CN103510531B - 一种分体式沉井加桩复合锚碇基础及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分体式沉井加桩复合锚碇基础及其施工方法，该分体式沉井加桩复合锚碇基础包括前沉井、后沉井、连接前沉井与后沉井的多个钢系梁、在前沉井与后沉井的井筒内打设于地基的多根钢管桩，以及固接于前沉井与后沉井之上的锚体。前沉井及后沉井均包括外壁板、隔墙、井筒、顶板、封底混凝土、底板和填芯；前沉井及后沉井均为外包钢壳的钢筋混凝土沉井；锚体包括后锚室、锚块、前锚室、散索鞍、散索鞍横梁、散索鞍支墩。本发明减小了沉井施工难度和入土深度，两个沉井间隔一定距离，提高了抵抗弯矩的能力，沉井承载效率得以提高，有效提高了沉井水平承载力，节省造价，解决了海洋深水环境中软土地层条件下的大跨径桥梁锚碇基础建设难题。

Description

一种分体式沉井加桩复合锚碇基础及其施工方法

技术领域

本发明属于桥梁施工技术领域，具体涉及一种软土地基大跨径桥梁锚碇基础的新型结构及其施工技术，特别是一种分体式沉井加桩复合锚碇基础及其施工方法。

背景技术

随着桥梁建设从内陆走向外海，深水、软基、强风、急流、波浪、强震等建设条件更加复杂。跨海桥梁基础往往位于深水区，存在软土、砂土、粘性土、碎(卵)石土交替的厚覆盖层，且覆盖层中还可能分布有不均的软(硬)夹层；对大跨径的悬索桥和斜拉-悬索协作体系桥梁，除了承受巨大的竖向力之外，还承受着主缆传递的巨大斜向拉力，主跨3000m级的悬索桥主缆水平向拉力超过20万吨，且主缆锚点高度高，从而也增大了锚碇基础顶面的附加弯矩。

目前常用的深水软土地基锚碇基础主要以沉井基础为主，也有采用单体沉井加桩复合基础结构型式的。以某海峡主跨3000m悬索桥锚碇所受的23万吨水平力为条件进行分析，如采用圆形沉井基础方案，如图1a所示，则沉井的直径需要达到120m(基底面积11310m²)，且入土深度要达到90m，方能满足上部结构的水平位移控制要求。如将截面型式改为120m×95m的矩形截面(基底面积11302m²)，如图1b所示，则入土深度可减小到66m。上述两种型式沉井基础规模巨大，造价高，且难以施工。如将单个沉井拆成两个小沉井，如图1c所示，并隔开一定的距离，相同水平位移控制要求下，入土深度66m时，基底面积减小到8025m²(前沉井平面尺寸80m×40m、后沉井平面尺寸100m×50m)。混凝土用量得到有效降低。

图2是相同水平位移控制标准下圆形沉井基础方案、矩形沉井基础方案和分体式沉井基础方案三种沉井基础不同截面型式沉井比较的示意图，通过对图2的分析可以看出，采用两个沉井前后排列并用钢系梁连接的分体式沉井基础方案，相对于圆形沉井基础方案和矩形沉井基础方案，具有入土深度浅、基底面积小、水平位移控制能力强的优点。但是，该分体式沉井基础方案基础入土深度仍较深，且后沉井内填芯高度超过70m，重量大，地震荷载作用下附加惯性力很大。

为进一步减小基础入土深度，减少填芯混凝土厚度，降低工程造价，亟需提供一种新型的沉井基础方案。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种分体式沉井加桩复合锚碇基础及其施工方法，以解决海洋深水环境下软土地层条件中的特大跨径桥梁锚碇基础建设难题，达到在相同水平位移控制要求下，有效减小沉井入土深度、降低施工难度、减少工程造价的目的。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种分体式沉井加桩复合锚碇基础，该分体式沉井加桩复合锚碇基础包括前沉井1、后沉井2、连接前沉井与后沉井的多个钢系梁3、在前沉井与后沉井的井筒内打设于地基的多根钢管桩4，以及固接于前沉井与后沉井之上的锚体5，其中：前沉井1及后沉井2均包括外壁板6、隔墙7、井筒8、顶板9、封底混凝土10、底板11和填芯12；前沉井1及后沉井2均为外包20～30mm厚钢壳的钢筋混凝土沉井；锚体5包括后锚室13、锚块14、前锚室15、散索鞍16、散索鞍横梁17、散索鞍支墩18。

上述方案中，所述前沉井1和后沉井2的平面形式是圆端形或倒圆角矩形的钢壳钢筋混凝土结构，顶板9厚度t₁＝5～10m，封底混凝土10厚度t₂＝8～14m，底板11厚度t₃＝2～5m，外壁板6厚度t₃＝1～4m，隔墙7厚度t₄＝1～2m。

上述方案中，所述前沉井1宽度B₁＝20～40m，后沉井2宽度B₂＝20～60m，B₁≤B₂。前沉井1的长度L₁≤2B₁，后沉井2的长度L₂≤2B₂。

上述方案中，所述钢系梁3的数量为1～3个，钢系梁3的高度t₅＝5～10m，钢系梁3的宽度B₃＝L₁。

上述方案中，所述钢管桩4通过封底混凝土10和底板11与前后沉井连接，钢管桩4直径D₁＝1m～3m。

上述方案中，通过后沉井2内钢管桩4提供抗拔承载力，能够降低填芯12的厚度，前沉井1内填芯12的厚度t₆＝5～15m，后沉井2内填芯12的厚度t₇＝15～40m。

上述方案中，所述锚体5的散索鞍支墩18设置在前沉井1上，锚体5的后锚室13放置在后沉井2上。

为达到上述目的，本发明还提供了一种分体式沉井加桩复合锚碇基础的施工方法，该施工方法采用岸上土石围堰内预制钢壳前沉井和钢壳后沉井，采用拖轮将前沉井和后沉井浮运到深水区接高，到桥位处定位下沉；后沉井先下沉到位，前沉井后下沉到位，在沉井内打桩，浇注封底混凝土并抽水干浇筑底板，在底板上进行填芯；采用大型浮吊吊装钢系梁，并在水下进行安装，浇注前沉井和后沉井混凝土顶板，施工后锚室、锚块、前锚室、散索鞍横梁及散索鞍支墩，施工预应力锚固系统及散索鞍，张拉索股，完成冲刷防护。

上述方案中，该施工方法具体包括以下步骤：

岸上预制：完成沉井预制场地围堰并抽水，整平加固作业场地，在形成的干坞内分别预制前后两个无顶钢壳沉井；

浮运接高：采用大马力拖轮将前沉井和后沉井托运到深水区，浇筑隔墙中的钢壳混凝土，不断增加沉井吃水深度；

定位下沉：前沉井和后沉井浮运到现场定位，截面面积大的后沉井先定位下沉，灌注钢壳内剩余混凝土，隔墙外壁及井筒内射水吸泥下沉，逐段接高，达到设计标高；截面面积小的前沉井后下沉；

井内打桩、沉井封底：沉井达到设计标高后，采用液压锤施打井筒内的钢管桩，浇注封底混凝土，抽水后干环境绑扎桩顶与底板钢筋，浇筑底板，实现沉井与钢管桩的可靠连接，之后进行填芯施工；

系梁吊装、顶板施工：待两个沉井沉降及水平变位稳定后，在两个沉井之间利用大型浮吊吊装钢系梁，搭设顶板混凝土施工平台，浇注顶板并养护，设锚体预留钢筋及各层冷却管；

锚体施工：分层分块浇注锚体混凝土，安装散索鞍支墩施工支架，浇注散索鞍支墩混凝土；

散索鞍施工、主缆索股锚固、附属设施施工：浇注散索鞍支墩横梁，张拉锚块预应力钢束，安装索股锚固构件；

锚室及附属设施施工：浇注后锚室、前锚室底面、侧面混凝土，散索鞍安装，主缆索股锚固，安装工程附属设施。

上述方案中，该施工方法在施工过程中根据需要在前沉井及后沉井四周进行冲刷防护。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的分体式沉井加桩复合锚碇基础及其施工方法，通过将一个大沉井分为前沉井和后沉井，减小了沉井施工难度和入土深度，两个沉井间隔一定距离，提高了抵抗弯矩的能力，沉井承载效率得以提高，解决了海洋深水环境下软土地层条件中的大跨径桥梁锚碇基础的建设难题。

2、本发明提供的分体式沉井加桩复合锚碇基础及其施工方法，通过在两个沉井的井筒内打设钢管桩，进一步降低了沉井的入土深度、填芯的厚度要求，使得整个基础在地震作用下的惯性力有效减小，工程造价得以降低。

3、本发明提供的分体式沉井加桩复合锚碇基础及其施工方法，通过前沉井内钢管桩承担压力，后沉井内钢管桩承担拉力，提高了弯矩的抵抗能力。通过前后沉井前墙顶部、后墙底部提供被动土抗力，充分发挥了浅层土体的水平承载能力。

附图说明

图1a至图1c是圆形沉井基础方案、矩形沉井基础方案和分体式沉井基础方案三种沉井基础型式的示意图；

图2是相同水平位移控制标准下圆形沉井基础方案、矩形沉井基础方案和分体式沉井基础方案三种不同截面型式沉井基础的比较示意图；

图3为本发明提供的分体式沉井加桩复合锚碇基础的立面示意图；

图4为本发明提供的分体式沉井加桩复合锚碇基础的平面示意图；

图5至图12为本发明提供的分体式沉井加桩复合锚碇基础的施工方法示意图；

图13是现有技术中的分体式沉井与本发明提供的分体式沉井加桩复合基础的示意图。

附图标记：前沉井1；后沉井2；钢系梁3；钢管桩4；锚体5；外壁板6、隔墙7；井筒8；顶板9；封底混凝土10；底板11；填芯12；后锚室13；锚块14；前锚室15；散索鞍16；散索鞍横梁17；散索鞍支墩18。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供的分体式沉井加桩复合锚碇基础，采用分体沉井内施打钢管桩形成复合基础方案，利用前沉井底部桩基的抗压承载力与后沉井底部桩基的抗拔承载力形成力偶抵抗巨大的弯矩，通过沉井侧壁被动土压力和沉井基底摩擦力抵抗水平力。

如图3和图4所示，为本发明提供的分体式沉井加桩复合锚碇基础的示意图，该分体式沉井加桩复合锚碇基础包括前沉井1、后沉井2、连接前沉井与后沉井的多个钢系梁3、在前沉井与后沉井的井筒内打设于地基的多根钢管桩4，以及固接于前沉井与后沉井之上的锚体5。

其中，前沉井1及后沉井2均包括外壁板6、隔墙7、井筒8、顶板9、封底混凝土10、底板11和填芯12等；前沉井1及后沉井2均为外包20～30mm厚钢壳的钢筋混凝土沉井；锚体5包括后锚室13、锚块14、前锚室15、散索鞍16、散索鞍横梁17、散索鞍支墩18等。

前沉井1和后沉井2的平面形式可以是圆端形或倒圆角矩形的钢壳钢筋混凝土结构，顶板9厚度t₁＝5～10m，封底混凝土10厚度t₂＝8～14m，底板11厚度t₃＝2～5m，外壁板6厚度t₃＝1～4m，隔墙7厚度t₄＝1～2m。

前沉井1宽度B₁＝20～40m，后沉井2宽度B₂＝20～60m，B₁≤B₂。前沉井1的长度L₁≤2B₁，后沉井2的长度L₂≤2B₂。

钢系梁3的数量为1～3个，钢系梁3的高度t₅＝5～10m，钢系梁3的宽度B₃＝L₁。

钢管桩4通过封底混凝土10和底板11与前后沉井连接。钢管桩4直径D₁＝1m～3m，且前沉井1内的钢管桩4与后沉井2内的钢管桩4直径可不相等。

通过后沉井2内钢管桩4提供抗拔承载力，可降低填芯12的厚度。前沉井1内填芯12的厚度t₆＝5～15m，后沉井2内填芯12的厚度t₇＝15～40m。

锚体5的散索鞍支墩18设置在前沉井1上，锚体5的后锚室13放置在后沉井2上。

基于图3和图4所示的分体式沉井加桩复合锚碇基础，本发明还提供了该分体式沉井加桩复合锚碇基础的施工方法，该施工方法采用岸上土石围堰内预制钢壳前沉井和钢壳后沉井，采用拖轮将前沉井和后沉井浮运接高，到桥位处定位下沉；后沉井先下沉到位，前沉井后下沉到位，在沉井内打桩，浇注封底混凝土并抽水干浇筑底板，在底板上进行填芯；采用大型浮吊吊装钢系梁，并在水下进行安装，浇注前沉井和后沉井混凝土顶板，施工后锚室、锚块、前锚室、散索鞍横梁及散索鞍支墩，施工预应力锚固系统及散索鞍，张拉索股，完成冲刷防护。该施工方法的具体步骤包括：

(1)岸上预制：如图5所示，完成沉井预制场地围堰并抽水，整平加固作业场地，在形成的干坞内分别预制前后两个无顶钢壳沉井1和2。

(2)浮运接高：如图6所示，采用大马力拖轮将前沉井1和后沉井2托运到深水区，浇筑外壁板6和隔墙7中的钢壳混凝土，不断增加沉井吃水深度；

(3)定位下沉：如图7所示，前沉井1和后沉井2浮运到现场定位，截面面积大的后沉井2先定位下沉，灌注钢壳内剩余混凝土，外壁板6外侧及井筒8内射水吸泥下沉，逐段接高，达到设计标高。截面面积小的前沉井1后下沉；

(4)井内打桩、沉井封底：如图8所示，沉井达到设计标高后，采用液压锤施打井筒8内的钢管桩4，浇注封底混凝土10，抽水后干环境绑扎桩顶与底板11的钢筋，浇筑底板11，实现沉井与钢管桩4的可靠连接，之后进行填芯12的施工；

(5)系梁吊装、顶板施工：如图9所示，待两个沉井沉降及水平变位稳定后，在两个沉井之间利用大型浮吊吊装钢系梁3，搭设顶板混凝土施工平台，浇注顶板9并养护，设锚体5预留钢筋及各层冷却管；

(6)锚体施工：如图10所示，分层分块浇注锚体5混凝土，安装散索鞍支墩18施工支架，浇注散索鞍支墩18混凝土，浇注过程满足温度控制要求；

(7)浇注横梁、张拉预应力、安装锚固构件：如图11所示，浇注散索鞍支墩横梁17，张拉锚块14预应力钢束，安装索股锚固构件；

(8)散索鞍施工、主缆索股锚固、附属设施施工：如图12所示，浇注后锚室13、前锚室15底面、侧面混凝土，散索鞍16安装，主缆索股锚固，安装工程附属设施。

图13示出了现有技术中的分体式沉井与本发明提供的分体式沉井加桩复合基础的示意图，可见，本发明提供的分体式沉井加桩复合基础能有效提高沉井水平承载力，减小入土深度，节省造价。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种分体式沉井加桩复合锚碇基础，其特征在于，该分体式沉井加桩复合锚碇基础包括前沉井(1)、后沉井(2)、连接前沉井与后沉井的多个钢系梁(3)、在前沉井与后沉井的井筒内打设于地基的多根钢管桩(4)，以及固接于前沉井与后沉井之上的锚体(5)，其中：

前沉井(1)及后沉井(2)均包括外壁板(6)、隔墙(7)、井筒(8)、顶板(9)、封底混凝土(10)、底板(11)和填芯(12)；前沉井(1)及后沉井(2)均为外包20～30mm厚钢壳的钢壳钢筋混凝土沉井；锚体(5)包括后锚室(13)、锚块(14)、前锚室(15)、散索鞍(16)、散索鞍横梁(17)、散索鞍支墩(18)；

其中，前沉井(1)及后沉井(2)为含有底板的钢壳钢筋混凝土沉井，锚体(5)的散索鞍支墩(18)设置在前沉井(1)上，锚体(5)的后锚室(13)放置在后沉井(2)上。

2.根据权利要求1所述的分体式沉井加桩复合锚碇基础，其特征在于，所述前沉井(1)和后沉井(2)的平面形式是圆端形或倒圆角矩形的钢壳钢筋混凝土沉井结构，顶板(9)厚度t₁＝5～10m，封底混凝土(10)厚度t₂＝8～14m，底板(11)厚度t₃＝2～5m，外壁板(6)厚度t₃＝1～4m，隔墙(7)厚度t₄＝1～2m。

3.根据权利要求1所述的分体式沉井加桩复合锚碇基础，其特征在于，所述前沉井(1)宽度B₁＝20～40m，后沉井(2)宽度B₂＝20～60m，B₁≤B₂，前沉井(1)的长度L₁≤2B₁，后沉井(2)的长度L₂≤2B₂。

4.根据权利要求3所述的分体式沉井加桩复合锚碇基础，其特征在于，所述钢系梁(3)的数量为1～3个，钢系梁(3)的高度t₅＝5～10m，钢系梁(3)的宽度B₃＝L₁。

5.根据权利要求1所述的分体式沉井加桩复合锚碇基础，其特征在于，所述钢管桩(4)通过封底混凝土(10)和底板(11)与前后沉井连接，钢管桩(4)直径D₁＝1m～3m。

6.根据权利要求1所述的分体式沉井加桩复合锚碇基础，其特征在于，通过后沉井(2)内钢管桩(4)提供抗拔承载力，能够降低填芯(12)的厚度，前沉井(1)内填芯(12)的厚度t₆＝5～15m，后沉井(2)内填芯(12)的厚度t₇＝15～40m。

7.一种权利要求1至6中任一项所述的分体式沉井加桩复合锚碇基础的施工方法，其特征在于，该施工方法采用岸上土石围堰内预制钢壳前沉井和钢壳后沉井，采用拖轮将前沉井和后沉井浮运到深水区接高，到桥位处定位下沉；后沉井先下沉到位，前沉井后下沉到位，在沉井内打桩，浇注封底混凝土并抽水干浇筑底板，在底板上进行填芯；采用大型浮吊吊装钢系梁，并在水下进行安装，浇注前沉井和后沉井混凝土顶板，施工后锚室、锚块、前锚室、散索鞍横梁及散索鞍支墩，施工预应力锚固系统及散索鞍，张拉索股，完成冲刷防护。

8.如权利要求7所述的分体式沉井加桩复合锚碇基础的施工方法，其特征在于，该施工方法具体包括以下步骤：

岸上预制：完成沉井预制场地围堰并抽水，整平加固作业场地，在形成的干坞内分别预制前后两个无顶钢壳沉井；

浮运接高：采用大马力拖轮将前沉井和后沉井托运到深水区，浇筑隔墙中的钢壳混凝土，不断增加沉井吃水深度；

定位下沉：前沉井和后沉井浮运到现场定位，截面面积大的后沉井先定位下沉，灌注钢壳内剩余混凝土，隔墙外壁及井筒内射水吸泥下沉，逐段接高，达到设计标高；截面面积小的前沉井后下沉；

井内打桩、沉井封底：沉井达到设计标高后，采用液压锤施打井筒内的钢管桩，浇注封底混凝土，抽水后干环境绑扎桩顶与底板钢筋，浇筑底板，实现沉井与钢管桩的可靠连接，之后进行填芯施工；

系梁吊装、顶板施工：待两个沉井沉降及水平变位稳定后，在两个沉井之间利用大型浮吊吊装钢系梁，搭设顶板混凝土施工平台，浇注顶板并养护，设锚体预留钢筋及各层冷却管；

锚体施工：分层分块浇注锚体混凝土，安装散索鞍支墩施工支架，浇注散索鞍支墩混凝土；

散索鞍施工、主缆索股锚固、附属设施施工：浇注散索鞍支墩横梁，张拉锚块预应力钢束，安装索股锚固构件；

锚室及附属设施施工：浇注后锚室、前锚室底面、侧面混凝土，散索鞍安装，主缆索股锚固，安装工程附属设施。

9.如权利要求7所述的分体式沉井加桩复合锚碇基础的施工方法，其特征在于，该施工方法在施工过程中根据需要在前沉井及后沉井四周进行冲刷防护。