空气幕沉井基础及其施工方法.pdf

空气幕沉井基础及其施工方法，属于桥梁基础施工技术领域。空气幕沉井是利用预埋在井壁中的管路及外壁上的气龛向周围施加高压空气，以减少井壁与土壤的摩阻力，使沉井顺利下沉。空气幕沉井基础施工方法，包括沉井就地分段浇注、吸泥下沉、接高、空气幕下沉，沉井吸泥下沉、沉井纠偏技术，清基、封底等关键步骤。本发明适用于各种用途的沉井基础施工，尤其适用于有一定含水量的砂类土和粘性土层。空气幕沉井基础施工方法可以为岸上施工，也可为水上施工，不受水深的限制。

1、  空气幕沉井基础，其特征在于由刃脚(11)、沉井侧壁(4)、隔墙(10)和压风系统组成，
压风系统由压风机(1)、风包(2)、地面风管路(3)、壁中预埋竖管(5)、壁中预埋环形管(6)以及气龛(7)组成，喷气孔(8)设置在壁中预埋环形管(6)上，壁中预埋环形管(6)由壁中预埋竖管(5)连接引出至井顶并同地面风路管相连。

2、  根据权利要求1所述的空气幕沉井基础，其特征在于：气龛(7)是由预埋在沉井外壁上的凹槽和槽中的喷气孔(8)组成，喷气孔采用φ1.0mm圆孔气龛，使压气喷出的高压气束能扩散并均匀地沿井壁上升，形成气幕。

3、  根据权利要求1所述的空气幕沉井基础，其特征在于：在沉井侧壁(4)上设置中空洞(9)，并适当减小沉井壁厚。

4、  权利要求1所述的空气幕沉井基础的施工方法，其特征在于按以下步骤进行：
①布置施工场地、设施，就地浇注沉井底节，
②人工挖土自重下沉，
③沉井接高吸泥下沉，
④接高沉井吸泥并空气幕压气下沉，
⑤沉井吸泥下沉、沉井纠偏技术，
⑥清基、封底，进行承台施工。

5、  根据权利要求4所述的空气幕沉井基础施工方法，其特征在于：适用于砂类土和粘性土等软土地基，该施工方法可为岸上施工，也可为水上施工，不受水深的限制。

6、  根据权利要求4所述的空气幕沉井基础施工方法，其特征在于：利用预埋在井壁中的管路及外壁上的气龛向周围施加高压空气，使该处砂土液化，以减少井壁与土壤的摩阻力，使沉井顺利下沉。

7、  根据权利要求4所述的空气幕沉井基础施工方法，其特征在于：在浇注围堰时在围堰内预埋环形管、竖向管，通过分段设置的环形管，进行局部压气，以造成侧阻不均衡来进行纠偏。

8、  根据权利要求4所述的空气幕沉井基础施工方法，其特征在于：初期以吸泥下沉为主，后期围堰内侧吸泥、外侧压气形成空气幕，吸泥过程中及时掌握沉井内部吸泥深度及泥面高差，随时调整吸泥部位，以防出现翻砂现象。

9、  根据权利要求4所述的空气幕沉井基础施工方法，其特征在于：清基采用射水、吸泥交替进行，以形成封闭的锅底状，其锅底尺寸满足设计要求。

空气幕沉井基础及其施工方法
技术领域
本发明涉及一种空气幕沉井基础及其施工方法，属于桥梁基础施工技术领域。
空气幕沉井是利用预埋在井壁中的管路及外壁上的气龛向周围施加高压空气，以减少井壁与土壤的摩阻力，使沉井顺利下沉。空气幕沉井基础施工方法适用于各种用途的沉井基础施工，尤其适用于地下水位较高的砂类土和粘性土层。空气幕沉井基础施工方法可以为岸上施工，也可为水上施工，不受水深的限制。
背景技术
在砂类土和粘性土层等软土地基中，沉井对提高基础的承载力、阻挡边坡滑移、截断地基渗流以及抗冲刷是一种安全可靠的结构。但其最大的缺点是传统设计仅借助沉井结构自重克服基础土体对井壁的摩擦阻力而下沉。因此，随着下沉深度增加除了接长现浇井壁的外露长度，还得增加井壁厚度来增加自重以克服因下沉深度增加而增加的井壁摩擦阻力。按这种原理设计沉井，沉井结构尺寸庞大，消耗建筑材料多，结构自重大，且难以加快施工进度。
其次、常规沉井施工纠偏方法有如下几种：偏吸泥或偏除土、偏压重、施加水平力、外射水等。虽然上述纠偏方法纠偏效果尚可，但在不同程度上存在以下问题，其中偏吸泥或偏除土方法完成后，对刃脚下除土和保留土情况须由潜水员水下探明后才得以知晓；偏压重方法须在沉井顶部设置一较强的水平挑梁及偏压重物以形成较大的纠偏力矩，辅助工作较为繁琐。加水平力法通常采用钢丝绳、滑车组，随着沉井的下沉钢丝绳拉紧，沉井纠偏效果好，但沉井接高时必须解除水平拉力体系，沉井失去了最佳纠偏状态，接高后，即使收紧钢丝绳至预设拉力，下沉纠偏效果显著性也较差。
本发明的目的是针对以上现有技术的不足而提供一种软土地基中沉井基础及其施工方法，即空气幕沉井基础及其施工方法。
发明内容
本发明涉及一种空气幕沉井基础及其施工方法，其特点是通过预埋在井壁内的气管向预先钻制在水平管上的小孔送风，有压气流从小孔向井壁外喷射气流沿外井壁上升，带动周围沙粒翻滚，促进井壁周围的砂类土局部液化，粘性土则形成泥浆薄膜，从而达到减小土壤对井壁表面摩阻的目的，使沉井顺利下沉。
空气幕沉井基础包括刃脚(11)、沉井侧壁(4)、隔墙(10)、气龛(7)、环形管(6)、壁中预埋竖管(5)、压风机(1)、风包(2)以及地面风路管(3)等部分。依照施工条件和施工方法，进行分节制造、接高和下沉。
空气幕沉井基础在外形构造上与普通沉井相同，但为减轻重量，在部分井壁上设置预留孔，并适当减小壁厚。空气幕沉井在内部构造上增加了一套压风设备，压风系统决定着空气幕的效果，它是由压风机(1)、风包(2)、地面风路管(3)、壁中预埋竖管(5)、壁中预埋环形管(6)、气龛(7)等部分组成。压风机是提供高压气体的设备，风包贮存高压气体，压气时防止压力骤然降低，影响压气效果，起到稳定风压的作用。井壁内预埋管布置有环形管和竖管。环形管是为纠偏而定，喷气孔(8)即在环形管上，每根环形管由一根竖管连接引出井顶。气龛是由预埋在沉井外壁上的凹槽和槽中的喷气孔组成，喷气孔采用φ1.0mm圆孔气龛，使压气喷出的高压气束能扩散并均匀地沿井壁上升，形成气幕。
空气幕沉井基础施工方法，包括沉井就地分段浇注、吸泥下沉、接高、空气幕下沉，沉井吸泥下沉、沉井纠偏技术，清基、封底等关键工艺技术。
空气幕沉井基础施工方法在沉井就地分段浇注、吸泥下沉、接高、清基、封底等技术上与普通混凝土相同，但在空气幕下沉、沉井纠偏技术方面优于普通沉井基础。
空气幕沉井基础施工方法，按以下步骤进行：
1、沉井就地浇注底节、人工挖土自重下沉、沉井接高吸泥下沉
按照设计要求对沉井进行单元划分，对于岸上或筑岛施工的沉井，先场地整平、铺垫，而对于水中沉井，则搭设施工操作平台，接着拼装钢刃角、安装内模、绑扎钢筋、安装外模，浇注底节混凝土及养生，待达强度后，挖泥下沉底节沉井。
立模接高施工沉井，挖泥或吸泥出土，自重下沉。这与普通沉井相同。下沉的初期应特别注意选择井孔吸泥位置，避免沉井倾斜和位移，使沉井平稳下沉至稳定深度，及时组织浇注次节混凝土。
2、立模接高沉井，吸泥并压气下沉。
沉井在覆盖层中采用吸泥下沉法，即在井孔内采用空气吸泥机吸出泥沙以降低泥面标高，使沉井逐步下沉。吸泥施工时做到沉井内泥面均匀降低，为了避免沉井刃脚部分吸空而引起翻砂，在粉砂、细砂层中吸泥时，中间井孔的泥面标高一般不得低于刃脚0.7～1m，并控制好井孔内水位，四周井孔的泥面不得低于刃脚，同时隔墙下的土应吸空，以免搁住影响沉井下沉。
沉井下沉辅助措施采取空气幕下沉。沉井吸泥下沉时，对相关土体压力、摩阻力、承载力、变形等进行监控监测，指导安排空气幕下沉程序。
空气幕沉井侧面阻力的减小是有时间性的，即压气减小，停气恢复。这与一般重型沉井及泥浆套沉井只要正面阻力消除到一定程度后就自动下沉不同，因此整个下沉过程中，当正面吸泥阻力消除后，还必须及时辅以压气，才能收到较好的效果，否则继续吸泥，锅底过深或井内外水头差过大时，不仅沉井不能正常下沉，还可能造成翻砂。
3、沉井下沉偏差的纠正
沉井在入土较浅时易发生倾斜，而且在四个方向都可能出现倾斜情况；入土较深时，渐稳定。
纠正倾斜的方法，一般都是在沉井偏高的一侧单独吸泥，以消除井孔内泥面的高差而达到垂直下沉的目的。但此种纠正方法如不能正确掌握，极易使沉井向相反一侧倾斜，形成上下游(或南北向)交替倾斜下沉。究其原因，系由于泥面虽已吸平，但沉井往往仍未恢复垂直，待继续吸泥至恢复垂直，则相反一方的泥面已吸成深坑，以后即使均匀吸泥，沉井却又向相反的一侧倾斜。较好的纠正方法是：当泥面吸平时沉井虽未恢复垂直状态，亦应停止单侧吸泥，而改用对称均匀吸泥。
空气幕沉井通过分段设置的环形管，进行局部压气，以造成侧阻不均衡来进行纠偏。沉井一旦发生偏移，也通过上述措施指导沉井纠偏施工。
施工过程中注意找出倾斜侧的水平管和竖向管，有针对性地关闭部分阀门，进行局部压气，使少量气体从气龛中喷出，使该处砂土液化，降低了土壤抗力，使沉井处于侧阻不均衡状态，从而达到纠偏效果。
4、沉井吸泥下沉过程中防止翻砂
沉井下沉过程中井孔出现轻微翻砂，不一定引起不良后果，但大量翻砂，却能造成严重事故。翻砂后，沉井外河床下坍，使沉井倾斜。为防止翻砂，应严格遵守有关操作规程，并注意以下几点：
(1)及时掌握沉井内部吸泥深度及泥面高差，随时调整吸泥部位；
(2)严禁在刃脚部位用射水的办法来促使沉井下沉，即使下沉遇到困难，也要禁止。在四周井孔中射水时，射水管亦不允许向刃脚斜插。
5、沉井清基、封底
当沉井刃脚下沉至设计标高后，对井孔内、刃脚及隔墙下的土层进行清理，以形成封闭的锅底状，其锅底尺寸满足设计要求。清基采用射水、吸泥交替进行，注意控制泥面高度以及不要过分扰动刃脚下土层，以免引起翻砂，隔墙及井孔下面不应有深坑、陡坡、陡坎，同时应着重清理沉井的抗剪槽等部位，使之能很好的与封底砼粘结受力。清基的监测由具有深水潜水资质的潜水员、或水下摄像、或水下机器人完成。
采用大型混凝土设备，一次性进行沉井封底。
6、承台施工
承台按大体积砼方案进行施工，其方法与普通沉井相同。
本发明具有如下优点：
(1)采用空气幕沉井对于下沉深沉井取得良好效果(已成功下沉深度50余米)，沉井结构能快速、安全、顺利下沉；
(2)采用空气幕沉井因其通过压气可减少井壁的摩阻力，故沉井重量可较一般的自重沉井大大减轻，混凝土用量减少达20％以上；
(3)空气幕沉井下沉完毕，井壁的摩阻力和土壤固着力可以恢复，能保证基础正常使用；
(4)沉井采用分段就地浇注混凝土、吸泥下沉、接高浇注、空气幕下沉，这种技术能保证沉井的施工质量，加快施工进度，沉井下沉速度按平均台班下沉量计算提高约60％；
(5)空气幕沉井通过分段设置的环形管，进行局部压气，以造成侧阻不均衡来进行纠偏。沉井一旦发生偏移，也通过上述措施指导沉井纠偏施工。
附图说明：
图1：空气幕沉井和压气系统构造示意图
图2：空气幕沉井底部平面结构图
图3：空气幕沉井气龛及水平管路平面布置图
图4：空气幕沉井气龛布置图
图5：空气幕沉井气龛构造图
图6：空气幕沉井压风系统布置图
图中的1-压风机，2-风包，3-地面风路管，4-沉井侧壁，5-井壁预埋竖管，6-井壁预埋环形管，7-气龛，8-喷气孔，9-沉井底部中空洞，10-沉井中隔墙，11-刃脚，12-φ35mm阀门，13-φ75mm钢管，14-φ75mm阀门，15-φ50mm阀门，16-LZB20流量计，17-压力表。
具体实施方式
对照附图1，空气幕沉井和普通沉井在外形结构上相同，由沉井侧壁(4)、中隔墙(10)等砼浇注而成，为在沉井侧壁(4)外壁形成空气幕，在沉井构造上增加了一套压风系统，压风系统决定着空气幕的效果，它是由压风机(1)、风包(2)以及地面风管路(3)、壁中预埋管(5)和(6)、气龛(7)、气龛中的φ1mm喷气孔(8)等组成。
对照附图2，空气幕沉井为减少砼用量，减轻自重，在沉井底节侧壁(4)上设置中空洞(9)，并适当减小壁厚。
对照附图3，空气幕沉井在水平面根据周边土层的摩阻不同，自上而下在井壁(4)内预埋水平环形φ25mm硬塑管(6)。
对照附图4，气龛(7)密度对压风效果影响很大，气龛(7)密度大则压风效果好。气龛(7)的布置密度是根据沉井重率、下沉深度、地质情况等因素而定。
为了防止气流从沉井上下泄漏掉，在井顶上部5m及刃尖以上2～3m范围内未布置气龛(7)。气龛(7)上稀下密，呈梅花型布置，压气下沉效果显著。
对照附图5，空气幕之所以能减小阻力，关键是由于气龛(7)喷出气体的作用。气龛7是预埋在沉井外壁(4)上的凹槽及槽中的喷气孔(8)，喷气孔(8)采用φ1.0mm圆孔气龛，使压气喷出的高压气束能扩散并均匀地沿井壁上升，形成气幕。
对照附图6，压风系统决定着空气幕的效果，它是由气阀(12)、(14)、(15)，气体流通管路(14)，流量计(16)，压力表(17)，壁中预埋管(5)、(6)，压风机、风包以及地面风管路等部分组成。