硬質土層沉井不排水下沉破土方法探討

景奉韜 ，劉修成 ，管政霖

（1.中國交通建設股份有限公司，北京 100088；2.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430040；3.長大橋梁建設施工技術交通行業(yè)重點實驗室，湖北 武漢 430040；4.交通運輸行業(yè)交通基礎設施智能制造技術研發(fā)中心，湖北 武漢 430040）

0 引言

國內在深水急流的江河中建造的橋墩基礎形式主要為樁基礎和沉井基礎兩種，20世紀90年代至今，隨著國內大跨徑橋梁建設逐漸興起，沉井基礎在橋墩及錨碇上的應用日益增多。表1給出了國內大跨徑橋梁主墩沉井基礎平面尺寸與地質情況[1-7]，可見沉井平面尺寸逐漸增加，同時外周長與井壁及隔墻底面積之比減小趨勢明顯，這意味著大型沉井下沉阻力中端阻力占比相對較大，由于剪力鍵的存在，現有取土方法無法顧及到井壁及隔墻下方的土體，存在取土盲區(qū)。此外，近年來沉井下沉遇到硬塑黏性土、膠結砂層以及卵礫石層等硬質土層，該類土層能提供較大的端阻力，導致沉井下沉效率低、安全風險高等問題。

因此，大型沉井下沉遇到硬質土層時，有效克服沉井端阻力是解決問題的關鍵。一方面，實現井孔內高效破（?。┩?，減小井壁及隔墻下方土墻的側壁土壓力，使其在沉井刃腳的擠壓下更容易破壞；另一方面，井壁及隔墻盲區(qū)取土對削弱端阻力也尤為關鍵。本文結合相關施工案例，總結硬質土層的破土方法，并對沉井盲區(qū)取土裝備研發(fā)進行探討。

表1 大跨徑橋梁主墩沉井基礎平面尺寸與地質情況Table1 Caisson foundation plane sizeand geological conditions of main pier of long-span bridges

1 硬質土層破土方法

針對砂性土、砂夾卵石、黏質砂土等流動性相對較好的土層，沉井不排水下沉施工以空氣（水力）吸泥或抓斗取土為主。當沉井下沉過程中遇到硬質土層時，空氣吸泥機、抓斗的效率極低，沉井下沉緩慢甚至無法下沉。此時，需要采用其它輔助手段對硬質土層進行預破壞，再通過空氣吸泥機或抓斗將土取出，破土方法大體上可以分為機械破土、射流破土以及爆破法3類。

1.1 機械破土

機械破土主要是通過機械能對密實堅硬土體進行沖擊、擠壓或者剪切破壞，常用的設備有沖擊鉆機、氣動潛孔錘、電動（液壓）絞刀以及回旋鉆機。

1）沖擊鉆機主要針對較薄的硬層。?？谑兰o大橋S主塔沉井在下沉至-16.0～-20.0 m高程時，遇到泥巖、砂巖夾層和粗砂膠結塊，采用了2臺1.5 t沖擊錘將硬層破碎成塊，再由潛水員配合吊出井外[1]。

2）氣動潛孔錘主要應用于石油勘探領域，解決鉆進時遇到堅硬巖石成孔難題。其原理是通過壓縮空氣作為循環(huán)介質驅動潛孔鉆頭對巖體進行高頻沖擊使其破碎。松花江盾構沉井終沉時遇到起伏巖面，導致沉井下沉困難并發(fā)生偏斜。該工程將潛孔錘沖擊破巖與空氣吸泥相結合，設計了水下破碎巖石的空氣吸泥裝置，通過0.8～1.0 MPa的風壓驅動硬質合金球齒鉆頭以800～1 500次/min的頻率沖擊巖體，并由空氣吸泥機將破碎巖塊排出，實現了沉井順利入巖[8]。

3）電動（液壓）絞刀工作原理類似于絞吸挖泥船，采用水下電機或是液壓馬達驅動絞刀頭對土體進行機械擾動、切削破壞，再通過泵舉或氣舉將破碎后的土體排出井外。楊泗港長江大橋1、2號沉井基底持力層均為硬塑黏土層，終沉時需分別進入硬塑黏土層6.2m、10.6m，該項目在空氣吸泥機上集成2臺30 kW水下電機分別驅動2個φ850 mm三翼刮刀鉆頭，鉆頭轉速65 r/min，轉動方向相反實現轉矩平衡，輔以高壓射水，將切削后的黏土碎塊混合于泥漿中，并由空氣吸泥機排泥[9]。值得注意的是，需定期清理井孔內雜物，避免堵塞吸泥管或損壞絞刀頭。

4）回旋鉆機與電動絞刀破土原理類似，所不同的是回旋鉆機動力部分在水面以上，可靠性更好，且輸出扭矩更大，鉆頭直徑可達2 m左右。溫州甌江北口大橋南錨沉井下沉至-33.3 m遇到深厚強塑性黏土層，采用回旋鉆機進行井孔內破土，通過移動臺車沿軌道行走，以及鉆機在臺車主梁上滑移的方式見圖1，解決鉆機移位的難題，實現井孔內取土全覆蓋，并對三翼刮刀鉆頭進行改進，減少了強塑性黏土中鉆進易“糊鉆”、堵管的風險。

圖1 回旋鉆機在沉井下沉施工中的應用Fig.1 Application of rotary drill in caisson sinking

1.2 射流破土

射流對土體產生破壞的主要表現：在高壓水射流沖擊和剪切作用下，土體產生軟化、流變和裂化，射流穿透和滲入，促使裂隙擴展，加速了土體顆粒的剝離、脫落。針對黏性土，在射流動壓作用下，使土體中孔隙水的壓力增高，削弱孔隙介質顆粒之間的黏聚力[10]。在空氣吸泥機的吸泥口附近設置射水噴嘴，射水壓力2～2.5 MPa，可以加速對黏土和密實砂層的擾動，提高吸泥效率。而高壓射水在淹沒狀態(tài)上，與周圍的介質極易發(fā)生能量交換，導致射流靶距衰減嚴重，為了提高射流的破土效果，在射流水柱外周增加壓縮空氣幕，現有的設備有高壓旋噴鉆機以及“氣推水”沖泥器。

高壓旋噴工法主要用于基坑支護及地下連續(xù)墻接縫止水施工，該工法的關鍵步驟是利用超高壓噴射流體產生的動能充分破壞原狀土，其中的RJP工法采用流量100 L/min、壓力達40 MPa高壓水射流配合1.05 MPa壓縮空氣進行土體切削，最大影響直徑可達2～3 m。

鎮(zhèn)江大港水廠取水工程頂管井為圓形斷面沉井，外徑17.6 m，下沉至-26.4 m時，遭遇硬塑～堅硬粉質黏土層，最終通過在井內投入浮平臺搭載2臺高壓旋噴鉆機，考慮射流切削影響區(qū)直徑為1 m，點位按0.7 m間距搭接布置。對井孔內所有點位進行逐層破土作業(yè)，每層60 cm處理完成后由空氣吸泥機輔助排泥，最終使沉井順利穿越硬層下沉至-33.0 m設計標高[11]。

考慮到40 MPa超高水壓不易獲取，“氣推水”沖泥器選用大流量、相對較低壓力（約2～2.5 MPa）的射流進行破土，沖泥器由雙重管和噴嘴焊接而成。內管通水，外管通氣，噴嘴處的壓縮氣體助推水力噴射，同時針對黏土透氣性差的特點，使得被氣水混合射流沖擊的土體迅速膨脹破壞。豎向噴嘴破土協(xié)助沖泥器向下鉆進，水平及斜向噴嘴擴大其影響直徑。該設備應用于夏漳同城大道西溪主橋2號主墩圍堰吸泥作業(yè)，有效解決了強黏性深厚老黏土的破土難題[12]。

1.3 爆破法

爆破法是山嶺隧道、礦井坑道普遍采用的破碎巖石方法，主要利用在炮眼內裝入的炸藥瞬間釋放出巨大的沖擊波能量破碎巖石，也被應用于沉井下沉遇到堅硬土層時破土作業(yè)，從而削弱沉井端部承載力。楊泗港長江大橋2個橋塔墩沉井，針對刃腳踏面處的硬塑黏土采用了水下爆破法破土，通過地質鉆機沿井壁上預留的φ140 mm鋼管垂直鉆孔至刃腳踏面以下2.0～2.5 m，裝藥后以沉井中心軸線對稱起爆[13]。合福鐵路銅陵長江大橋北側3號主墩沉井下沉至-44.5 m時遇到卵石膠結層，下沉受阻，對于膠結層厚度大于0.5 m的區(qū)域，采用沖擊鉆機沖砸效果不佳，而后改用復合高強度導爆管雷管和抗深水壓力及水密性能良好的水膠炸藥，順利地破碎了卵石膠結層[3]。

綜上，不同破土方法所適應的硬土類型見表2。

表2 不同破土方法匯總Table 2 Summary of different soil breaking methods

2 盲區(qū)取土設備研發(fā)探討

現有沉井取土方法以垂直取土為主，通常情況下，隨著井底中部的土被取出，井孔內的泥面會呈現鍋底狀，鍋底比刃腳低1～1.5 m時，沉井即可靠自重下沉，并將刃腳下方的土擠向井孔中部。當下沉遇到硬塑黏土、卵石膠結層等硬質土層時，該類土體具有較大的天然坡角，不易向鍋底坍落，沉井的端部承載力可阻礙其下沉。傳統(tǒng)方法以彎頭沖泥器或派潛水員進行水底人工水平射水破土為主，存在水下定位難、勞動強度大的缺點，而采取超挖促使土體坍塌的方法，又會帶來沉井突沉或周圍地層沉降過大等風險。

國外刃腳取土設備主要有水下自動反鏟挖掘機以及豎井掘進機。日本SOCS（Super Open Caisson System）工法進行沉井首節(jié)制作時，在刃腳處內井壁上埋設軌道，如圖2所示，反鏟挖掘機可沿軌道行走，將刃腳下方土體挖掘后拋填至井孔中部，再由抓斗將土提升至井外，可適用于硬質砂土及黏性土地層。為了提高設備的破巖能力，可采用銑刨頭替代鏟斗，實現對中軟巖層的銑削。

圖2 日本軌道式反鏟挖機Fig.2 Japanese rail-type backhoeexcavator

德國海瑞克研發(fā)的豎井掘進機（見圖3）適用于4.5～18 m直徑的豎井下沉施工，其支撐結構通過銷軸與豎井內壁上的預埋件固定，克服掘土作業(yè)時的工作荷載，通過機械臂的回轉、伸縮、變幅動作，實現豎井底部及刃腳開挖面的全覆蓋，水下離心泵將銑削后的泥水混合物排出井外。

圖3 德國豎井掘進機Fig.3 German vertical shaft sinking machine

上述刃腳取土設備主要針對中小型圓形斷面單井孔沉井和豎井下沉施工，而大型橋梁沉井基礎刃腳取土專用設備研發(fā)尚屬空白。橋梁沉井具有尺寸大，井孔數量多的特點，且井孔斷面多以方形、矩形為主，因此設備研發(fā)需考慮水下精確定位、井孔間便捷轉倉、操作可視化等問題。

依托在建的常泰長江大橋5號主墩沉井，研發(fā)了一種適用于深水多井孔沉井刃腳取土設備。該設備由上部移動平臺和水下機器人本體組成，移動臺車上設置有操作室，收放卷揚以及電纜卷筒，水下機器人則包括內支撐臂架、動力總成、機械臂、射流泵和銑刨頭，如圖4所示。采用模塊化設計理念，通過改變內支撐臂架的結構形式和機械臂的尺寸來適應不同斷面形狀以及尺寸的井孔。

圖4 沉井盲區(qū)取土設備Fig.4 Excavation equipment of caisson blind area

內支撐臂架集成導向裝置和伸縮油缸，使取土機器人能安全通過井孔內壁上剪力鍵，伸縮油缸具有油壓維持功能，作業(yè)過程中，油缸能始終保持一定壓力，使撐靴緊貼于井壁上。動力總成通過臍帶電纜供電，為水下射流泵、液壓油缸和銑刨頭提供動力。機械臂端部安裝有銑刨頭，適合密實膠結砂層以及風化巖層等堅硬地層的銑削作業(yè)，針對硬塑黏土可更換齒型，并輔以高壓射水輔助破土。

同時開發(fā)一套可視化界面操控系統(tǒng)，保證深水環(huán)境刃腳取土施工精度。通過導入作業(yè)井孔的幾何參數以及三維聲吶所測得的泥面標高數據，建立作業(yè)環(huán)境的空間模型。卷揚系統(tǒng)通過記錄鋼絲繩的下放量獲取水下機器人相對泥面的實時高程，以便水下機器人內支撐臂架在合適高程定位，依靠油缸伸長量傳感器以及轉動角度傳感器的監(jiān)測數據，解算出機械臂的空間姿態(tài)信息，構建水下可視化操控界面。

3 結語

大型橋梁沉井基礎具有較大的踏面面積，下沉過程中遇到硬質土層時需克服更大的端阻力，對井孔內及踏面下土體破除顯得尤為重要。本文在國內沉井不排水下沉實踐經驗的基礎上，總結了適用于不同類型硬質土層的破土方法，并對沉井刃腳盲區(qū)取土設備進行了探討，提出了一種適用于深水多井孔沉井盲區(qū)取土專用設備。