超大水下鋼沉井首次取土下沉施工監(jiān)測與控制

王紫超, 孫南昌, 李嘉成

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

沉井具有體積大、整體性強、結構強度高、剛性大及環(huán)保性能優(yōu)越等特點，廣泛應用于大跨橋梁的基礎工程。由于沉井規(guī)模大、區(qū)域土體各向異性及其他外界環(huán)境干擾，沉井在下沉過程存在諸多不確定性因素。在首次取土下沉環(huán)節(jié)中，水中沉井易受施工、地質、水流、風浪等因素影響而產生偏位、扭轉和傾斜，乃至影響到結構安全。因此，為了確保沉井安全平穩(wěn)下沉，有必要分析沉井下沉規(guī)律與刃腳土壓力分布情況，結合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，初步探索規(guī)律，為后續(xù)沉井安全、可控、有序地下沉提供參考。

1 工程概況

常泰長江大橋主航道橋采用(142+490+1 176+490+142) m=2 440 m雙層斜拉橋，橋梁上層為高速公路，下層為城際鐵路和普通公路。主航道橋兩橋塔均采用大型鋼沉井基礎，主橋5#墩沉井基礎平面呈圓端形，立面為臺階形，臺階寬度9.0 m。沉井底面長95.0 m，寬57.8 m，圓端半徑28.9 m；沉井頂面長77.0 m，寬39.8 m，圓端半徑19.9 m；沉井外井壁厚1.8 m，高43 m，內井壁厚2.0 m，高64 m，內、外圈隔墻厚度均為1.4 m，外圈隔墻高64 m，內圈隔墻高39 m,沉井為填充混凝土的鋼殼結構，共28個隔艙(圖1)。在首次取土下沉環(huán)節(jié)，沉井總節(jié)段高51 m，內澆筑混凝土23 m，沉井自重1 029 434 kN，設備等臨時荷載約10 000 kN。首次下沉貫穿中密砂層，砂層平均頂標高為-27.25 m，底標高為-31.47 m，平均厚度4.22 m，下沉至軟塑粉質黏土層。

圖1 5#墩鋼沉井基礎結構(除標高單位為m外，其余：cm)

2 沉井下沉監(jiān)測

2.1 幾何監(jiān)測

為了監(jiān)測沉井下沉姿態(tài)，及時調整施工方案，在沉井頂面布置北斗、GPS傳感器，實時監(jiān)測沉井高程、傾斜、偏位和平面扭角等幾何信息。每天定期與人工高精度測量結果進行核對，確保測試數(shù)據(jù)真實、可靠。北斗控制點安裝位置如圖2所示，沉井傾斜偏位情況如圖3所示。其中底口偏位計算方法如下：

圖2 北斗控制點安裝位置

圖3 沉井傾斜偏位

順橋向傾斜度：

(1)

橫橋向傾斜度：

(2)

沉井底口坐標：

xxo=xso+H·ixcosΔ-H·iysinΔ

(3)

yxo=yso+H·iycosΔ-H·ixsinΔ

(4)

式中:h1、h2、h3、h4分別為江側、岸側、上游、下游測點位置處的標高；a、b分別為初始平衡位置順橋向、橫橋向測點間的水平距離；xso、yso分別為頂口中心的橫坐標、縱坐標；Δ為平面轉角。

在此次吸泥下沉中，由于平面轉角基本上不超過0.04°，可簡化為cosΔ≈1，sinΔ≈0，底口中心坐標計算公式簡化為：

xxo=xso+H·ix

(5)

yxo=yso+H·iy

(6)

根據(jù)式(5)、(6)，與初始位置底口坐標相減，便可得到底口偏位數(shù)值。

2.2 物理監(jiān)測

在首次取土下沉過程中，沉井外刃腳入土深度不大，首次下沉到位時，外刃腳平均入土深度4.79 m，井壁摩阻力較小，沉井主要依靠端阻力及水浮力來抵抗自重，其中，端阻力可通過布設的土壓力計來監(jiān)測，并結合刃腳有效支撐面積推算得到。由于傳感器長期處于復雜的監(jiān)測壞境中，5#沉井布置有125個穩(wěn)定性、耐久性及水密性好的土壓力計，其中外井壁刃腳斜面36個(測點1～18，測點78～95)、踏面6個(測點120～125)，內井壁刃腳28個(測點37～50，測點96～109)，外隔墻18個(測點19～36)，內隔墻37個(測點51～77，測點110～119)，布置位置如圖4、5所示。

圖4 沉井底面土壓力測點布置圖

圖5 土壓力傳感器安裝位置

根據(jù)以往經驗，鋼沉井在下沉過程中，結構應力的較大位置往往位于外圈附近，在外圈刃腳處布置豎向應力測點16個(內外側各8個)，環(huán)向測點12個(內側4個，外側8個)，在外圈隔墻底部布置14個測點，如圖6所示。

圖6 結構應力測點布置圖

3 沉井姿態(tài)控制結果

沉井首次取土下沉由外刃腳底標高-28.2 m下降到-31.6 m，取土依次為內圈18個井孔非盲區(qū)取土，盲區(qū)、隔墻及十字節(jié)點取土、外井孔貼內井壁取土，如圖7所示。取土過程需滿足結構安全，取土結束后，需滿足接高對地基及刃腳支撐的要求。

圖7 首次取土總體方案

3.1 沉井下沉量控制

沉井支撐體系隨著各部分有序取土逐漸由全斷面支撐、節(jié)點+內外圈支撐，向內圈+外圈支撐(接近小鍋底)轉換。圖8為沉井下沉控制結果。

圖8 沉井下沉控制結果

由圖8可知：沉井首次下沉前期，即6月5日至6月12日，僅下沉18.5 cm，速度較慢，目的在于避免出現(xiàn)較大偏斜，下沉不宜過快；另一方面，由于起始階段經驗不足、施工作業(yè)面少、機械設備磨合等原因，沉井外刃腳標高變化不大。下沉中期，即6月13日至6月25日，下沉3.13 m，速度較快，主要是因為開挖作業(yè)面逐漸由內井孔向外井孔拓展，沉井有效支撐面積減幅增大，加快了下沉。此間，最大單日下沉量達0.56 m，前期內井孔取土量相對較大，但下沉量很小，而后期外井孔取土量較小，下沉量卻大得多。表明，前期內井孔取土改變了沉井刃腳支撐體系，主要由外井孔底部區(qū)域支撐，一旦外井孔區(qū)域土體被取走，沉井依靠自重便可破除外井孔區(qū)域刃腳及盲區(qū)的土體。此外，機械設備也處于最佳工作狀態(tài)。下沉后期，速度明顯放緩，以便調整姿態(tài)，控制下沉精度。

3.2 沉井偏位/扭轉控制

在首次取土下沉過程中，沉井底口順橋向和橫橋向偏位均在15 cm以內[圖9(a)]，且處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)，表明沉井底面嵌入中密細砂后，對稱取土時，底口中心受到的約束力較為均衡，底口偏位較小。在圖9(b)平面扭轉角中，沉井始終控制在0.04°以內，曲線略有波動，首次下沉到位時，僅為0.025°，遠小于允許值1°，順橋向沉井向岸側傾斜1/258，橫橋向沉井向下游傾斜1/322；頂口平面偏位：順橋向沉井頂口向岸側偏移7.9 cm，橫橋向沉井頂口向下游偏移27.3 cm。沉井對稱受力狀態(tài)較好，首次下沉施工控制效果較好。

圖9 沉井平面控制曲線

3.3 沉井傾斜控制策略

在沉井首次下沉期間，沉井傾斜姿態(tài)較為敏感，隨著取土工序的不同，在順橋向、橫橋向2個方向上，沉井傾斜姿態(tài)呈現(xiàn)左右搖擺的情況，姿態(tài)變化較為顯著，尤其是短邊方向，傾斜度成為此次取土下沉的關鍵性控制指標。在取土期間，為了確保沉井姿態(tài)，進行了7次調整，具體如表1所示。在最后一次進行取土時，外圈刃腳平均底標高已至-31.5 m，刃腳底部開始大面積進入黏土層，沉井下沉到位。

表1 5#沉井首次下沉傾斜姿態(tài)控制

在此次取土下沉過程中，當取內圈土時，沉井下沉緩慢，沉井傾斜姿態(tài)變化較?。辉谌⊥馊ν習r，沉井傾斜姿態(tài)隨著取土順序、取土深度、取土速度而發(fā)生較大變化，其原因在于：① 沉井埋深淺，側壁摩阻力小，沉井重心高，在外圈取土過程中，沉井下沉敏感性高，易產生偏斜；② 由于砂土層分布不均，沉井刃腳嵌入的地質有所不同，在取土施工過程中，底部支撐不均衡，也會導致沉井出現(xiàn)傾斜；③ 在實際取土過程中不完全對稱，盡管對稱取土，但對稱區(qū)域取土量不對稱，也容易造成沉井偏斜。

采取的主要調控措施包括：

(1) 嚴格遵循“對稱取土、兼顧姿態(tài)、確保臺階型”的取土原則。

(2) 加強人工監(jiān)測，包括泥面標高、沉井高差、平面位置及高程，定期與自動采集數(shù)據(jù)進行復核，確保數(shù)據(jù)真實可靠，一旦發(fā)現(xiàn)異常，加大人工觀測頻率，及時找出問題本質，做好決策部署。

(3) 首次下沉時，沉井入土深度不大，一旦傾斜姿態(tài)偏差過大，主要控制策略如下：① 在出現(xiàn)明顯傾斜征兆前，及時放慢刃腳較低一側的取土速率，加快刃腳高側取土，使得刃腳高側下沉速度大于低側；② 當沉井出現(xiàn)較大傾斜時，在沉井刃腳較低的一側，關停1～2個井孔，其他孔繼續(xù)施工，同時在刃腳較高的一側新開幾個井孔，在調整姿態(tài)的同時，保障取土量；③ 當沉井傾斜過大時，在沉井刃腳較高一側進行偏吸泥、偏除土，較低一側的井孔均暫停施工，保持不動，盡可能減少高側的正面阻力，增大糾偏力矩，及時調整沉井姿態(tài)。

(4) 加強溝通協(xié)調，統(tǒng)一理念和目標，促使決策部署落實到位。

在外圈取土時，通過動態(tài)調整，提前干預不利趨勢，在確保取土效率的同時，使得沉井傾斜姿態(tài)處于可控的波動范圍內，控制結果如圖10所示。

圖10 沉井傾斜動態(tài)控制結果

通過主動控制策略，首次取土下沉結束后，沉井姿態(tài)如表2所示，主動控制效果較好。

表2 5#墩沉井首次取土下沉控制結果

依據(jù)首次取土下沉，針對5#沉井，“先內圈、再隔墻、十字節(jié)點破土、最后外圈”的取土方案有序實現(xiàn)了沉井安全、平穩(wěn)下沉。

4 土壓力/結構應力監(jiān)測結果分析

4.1 土壓力

從內井孔十字節(jié)點處的土壓力(圖11)來看，6月2日到6月11日，在內井孔取土時，內井孔十字節(jié)點及隔墻刃腳下的土體破除，刃腳端阻力持續(xù)下降，幾乎成脫空狀態(tài)，但期間沉井僅下沉10.9 cm，表明內井孔取土，沉井支撐體系由全斷面支撐向沉井外圈轉移，內圈取土對沉井下沉速度影響較小，但為后期外圈取土快速下沉做好了前期準備。自6月11日起，外圈取土時，沉井快速下沉，十字節(jié)點處的土壓力變化較小，大部分時間處于脫空狀況，監(jiān)測的泥面標高也證實了這一現(xiàn)象。

圖11 十字節(jié)點土壓力變化曲線

在首次下沉結束后，沉井刃腳底部壓力分布情況如圖12所示?？傮w上，沉井接近小鍋底狀態(tài)，沉井下沉至軟塑粉質黏土層后，內隔墻、十字節(jié)點處的土壓力均有所增長，且相對較為均勻；而在內井壁中，土壓力差值有大有小，彼此差異相對較大，主要是因為沉井下沉至黏土層，且含石量較大，內井壁出現(xiàn)支反力分布不均的現(xiàn)象；內隔墻土壓力變化表明，土壓力開始增加，意味著內井孔有效支撐面積增大，沉井逐漸由接近小鍋底狀態(tài)變化為全斷面支撐。在首次取土全過程中，始終未形成大鍋底狀態(tài)，即在未形成大鍋底狀態(tài)前，沉井已經發(fā)生下沉。根據(jù)各區(qū)域沉井泥面標高推算刃腳有效支撐面積，以及區(qū)域平均底面反力，反演沉井外井壁、外隔墻、內井壁、內隔墻、十字節(jié)點處的阻力，將各部分阻力與端承力總和進行比較(圖13)，結果表明：支撐力主要由外井壁(33.33%)、外隔墻(26.67%)、內井壁(20%)承擔，內隔墻及十字節(jié)點支撐力僅占20%。

圖12 土壓力分布(單位：MPa)

圖13 阻力占比

4.2 結構應力

通過對沉井結構應力實時監(jiān)測，及時了解和掌握沉井受力情況，首次取土期間結構應力如圖14所示。從結構應力(取應力變化較大的測點)上看，外圈隔墻底部應力LJY-12表現(xiàn)為先增長后減小的趨勢，始終保持在25 MPa以內；外刃腳斜面應力RGY-6N、RGY-8N幾乎保持直線，未發(fā)生較大變化，均處于受壓狀態(tài)；外刃腳外隔根部應力RGY-6W逐漸減小后有所波動，在沉井下沉過程中，均表現(xiàn)為拉應力?？傮w上看，結構應力為±30 MPa，結構處于受力安全狀態(tài)。

圖14 結構應力

5 結論

(1) 先內圈、再隔墻、十字節(jié)點，最后外井孔貼內井壁的取土方案可行，但由于內、外圈未同步取土，內圈大量取土時，下沉量并不敏感，而外井孔貼內井壁取土時，下沉迅速。

(2) 沉井入土深度較小時，沉井底口偏位較為穩(wěn)定，但沉井順橋向、橫橋向傾斜姿態(tài)較為敏感，易受取土順序、取土深度、取土速度等影響，特別是在外井孔取土時，沉井下沉速度快，需加強動態(tài)控制。

(3) 在首次下沉期間，沉井始終未形成大鍋底狀態(tài)，即在形成前沉井已經發(fā)生下沉，外井孔刃腳下的土體依靠沉井自重即可破除，沉井最不利狀態(tài)表現(xiàn)為接近小鍋底狀態(tài)，即內圈、隔墻仍有部分支撐。

(4) 沉井傾斜姿態(tài)控制措施：當出現(xiàn)傾斜時，加快刃腳高側取土，使得刃腳高側下沉速度大于低側；傾斜較大時，刃腳較低的一側，關停1～2個井孔，其他孔繼續(xù)施工，同時在刃腳較高的一側新增施工井孔；傾斜過大時，刃腳低側井孔暫停施工，刃腳高側井孔偏吸泥、偏除土速度加快，兼顧取土量和姿態(tài)。

(5) 沉井在下沉期間，沉井結構應力較小，能夠保持安全、平穩(wěn)、有序下沉。