CN108612122B - 一种超大平面尺寸沉井基础结构及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超大平面尺寸沉井基础结构及其施工方法，包括钢混组合结构沉井段（2）和钢筋混凝土沉井段（1），钢混组合结构沉井段（2）由矩形沉井钢构和浇注在矩形沉井钢构内的钢筋混凝土组成，钢筋混凝土沉井段（1）由浇筑在钢混组合结构沉井段（2）上的钢筋混凝土组成，矩形沉井钢构包括多个拼接而成的基本钢结构组件（3）。本发明的钢混组合沉井基础结构整体性良好，并具有良好的抗弯、抗剪性能，适合于采用传统“大锅底”等多种开挖下沉方法的悬索桥锚碇基础、斜拉桥及悬索桥主塔基础的大型沉井基础，具有较高的施工作业安全系数与下沉系数，在“不均匀下沉”、“突沉”、“翻砂”等危险工况下具有较高的结构安全性与抗开裂性能。

Description

一种超大平面尺寸沉井基础结构及其施工方法

技术领域

本发明涉及大型桥梁基础结构技术领域，特别是涉及一种超大平面尺寸沉井基础结构及其施工方法。

背景技术

随着国内桥梁建设的发展，大跨度桥梁的基础也不断发展，目前常见的大跨度梁基础主要有桩基础、沉井基础。桩基础使用范围最广，但对超大跨径桥梁，采用桩基础存在单桩承载能力有限，群桩规模较大，整体性弱，工程费用多等问题；而沉井基础刚度大、整体性好、兼具施工围堰，工期相对较小，沉井大量地应用于江河湖海边冲积层软土地基条件。目前，沉井基础主要为钢结构沉井、混凝土结构沉井及钢壳混凝土沉井。随着沉井基础平面面积的不断增大，若设计与施工操作不当，极易发生突沉、超沉、中心偏移、竖向歪沉、变形断裂等重大安全与质量事故。当沉井结构平面尺寸超过2000平米时，沉井基础在施工过程中受力复杂，特别是沉井底节首先下沉施工中受弯显著，以往沉井基础大多采用钢壳混凝土结构，容易出现三方面的问题，第一是钢和混凝土连接不强；第二，钢壳混凝土内无受力钢筋，混凝土容易开裂；第三，在沉井下沉中后期，容易出现下沉不均匀、突沉、翻沙等不利工况时，下部井壁受拉，易出现沉井开裂风险，甚至沉井基础折断、破损而导致沉井基础废弃。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种超大平面尺寸沉井基础结构及其施工方法，能提高大型沉井基础的施工的作业安全性能，解决现有大型沉井基础容易下沉的问题，同时能提高沉井结构安全性与抗开裂性能。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种超大平面尺寸沉井基础结构，它包括下部的钢混组合结构沉井段和位于其上的钢筋混凝土沉井段，钢混组合结构沉井段由矩形沉井钢构和浇注在矩形沉井钢构内的钢筋混凝土组成，钢筋混凝土沉井段由浇筑在钢混组合结构沉井段上的钢筋混凝土组成，其中，矩形沉井钢构包括多个拼接而成的基本钢结构组件；

基本钢结构组件包括两侧横向和纵向交叉布置的钢壁，钢壁由两块平行布置的钢板组成，钢板的内壁上焊接有带孔PBL钢板，带孔PBL钢板上设置有横穿带孔PBL钢板的PBL钢筋，钢板的内壁均匀布置剪力钉；

拼接成一体的基本钢结构组件中最外侧的钢板形成矩形沉井钢构的钢外壁，其余位置的钢板形成矩形沉井钢构的钢内壁，矩形沉井钢构中钢内壁上横向钢板和纵向钢板的交点处通过角钢拉结。

所述的带孔PBL钢板之间绑扎有纵横分布的钢筋网，钢筋网采用直径15-25mm的钢筋，其中，纵向钢筋间距为150-200mm，横向钢筋间距为200-300mm。

所述的剪力钉焊接在钢板的内壁上，剪力钉之间的水平间距为150-300mm，竖向间距为150-300mm。

所述的横向钢板和纵向钢板的交点处的角钢包括两端分别焊接在相交钢板上的支撑角钢以及连接支撑角钢的加强角钢，支撑角钢在沉井的竖截面上呈梅花形布置。

所述的钢外壁的底部设置有刃脚I，钢内壁的底部设置有刃脚II，所述的刃脚I和钢外壁之间、刃脚II和钢内壁之间均设置有凸缘，其中，刃脚I的下端为单侧斜尖状，其斜面宽度为150-400mm；刃脚II的下端是两侧为斜面的箭头状，箭头的角度为25-60°，刃脚II箭尾的宽度为1.2-1.5m。

所述的凸缘在竖向的高度为2-5m，凸缘凸出井壁宽度300-600mm，凸缘上端距离刃脚的距离为封底混凝土厚度加上1-3m，凸缘的作用在于固定并强化沉井下沉就位后浇筑的封底混凝土，使得封底混凝土与沉井形成连接良好的整体结构。

所述的基本钢结构组件包括“L形”钢结构组件、“十字形”钢结构组件以及“T形”钢结构组件。

所述的钢内壁中钢板之间的距离为1.0-2.0m，钢外壁中钢板之间的距离为1.6-3.0m，

所述的横穿带孔PBL钢板的PBL钢筋为II级以上钢筋。

一种超大平面尺寸沉井基础结构的施工方法，包含以下步骤：

S1、预制钢结构组件：根据沉井尺寸，确定基本钢结构组件的尺寸及拼装组合方式并制作好基本钢结构组件，每个组件高度按节分段，节段高度取3m-5m，在工厂预制；

S2、现场模块化拼装：将制作好基本钢结构组件运输到现场然后定位拼装，拼装时先吊装一个角的一个组件，进行纵、横、高度方向定位调整，并进行固定，然后以该角组件作为定位基准，再由这个角扩散往四周拼装组件，每拼装一个组件，就在该组件中铺设钢筋网，钢筋铺设完成后就进行组件间钢板的焊接，焊接时先点焊定位，再满焊，依次将整个平面拼装完成，平面内拼装完成后，逐层往上进行立面拼装；

S3、当钢混组合结构沉井段中的钢构拼装完成后，往钢构内部浇筑混凝土，根据高度可分层浇筑混凝土，混凝土浇筑完成后，并达到设计强度后，开始沉井基础的初始下沉施工，当沉井基础下沉至一定深度至整体稳定后，停止下沉，待沉井稳定后施工钢混组合结构沉井段其上的钢筋混凝段，即接高沉井，接高沉井完成后继续下沉施工直至沉井底部达到设计标高；

S4、在沉井基础结构的底部达到设计标高并稳定后，在沉井底部浇筑封底混凝土，在封底混凝土达到设计强度后，然后依次在钢混组合结构沉井段和钢筋混凝土沉井段各仓室中填充混凝土、沙石或清水压重沉井基础。

本发明的有益效果是：本发明采用的模块化拼装结构组件，钢结构组件均包括两侧沉井钢壁、焊接于钢壁内侧的带孔PBL钢板及横穿的PBL钢筋，焊接于钢壁内侧的剪力钉,两侧沉井钢壁通过焊接于带孔PBL钢板的角钢连接整体。在沉井钢结构拼装完成后，在钢内外壁之间的绑扎钢筋并完成钢筋混凝土填充层的浇筑。钢混组合结构沉井段底部设置双向预应力钢筋，使得沉井底部成为预应力结构。在沉井的高度方向，下部的钢混组合结构沉井段包含刃脚、凸缘构造，分别对应下沉及封底混凝土要求，下部的钢混组合结构沉井段钢结构根据沉井高度可一次成型，也可以分多次拼接接高。在钢混组合结构沉井段其上。可为普通钢筋混凝土接高段，该大平面钢混组合沉井基础结构整体性良好，并具有良好的抗弯、抗剪性能，适合于采用传统 “大锅底”等多种开挖下沉方法的悬索桥锚碇基础、斜拉桥及悬索桥主塔基础的大型沉井基础，其平面面积适用于1000至8000平米以上，具有较高的施工作业安全系数与下沉系数，降低施工整体费用，在“不均匀下沉”、“突沉”、“翻砂”等危险工况下具有较高的结构安全性与抗开裂性能。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明钢混组合结构沉井段的拼装结构示意图；

图3为本发明“十字形”钢结构组件的结构示意图；

图4为图3中A-A向的结构示意图；

图5为图4中B-B向的结构示意图；

图6为本发明“T形”钢结构组件的结构示意图；

图7为本发明“L形”钢结构组件的结构示意图。

图中，1—钢筋混凝土沉井段，2—钢混组合结构沉井段，3—基本钢结构组件，4—钢外壁，5—钢内壁，6-支撑角钢，7-加强角钢，8-刃脚I，9-刃脚II，10-凸缘，31-钢板，32-带孔PBL钢板，33-PBL钢筋，34-剪力钉，35-钢筋网, 3a-“L形”钢结构组件,3b-“十字形”钢结构组件,3c-“T形”钢结构组件。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、图2所示，一种超大平面尺寸沉井基础结构，它包括下部的钢混组合结构沉井段2和位于其上的钢筋混凝土沉井段1，钢混组合结构沉井段2由矩形沉井钢构和浇注在矩形沉井钢构内的钢筋混凝土组成，钢筋混凝土沉井段1由浇筑在钢混组合结构沉井段2上的钢筋混凝土组成，其中，矩形沉井钢构包括多个拼接而成的基本钢结构组件3；

所述的基本钢结构组件3，即“L形”钢结构组件3a、“十字形”钢结构组件3b以及“T形”钢结构组件3c均包括两侧横向和纵向交叉布置的钢壁，横向和纵向交叉布置的钢壁构成了沉井的壁，它们之间形成“井”字形，这样既增强了沉井的整体性，上半部分混凝土井壁具有足够的强度和重量，又能够抵抗沉井在下沉中土方的侧压力，并顺利均匀下沉，钢壁由两块平行布置的钢板31组成，钢板31的内壁上焊接有带孔PBL钢板32，带孔PBL钢板32上设置有横穿带孔PBL钢板32的PBL钢筋33，钢板31的内壁均匀布置剪力钉34；

拼接成一体的基本钢结构组件3中最外侧的钢板形成矩形沉井钢构的钢外壁4，其余位置的钢板形成矩形沉井钢构的钢内壁5，矩形沉井钢构中钢内壁5上横向钢板和纵向钢板的交点处通过角钢拉结。

作为优选的，所述钢混组合结构沉井段的钢板与型钢采用Q235，钢筋采用HRB400钢筋，混凝土采用C30，钢混组合结构沉井段由“L形”、“T形”、“十字形”三种基本钢结构及PBL组件组拼后在钢结构内浇筑混凝土形成，通过三种钢结构及PBL基本组件的组合可以组拼成任意满足规程要求的矩形沉井。

所述的带孔PBL钢板32之间绑扎有纵横分布的钢筋网35，钢筋网35采用直径15-25mm的钢筋，其中，纵向钢筋间距为150-200mm，横向钢筋间距为200-300mm。

所述的剪力钉34焊接在钢板31的内壁上，剪力钉34之间的水平间距为150-300mm，竖向间距为150-300mm。

作为优选的，钢内壁5两侧沉井钢壁间距1.0m-1.4m，钢外壁4两侧沉井钢壁间距2.0m-2.4m，钢内壁5和钢外壁4的钢壁厚度均为10mm-30mm。所述带孔PBL钢板32厚10mm-20mm，带孔PBL钢板32上设置有PBL钢筋33穿过的孔，PBL钢筋33间距80mm-100mm。

作为优选的，钢内壁5上的带孔PBL钢板5宽200mm，钢外壁4上的带孔PBL钢板32宽400mm，相邻带孔PBL钢板5间距为0.5m-0.7m。

所述的横向钢板和纵向钢板的交点处的角钢包括两端分别焊接在相交钢板上的支撑角钢6以及连接支撑角钢6的加强角钢7，支撑角钢6在沉井的竖截面上呈梅花形布置，作为优选的，所述相邻支撑角钢6水平方向间距1.2m-1.8m，垂直方向间0.3m -0.6m，梅花形布置，增强单一井壁的强度与刚度。

所述的钢外壁4的底部设置有刃脚I8，钢内壁5的底部设置有刃脚II9，所述的刃脚I8和钢外壁4之间、刃脚II9和钢内壁5之间均设置有凸缘10，其中，刃脚I8的下端为单侧斜尖状，其斜面宽度为150-400mm；刃脚II9的下端是两侧为斜面的箭头状，箭头的角度为25-60°，刃脚II9箭尾的宽度为1.2-1.5m。其中，钢混组合结构井壁段最下端为刃脚，刃脚有两种形式，一种是外墙下的刃脚，即为刃脚I8，刃脚踏面3宽根据沉井下沉处土质的软硬程度在150mm-400mm内取值，刃脚下端呈尖状，刃脚内侧的斜面与地面夹角1450-60°，有利于切入土中，刃脚宽度取1.5m-2.0m，斜面上侧的凸缘10宽取500mm，另一种是内隔墙下的刃脚，即为刃脚II9，宽度取1.2m-1.5m，凸缘宽取500mm。

所述的凸缘10在竖向的高度为2-5m，凸缘10凸出井壁宽度300-600mm，凸缘10上端距离刃脚的距离为封底混凝土厚度加上1-3m。凸缘的作用在于固定并强化沉井下沉就位后浇筑的封底混凝土，使得封底混凝土与沉井形成连接良好的整体结构。

作为本发明的进一步改进，钢混组合结构沉井段设置纵向预应力钢筋与横向预应力钢筋，纵、横向预应力钢束采用抗拉强度标准值为1860Mpa的高强低松弛钢绞线，公称直径15.2mm，采用后张法施工，纵、横向预应力钢筋布置在钢混组合结构沉井段，布置在刃脚上60-300cm。

所述的基本钢结构组件3包括“L形”钢结构组件3a、“十字形”钢结构组件3b以及“T形”钢结构组件3c。其具体结构和角钢连接如下：

如图3、图4、图5所示，“十字形”钢结构组件3b为钢内壁5的内隔墙交点：此交点构件为钢内壁5内隔墙交点，在纵横内隔墙的相交交点处采用两根斜交的交点处角钢加固，交点处角钢焊接在四周内隔墙上焊接的水平角钢上。

如图6所示，“T形”钢结构组件3c为钢内壁5和钢外壁4的交点，作为沉井的外墙与内隔墙交点：此交点为沉井外墙与内隔墙连接交点，交点处在三边井壁上焊接水平角钢，再在其上焊接两根相交角钢L100×100×10，内隔墙的纵向钢筋延伸至交点处，并增设横向钢筋，横向钢筋间距200mm-300mm。

如图7所示，“L形”钢结构组件3a为沉井钢外壁4的交点，作为沉井外墙转角交点：此交点为外墙角点，在交点处，内侧设置两根相交于转角的角钢。

所述的钢内壁5中钢板31之间的距离为1.0-2.0m，钢外壁4中钢板31之间的距离为1.6-3.0m。

所述的横穿带孔PBL钢板32的PBL钢筋33为II级以上钢筋。

一种超大平面尺寸沉井基础结构的施工方法，包含以下步骤：

S1、预制钢结构组件：根据沉井尺寸，确定基本钢结构组件3的尺寸及拼装组合方式并制作好基本钢结构组件3，每个组件高度按节分段，节段高度取3m-5m，在工厂预制，预制单面钢板在焊接带孔PBL钢板后穿PBL钢筋，单个组件制作完成后，运送到现场后定位拼接；

S2、现场模块化拼装：将制作好基本钢结构组件3运输到现场然后定位拼装，拼装时先吊装一个角的一个组件，进行纵、横、高度方向定位调整，并进行固定，然后以该角组件作为定位基准，再由这个角扩散往四周拼装组件，每拼装一个组件，就在该组件中铺设钢筋网，铺设钢筋网时先穿纵向螺纹钢，再穿横向钢筋，穿筋完成后联结组件间的钢筋形成钢筋网，钢筋铺设完成后就进行组件间钢板的焊接，焊接时先点焊定位，再满焊，依次将整个平面拼装完成，平面内拼装完成后，逐层往上进行立面拼装；

S3、当钢混组合结构沉井段2中的钢构拼装完成后，往钢构内部浇筑混凝土，根据高度可分层浇筑混凝土，混凝土浇筑完成后，并达到设计强度后，开始沉井基础的初始下沉施工，当沉井基础下沉至一定深度至整体稳定后，停止下沉，待沉井稳定后施工钢混组合结构沉井段其上的钢筋混凝段1，即接高沉井，接高沉井完成后继续下沉施工直至沉井底部达到设计标高；

S4、在沉井基础结构的底部达到设计标高并稳定后，在沉井底部浇筑封底混凝土，在封底混凝土达到设计强度后，然后依次在钢混组合结构沉井段2和钢筋混凝土沉井段1各仓室中填充混凝土、沙石或清水压重沉井基础。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种超大平面尺寸沉井基础结构，其特征在于，它包括下部的钢混组合结构沉井段（2）和位于其上的钢筋混凝土沉井段（1），钢混组合结构沉井段（2）由内侧带PBL 的钢壳结构和浇注在钢壳结构内的钢筋混凝土组成，钢筋混凝土沉井段（1）由浇筑在钢混组合结构沉井段（2）上的钢筋混凝土组成，其中，钢壳结构包括多个拼接而成的基本钢结构组件（3）；

基本钢结构组件（3）包括两侧横向和纵向交叉布置的钢壁，钢壁由两块平行布置的钢板（31）组成，钢板（31）的内壁上焊接有带孔PBL钢板（32），带孔PBL钢板（32）上设置有横穿带孔PBL钢板（32）的PBL钢筋（33），钢板（31）的内壁均匀布置剪力钉（34）；

拼接成一体的基本钢结构组件（3）中最外侧的钢板形成矩形沉井钢构的钢外壁（4），其余位置的钢板形成矩形沉井钢构的钢内壁（5），矩形沉井钢构中钢内壁（5）上横向钢板和纵向钢板的交点处通过角钢拉结；

所述的带孔PBL钢板（32）之间绑扎有纵横分布的钢筋网（35），钢筋网（35）采用直径12-25mm的钢筋，其中，纵向钢筋间距为150-200mm，横向钢筋间距为200-300mm；

所述的基本钢结构组件（3）包括“L形”钢结构组件（3a）、“十字形”钢结构组件(3b)以及“T形”钢结构组件(3c)；

钢混组合结构沉井段（2）底部设置双向预应力钢筋，使得沉井底部成为预应力结构。

2.根据权利要求1所述的一种超大平面尺寸沉井基础结构，其特征在于，所述的剪力钉（34）焊接在钢板（31）的内壁上，剪力钉（34）之间的水平间距为150-300mm，竖向间距为150-300mm。

3.根据权利要求1所述的一种超大平面尺寸沉井基础结构，其特征在于，所述的横向钢板和纵向钢板的交点处的角钢包括两端分别焊接在相交钢板上的支撑角钢（6）以及连接支撑角钢（6）的加强角钢（7），支撑角钢（6）在沉井的竖截面上呈梅花形布置。

4.根据权利要求1所述的一种超大平面尺寸沉井基础结构，其特征在于，所述的钢外壁（4）的底部设置有刃脚I（8），钢内壁（5）的底部设置有刃脚II（9），所述的刃脚I（8）和钢外壁（4）之间、刃脚II（9）和钢内壁（5）之间均设置有凸缘（10），其中，刃脚I（8）的下端为单侧斜尖状，其斜面宽度为150-400mm；刃脚II（9）的下端是两侧为斜面的箭头状，箭头的角度为25-60°，刃脚II（9）箭尾的宽度为1.2-1.5m。

5.根据权利要求4所述的一种超大平面尺寸沉井基础结构，其特征在于，所述的凸缘（10）在竖向的高度为2-5m，凸缘（10）凸出井壁宽度300-600mm，凸缘（10）上端距离刃脚的距离为封底混凝土厚度加上1-3m。

6.根据权利要求1所述的一种超大平面尺寸沉井基础结构，其特征在于，所述的钢内壁（5）中钢板（31）之间的距离为1.0-2.0m，钢外壁（4）中钢板（31）之间的距离为1.6-3.0m。

7.根据权利要求1所述的一种超大平面尺寸沉井基础结构，其特征在于，所述的横穿带孔PBL钢板（32）的PBL钢筋（33）为II级以上钢筋。

8.如权利要求1-7任一所述的一种超大平面尺寸沉井基础结构的施工方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1、预制钢结构组件：根据沉井尺寸，确定基本钢结构组件（3）的尺寸及拼装组合方式并制作好基本钢结构组件（3），每个组件高度按节分段，节段高度取3m-5m，在工厂预制，预制单面钢板在焊接带孔PBL钢板后穿PBL钢筋；

S2、现场模块化拼装：将制作好基本钢结构组件（3）运输到现场然后定位拼装，拼装时先吊装一个角的一个组件，进行纵、横、高度方向定位调整，并进行固定，然后以吊装好的角组件作为定位基准，再由这个角扩散往四周拼装组件，每拼装一个组件，就在拼装好的组件中铺设钢筋网，穿筋完成后联结组件间的钢筋形成钢筋网，钢筋铺设完成后就进行组件间钢板的焊接，焊接时先点焊定位，再满焊，依次将整个平面拼装完成，平面内拼装完成后，逐层往上进行立面拼装；

S3、当钢混组合结构沉井段（2）中的钢构拼装完成后，往钢构内部浇筑混凝土，根据高度可分层浇筑混凝土，混凝土浇筑完成后，并达到设计强度后，开始沉井基础的初始下沉施工，当沉井基础下沉至一定深度至整体稳定后，停止下沉，待沉井稳定后施工钢混组合结构沉井段其上的钢筋混凝土沉井段（1），即接高沉井，接高沉井完成后继续下沉施工直至沉井底部达到设计标高；

S4、在沉井基础结构的底部达到设计标高并稳定后，在沉井底部浇筑封底混凝土，在封底混凝土达到设计强度后，然后依次在钢混组合结构沉井段（2）和钢筋混凝土沉井段（1）各仓室中填充混凝土、沙石或清水压重沉井基础。