專利名稱：空氣幕沉井基礎(chǔ)及其施工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種空氣幕沉井基礎(chǔ)及其施工方法，屬于橋梁基礎(chǔ)施工技術(shù)領(lǐng)域。
空氣幕沉井是利用預(yù)埋在井壁中的管路及外壁上的氣龕向周圍施加高壓空氣，以減少井壁與土壤的摩阻力，使沉井順利下沉?？諝饽怀辆A(chǔ)施工方法適用于各種用途的沉井基礎(chǔ)施工，尤其適用于地下水位較高的砂類土和粘性土層。空氣幕沉井基礎(chǔ)施工方法可以為岸上施工，也可為水上施工，不受水深的限制。
背景技術(shù)：
在砂類土和粘性土層等軟土地基中，沉井對提高基礎(chǔ)的承載力、阻擋邊坡滑移、截斷地基滲流以及抗沖刷是一種安全可靠的結(jié)構(gòu)。但其最大的缺點是傳統(tǒng)設(shè)計僅借助沉井結(jié)構(gòu)自重克服基礎(chǔ)土體對井壁的摩擦阻力而下沉。因此，隨著下沉深度增加除了接長現(xiàn)澆井壁的外露長度，還得增加井壁厚度來增加自重以克服因下沉深度增加而增加的井壁摩擦阻力。按這種原理設(shè)計沉井，沉井結(jié)構(gòu)尺寸龐大，消耗建筑材料多，結(jié)構(gòu)自重大，且難以加快施工進度。
其次、常規(guī)沉井施工糾偏方法有如下幾種偏吸泥或偏除土、偏壓重、施加水平力、外射水等。雖然上述糾偏方法糾偏效果尚可，但在不同程度上存在以下問題，其中偏吸泥或偏除土方法完成后，對刃腳下除土和保留土情況須由潛水員水下探明后才得以知曉；偏壓重方法須在沉井頂部設(shè)置一較強的水平挑梁及偏壓重物以形成較大的糾偏力矩，輔助工作較為繁瑣。加水平力法通常采用鋼絲繩、滑車組，隨著沉井的下沉鋼絲繩拉緊，沉井糾偏效果好，但沉井接高時必須解除水平拉力體系，沉井失去了最佳糾偏狀態(tài)，接高后，即使收緊鋼絲繩至預(yù)設(shè)拉力，下沉糾偏效果顯著性也較差。
本發(fā)明的目的是針對以上現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種軟土地基中沉井基礎(chǔ)及其施工方法，即空氣幕沉井基礎(chǔ)及其施工方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種空氣幕沉井基礎(chǔ)及其施工方法，其特點是通過預(yù)埋在井壁內(nèi)的氣管向預(yù)先鉆制在水平管上的小孔送風(fēng)，有壓氣流從小孔向井壁外噴射氣流沿外井壁上升，帶動周圍沙粒翻滾，促進井壁周圍的砂類土局部液化，粘性土則形成泥漿薄膜，從而達到減小土壤對井壁表面摩阻的目的，使沉井順利下沉。
空氣幕沉井基礎(chǔ)包括刃腳(11)、沉井側(cè)壁(4)、隔墻(10)、氣龕(7)、環(huán)形管(6)、壁中預(yù)埋豎管(5)、壓風(fēng)機(1)、風(fēng)包(2)以及地面風(fēng)路管(3)等部分。依照施工條件和施工方法，進行分節(jié)制造、接高和下沉。
空氣幕沉井基礎(chǔ)在外形構(gòu)造上與普通沉井相同，但為減輕重量，在部分井壁上設(shè)置預(yù)留孔，并適當(dāng)減小壁厚?？諝饽怀辆趦?nèi)部構(gòu)造上增加了一套壓風(fēng)設(shè)備，壓風(fēng)系統(tǒng)決定著空氣幕的效果，它是由壓風(fēng)機(1)、風(fēng)包(2)、地面風(fēng)路管(3)、壁中預(yù)埋豎管(5)、壁中預(yù)埋環(huán)形管(6)、氣龕(7)等部分組成。壓風(fēng)機是提供高壓氣體的設(shè)備，風(fēng)包貯存高壓氣體，壓氣時防止壓力驟然降低，影響壓氣效果，起到穩(wěn)定風(fēng)壓的作用。井壁內(nèi)預(yù)埋管布置有環(huán)形管和豎管。環(huán)形管是為糾偏而定，噴氣孔(8)即在環(huán)形管上，每根環(huán)形管由一根豎管連接引出井頂。氣龕是由預(yù)埋在沉井外壁上的凹槽和槽中的噴氣孔組成，噴氣孔采用φ1.0mm圓孔氣龕，使壓氣噴出的高壓氣束能擴散并均勻地沿井壁上升，形成氣幕。
空氣幕沉井基礎(chǔ)施工方法，包括沉井就地分段澆注、吸泥下沉、接高、空氣幕下沉，沉井吸泥下沉、沉井糾偏技術(shù)，清基、封底等關(guān)鍵工藝技術(shù)。
空氣幕沉井基礎(chǔ)施工方法在沉井就地分段澆注、吸泥下沉、接高、清基、封底等技術(shù)上與普通混凝土相同，但在空氣幕下沉、沉井糾偏技術(shù)方面優(yōu)于普通沉井基礎(chǔ)。
空氣幕沉井基礎(chǔ)施工方法，按以下步驟進行1、沉井就地澆注底節(jié)、人工挖土自重下沉、沉井接高吸泥下沉按照設(shè)計要求對沉井進行單元劃分，對于岸上或筑島施工的沉井，先場地整平、鋪墊，而對于水中沉井，則搭設(shè)施工操作平臺，接著拼裝鋼刃角、安裝內(nèi)模、綁扎鋼筋、安裝外模，澆注底節(jié)混凝土及養(yǎng)生，待達強度后，挖泥下沉底節(jié)沉井。
立模接高施工沉井，挖泥或吸泥出土，自重下沉。這與普通沉井相同。下沉的初期應(yīng)特別注意選擇井孔吸泥位置，避免沉井傾斜和位移，使沉井平穩(wěn)下沉至穩(wěn)定深度，及時組織澆注次節(jié)混凝土。
2、立模接高沉井，吸泥并壓氣下沉。
沉井在覆蓋層中采用吸泥下沉法，即在井孔內(nèi)采用空氣吸泥機吸出泥沙以降低泥面標(biāo)高，使沉井逐步下沉。吸泥施工時做到沉井內(nèi)泥面均勻降低，為了避免沉井刃腳部分吸空而引起翻砂，在粉砂、細砂層中吸泥時，中間井孔的泥面標(biāo)高一般不得低于刃腳0.7～1m，并控制好井孔內(nèi)水位，四周井孔的泥面不得低于刃腳，同時隔墻下的土應(yīng)吸空，以免擱住影響沉井下沉。
沉井下沉輔助措施采取空氣幕下沉。沉井吸泥下沉?xí)r，對相關(guān)土體壓力、摩阻力、承載力、變形等進行監(jiān)控監(jiān)測，指導(dǎo)安排空氣幕下沉程序。
空氣幕沉井側(cè)面阻力的減小是有時間性的，即壓氣減小，停氣恢復(fù)。這與一般重型沉井及泥漿套沉井只要正面阻力消除到一定程度后就自動下沉不同，因此整個下沉過程中，當(dāng)正面吸泥阻力消除后，還必須及時輔以壓氣，才能收到較好的效果，否則繼續(xù)吸泥，鍋底過深或井內(nèi)外水頭差過大時，不僅沉井不能正常下沉，還可能造成翻砂。
3、沉井下沉偏差的糾正沉井在入土較淺時易發(fā)生傾斜，而且在四個方向都可能出現(xiàn)傾斜情況；入土較深時，漸穩(wěn)定。
糾正傾斜的方法，一般都是在沉井偏高的一側(cè)單獨吸泥，以消除井孔內(nèi)泥面的高差而達到垂直下沉的目的。但此種糾正方法如不能正確掌握，極易使沉井向相反一側(cè)傾斜，形成上下游(或南北向)交替傾斜下沉。究其原因，系由于泥面雖已吸平，但沉井往往仍未恢復(fù)垂直，待繼續(xù)吸泥至恢復(fù)垂直，則相反一方的泥面已吸成深坑，以后即使均勻吸泥，沉井卻又向相反的一側(cè)傾斜。較好的糾正方法是當(dāng)泥面吸平時沉井雖未恢復(fù)垂直狀態(tài)，亦應(yīng)停止單側(cè)吸泥，而改用對稱均勻吸泥。
空氣幕沉井通過分段設(shè)置的環(huán)形管，進行局部壓氣，以造成側(cè)阻不均衡來進行糾偏。沉井一旦發(fā)生偏移，也通過上述措施指導(dǎo)沉井糾偏施工。
施工過程中注意找出傾斜側(cè)的水平管和豎向管，有針對性地關(guān)閉部分閥門，進行局部壓氣，使少量氣體從氣龕中噴出，使該處砂土液化，降低了土壤抗力，使沉井處于側(cè)阻不均衡狀態(tài)，從而達到糾偏效果。
4、沉井吸泥下沉過程中防止翻砂沉井下沉過程中井孔出現(xiàn)輕微翻砂，不一定引起不良后果，但大量翻砂，卻能造成嚴(yán)重事故。翻砂后，沉井外河床下坍，使沉井傾斜。為防止翻砂，應(yīng)嚴(yán)格遵守有關(guān)操作規(guī)程，并注意以下幾點(1)及時掌握沉井內(nèi)部吸泥深度及泥面高差，隨時調(diào)整吸泥部位；(2)嚴(yán)禁在刃腳部位用射水的辦法來促使沉井下沉，即使下沉遇到困難，也要禁止。在四周井孔中射水時，射水管亦不允許向刃腳斜插。
5、沉井清基、封底當(dāng)沉井刃腳下沉至設(shè)計標(biāo)高后，對井孔內(nèi)、刃腳及隔墻下的土層進行清理，以形成封閉的鍋底狀，其鍋底尺寸滿足設(shè)計要求。清基采用射水、吸泥交替進行，注意控制泥面高度以及不要過分?jǐn)_動刃腳下土層，以免引起翻砂，隔墻及井孔下面不應(yīng)有深坑、陡坡、陡坎，同時應(yīng)著重清理沉井的抗剪槽等部位，使之能很好的與封底砼粘結(jié)受力。清基的監(jiān)測由具有深水潛水資質(zhì)的潛水員、或水下攝像、或水下機器人完成。
采用大型混凝土設(shè)備，一次性進行沉井封底。
6、承臺施工承臺按大體積砼方案進行施工，其方法與普通沉井相同。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(1)采用空氣幕沉井對于下沉深沉井取得良好效果(已成功下沉深度50余米)，沉井結(jié)構(gòu)能快速、安全、順利下沉；(2)采用空氣幕沉井因其通過壓氣可減少井壁的摩阻力，故沉井重量可較一般的自重沉井大大減輕，混凝土用量減少達20％以上；(3)空氣幕沉井下沉完畢，井壁的摩阻力和土壤固著力可以恢復(fù)，能保證基礎(chǔ)正常使用；(4)沉井采用分段就地澆注混凝土、吸泥下沉、接高澆注、空氣幕下沉，這種技術(shù)能保證沉井的施工質(zhì)量，加快施工進度，沉井下沉速度按平均臺班下沉量計算提高約60％；(5)空氣幕沉井通過分段設(shè)置的環(huán)形管，進行局部壓氣，以造成側(cè)阻不均衡來進行糾偏。沉井一旦發(fā)生偏移，也通過上述措施指導(dǎo)沉井糾偏施工。


圖1空氣幕沉井和壓氣系統(tǒng)構(gòu)造示意2空氣幕沉井底部平面結(jié)構(gòu)3空氣幕沉井氣龕及水平管路平面布置4空氣幕沉井氣龕布置5空氣幕沉井氣龕構(gòu)造6空氣幕沉井壓風(fēng)系統(tǒng)布置中的1-壓風(fēng)機，2-風(fēng)包，3-地面風(fēng)路管，4-沉井側(cè)壁，5-井壁預(yù)埋豎管，6-井壁預(yù)埋環(huán)形管，7-氣龕，8-噴氣孔，9-沉井底部中空洞，10-沉井中隔墻，11-刃腳，12-φ35mm閥門，13-φ75mm鋼管，14-φ75mm閥門，15-φ50mm閥門，16-LZB20流量計，17-壓力表。
具體實施例方式
對照附圖1，空氣幕沉井和普通沉井在外形結(jié)構(gòu)上相同，由沉井側(cè)壁(4)、中隔墻(10)等砼澆注而成，為在沉井側(cè)壁(4)外壁形成空氣幕，在沉井構(gòu)造上增加了一套壓風(fēng)系統(tǒng)，壓風(fēng)系統(tǒng)決定著空氣幕的效果，它是由壓風(fēng)機(1)、風(fēng)包(2)以及地面風(fēng)管路(3)、壁中預(yù)埋管(5)和(6)、氣龕(7)、氣龕中的φ1mm噴氣孔(8)等組成。
對照附圖2，空氣幕沉井為減少砼用量，減輕自重，在沉井底節(jié)側(cè)壁(4)上設(shè)置中空洞(9)，并適當(dāng)減小壁厚。
對照附圖3，空氣幕沉井在水平面根據(jù)周邊土層的摩阻不同，自上而下在井壁(4)內(nèi)預(yù)埋水平環(huán)形φ25mm硬塑管(6)。
對照附圖4，氣龕(7)密度對壓風(fēng)效果影響很大，氣龕(7)密度大則壓風(fēng)效果好。氣龕(7)的布置密度是根據(jù)沉井重率、下沉深度、地質(zhì)情況等因素而定。
為了防止氣流從沉井上下泄漏掉，在井頂上部5m及刃尖以上2～3m范圍內(nèi)未布置氣龕(7)。氣龕(7)上稀下密，呈梅花型布置，壓氣下沉效果顯著。
對照附圖5，空氣幕之所以能減小阻力，關(guān)鍵是由于氣龕(7)噴出氣體的作用。氣龕7是預(yù)埋在沉井外壁(4)上的凹槽及槽中的噴氣孔(8)，噴氣孔(8)采用φ1.0mm圓孔氣龕，使壓氣噴出的高壓氣束能擴散并均勻地沿井壁上升，形成氣幕。
對照附圖6，壓風(fēng)系統(tǒng)決定著空氣幕的效果，它是由氣閥(12)、(14)、(15)，氣體流通管路(14)，流量計(16)，壓力表(17)，壁中預(yù)埋管(5)、(6)，壓風(fēng)機、風(fēng)包以及地面風(fēng)管路等部分組成。
權(quán)利要求
1.空氣幕沉井基礎(chǔ)，其特征在于由刃腳(11)、沉井側(cè)壁(4)、隔墻(10)和壓風(fēng)系統(tǒng)組成，壓風(fēng)系統(tǒng)由壓風(fēng)機(1)、風(fēng)包(2)、地面風(fēng)管路(3)、壁中預(yù)埋豎管(5)、壁中預(yù)埋環(huán)形管(6)以及氣龕(7)組成，噴氣孔(8)設(shè)置在壁中預(yù)埋環(huán)形管(6)上，壁中預(yù)埋環(huán)形管(6)由壁中預(yù)埋豎管(5)連接引出至井頂并同地面風(fēng)路管相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空氣幕沉井基礎(chǔ)，其特征在于氣龕(7)是由預(yù)埋在沉井外壁上的凹槽和槽中的噴氣孔(8)組成，噴氣孔采用φ1.0mm圓孔氣龕，使壓氣噴出的高壓氣束能擴散并均勻地沿井壁上升，形成氣幕。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空氣幕沉井基礎(chǔ)，其特征在于在沉井側(cè)壁(4)上設(shè)置中空洞(9)，并適當(dāng)減小沉井壁厚。
4.權(quán)利要求1所述的空氣幕沉井基礎(chǔ)的施工方法，其特征在于按以下步驟進行①布置施工場地、設(shè)施，就地澆注沉井底節(jié)，②人工挖土自重下沉，③沉井接高吸泥下沉，④接高沉井吸泥并空氣幕壓氣下沉，⑤沉井吸泥下沉、沉井糾偏技術(shù)，⑥清基、封底，進行承臺施工。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的空氣幕沉井基礎(chǔ)施工方法，其特征在于適用于砂類土和粘性土等軟土地基，該施工方法可為岸上施工，也可為水上施工，不受水深的限制。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的空氣幕沉井基礎(chǔ)施工方法，其特征在于利用預(yù)埋在井壁中的管路及外壁上的氣龕向周圍施加高壓空氣，使該處砂土液化，以減少井壁與土壤的摩阻力，使沉井順利下沉。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的空氣幕沉井基礎(chǔ)施工方法，其特征在于在澆注圍堰時在圍堰內(nèi)預(yù)埋環(huán)形管、豎向管，通過分段設(shè)置的環(huán)形管，進行局部壓氣，以造成側(cè)阻不均衡來進行糾偏。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的空氣幕沉井基礎(chǔ)施工方法，其特征在于初期以吸泥下沉為主，后期圍堰內(nèi)側(cè)吸泥、外側(cè)壓氣形成空氣幕，吸泥過程中及時掌握沉井內(nèi)部吸泥深度及泥面高差，隨時調(diào)整吸泥部位，以防出現(xiàn)翻砂現(xiàn)象。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的空氣幕沉井基礎(chǔ)施工方法，其特征在于清基采用射水、吸泥交替進行，以形成封閉的鍋底狀，其鍋底尺寸滿足設(shè)計要求。
全文摘要
空氣幕沉井基礎(chǔ)及其施工方法，屬于橋梁基礎(chǔ)施工技術(shù)領(lǐng)域?？諝饽怀辆抢妙A(yù)埋在井壁中的管路及外壁上的氣龕向周圍施加高壓空氣，以減少井壁與土壤的摩阻力，使沉井順利下沉?？諝饽怀辆A(chǔ)施工方法，包括沉井就地分段澆注、吸泥下沉、接高、空氣幕下沉，沉井吸泥下沉、沉井糾偏技術(shù)，清基、封底等關(guān)鍵步驟。本發(fā)明適用于各種用途的沉井基礎(chǔ)施工，尤其適用于有一定含水量的砂類土和粘性土層?？諝饽怀辆A(chǔ)施工方法可以為岸上施工，也可為水上施工，不受水深的限制。
文檔編號E02D23/14GK101078218SQ20071005256
公開日2007年11月28日 申請日期2007年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月27日
發(fā)明者羅瑞華, 農(nóng)代培, 沈慶龍, 陳衛(wèi)成, 辛斌, 楊柳青, 童林鴻, 李麗華, 王立忠, 馬濤, 萬方, 陶履元, 薛富華, 李家咸, 王啟愚, 趙煜澄 申請人:中鐵大橋局股份有限公司