CN109098201A - 一种超大平面面积部分预应力混凝土沉井基础及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超大平面面积部分预应力混凝土沉井基础及其施工方法，包括下部的首节部分预应力混凝土沉井段和位于其上的接高部分预应力混凝土或普通钢筋混凝土沉井段，首节部分预应力混凝土沉井段（1）采用部分预应力混凝土结构，布置有预应力钢束的中部纵横向内隔墙形成部分预应力“十字”梁,该“十字梁”与同样布置预应力的井墙形成能有效抵御复杂的受力工况的部分预应力混凝土“梁格”，首节沉井下沉至指定位置，再接高后续各个标准节段并依次下沉至指定位置，直至完成终沉。本发明提高了采用“大锅底”开挖下沉中沉井结构安全性与抗开裂性能，特别适用于4000‑10000m²的大型矩形、圆形、椭圆形、端圆形沉井基础。

Description

一种超大平面面积部分预应力混凝土沉井基础及其施工方法

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面积部分预应力混凝土沉井基础及其施工方法。

背景技术

目前工程上常用的沉井有钢沉井、钢壳混凝土、低标号的钢筋混凝土沉井等，对于大型桥梁沉井基础，随着沉井平面面积的增加，沉井下地基土不均匀性的影响越发显著，施工过程中受力复杂，开裂等问题显著增加。大型沉井基础若采用传统的“大锅底”开挖下沉时，由于其相对高度小而竖向抗弯刚度较小（大型沉井巨大的平面尺寸更加剧了此效应），沉井结构在自重作用下隔墙底部混凝土结构受力很大，会发生大范围开裂现象，危及沉井结构的安全并影响其耐久性。因此，如何对4000-10000m²的大型矩形、圆形、椭圆形、端圆形沉井基础，尤其是采用 “大锅底”开挖下沉沉井基础进行抗裂设计成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种超大平面面积部分预应力混凝土沉井基础及其施工方法，能提高4000-10000m²的大型矩形、圆形、椭圆形、端圆形沉井基础采用“大锅底”开挖下沉中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： 一种超大平面面积部分预应力混凝土沉井基础，它包括下部的首节部分预应力混凝土沉井段和位于其上的接高部分预应力混凝土或普通钢筋混凝土沉井段，其中，首节部分预应力混凝土沉井段采用部分预应力混凝土结构，该结构由布置在沉井四周的井墙和纵横交叉布置在沉井中部的内隔墙组成，其中，所述井墙和内隔墙均采用C40-C60高强度等级混凝土配合后张法预应力体系，井墙和内隔墙中设置有预应力钢束, 布置有预应力钢束的中部纵横向内隔墙形成部分预应力“十字”梁, 该“十字梁”与同样布置预应力的四周井墙形成能有效抵御复杂的受力工况的部分预应力混凝土“梁格”。

所述的首节部分预应力混凝土沉井段的底部设置有钢刃脚，首节部分预应力混凝土沉井段的中上部设置有双凸缘构造。

所述的首节部分预应力混凝土沉井段在矩形沉井首节四角点支撑、圆形沉井首节四点支撑、端圆形或椭圆形园端部支撑的工况下，其井墙的预应力度为允许拉应力但不开裂，对应为A类预应力构件，内隔墙预应力度为允许开裂但裂缝宽度不超限，对应为B类预应力构件。

所述的接高部分预应力混凝土或普通钢筋混凝土沉井段的预应力混凝土沉井结构或者钢筋混凝土沉井结构由布置在沉井四周的井墙和布置在沉井中部的内隔墙组成，接高部分预应力混凝土或普通钢筋混凝土沉井段的井墙和内隔墙分别与首节部分预应力混凝土沉井段的井墙和内隔墙匹配，其中，预应力混凝土沉井结构的井墙和内隔墙中根据沉井结构需要设置或不设置预应力钢束。

所述的首节部分预应力混凝土沉井段四周井墙底部的外包钢刃脚为内侧单斜坡刃脚，内隔墙底部的外包钢刃脚为两侧斜坡刃脚，首节部分预应力混凝土沉井段四周井墙和内隔墙底部的外包钢刃脚均采外包1-3cm厚的钢板的钢筋混凝土结构，该外包钢板内侧焊接普通钢筋或搭接加强钢板与内部混凝土钢筋网相连。

所述的首节部分预应力混凝土沉井段四周井墙中下部内侧布置双凸缘构造，首节部分预应力混凝土沉井段内隔墙中下部两侧布置双凸缘构造，且在所述双凸缘构造的凸缘内布置有加强钢筋形成圈梁结构，双凸缘构造的作用在于嵌固沉井就位后浇筑的封底混凝土使之与首节沉井结构的有效连接，并提升首节沉井结构的整体性、承载能力及抗裂性能。

所述的预应力钢束布置于四周井墙及中部内隔墙墙体的底部，并分散锚固于井墙的墙端部，所述的预应力钢束呈向井墙的两端向上弯起的方式布置，采用后张法进行张拉，其中，首节部分预应力混凝土沉井段中的预应力钢束于刃脚上方35cm-200cm处张拉，多排布置，一排布置2-4束，每束包含7-19根公称直径15.2mm预应力钢绞线，该预应力钢绞线的抗拉强度为1720-1960MPa。

所述的四周井墙及中部内隔墙墙体中布置预应力钢束的保护层的厚度不小于0.2m，同时该预应力钢束弯起点距端部锚固点距离不小于2m，弯起角度不大于30度。

所述的接高部分预应力混凝土或普通钢筋混凝土沉井段上浇筑有沉井盖板。

一种超大平面面积部分预应力混凝土沉井基础的施工方法，它包含以下步骤：

S1、根据工程需求设计平面面积为4000-10000m²的大型重力式沉井基础尺寸，确定沉井纵横向隔墙的数量；

S2、根据纵横向隔墙的数量确定出沉井仓室数量，平面面积相对较小的单井仓的预应力钢绞线采用“十字”形布置，平面面积相对较大的双井仓的预应力钢绞线采用“双十字”形布置；

S3、根据沉井仓室数量来确定首节部分预应力混凝土沉井段和接高部分预应力混凝土或普通钢筋混凝土沉井段的长度；

S4、安装沉井支架、模板、钢刃脚及预应力塑料波纹管，绑扎钢筋并浇筑沉井初首节部分预应力混凝土沉井段混凝土，混凝土养护完成后采用后张法张拉预应力钢脚线并锚固；

S5、各井孔同时开挖取土，形成中间深四周浅的“大锅底”支承条件，首节沉井段初始下沉至指定标高，之后接高第一个标准节段至指定标高，以此循环，最终达到沉井终沉，混凝土封底，填充并浇筑井盖。

本发明的有益效果是：1、适用于平面面积为4000-10000m2的大型矩形、圆形、椭圆形、端圆形沉井基础，尤其是采用传统“大锅底”开挖下沉的沉井基础。2、克服了传统“大锅底”下沉方法的缺点，能充分发挥“大锅底”开挖下沉的优势。既能保证沉井结构的受力安全，又能在下沉全过程采用“大锅底”下沉，加快了沉井下沉速度，从而减少工期并降低施工整体费用。3、引入部分预应力体系，增强了沉井结构的整体性与抗裂性，有利于沉井结构的安全性及耐久性。4、在井壁底部区域增设预应力钢绞线，还可抵御基底土体局部坍塌、翻砂等施工风险，从而使大型沉井结构安全、快速地下沉至指定位置。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明两侧斜坡刃脚的结构示意图；

图3为本发明内侧单斜坡刃脚的结构示意图；

图4为本发明矩形单“十字”预应力钢束布置平面示意图；

图5为本发明矩形双“十字”预应力钢束布置平面示意图；

图6为本发明椭圆单“十字”预应力钢束布置平面示意图。

图中，1—首节部分预应力混凝土沉井段，2—接高部分预应力混凝土或普通钢筋混凝土沉井段，3—预应力钢束，4—两侧斜坡刃脚，5—内侧单斜坡刃脚，6-沉井盖板，7-内部混凝土钢筋网，8-墙端部。

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所示，一种超大平面面积部分预应力混凝土沉井基础，它包括下部的首节部分预应力混凝土沉井段1和位于其上的接高部分预应力混凝土或普通钢筋混凝土沉井段2，其中，首节部分预应力混凝土沉井段1采用部分预应力混凝土结构，该结构由布置在沉井四周的井墙和纵横交叉布置在沉井中部的内隔墙组成，其中，所述井墙和内隔墙均采用C40-C60高强度等级混凝土配合后张法预应力体系，纵横交叉布置的内隔墙将沉井分隔很多仓室，为加强结构，有效的增强了沉井的稳定性，井墙和内隔墙中设置有预应力钢束3, 布置有预应力钢束的中部纵横向内隔墙形成部分预应力“十字”梁, 该“十字梁”与同样布置预应力的四周井墙形成能有效抵御复杂的受力工况的部分预应力混凝土“梁格”。

所述的首节部分预应力混凝土沉井段1四周井墙中下部内侧布置双凸缘构造，首节部分预应力混凝土沉井段1内隔墙中下部两侧布置双凸缘构造，且在所述双凸缘构造的凸缘内布置有加强钢筋形成圈梁结构，双凸缘构造的作用在于嵌固沉井就位后浇筑的封底混凝土使之与首节沉井结构的有效连接，并提升首节沉井结构的整体性、承载能力及抗裂性能。

所述的首节部分预应力混凝土沉井段1在矩形沉井首节四角点支撑、圆形沉井首节四点支撑、端圆形或椭圆形园端部支撑的工况下，其井墙的预应力度为允许拉应力但不开裂，对应为A类预应力构件，内隔墙预应力度为允许开裂但裂缝宽度不超限，对应为B类预应力构件。

所述的接高部分预应力混凝土或普通钢筋混凝土沉井段2的预应力混凝土沉井结构或者钢筋混凝土沉井结构由布置在沉井四周的井墙和布置在沉井中部的内隔墙组成，接高部分预应力混凝土或普通钢筋混凝土沉井段2的井墙和内隔墙分别与首节部分预应力混凝土沉井段的井墙和内隔墙匹配，其中，预应力混凝土沉井结构的井墙和内隔墙中根据沉井结构需要设置或不设置预应力钢束。

如图2、图3所示，所述的首节部分预应力混凝土沉井段四周井墙底部的外包钢刃脚为内侧单斜坡刃脚5，内隔墙底部的外包钢刃脚为两侧斜坡刃脚4，首节部分预应力混凝土沉井段四周井墙和内隔墙底部的外包钢刃脚均采外包1-3cm厚的钢板的钢筋混凝土结构，该外包钢板内侧焊接普通钢筋或搭接加强钢板与内部混凝土钢筋网7相连。

所述的预应力钢束3布置于四周井墙及中部内隔墙墙体的底部，并分散锚固于井墙的墙端部8，所述的预应力钢束呈向井墙的两端向上弯起的方式布置，采用后张法进行张拉，其中，首节部分预应力混凝土沉井段1中的预应力钢束3于刃脚上方35cm-200cm处张拉，多排布置，一排布置2-4束，每束包含7-19根公称直径15.2mm预应力钢绞线，该预应力钢绞线的抗拉强度为1720-1960MPa。

所述的预应力钢绞线具体布置的数量应结合沉井结构特点、有限元计算结果及现场施工情况确定，具体的预应力钢绞线布置数量应结合有限元计算结果、沉井结构特点及现场施工情况确定。此外，为抵御基底土体局部坍塌、翻砂等施工风险，可沿井壁底部区域适当增加、多布置预应力钢绞线。

所述的四周井墙及中部内隔墙墙体中布置预应力钢束的保护层的厚度不小于0.2m，同时该预应力钢束弯起点距端部锚固点距离不小于2m，弯起角度不大于30度。

优选的，所述的接高部分预应力混凝土或普通钢筋混凝土沉井段2上浇筑有沉井盖板6。

上述沉井基础，所述部分预应力混凝土沉井结构适用于平面面积为4000-10000m2的大型矩形、圆形、椭圆形、端圆形沉井基础，尤其是采用传统“大锅底”下沉方法的大型沉井基础。所述下部的部分预应力混凝土沉井结构采用C40-C60高强度等级混凝土配合后张法预应力体系，主要布置在沉井首节的四周井墙及中部内隔墙的底部，选取布置预应力的中部内隔墙形成“十字”梁，与同样布置预应力的四周井墙形成部分预应力“梁格”，有效抵御复杂的受力工况。预应力钢束布置于四周井墙及中部内隔墙墙体中部的底部，并在墙的两端向上弯起分散锚固于墙端部。

同时上述沉井基础，所述部分预应力体系主要布置在沉井初沉节段上，后续标准段根据下沉时沉井结构的受力特点并结合有限元计算结果决定是否布置预应力。所述预应力钢绞线在沉井隔墙底部处进行布置。所述预应力钢绞线向下弯曲，并按抛物线或样条曲线进行布置并张拉。

一种超大平面面积部分预应力混凝土沉井基础的施工方法，它包含以下步骤：

S1、根据工程需求设计平面面积为4000-10000m²的大型重力式沉井基础尺寸，确定沉井纵横向隔墙的数量；

S2、根据纵横向隔墙的数量确定出沉井仓室数量，根据井仓数量合理选取钢绞线布置方式，图4-6中H1-H3为横墙编号，Z1-Z4为纵墙编号。在外隔墙和纵横内隔墙最中间一列或两列（Z1和K1）的隔墙底部布置预应力钢绞线，沉井外墙布置预应力钢绞线，圆形或椭圆形沉井采用“十字”形布置。平面面积相对较小的单井仓的预应力钢绞线采用“十字”形布置，平面面积相对较大的双井仓的预应力钢绞线采用“双十字”形布置；如图4所示，该结构为矩形单“十字”预应力钢束布置平面示意图，如图5所示，该结构为矩形双“十字”预应力钢束布置平面示意图，如图6所示，该结构为椭圆单“十字”预应力钢束布置平面示意图。

S3、根据沉井仓室数量来确定首节部分预应力混凝土沉井段和接高部分预应力混凝土或普通钢筋混凝土沉井段的长度；钢绞线布置方式根据井仓数量合理选取“十字”形布置、“双十字”形布置设置“多十字”形布置的布置方式，即在外隔墙和纵横内隔墙最中间一列或两列的隔墙底部布置预应力钢绞线，沉井外墙布置预应力钢绞线。具体的预应力钢绞线布置数量应结合有限元计算结果、沉井结构特点及现场施工情况确定，同时，可沿井壁底部区域多布置预应力钢绞线，进而在支座混凝土时使用预应力束塑料波纹管预留预应力孔道，孔道预留时根据具体沉井所需的预应力钢绞线的束数进行设置。刃脚设计时，刃脚上方设置两排凸榫，刃脚下端为钢结构；

S4、安装沉井支架、模板、钢刃脚及预应力塑料波纹管，绑扎钢筋并浇筑沉井初首节部分预应力混凝土沉井段混凝土，混凝土养护完成后采用后张法张拉预应力钢脚线并锚固；

S5、各井孔同时开挖取土，形成中间深四周浅的“大锅底”支承条件，首节沉井段初始下沉至指定标高，之后接高第一个标准节段至指定标高，以此循环，最终达到沉井终沉，混凝土封底，填充并浇筑井盖。所述沉井在首节沉井下沉就位后，在其上浇筑接高沉井结构，接高沉井段根据下沉时沉井结构的受力特点并结合有限元计算结果不布置或布置一定量预应力钢束。

本发明的部分预应力体系主要布置在首节部分预应力混凝土沉井段1(初沉节段)中，其接高部分预应力混凝土或普通钢筋混凝土沉井段2(标准节段)根据沉井结构在“大锅底”下沉时的受力特点结合有限元计算结果不布置或少布置预应力；所述部分预应力体系由隔墙及井壁底部布置的预应力钢所述沉井下沉方法采用多次接高分节段下沉法，即先下沉初沉节段至指定位置，再接高后续各个标准节段并依次下沉至指定位置，直至完成终沉。所述预应力钢绞线在沉井隔墙底部的纵、横向均进行布置，平面面积相对较小的单井仓的预应力钢绞线采用“十字”形布置，平面面积相对较大的双井仓的预应力钢绞线采用“双十字”形布置。

本发明的结构具有优良的抗裂性能。所述大型沉井基础可以在下沉全过程中采用“大锅底”开挖，可方便施工并加快下沉和施工速度；由于沉井结构中部分预应力体系的存在，沉井结构的安全性亦可得到保障；引入部分预应力体系后，沉井在下沉过程中，受力更加合理，在开挖不均匀、基底土体坍塌异常工况下的抗开裂性能显著提高，井格平面可以设计得更大，方便施工，降低造价。

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 (9)

1.一种超大平面面积部分预应力混凝土沉井基础，其特征在于，它包括下部的首节部分预应力混凝土沉井段（1）和位于其上的接高部分预应力混凝土或普通钢筋混凝土沉井段（2），其中，首节部分预应力混凝土沉井段（1）采用部分预应力混凝土结构，该结构由布置在沉井四周的井墙和纵横交叉布置在沉井中部的内隔墙组成，其中，所述井墙和内隔墙均采用C40-C60高强度等级混凝土配合后张法预应力体系，井墙和内隔墙中设置有预应力钢束（3）, 布置有预应力钢束的中部纵横向内隔墙形成部分预应力“十字”梁, 该“十字梁”与同样布置预应力的四周井墙形成能有效抵御复杂的受力工况的部分预应力混凝土“梁格”。

2.根据要求要求1所述的一种超大平面面积部分预应力混凝土沉井基础，其特征在于，所述的首节部分预应力混凝土沉井段（1）的底部设置有钢刃脚，首节部分预应力混凝土沉井段（1）的中上部设置有双凸缘构造。

3.根据要求要求1所述的一种超大平面面积部分预应力混凝土沉井基础，其特征在于，所述的首节部分预应力混凝土沉井段（1）在矩形沉井首节四角点支撑、圆形沉井首节四点支撑、端圆形或椭圆形园端部支撑的工况下，其井墙的预应力度为允许拉应力但不开裂，对应为A类预应力构件，内隔墙预应力度为允许开裂但裂缝宽度不超限，对应为B类预应力构件。

4.根据权利要求1所述的一种超大平面面积部分预应力混凝土沉井基础，其特征在于，所述的接高部分预应力混凝土或普通钢筋混凝土沉井段（2）的预应力混凝土沉井结构或者钢筋混凝土沉井结构由布置在沉井四周的井墙和布置在沉井中部的内隔墙组成，接高部分预应力混凝土或普通钢筋混凝土沉井段（2）的井墙和内隔墙分别与首节部分预应力混凝土沉井段的井墙和内隔墙匹配，其中，预应力混凝土沉井结构的井墙和内隔墙中根据沉井结构需要设置或不设置预应力钢束。

5.根据权利要求2所述的一种超大平面面积部分预应力混凝土沉井基础，其特征在于，所述的首节部分预应力混凝土沉井段四周井墙底部的外包钢刃脚为内侧单斜坡刃脚（5），内隔墙底部的外包钢刃脚为两侧斜坡刃脚（4），首节部分预应力混凝土沉井段四周井墙和内隔墙底部的外包钢刃脚均采外包1-3cm厚的钢板的钢筋混凝土结构，该外包钢板内侧焊接普通钢筋或搭接加强钢板与内部混凝土钢筋网（7）相连。

6.根据权利要求2所述的一种超大平面面积部分预应力混凝土沉井基础，其特征在于，所述的首节部分预应力混凝土沉井段（1）四周井墙中下部内侧布置双凸缘构造，首节部分预应力混凝土沉井段（1）内隔墙中下部两侧布置双凸缘构造，且在所述双凸缘构造的凸缘内布置有加强钢筋形成圈梁结构，双凸缘构造的作用在于嵌固沉井就位后浇筑的封底混凝土使之与首节沉井结构的有效连接，并提升首节沉井结构的整体性、承载能力及抗裂性能。

7.根据权利要求1或2所述的一种超大平面面积部分预应力混凝土沉井基础，其特征在于，所述的预应力钢束（3）布置于四周井墙及中部内隔墙墙体的底部，并分散锚固于井墙的墙端部（8），所述的预应力钢束呈向井墙的两端向上弯起的方式布置，采用后张法进行张拉，其中，首节部分预应力混凝土沉井段（1）中的预应力钢束（3）于刃脚上方35cm-200cm处张拉，多排布置，一排布置2-4束，每束包含7-19根公称直径15.2mm预应力钢绞线，该预应力钢绞线的抗拉强度为1720-1960MPa。

8.根据权利要求6所述的一种超大平面面积部分预应力混凝土沉井基础，其特征在于，所述的四周井墙及中部内隔墙墙体中布置预应力钢束的保护层的厚度不小于0.2m，同时该预应力钢束弯起点距端部锚固点距离不小于2m，弯起角度不大于30度。

9.根据权利要求1-8任一所述的一种超大平面面积部分预应力混凝土沉井基础的施工方法，其特征在于，它包括以下步骤,

S1、根据工程需求设计平面面积为4000-10000m²的大型重力式沉井基础尺寸，确定沉井纵横向隔墙的数量；

S2、根据纵横向隔墙的数量确定出沉井仓室数量；

S3、根据沉井仓室数量来确定首节部分预应力混凝土沉井段和接高部分预应力混凝土或普通钢筋混凝土沉井段的长度；

S4、安装沉井支架、模板、钢刃脚及预应力塑料波纹管，绑扎钢筋并浇筑沉井初首节部分预应力混凝土沉井段混凝土，混凝土养护完成后采用后张法张拉预应力钢脚线并锚固；

S5、各井孔同时开挖取土，形成中间深四周浅的“大锅底”支承条件，首节沉井段初始下沉至指定标高，之后接高第一个标准节段至指定标高，以此循环，最终达到沉井终沉，混凝土封底，填充并浇筑井盖。