九江桥利用空气幕下沉沉井.docx
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九江桥利用空气幕下沉沉井
关于利用空气幕下沉沉井的施工报告
——九江长江大桥铁路引桥沉井基础施工
前言
沉井是桥梁基础的主要结构类型之一，其优点是刚性大、施工方便、下沉深度大。
但是，随着下沉深度的增加，为满足沉降系数的要求，不得不将井壁加厚，不但增加了工程造价，而且加大了施工难度。
为解决这一矛盾，曾采用泥浆套下沉沉井的施工方法，其效果是显著的。
但水下泥浆套的形成不易，用于水中深沉井施工尚有一定困难，且施工后期泥浆套的破坏和置换至今尚未找到一个好的方法。
由于土壤对沉井的固着力得不到恢复，沉井到位后泥浆套的作用继续存在，还会造成边清基边下沉的后果，给基础处理带来很多困难。
为解决这些矛盾，在参考了日本利用空气幕下沉沉井的施工经验之后，结合我国桥梁基础沉井的施工现状，二桥处与桥研所密切配合，在九江长江大桥北岸引桥做了利用空气幕下沉沉井的试验，取得了必要的数据之后，又用厚壁沉井做了用空气幕和不用空气幕下沉效果对比。
在取得了一定经验之后，将尚未施工的48个沉井全部改成薄壁沉井，利用空气幕下沉，收到了较好的效果。
一、空气幕沉井的施工
空气幕是利用预埋在沉井壁内的管路，通过沉井外侧的气龛向井壁四周喷出高压空气，高压空气附壁上升，在井壁与土壤之间形成一层空气帷幕，有效的降低了井壁与土壤之间的摩阻力，在不断清除正面阻力的情况下，沉井连续下沉，这就是空气幕沉井。
为了掌握气龛的布置规律，喷气孔的大小与作用情况，气压、喷气量与下沉效果的关系，先进行了模拟试验，初步掌握了空气幕的作用状况，以及在不同土壤中空气幕的作用范围。
在09号墩沉井利用空气幕作砂层中下沉40m试验，试验沉井仍用原设计壁厚，采取减轻重量措施，在井壁中预留18个φ0.8m孔，一旦在下沉中空气幕失效，立即用混凝土填充预留孔，保证沉井下沉到位。
试验沉井利用空气幕顺利下沉到位。
于是将50号墩沉井直接改为薄壁沉井在粘土层中作下沉50m试验，沉井顺利下沉到位，达到了预期效果。
通过在不同土壤中下沉的两个试验沉井，取得了必要数据，掌握了空气幕的作用规律和空气幕作用时摩阻力变化值，绘制了摩阻力变化曲线。
为了进一步验证空气幕的效果，我们在普通沉井（壁厚1.5m）中进行利用空气幕和不用空气幕效果对比，试验选在地质情况相同，下沉深度接近的N48、N49、N51、N52四个沉井进行。
下沉效果对比见表-1。
普通沉井利用空气幕与不用空气幕下沉效果对比 表1
N48H=34.5m
（不用空气幕）
N49H=38.5m
（用空气幕）
N51H=38.5n
（用空气幕）
N52H=38m
（用空气幕）
井高
m
下沉量
m
台班
个
台班下沉量
cm
井高
m
下沉量
m
台班
个
台班下沉量
cm
井高
m
下沉量
m
台班
个
台班下沉量
cm
井高
m
下沉
量
m
台班
个
台班下沉量
cm
5
5
11
45.5
5
4.17
10
41.7
5
4.52
11
41.1
5
4.7
12
39.2
11
6
10
60
11
5.61
11
51
11
6.12
11
55.6
11
6.1
12
50.8
17
5.6
16
35
17
5.72
12
47.7
17
5.95
12
49.6
17
5.78
11
52.5
23
6.14
23
26.7
23
6.38
16
39.9
23
6.32
15
42.1
23
6.11
10
61.1
29
5.68
26
21.8
29
6.17
13
47.5
29
5.93
10
59.3
29
6.2
10
62
33
4.08
12
34
35
5.93
12
49.4
35
5.85
7
83.6
35
5.9
6
98.3
34.5
2.0
6
33.3
38.5
4.75
6
79.2
38.5
3.81
5
76.2
38
3.61
4
90.3
合计
34.5
104
33.2
合计
38.73
80
48.4
合计
38.5
71
54.2
合计
38.4
65
59.1
说明:
1.N48、N49、N51、N52厚壁沉井（壁厚为1.5m）
2．沉井重率为2.93~3.16
3.气龛布置为12层计484个，工作面积为2.2m2/个
4.地质情况均为：
30m以内为砂粘土，30m以下为粉砂。
5.效果比较：
N48台班下沉量为33.2cm
N49、N51、N52 平均台班下沉量为53.2cm
使用空气幕比不用空气幕下沉提高工效60.2%。
以上可见，使用空气幕下沉沉井效果是十分显著的。
根据已下沉的49个普通沉井统计，在砂层中下沉的有42个，在砂粘土层中下沉的有7个（不用空气幕穿过30m粘土层）最深下沉38.5m，在这些沉井的施工中积累了经验，根据两个试验沉井取得的数据，感到目前桥梁基础沉井重率太大，不论从技术角度，还是从经济角度考虑，都有必要进行改进。
我们在1980年8月28日提出将未施工的N62~N109号墩沉井改为薄壁沉井的建议。
（写出了书面报告并对改薄后的沉井受力进行了检算，附有计算书和建议壁厚改为0.9m的建议图）。
设计部门采纳了这个建议，并经上级有关部门批准。
沉井改薄后，不但沉井的结构型式向前推进了一步，同时，对于桥梁基础沉井普遍推广空气幕下沉也有着深远意义。
根据取得的资料和数据并参考了国外一些作法，制定了“九江大桥铁路引桥空气幕沉井施工工艺”。
从62号墩沉井改为薄壁沉井之后，因考虑到基本是在砂层中下沉，故空气幕重新进行布置，按12层管路648个气龛，气龛工作面积为1.10m2/个，在实际使用中收到较好的效果。
（照片）
有关数据和下沉效果对比表 表2
沉井号
N
沉井高度
m
重率
气龛工作面积
m2/个
下沉量
m
下沉台班
个
台班下沉量
附注
N49、51、52
（厚壁）
38.33
（平均）
2.93~
3.16
2.2
115.63
216
53.5
砂粘土
N09
（试验
40
2.66~
2.22
38
63
60.3
砂土
N50
（试验）
50
2.12~
2.30
0.96
50
118
42.3
砂粘土
N62-77
（薄壁）
25.6
（平均）
2.03~
2.18
1.1
409.6
719
56.96
砂土
在利用空气幕下沉了16个沉井之后，掌握了大量数据取得了一些成绩，但也发现不少问题。
根据统计资料进行了总结。
N62~77号墩沉井下沉效果与厚壁沉井和两个试验沉井进行比较：
1．重率：
重率比厚壁沉井以及两个试验沉井都小。
2．下沉效果：
比厚壁沉井用空气幕下沉提高效率6.5%，比N50号试验沉井提高34.7%，但在N09试验沉井降低5.5%，其原因是：
厚壁沉井由于布置的气龛较少，故效果较差，N50号试验沉井中在粘土层中下沉比较困难，N09号沉井地质条件与之相同，但重率远大于N62~77号墩沉井。
N62~77号墩的16个沉井利用空气幕下沉取得了较好的效果，但在施工中发现存在不少问题，有必要在技术上进一步研究和改进。
1．下沉效果仍不够理想。
2．在下沉中发现，经多次开空气幕在距沉井6-7m范围有大量气泡逸出，最远的达到8m，同时土壤出现以沉井为中心的环向裂缝，尤其是吸泥机出水的一侧更为严重，有的裂缝宽度为1-4cm。
3．在下沉N64、N69、N70三个沉井时发生了楔形土的滑移，给下沉中的沉井一个很大的水平推力，造成沉井倾斜尤其是园端形沉井的短轴方向更严重，从而增加了大量的纠偏工作，影响了工程进度。
4．在下沉N66、N67、N70号墩沉井时出现了大翻砂，造成沉井倾斜。
针对以上出现的问题，并通过对大量统计资料的分析，认为主要由以下原因造成。
1．由于N62~N77号墩沉井下沉较浅，空气幕管路的布置和气龛的布置应与深沉井有所区别，深沉井下面气龛喷出的气体附壁上升，对减少上层土壤与井壁的摩阻力起到一定作用，而浅沉井则不能充分利用空气幕的这一特点，N66~N77号墩沉井的空气幕管路布置基本沿用N50和N09两较深沉井的布置原则，且气龛又减少了一些，而且所用的气压为0.45Mpa，远比两试验沉井所用气压0.6~1.3Mpa要小，故效果不理想，这是因为气压和喷气量都是决定空气幕效果的关键因素。
2．由于喷气孔喷出的气体与井壁垂直，故一部分气体碰到土壤后附壁上升，起到降低摩阻力的作用，而另一部分气体则沿着土壤空隙喷向前方逸出地面，尤其是在砂层中，这种喷入土壤空隙内的气体传出较远，不但没有起到降低摩阻力的作用，相反还增加了土壤的液化宽度和深度，使原状土遭到破坏，内摩擦角失稳，造成楔形土的滑动。
3．空气幕最下层的环向管路较试验沉井向下移动50cm，当刃脚下的土壤被清除后，在吸泥过程中，井外被液化的流砂从刃脚下翻入沉井内造成翻砂，引起沉井倾斜。
针对以上的原因在以下几个方面进行了技术改进：
1．改进空气幕管路布置。
根据沉井较浅的现状（平均下沉深度为23.6~25.6m）空气幕管路按12层布置，最下层管路距刃脚尖的距离由原来的1.5m改为2m~2.5m，环向管路之间的距离也做了适当调整。
2．调整气龛布置。
上下层气龛的密度比由原来的1:
1.6调整到1:
2.13，气龛的工作面积由1.10m2/个调整到1.13m2/个。
3．改进喷气孔。
原喷气孔喷出的气流与井壁垂直改成与井壁为45°夹角，每个气龛由原来的一个喷孔改成两个φ1mm小孔，这样不但有利于压缩空气的附壁上升，得到充分利用，而且喷气量增加，喷气量是N62~77号墩沉井喷气量的1.78倍。
4．气压采用0.45Mpa，根据试验气压最小应大于净水压的1.45倍，且应大于下沉深度的地压值，N62墩以后的沉井下沉深度均不足30m，又是在砂层中下沉，故采用0.45Mpa，完全可以满足要求。
这样吸泥取土和空气幕同用一台空压机，减少了机具设备使空气幕更加简化和利于推广。
5．将空气幕管路由钢管改为聚乙烯塑料管，不影响空气幕效果，又降低了造价，且施工方便。
经改进之后收到了较好的效果，见表3。
改进后和改进前的沉井效果对比 表3
沉井号
N
井高
m
重率
气龛工作
面积
m2/个
喷气孔
直径
每个气龛喷气孔数量
夹角
（度）
气压
MPa
下沉量
m
下沉台班
个
台班下沉量
cm
附注
09
40
2.66~2.22
φ1mm
1
90
38
63
60.3
50
50
2.12~2.30
0.96
φ1mm
1
90
0.6~
1.3
50
118
42.3
62~77
25.6
（平均）
2.03~2.18
1.10
φ1mm
1
90
0.45
409.6
719
56.96
78~109
23.6
（平均）
2.03~2.16
1.13
φ1mm
2
45
0.45
755.2
1125
67.13
1.效果比较
N78~109比厚壁沉井不用空气幕效果提高102.4%
N78~109比厚壁沉井用空气幕效果提高11.3%
N78~109比N09试验沉进提高11.3%
N78~109比N50试验沉井提高工效58.7%
N78~109比N62~77沉井提高工效17.9%
2．空气幕管路改进后下沉的32个沉井施工中没有发生楔形土滑移的情况。
空气逸出的距离也大大缩短，最远的为3m，在气流逸出地点也未出现环向裂缝，压缩空气利用率大大提高。
3．下沉中未出现大量翻砂的情况。
4．下沉中少量的倾斜可以利用偏出土偏开空气幕的方法进行纠偏，收到较好的效果。
5．空气幕与吸泥机同用一台压风机，减少了机具设备，有利于空气幕的推广。
6．空气幕管路改成聚乙烯塑料管降低了造价，施工方便。
利用空气幕下沉沉井，不但加快了施工进度，而且节约了大量混凝土，大幅度降低工程造价。
表（4）
普通沉井与空气幕沉井工程量的对比表 表4
项目
规格
单位
工程数量
降低率
普通沉井
空气幕沉井
比较
刃脚混凝土
200级
m3
116
69
-97
井身混凝土
150级
m3
718.2
（643）
547.5
（493.1）
-170.7
（-149.9）
围堰混凝土
150级
m3
27
24.9
-2.1
封底混凝土
200级
m3
97
151
+54
合计
1008.2
（933）
792.4
（738）
-215.8
（-195）
-21.4%
-20.9%
N62~77号墩沉井平均高度25.6m降低混凝土量为21.4%
N78~109号墩沉井平均高度23.6m降低混凝土量20.9%
改成薄壁沉井后48个沉井共节约混凝土为
N62~77 节约混凝土3452.8m3
N78~109 节约混凝土6240m3
48个沉井共节约混凝土9692.8m3
由上数字不难看出普通沉井改为空气幕沉井后混凝土可以节约20%以上，沉井越深这种效果越明显。
每立方混凝土单价按120元计，我们利用空气幕下沉的48个沉井仅工程结构费就节约了116.3万元。
因此，桥梁基础沉井在砂土和粘土层中下沉应大力推广用空气幕下沉能收到较好的效果，不但加快了工程进度而且还可以大大降低工程造价。
二、技术保证措施
利用空气幕下沉沉井，不但改变了过去常规的施工方法。
把施工方法向前推进了一大步，而且节省了大量的原材料，降低工程造价，加快了施工进度，对提高企业的经济效益有着深远的意义。
我们在九江桥的施工，为推广空气幕沉井打下了一个良好的基础，为保证空气幕沉井的顺利施工，我们制定了如下保证措施：
1．根据掌握的数据和施工中遇到的问题，采取了相应的措施，收到了较好的效果。
在此基础上重新修改了空气幕沉井施工工艺，在施工中严格按工艺执行。
2．严格按规定尺寸进行空气幕管路的安装，保证位置准确，在灌注混凝土时派人值班，保护空气幕管路。
3．模板上的气龛应清除粘在上面的混凝土，保证气龛和尺寸准确、角度与要求相符，经检查符合要求方可立模。
4．钻孔要保证角度的准确，钻孔后应清除毛刺，确保喷气孔光滑畅通，然后进行水压试验，根据水喷的角度可以判定是否符合要求，同时还能发现有无堵孔现象。
5．充分清除正面阻力，经常测量井孔内泥面，确认符合要求时，开气下沉，开气严格遵照规定先上后下的顺序，开气时间为5-10分钟，关气则应按先下后上的顺序以免形成负压泥砂进入喷孔。
6．为降低空气幕材料费用将钢管改成聚乙烯塑料管，不但降低了工程造价，而且方便了施工。
7．利用吸泥用的空压机供应空气幕用压缩空气，并保证气压不低于0.45Mpa，减少了机具设备，便于推广。
8．成立专门下沉班子，进行空气幕沉井施工，发现问题及时研究解决，保证了空气幕沉井的顺利施工。
空气幕沉井工艺流程图
值班检查
我们在九江长江大桥铁路引桥利用空气幕下沉沉井收到了较好的效果，不但加快了施工进度，而且降低了工程造价，对增加企业效益起到了一定作用，我们认为在今后桥梁基础沉井施工中应尽量采用空气幕沉井在砂层和粘土层中下沉都能收到较好的效果。
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