冲松，再将土体抓出或吸出。抓土施工见图3-2-32，吸泥施工见图3-2-33，高压射水施工见图3-2-34。

图3-2-32 沉井抓土施工示意图图3-2-33 沉井吸泥施工示意图

图3-2-34 沉井高压射水冲射土层示意图

3、下沉辅助措施

(1)空气幕助沉

空气幕方法适用于沉井在水中或在地下水位较高的细砂、粉砂类及粘性土层中下沉时采用。空气幕方法是通过预埋在井壁管路上的小孔即气龛向井壁外土层中喷射压缩空气，气流沿沉井外壁上升带动土体翻滚，使土体被扰动，因而使土对沉井外壁的摩阻力减少，从而使沉井下沉。

1)空气幕的组成

空气幕由井壁中的预埋管路、外井壁表层的气龛、空压机、风包及送风管路等构造和设备构成，见图3-2-35。

图3-2-35 沉井空气幕系统构造示意图

①气龛

气龛是设置在沉井外壁的凹槽和槽中管路上的喷气孔。气龛凹槽平面尺寸及深度多采用5cm×15㎝×3cm这样一种规格，喷气孔一般采用1mm的小圆孔。气龛构造见图3-2-36。

图3-2-36 空气幕气龛构造图

②井壁内的预埋管路

预埋管路是压力气体通过的途径。其布置有两种方式：一种是同时设环形管和竖管，喷气孔设在环形管上。竖管与环形管连接并伸出井顶。压气时气体由竖管进入环形管，然后从各气龛喷出。另一种则只设竖管，喷气孔即设在竖管上。

竖管可采用塑料管或钢管，水平环管则采用直径为25mm的硬质聚氯乙烯管。

③供气系统

由空压机及风包供气，通过风管路送进井顶竖管，最后由气龛出气，形成压气通路。

2)气幕构造的安装程序

沉井气幕构造的安装程序为：

管材下料、沉井模板及气龛成形用的木模块的安装→井壁内预埋管路的安装→井壁混凝土的浇筑→养生→拆模及木模块拆除→喷气孔的钻设→供气系统的连接→对气幕系统进行压气检查。

3)气幕作业要点

①开气的顺序是先上层后下层，否则气体可能从刃脚下喷进井内而引起翻砂；

②压气时气压要尽可能用压风机的最大值。实践证明，压力大则压气效果就好；

③压气时间一般只在25S～50S之间，最多不超过1min。压气时间过长，沉井周围砂土已液化，液化的砂土较易渗入气龛，造成堵塞，故每次压气时间不可过长；

④压气时的堵塞问题必须引起足够的重视，除注意上述压气操作要点外，对

钢管的锈皮、塑管毛刺、废渣、泥土等容易造成气流堵塞的物质必须预先加以仔细清理，确保压气畅通。另外，可在管路的端头设贮砂筒，贮存由气龛渗进的砂子，防止喷气孔堵塞。

(2)泥浆润滑套助沉

沉井的泥浆润滑套下沉方法是在沉井外壁周围与土层之间设置泥浆隔离层，减少土与井壁间的摩阻力，以利沉井下沉。该方法一般在筑岛或岸地沉井中采用。泥浆由粘土、水和化学处理剂配成。泥浆润滑套对井壁的摩阻力为3Kpa～5Kpa。

1)设施布置

为了在井壁与土层之间设置泥浆隔离层，需要布置一套沉井泥浆润滑套施工系统，见图3-2-37。

图3-2-37 沉井泥浆套施工布置示意图

泥浆润滑套系统的布置方式是，在沉井旁设置粘土存放和风干场、碎土设备、拌浆机和储浆池。在储浆池旁设置压浆机，通过输浆管路将泥浆压入泥浆套内。当沉井采用在水中筑岛的下沉方式时，泥浆润滑套系统的拌浆机、储浆池和压浆

机可装设在船只上。

泥浆润滑套设施产生润滑套的过程是，泥浆由压浆机通过输浆管送至井顶压浆管，再通过压浆管从井壁外的射口围圈流散在土层和外井壁间的缝隙间，从而在其间产生润滑套。

泥浆润滑套设施主要构造情况是：

①输浆管

可采用直径38mm～75mm的钢管或胶管，一端连接压浆机，一端通至井顶，并与三通管相连。三通管上装有胶管和闸阀，胶管可分别与井顶各压浆孔口的管头相连。当某一孔道需压浆时，只需连通胶管并将相应闸阀开启即可。

②压浆管

压浆管可采用内管和外管两种方式：

内管方式是在井壁上设置预留压浆管道，见图3-2-37。

③泥浆管射口围圈

台阶处，

为防止压浆时泥浆直接冲射土壁及减少压浆孔出口处的图3-2-38 井内外管法布置

堵塞，可在射口处设置阻挡板，即所谓泥浆管射口围圈。

④井壁地表围圈

地表围圈是沿井壁周围埋设的围板，用以防止地面土层坍塌而破坏泥浆套。地表围圈可采用木制或钢制板，与井壁间的净距大约与射口围圈与井壁间的净距相等。地表围圈的高度为1.5m～2.5m，顶部高出地面约0.5m。围板埋设位置要求准确，与井壁的净距应均匀一致。围板埋设必须牢固稳定，为此可在地面上采取各种相应的固定措施。

2)泥浆制备

①泥浆性能

泥浆应具备固壁性、触变性、胶体稳定性等性能，其中：

固壁性即通过压入套内的泥浆产生液柱压力，支撑和泥化土壁，稳定及平衡地层压力。并通过泥浆微细的固体颗粒渗透或附着在土层而形成泥皮。泥皮可防止井壁坍塌。因为泥浆的固壁性，从而在井壁与土层间形成了较稳定的泥浆套。

触变性即泥浆的静置为凝胶状态，搅拌或触动后又恢复其流动性的性能。

胶体稳定性即泥浆的在长期静置状态下不发生聚沉和离析，及在沉井通过不同地层时不致过多失水或为地下水所稀释的性能。

②泥浆指标及配合比

泥浆润滑套所用泥浆应符合下列指标：

相对密度：一般为1.2～1.4；

粘度：大于100S；

失水量：小于8ml；

泥皮厚度：小于3mm；

静切力：大于10MPa；

胶体率：100%；

含砂率：小于4%；

ＰＨ值：6～8。

泥浆润滑套的配合比一般采用下列质量比：粘土：35%～45%；

水：55%～65%；

化学处理剂碳酸钠(Na

2CO

3

)：0.4%～0.6%(按泥浆总质量计)。

粘土应按照有关要求和方法选取，可参考文献[1]中的有关内容。

③各种地层对泥浆指标的要求

对泥浆的各项指标，应针对不同的地层及施工的具体情况，重点要求控制几项主要的指标项目。

对于砂夹卵石地层，该地层颗粒间孔隙大，结构松散，地下水较畅通，泥浆易于局部坍落漏失，故宜用高粘度、高切力、相对密度较小的泥浆。

对于粘土地层，该地层结构紧密，地下水渗透缓慢，土体侧压力大，宜用相对密度大、失水量较小的泥浆。

对于中等颗粒地层(各类砂土)，所用泥浆指标应介于上两者之间。在饱和的细、粉砂地层，易翻砂漏浆，故宜用粘度和切力较高的泥浆。

④泥浆制备程序

存放粘土→风干→碾碎→配料→搅拌→筛滤→储浆。

粘土经风干碾碎至不大于5cm的土粒后，清除石子及杂物，按试验选定的配合比配料，然后进行搅拌。搅拌时可先将水和粘土搅拌成浆后，再掺入化学处

理剂。每盘搅拌时间视拌和机效能而定，一般约为30min左右，然后使拌好的泥浆经筛网过滤后流入储浆池，以备使用。

储浆池容量一般为每节沉井按理论计算所需泥浆的体积。泥浆实际耗用量一般为理论耗用量的1.5～2.0倍。

当储浆池内泥浆存放过久，泥面老化出现泥皮时，可轻微洒水保养，或用棍棒搅动。冬季施工，储浆池应有保暖设施，管道也应有防寒设备。

泥浆在制备储存及使用中，均应做好取样试验工作。

3)压浆

压浆可采用泥浆泵压浆。正常情况下，压浆压力为：启动时约为0.7MPa；启动后正常压注时应为0.1MPa～0.3MPa。在处理故障等特殊情况下，其启动压力也有高达1.2MPa～2.0MPa的情况。

压浆时，泥浆流动半径约为5m，流动坡度为3%～10%。

压浆一般是一个孔一个孔地逐孔进行，并随沉井下沉而不断补浆，使泥浆面保持在地表围圈顶面以下0.3m～0.10m，即高出地面。每次压浆完毕后，应将压浆管和拌浆、压浆机具冲洗干净，以备再用。

(3)炮振助沉

当因外壁阻力较大，沉井下沉困难时，可在井孔中央的泥面上放置炸药起爆，使沉井和周围土层受振。受振后沉井和土层间摩阻力减少，从而使沉井下沉。炮振施工应有专业机构或专业队伍参加。

(4)抽水助沉

不排水下沉的沉井，在不致引起井内翻砂涌水的情况下，可采用在井内抽水的办法使沉井下沉。在井内抽水可减少沉井所受浮力，使沉井下沉力增大。

(5)压重助沉

采用在沉井上增加临时重量的办法使沉井增加下沉力，从而使沉井更容易下沉。

4、沉井在土层下沉施工中需掌握的原则和注意的问题

(1)在井内的除土作业应对称、均匀地进行，保证沉井均匀下沉及保持沉井的安全状态；

(2)在不稳定土层中下沉时，除土位置应距刃脚有一定的安全距离，并随时注意沉井的状态，小心进行除土作业，防止井内的涌砂及沉井的失控；

(3)沉井下沉过程中必须要做好对沉井状态的观测工作，掌握相应的地层、水流情况，随时采取各种措施对沉井进行调整、纠正和控制，确保沉井处于安全、可控状态；

(4)井内出土尽量运离沉井，使之至远处，防止弃土堆在沉井一侧造成偏压，使沉井产生偏斜；

(5)在沉井接高前，沉井顶面距水面应留有安全高度，以防沉井井顶在接高过程中因重量增加而没入水中。其高度值可通过计算确定，一般应不小于1.5m。沉井接高前不得将刃脚掏空，必要时还应在刃脚下回填或加支垫，防止沉井在接高过程中突然下沉；

(6)当沉井下沉离设计标高还差2m左右高度时，应控制井内除土量，并注意调整沉井，避免沉井发生大量下沉或大的偏斜而无法达到设计要求的位置。

5、沉井的纠偏

(1)不对称除土纠偏

为使沉井向一方如上游移动平面位置，则先在沉井的下游侧除土，上游侧不

动，使沉井向下游倾斜。然后在两个方向侧同时均匀除土，则沉井刃脚即可向上游移动。当刃脚达到平面位置的正确位置后，在刃脚高侧除土，使沉井正位，则沉井整体的移位就完成了。

在高侧不对称除土可纠正沉井的倾斜。

(2) 施外力纠偏

通过施加外力可纠正沉井的倾斜。

通过抛锚、打地锚等方式设置反力点，在井顶施加水平力，同时在反向侧的井壁上设置支撑，作为沉井纠偏时的保险装置。沉井高侧刃脚下应预先除土，而在施力过程中，可在低侧刃脚部位除土，使沉井在转动时能有活动空间。沉井在水平力的作用下发生转动，使倾斜的沉井被扶正。施外力纠偏的方式见图3-2-39。

图3-2-39 沉井纠偏示意图

(3) 不对称加土纠偏

通过在井壁外侧不对称加土，使沉井受到不平衡土压力，从而使沉井向预想方向移动或倾转，达到纠偏目的。

(4) 不平衡除土和加土纠偏

在井内一对对角除土，而在井外另一对对角加土，借助于刃脚下不相等的土

压力所产生的扭矩，可使沉井在平面上向预计方向扭转，达到纠偏目的。

三、浅水沉井施工

在浅水桥位采用沉井基础，一般采用钢筋混凝土井壁的沉井，并采用下面的方法施工：

对于浅水位置，采用筑岛方法可建立基座。而对于岸边旱地位置，可以通过进行地基处理建立基座，然后在基座上就地制作沉井底节。此后在底节的基础上边接高沉井和边下沉沉井，直到完成沉井基础的施工。

对于浅水基础的现浇沉井施工，一般情况下其分项工序的组成和施工步骤是：

筑岛→地基处理→铺设刃脚底座→立底节模板→绑扎钢筋、布管路→浇筑混凝土、养生→抽刃脚下底垫座→接高及下沉沉井→清理基底→封底→填芯、浇盖板。

1、筑岛

可采用两种形式的岛体，一种是无围堰的岛体，一种是有围堰的岛体。在水流速度不大的条件下，一般采用无围堰岛体，反之则一般采用有围堰岛体。

(1) 无围堰筑岛

采用土料筑岛，筑岛边坡必须满足筑岛的稳定性要求。

(2) 围堰筑岛

有草袋或石笼围堰、木板桩围堰、钢板桩围堰等筑岛方式。

在水深及流速不大，河床土层较硬的情况下采用草袋围堰。如果流速超过2.0m/s，在外层宜用石笼取代草袋筑成迎水箭形式，以使围堰抵抗水流冲击。

水深在5m以内，河床较软弱时，可选用木板桩围堰。而在水较深，流速较大的情况下一般采用钢板桩围堰。

围堰在周边起隔水作用，在围堰的中部以土料或其他材料筑岛，从而形成围堰筑岛构造。

2、地基处理

在岸滩或筑岛构造体上制作沉井底节前，要对地基进行处理，使地基土体平整、匀称、紧固，以保证地基能安全地承受沉井的施工荷载。

3、刃脚底座铺设

由于刃脚底面是窄小的受压面，因此必须在地基上铺底座以承受刃脚压力及分布荷载至地基上。为使就地下沉时抽取方便，一般采用垫木的底座形式。

4、底节沉井立模、布筋、浇筑

沉井底节模板及模板的支撑应具有足够的强度和刚度，底座面承受刃脚的部位应铺设10mm以上的钢垫板。

在地下水位较低且土质较好时，刃脚的浇筑可采用挖土所形成的模具或填筑所形成的模具。这种立模方法可省去铺刃脚底座、抽垫座使沉井底节下沉等工序，还可以减少沉井的下沉高度。

钢筋及管路的安装一般在内模安装以后，外模尚未安装时进行。钢筋及管路安装成形后再安装外模板。

钢筋及模板安装完成以后，进行底节混凝土的浇筑、养生、拆模、凿毛等工作。

5、底垫座抽除

底垫座的抽除必须做到分组、对称、同步地进行。每抽完一组垫座，必须及

时在抽除位置及时回填粗、中砂等土料。

6、接高及下沉

底节刃脚嵌入土中以后，通过在井内除土使沉井下沉。当沉井达到较稳定状态后，可在底节沉井的基础上分节接高沉井，边接高边使沉井下沉，直至沉井全部制作完成，而且刃脚达到要求标高位置。

沉井分节高度应根据除土方法、下沉进度、土层性质、沉井的平面尺寸、施工的方便程度及质量要求决定，以使其能在下沉及接高过程中保持可控和稳定的状态。

底节沉井的高度必须不能小于一个最小高度。在拆除垫座或挖除土模后，在自重及下一节沉井施工重量作用下，由于地基不均匀沉降等原因，在井壁、隔墙竖向截面内将产生弯矩。而井壁及隔墙为抵抗这个弯矩所需要的最小高度，就是上述的最小高度。

若沉井底节下为松软土时，则底节最大高度不得大于0.8倍沉井宽度，其余各节则应尽量做得高一些。沉井高度的确定，除要考虑沉井的稳定外，还要考虑挖土及起重机械设备工作的方便。

沉井接高前，沉井顶面的离地、离水高度应根据结构及施工安全、作业方便及其他要求而确定。

7、基底清理

在沉井下沉到设计标高后，应对基底按设计要求进行清理，为封底做好准备，使封底结构支承在符合要求的基底上，保证封底的高质量。

基底清理的基本要求是：

(1) 基底标高、形状及地质、排水等情况与设计要求相符；