徒骇河沉井方案改.docx

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徒骇河沉井方案改

水中承台施工沉箱设计方案

------京沪高速铁路德禹特大桥徒骇河施工沉箱设计

一、工程概况

京沪高速铁路德禹特大桥跨越徒骇河设计为四个水中墩基础，徒骇河为季节性河道，主要用于农田灌溉、排泄沥涝。

河面宽度大约为140m。

线路与徒骇河斜交，河与线路中心线夹角为81°。

水中墩号分别O56#、O57#、O58#、O59#。

矩形台阶式承台，下台高度2米，上台高度1.5米，底台平面尺寸为11m×8m。

徒骇河水中桩基础采用筑岛围堰进行施工，水中承台基坑开挖深度约为8m（最大深度），拟采用薄壁钢筋砼沉箱进行承台施工。

二、沉箱设计有关说明

（一）徒骇河水文数据

徒骇河参数一览表

位置

标高（m）

位置

标高（m）

备注

徒骇河南河堤

22.6

一般冲刷线

11.99

徒骇河北河堤

23.0

局部冲刷线

9.67

流速

1362m3/s

两河堤外脚之间宽度

390m

河流最高水位

21.06m

（施工期间）水深

2.5m

筑岛高程

16.8m（最大）

（二）施工承台有关数据

施工承台参数一览表

位置

标高（m）

位置

标高（m）

备注

O56＃承台底

9.73

O56＃承台顶

13.23

O57＃承台底

9.21

O57＃承台顶

12.71

开挖最深

O58＃承台底

9.67

O58＃承台顶

13.17

O59＃承台底

11.60

O59＃承台顶

15.10

河床高程

计算以每个承台的顶面高程考虑

承台设计尺寸

底台11m×8m×2.0m,加台尺寸8m×4.5m×1.5m。

（三）设计参考依据

1、《德禹特大桥京沪高京徐施桥-05（O）段》图纸；

2、同济大学出版社《沉井设计与施工》，作者：

段良策，殷奇；

3、《铁路桥涵地基和基础设计规范》。

（四）拟定沉箱设计尺寸

拟采用薄壁矩形沉箱（就地浇筑下沉沉井）进行承台施工，尺寸为11.3m×8.3m×8m，井壁内侧做成台阶式，分四节制造和下沉，长度11.3m，宽度8.3m，厚度0.15～0.3m；沉井材料：

混凝土采用C35（搅拌时掺入早强剂），钢筋采用热轧钢筋HRB335φ12、φ20，横向钢筋间距15cm、20cm、25cm，其中刃脚钢筋间距20cm；竖向钢筋间距40cm，起架立筋作用；混凝土和钢筋总数量根据承台情况而定，

四、设计思路及要点

㈠设计总体思路

德禹特大桥O56#、O57#、O58#、O59#承台设计埋深较大，上台阶标高位于河床以下，开挖难度大。

最初拟定采用钢板桩施工开挖方案，根据施工现场实际情况，从技术、经济及安全角度比选，后拟定采用钢筋砼薄壁沉箱进行施工。

采用薄壁沉箱施工有类似工程的施工经验，造价成本较低（与钢板桩施工方案比较），可确保施工安全和施工质量。

㈡沉箱施工流程

筑岛围堰——钻孔桩施工——承台开挖处平整——测量放线承台尺寸线及中心——首节沉箱现场浇筑施工——首节下沉——次节沉箱施工——次节下沉——临时支撑安装——封底砼施工——凿桩头、检测——钢筋绑扎——底台阶施工——拆除临时支撑——上台阶施工。

㈢设计要点

1、确保沉箱结构满足力学要求

沉箱设计荷载按照最不利情况考虑，力学计算图式接近实际情况，沉箱设计厚度及配筋均满足钢筋混凝土设计规范。

同时下沉计算和沉箱纵向弯曲计算不作为结构设计的计算因素。

2、确保沉箱下沉符合现场操作

沉箱设计满足结构要求后，在现场施工过程中，须切实可行，便于操作。

3、确保承台施工满足进度要求

五、施工工艺

1、场地平整

使用挖掘机将承台开挖位置处进行平整，并进行必要的碾压处理，以保证沉箱制作过程中无倾斜，偏位，保证现场整洁，文明。

2、测量定位

按照测量程序进行承台尺寸放样，放样误差控制在5mm之内，打设定位桩，定位桩不少于6点，拉设施工线。

3、刃脚土模板制作

依据施工线，利用土模制作沉箱刃脚，土模内侧施工2cm砂浆抹面。

4、首节沉箱预制

搭设钢筋固定脚手架，绑扎钢筋，立模分两次浇筑首节沉箱。

浇筑完成后，覆盖土工布洒水养护。

5、首节沉箱下沉

采用挖掘机箱内除土下沉，控制下沉量，防止偏移或倾斜，并人工配合除土。

如遇到下沉无法进行时，可附加重物下沉。

6、次节沉箱预制、下沉

注意接茬钢筋处理，保证帮条焊接长度。

由于沉箱不断下沉，摩擦力将增大，现场施工要采取切实可行的助沉方案，可根据实际情况刃脚处高压射水或附载等方式进行下沉。

采用高压射水施工时，应避免对某一位置处长时间射水，应循环沉箱内侧射水，保证沉箱均匀下降，并配备两台抽泥机，抽取沉箱内的泥浆。

特殊情况下，必要时可设置“手动葫芦”助沉。

7、辅助支撑

在沉箱下沉即将完成过程中应采用φ300mm钢管进行临时支撑，保证沉箱结构受力满足要求。

8、封底

测量复核沉箱中心及沉箱底标高是否满足要求，在各项均满足后，浇筑封底砼。

原则上采用抽取沉箱内积水，浇筑砼封底层（同一般承台垫层施工，浇筑厚度控制在15cm），若不能将沉箱内积水抽净，则采取导管封底砼施工，将沉箱底标高降低35cm，封底砼厚度控制在50cm。

六、沉箱设计结论

根据以往施工经验和理论设计计算，本沉箱设计满足要求，现场施工具有可操作性。

七、附件

1、钢筋砼沉箱检算资料

2、钢筋砼沉箱施工平面图

3、钢筋砼沉箱施工配筋图

沉箱结构设计计算

一、计算荷载

不考虑地面堆积活荷载作用，施工时清除承台边缘堆载。

计算荷载为外侧土压力和地下水位以下的水压力的合力，水、土压力在沉箱深度上近似按三角形分布。

水、土压力计算采用重液计算公式进行计算：

PW+E----计算合力（KN/m2），面荷载。

γL----水、土混合重液的容重，一般，γL=13～17KN/m3。

HL----计算点距重液面高度（m）。

二、沉箱壁设计计算

1、力学图式

取深度1.0米的沉箱为计算单元，视沉箱结构的转角处为刚性结点，计算时将沉箱壁简化成相应的平面结构后再进行内力计算，则线荷载。

在具体施工时，底角处横向支撑梁，计算时不予考虑其影响。

2、内力计算

依据《沉井设计与施工》，采用刚结点处的设计弯矩进行计算。

沉箱短边惯性矩：

沉箱长边惯性矩:

刚结点处计算弯矩：

，l为沉箱长边长度（m）；b为短边长度（m）

，

按照《沉井设计与施工》关于计算弯矩的削减论述，支点处设计弯矩为:

KN.m

----弯矩折减值（KN.m），一般取0.3M支，或1/3Qb计算。

作用在长边的轴向力:

作用在短边的轴向力：

3、配筋计算

按照最大弯矩进行计算，最大弯矩：

561.2KN.m。

fc=17.5N/mm2,fy=fy’=340N/mm2；;;假定受拉钢筋放两排，设as=30mm，则h0=h-a=300-30=270mm

根据弯矩图可知，沉箱受到正负弯矩作用，采用双面配筋比较贴合实际情况。

选取双排Φ22@130mm水平布置，，架立钢筋布置按照构造钢筋布置，采用Φ12@400mm布置。

二、刃脚设计计算

1、刃脚外侧竖向钢筋计算

本沉井采用排水法施工，井内无水，刃脚按第一种情况——沉井位于设计标高，刃脚下的土已挖空情况计算，如下图：

1.1内力计算及配筋

1.1.1刃脚跟部C-C截面弯矩的计算及配筋（计算时，刃脚自重及井壁摩阻力略去不计）。

，

ft---C35砼的抗拉强度；

q---为单位1.0米范围内计算合力荷载；

l---为计算长度。

Mc=1/2×1.5×101.4×0.32+1/2×1.5×（104-101.4）×0.32×2/3=6.96kN.m

选择钢筋截面：

M=6.96kN.m，h0=300-35=265mm，b=300mm

选用2Ф12@20，As=226.08mm2。

ρ=ρmin=226.08/（265×300）=2.84%0>0.5%0满足规范要求。

ξs=ρ（fy/fcm）=0.00284×310/17.5=0.05

ξb=0.544＞0.05满足适用条件。

查表得as=0.048

则M=asfcbh02=0.048×17.5×300×2652

=17.7kN.m＞7.14kN.m（安全）

即17.7/7.14=2.5

2、刃脚内侧竖向钢筋计算

沉井已部分入土，刃脚内侧切入土中30cm进行验算，如刃脚向内挠曲计算图：

内摩擦角ß=ψ取15°

a=30cmb=15cmc=15cm

α=arctan（a/b）=arctan（300/150）=63°

2.1水平作用力H的计算

井壁单宽重量设计值：

gs=33.75KN/m

土反力：

R=V1+V2=33.75KN/m

由刃脚内侧竖向钢筋计算图得知：

R=σc+1/2σb，σ=2R/（b+2c）

V2=1/2σb=1/2×（2×33.75×0.15）/（0.15+2×0.15）=11.25KN/m

H=V2tan（α-ß）=11.25×tan（63°-15°）=12.49KN/m

2.2内力计算及配筋

2.2.1刃脚跟部C-C截面弯矩的计算及配筋（计算时，刃脚自重及井壁摩阻力略去不计）。

Mc=2/3×a×H=2/3×0.3×12.49=2.50kN.m

选择钢筋截面：

M=2.50kN.m，h0=300-35=265mm，b=300mm

选用2Ф12@20，As=226.08mm2。

ρ=ρmin=226.08/（265×300）=2.84%0>0.5%0满足规范要求。

ξs=ρ（fy/fcm）=0.00284×310/17.5=0.05

ξb=0.544＞0.05满足适用条件。

查表得as=0.048

则M=asfcbh02=0.048×17.5×300×2652

=17.7kN.m＞2.5kN.m（安全）

三、沉箱下沉计算

1、第一节沉井自重

井壁钢筋混凝土容重按25KN/m3，沉井重量为：

Gk=（11.6×8.6×3-11×8×3）×25

=882KN

2、第一节沉井摩阻力

沉井井壁侧面摩阻力分布如下图：

单位摩阻力根据设计图纸O56#墩及回填土地质情况。

取f=17.5KN/m2。

hk=1/2×3=1.5m

井壁总摩阻力：

Ffk=Uhkf=（11.6+8.6）×2×1.5×17.5=1060.5KN

下沉系数K=Gk/Ffk=882/1060.5=0.83≤1.05，计算不满足下沉要求。

根据《沉井设计与施工》所述，在分节浇筑下沉的沉箱，应在上节沉箱混凝土浇筑完毕而未开始下沉时保持下沉系数小于1.0，以防止突然下沉。

故下沉计算不作为结构设计的考虑因素。

在具体施工过程中可采用重物助沉或手动葫芦助沉。

四、结论

由于本结构为临时结构，底部纵横向支撑梁不作为设计计算内容，仅作为安全储备考虑。

沉箱结构的绕度计算及抗浮不另计算，施工过程中如沉箱发生少量裂纹，产生少量渗水，不影响沉箱的设计功能，可根据实际情况在底部设置集水井，进行集中排水。

本沉箱最低沉井段设计厚度为300mm,受力配筋型号为Φ25@130mm，架立钢筋按照400mm布置。

其余上部沉箱设计厚度为300mm，配筋设计不另计算，根据施工经验，受力钢筋按照Φ12@100mm双排布置。

具体施工过程中可增加临时支撑结构，待浇筑完毕后拆除。