超大型沉井在深厚軟土中的定位著床及下沉施工

葉建良

(中鐵大橋勘測設(shè)計院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430050)

1 工程概況

溫州甌江北口大橋位于溫州市甌江出?？冢捎脤幉ㄖ翓|莞國家高速公路和國道228線(南金公路)共線過江的雙層橋梁方案，主橋為(215 m+2×800 m+275 m)三塔四跨雙層鋼桁梁懸索橋。中塔基礎(chǔ)采用倒圓角的矩形沉井[1]，沉井橫向長66.0 m，縱向?qū)?5.0 m，頂面高程為+5.5 m，刃腳高程-62.5 m，沉井總高度68.0 m，其中鋼沉井高59 m(8 m+6 m+10×4.5 m)，共計12節(jié)，鋼殼內(nèi)填充混凝土，鋼筋混凝土沉井高9 m，頂部在上下游方向各向外擴(kuò)大2.5 m。沉井平面布置25個井孔，其中21個井孔為11.36 m×9.16 m標(biāo)準(zhǔn)井孔，四角4個井孔設(shè)置成倒圓角形。沉井外圈井壁厚度為2.0 m，隔墻厚度為1.3 m。沉井結(jié)構(gòu)如圖1所示。沉井總重量為18.5萬t，入土深度為50 m，其中-12 m～-33 m為淤泥，-33 m～-53 m為淤泥質(zhì)黏土，-53 m～-59 m為粉質(zhì)黏土，-59 m～-62.5 m為卵石層，持力層為卵石層。

2 中塔沉井定位、著床施工

中塔沉井地處甌江入?？?，屬于強(qiáng)潮河口，具有潮差大、水流急、波浪高的特點，加上墩位處河床表層為淤泥，承載能力極差，水工試驗顯示局部沖刷大。為確保首節(jié)27.5 m鋼沉井精確定位并順利著床，本工程中塔沉井采用先河床預(yù)處理，然后用“錨墩+重力邊錨”相結(jié)合的定位系統(tǒng)進(jìn)行定位，再注水著床的方法。

2.1 河床預(yù)處理

1)河床預(yù)處理的必要性。

《中塔沉井基礎(chǔ)施工期局部沖刷試驗研究報告》[2]表明，施工期沉井下沉著床過程中，沉井底部距河床越小，河床起沖流速越大，沉井底初入河床時，沉井周邊均有較大的局部沖刷，最深點發(fā)生在迎水側(cè)拐角處，單向水流與潮流作用下的最大局部沖刷深度均大于10.0 m。另外根據(jù)現(xiàn)場實測，墩位處河床標(biāo)高為-12 m，而刃腳混凝土澆筑完成并割除井孔封底板后沉井的吃水深度為10.4 m，考慮潮差影響，低水位-3 m時墩位處的水深不能滿足沉井著床前吃水深度要求。綜合考慮上述不利因素，為確保沉井順利著床，變被動防護(hù)為主動防護(hù)，事先進(jìn)行河床預(yù)處理是十分必要的。

2)河床預(yù)處理施工。

河床預(yù)處理分清淤和防護(hù)兩步：先采對河床進(jìn)行清淤處理，河床清淤范圍為四棱臺體，頂面邊長為161 m×172 m，底面邊長為95 m×106 m，側(cè)面邊坡為1∶6，高為5.5 m，清淤總方量約為10萬m3，原河床標(biāo)高-12.0 m，清淤后的河床標(biāo)高為-17.5 m。清淤后采用定位船上設(shè)置導(dǎo)管架，安裝料斗及導(dǎo)管，抓斗船配合進(jìn)行防護(hù)層施工。防護(hù)層厚度為3 m，分上下兩層施工，底下0.8 m為反濾層，采用粒徑1 mm～6 mm的顆粒，頂上2.2 m為防護(hù)層，采用粒徑5.5 cm的石子[3]。預(yù)防護(hù)層頂面標(biāo)高控制在-14.5 m，平整度控制在50 cm之內(nèi)，見圖2。

3)抗臺設(shè)計。

大橋地處臺風(fēng)多發(fā)區(qū)，考慮在沉井施工前期中受臺風(fēng)影響因素較大(沉井所承受臺風(fēng)作用下的波浪力約為3 000 t)，為應(yīng)對臺風(fēng)對沉井下沉施工過程中的不利影響，采用在沉井四周河床防護(hù)頂面拋擲碎石的抗臺方案，拋石位置處于沉井四周約172 m×161 m的范圍內(nèi)，碎石層底標(biāo)高為河床預(yù)防護(hù)頂標(biāo)高-14.5 m，碎石層頂標(biāo)高-8.5 m，拋擲厚度為6.0 m。沉井抗臺主要由兩個不同工況來實現(xiàn)，第一個工況：沉井刃腳進(jìn)入防護(hù)層2 m時，由基底反力抵抗臺風(fēng)作用；第二個工況：沉井突破防護(hù)層后，由所拋擲碎石抵抗臺風(fēng)作用。

2.2 沉井定位系統(tǒng)設(shè)計

甌江北口大橋中塔鋼沉井定位系統(tǒng)由錨墩、重力邊錨、拉纜系統(tǒng)及收纜系統(tǒng)組成。錨墩平臺在沉井上下游方向各設(shè)置一個，頂面設(shè)計高程為+13.735 m，錨墩平臺中心距離沉井中心距離為260 m，單個錨墩平臺下部布置16根φ2 200 mm斜鋼管樁作為基礎(chǔ)，鋼管樁總長80 m，頂部管樁間采用連接系連接。錨墩平臺上部結(jié)構(gòu)包括扁擔(dān)梁、反力座、轉(zhuǎn)向座、操作平臺、欄桿等。重力錨布置在沉井南北兩側(cè)，每側(cè)各布置4個，重力錨中心距沉井中心距離為150 m，單個重力錨尺寸為12 000 mm×10 200 mm×6 000 mm，單重為900 t。拉纜系統(tǒng)包括8根邊錨拉纜和12根主錨拉纜，分上、下兩層設(shè)置，均采用φ110 mm鋼絲繩，強(qiáng)度等級為1 770 MPa(破斷力不小于900 t)。主錨拉纜一端與錨墩頂面的收纜系統(tǒng)相連，另一端與沉井相連；邊錨拉纜一端與重力錨相連，然后通過沉井邊錨轉(zhuǎn)向與錨墩頂面的收纜系統(tǒng)相連。收纜系統(tǒng)主要由20臺350 t連續(xù)千斤頂、10臺液壓泵站及一套控制系統(tǒng)組成，詳見圖3。

2.3 沉井定位著床施工

沉井浮運至墩位后，按照“先主纜后邊纜、先上游后下游、左右對稱”的原則逐根完成纜繩轉(zhuǎn)換，然后利用定位系統(tǒng)對鋼沉井進(jìn)行定位。沉井定位分為初定位和精確定位兩部分。初定位在過纜完成后進(jìn)行，精確定位在注水著床前進(jìn)行。鋼沉井順江向定位通過調(diào)整設(shè)置在上下游的主纜纜力來控制，南北向定位通過調(diào)整沉井南北側(cè)邊錨纜繩纜力來控制，鋼沉井的垂直度通過調(diào)整下拉纜和主纜纜力來實現(xiàn)，沉井的扭轉(zhuǎn)通過主纜和邊纜纜力的配合調(diào)整來實現(xiàn)。調(diào)位過程中需要實時監(jiān)測沉井姿態(tài)[4]，定位完成后檢查主、邊錨各錨繩受力是否均勻，同類型錨繩受力差值應(yīng)控制在5%左右。

鋼沉井精確定位后，選擇水流流速小、流態(tài)穩(wěn)定，風(fēng)速小的有利時段，利用水泵抽江水快速注入井壁和隔艙內(nèi)，實現(xiàn)快速著床，為此選擇大流量的150WL320-26-45型水泵進(jìn)行注水施工，36個隔倉內(nèi)每個隔倉內(nèi)布置一臺注水泵。此型號水泵理論揚程26 m，鋼沉井注水著床前干舷高度為18 m。理論流量320 m3/h，效率為73%即有效流量為320 m3/h×73%=233 m3/h。通過計算沉井著床時注水高度為外井壁11.5 m，內(nèi)隔墻13 m，此時最大隔艙注水量為414 m3(長邊T形塊體)，灌注時間=414/233=1.77 h，可滿足高平潮內(nèi)快速著床的施工要求。本工程沉井實際注水著床時間選擇在2017年6月21日早晨高平潮時進(jìn)行。6:00開始注水，經(jīng)過1 h 15 min的注水，沉井平穩(wěn)著落于預(yù)定河床面，經(jīng)測量復(fù)測，沉井著床時的偏位、扭角和垂直度均滿足設(shè)計精度要求。

3 沉井下沉施工

中塔沉井墩位處從上到下約40 m深度范圍內(nèi)均為淤泥及淤泥質(zhì)黏土，故施工單位最初總體施組中沉井下沉施工的總體思路是[5]：先通過注水配重+抓斗抓泥方式突破防護(hù)層將沉井下沉至-17.5 m，然后通過3次接高、4次配重，主要依靠增加沉井自重克服沉井端部和側(cè)壁摩阻力來下沉，中間如遇沉井靠自重不能下沉?xí)r再輔以少量吸泥措施將沉井下沉至-53 m標(biāo)高，再接高9 m混凝土沉井后上門吊及吸泥設(shè)備，通過吸泥下沉將沉井下沉到設(shè)計標(biāo)高-62.5 m。

3.1 突破防護(hù)層下沉施工

沉井著床后即進(jìn)行沉井第一次接高(2×4.5 m=9 m，沉井總高度36.5 m)，同時進(jìn)行沉井周邊防臺拋石。沉井接高完成后就開始沉井第一次突破防護(hù)層下沉施工。此時沉井總高度36.5 m，最高水位時沉井干弦高度19 m，由于水深不夠，沉沒比不足，無法用吸泥機(jī)，故突破防護(hù)層施工選用2臺型號為DLQ25輪胎式抓斗吊(1.8 m3)進(jìn)行抓土。根據(jù)下沉計算，此時的沉井全截面支撐下沉系數(shù)0.88，全刃腳支撐下沉系統(tǒng)為1.25，故抓取原則為僅保留刃腳下防護(hù)層，其他區(qū)域均需抓除，先抓中間核心區(qū)9個井孔防護(hù)層，再對沉井核心區(qū)周圈16個井孔進(jìn)行防護(hù)層的抓取施工，抓取施工時為防止刃腳涌土，距離外圈井孔刃腳3 m寬度范圍內(nèi)暫不取土，抓泥深度-14.5 m～-17.5 m，抓泥理論方量7 500 m3。在抓取沉井井孔防護(hù)層過程中鋼沉井累計下沉1.7 m，未突破防護(hù)層。項目部通過對井壁及隔艙注水壓重使沉井平穩(wěn)下沉至-17.5 m，基本突破防護(hù)層。

3.2 淤泥質(zhì)及粉質(zhì)黏土層中沉井下沉施工

沉井突破防護(hù)層后即開始第一階段井壁及隔倉混凝土填充配重(井壁15.5 m，隔墻17 m)，在配重作用下沉井刃腳標(biāo)高從-17.5 m平穩(wěn)下沉至-21.2 m，小于預(yù)期的-28.0 m標(biāo)高。然后開始第二次沉井接高(3×4.5 m=13.5 m，沉井總高度50 m)，接高過程中沉井只下沉了10 cm，沉井刃腳標(biāo)高為-21.3 m，沉井姿態(tài)良好。

3.2.1 不均勻快速下沉

沉井第二次接高完成后即開始第二階段井壁及隔倉混凝土填充(井壁17 m，隔墻17 m)。在第二階段配重混凝土澆筑過程中，沉井先后發(fā)生了三次大幅度的搖擺式不均勻快速下沉[6]。沉井中心刃腳標(biāo)高由-21.3 m下沉至-31.35 m，上下游高差3.5 m，沉井已基本穿透了20 m淤泥層進(jìn)入淤泥質(zhì)黏土層。通過專題會議研究決定：基于目前沉井所處的狀態(tài)，后續(xù)施工應(yīng)是在保證沉井主體結(jié)構(gòu)安全的前提下(主要控制水頭壓力不超設(shè)計值)首先要以調(diào)整姿態(tài)和減小重心偏心距為主，即將剩余幾個隔艙的混凝土澆筑完成后(澆筑高度按混凝土頂面距離沉井頂面不小于15 m控制)立即轉(zhuǎn)換工序開始沉井吸泥施工，通過吸泥下沉來調(diào)整沉井的姿態(tài)。沉井吸泥按先中間、后四周、先高側(cè)、后低側(cè)，逐步外擴(kuò)的原則。中間區(qū)域9個井孔吸泥按照吸后泥面標(biāo)高在剪力鍵以下2 m控制。外圈16個井孔是否吸泥及吸泥的范圍要根據(jù)沉井下沉情況具體分析后確定，吸泥施工中需謹(jǐn)慎、勤量測，杜絕基底隆起或“翻砂”等現(xiàn)象，確保安全平穩(wěn)下沉。

3.2.2 淤泥質(zhì)及粉質(zhì)黏土層中沉井糾偏及取土下沉施工

根據(jù)專題會議精神，在第二批次隔倉混凝土澆筑完成后，項目部即開始轉(zhuǎn)入糾偏及取土下沉階段，此過程一直持續(xù)到沉井基本下沉到位，全面轉(zhuǎn)入清基階段為止。期間項目部擇機(jī)完成了：沉井最后兩層鋼沉井的接高(2×4.5 m=9 m，沉井總高度59 m)；按“逐步配重調(diào)整重心位置居中盡量減小偏心距”的原則分多次完成了剩余隔倉混凝土的澆筑；分兩次完成了9 m混凝土沉井的接高作業(yè)。沉井接高及填倉作業(yè)屬于常規(guī)作業(yè)，在此不做詳細(xì)介紹，重點介紹淤泥質(zhì)及粉質(zhì)黏土層中沉井取土下沉施工工藝。

1)本工程淤泥質(zhì)及粉質(zhì)黏土層中沉井取土下沉難點分析。

a.黏土層由于其不良巖土性質(zhì)(可塑性、不透水性、高靈敏度、觸變性)導(dǎo)致沉井下沉取土困難。主要表現(xiàn)就是土體不容易坍塌，傳統(tǒng)空氣吸泥及高壓射水效率低下，且黏土的觸變性致使一旦突破臨界點土體便迅速坍塌，容易引起沉井的快速下沉。

b.取土盲區(qū)大，國內(nèi)現(xiàn)有的深水盲區(qū)取土設(shè)備匱乏導(dǎo)致沉井盲區(qū)取土效率低下。沉井取土盲區(qū)主要有：刃腳及隔墻下踏面盲區(qū)、剪力鍵盲區(qū)、取土及吊裝設(shè)備自身結(jié)構(gòu)特點產(chǎn)生的工作盲區(qū)以及沉井傾斜引起的盲區(qū)。盲區(qū)取土面積占整個沉井取土面積超過50%，盲區(qū)土體不能有效取出，意味著沉井端承阻力不能有效解除，導(dǎo)致沉井下沉困難。

2)淤泥質(zhì)及粉質(zhì)黏土層中取土下沉施工工藝探索。

溫州甌江北口大橋中塔沉井是世界上首座深厚黏土層中的超大深水沉井基礎(chǔ)，施工難度遠(yuǎn)超預(yù)期，特別是在沉井下沉施工過程中發(fā)生了9次不均勻快速下沉，上下游高差一度超過6 m。施工單位根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)實際情況，積極探索新的取土工藝，最終安全地將沉井下沉到位。淤泥質(zhì)及粉質(zhì)黏土層中取土下沉施工大致經(jīng)歷了三個階段：

a.抓斗取土階段。考慮到防護(hù)層取土?xí)r抓斗效率較高，故前期取土仍采用抓斗取土。此階段配置了2臺輪胎式抓斗吊和4臺履帶式抓斗吊配合滑槽進(jìn)行施工。輪胎式抓斗吊工作半徑為11 m，配2方抓斗，安放于沉井十字隔墻位置的專用底座上。履帶式抓斗吊工作半徑為14 m～16 m，配2方抓斗，安放于沉井井孔上專用平臺上。抓泥滑槽安裝在抓斗吊抓泥對應(yīng)的井孔旁。抓斗取土期間沉井經(jīng)歷了兩次快速下沉，兩次緩慢下沉，沉井中心刃腳標(biāo)高從-31.35 m下沉至-38.7 m，上下游高差縮小至0.9 m，沉井姿態(tài)趨好(見圖4)。

b.攪吸+空氣吸泥+高壓射水階段。隨著取土深度加深，淤泥質(zhì)黏土固結(jié)強(qiáng)度增高，加上水深抓斗上下一次時間長，抓斗吊取土效率明顯降低。為提高取土效率，經(jīng)現(xiàn)場試驗可行后項目部改用“20臺絞吸泵+5臺空氣吸泥機(jī)+高壓射水”進(jìn)行攪吸取土。為實現(xiàn)攪吸取土，項目部在沉井隔墻上鋪設(shè)風(fēng)管、高壓水管、龍門吊機(jī)走道等設(shè)施，起重設(shè)備為21臺16 t龍門吊機(jī)及2臺浮吊(1臺200 t，1臺300 t)，供風(fēng)設(shè)備根據(jù)相關(guān)計算及其他項目施工經(jīng)驗采用25臺23 m3/min的電力空壓機(jī)，空壓機(jī)布置在沉井南北側(cè)的空壓機(jī)方駁上，通過布置在沉井頂上的供氣管直接向各吸泥點供氣。另外還自行加工了兩套帶水平支架的高壓射水裝置來射盲區(qū)土層。采用攪吸輔以高壓射水措施后，取土效率較抓斗有明顯提高。期間沉井經(jīng)歷了3次不均勻快速下沉，沉井中心刃腳標(biāo)高從-38.7 m下沉至-49.3 m，但上下游高差再次增大到5.4 m，沉井姿態(tài)不是很理想。此時沉井最低點已進(jìn)入粉質(zhì)黏土層(見圖5)。

c.鉆機(jī)取土階段。由于“攪吸機(jī)容易被雜物卡死、電纜接頭密封性差、粉質(zhì)黏土層強(qiáng)度高造成電機(jī)過載燒壞、水深超過50 m不適用”等原因，造成攪吸機(jī)故障率高且維修成本高，嚴(yán)重影響了攪吸機(jī)的取土效率?；跀囄鼨C(jī)高壓射水功效降低，沉井第八次快速下沉后，施工單位在不放棄攪吸的同時嘗試采用正循環(huán)鉆機(jī)輔助松土后再用空氣吸泥機(jī)吸泥，效果較為理想。隨即項目部投入了5臺GPS18型正循環(huán)鉆機(jī)+5臺空氣吸泥機(jī)，經(jīng)過努力將上下游高差由5.4 m調(diào)整為2.5 m，具備混凝土沉井接高條件后停止鉆機(jī)取土，進(jìn)行混凝土沉井接高?；炷脸辆痈咄瓿珊?，考慮鉆吸一體化，施工單位開始嘗試用反循環(huán)鉆機(jī)取土試驗可行。此后項目部全面采用正、反循環(huán)鉆機(jī)聯(lián)合取土方案。9臺氣舉反循環(huán)鉆機(jī)，主要負(fù)責(zé)中間核心區(qū)9個井孔的取土；8臺GPS18正循環(huán)鉆機(jī)+8臺空氣吸泥機(jī)，主要負(fù)責(zé)周邊16個井孔的取土。8臺門吊負(fù)責(zé)空氣吸泥機(jī)吸泥時吸泥管起落及移位，2臺浮吊主要負(fù)責(zé)鉆機(jī)及平臺的移位(見圖6，圖7)。

鉆機(jī)取土施工中遇到的問題及解決措施：

第一，頻繁的糊鉆、堵管問題：改進(jìn)鉆頭，通過調(diào)整鉆桿底部的開口尺寸及位置、改變鉆頭的傾角、優(yōu)化鉆齒的排列等方式，糊鉆問題得到了一定的控制。

第二，盲區(qū)取土難度大的問題：采取預(yù)留射水管內(nèi)壓水壓氣、改制鉆頭(如調(diào)整刀頭角度及數(shù)量、加大鉆頭直徑、調(diào)整鉆桿風(fēng)口位置等)、鉆頭上焊鋼絞線掃土、水平高壓射水、高壓旋噴射水破土等方式來加快盲區(qū)土體的坍塌。

從改用鉆機(jī)取土開始，沉井又經(jīng)歷了1次快速下沉4次緩慢下沉，沉井中心刃腳標(biāo)高從-49.3 m下沉至-59.1 m，上下游高差從2.5 m縮小到1.1 m，沉井姿態(tài)進(jìn)一步趨好。至此沉井已基本穿透粉質(zhì)黏土層進(jìn)入了卵石層。

3.3 卵石層中沉井下沉施工

卵石層取土基本延續(xù)了正、反循環(huán)鉆機(jī)聯(lián)合取土工藝，另外增加了兩套426大管徑的空氣吸泥機(jī)。期間沉井經(jīng)歷了3次緩慢下沉，沉井中心刃腳標(biāo)高從-59.1 m下沉至-61.92 m。經(jīng)一橋四方聯(lián)合驗收：沉井偏位、傾斜度、扭角、持力層均滿足設(shè)計要求，同意沉井終沉。

4 沉井施工監(jiān)控量測

及時準(zhǔn)確的監(jiān)控量測對確保沉井安全可控地平穩(wěn)下沉至關(guān)重要[7]。甌江北口大橋中塔沉井施工監(jiān)控量測的主要內(nèi)容有：沉井結(jié)構(gòu)應(yīng)力及側(cè)壁鋼板應(yīng)力的監(jiān)測、沉井端承力和側(cè)摩阻力的監(jiān)測、沉井幾何姿態(tài)的監(jiān)測、沉井內(nèi)外泥面標(biāo)高的監(jiān)測。沉井的結(jié)構(gòu)應(yīng)力及側(cè)壁鋼板應(yīng)力主要通過埋設(shè)在沉井關(guān)鍵位置上的鋼筋計來監(jiān)測，端承阻力及側(cè)摩阻力主要通過埋設(shè)在隔墻底部和刃腳踏面上的土壓力計進(jìn)行監(jiān)測，沉井幾何姿態(tài)通過設(shè)置在沉井頂面縱橫軸線上的4個GPS進(jìn)行監(jiān)測，沉井井孔內(nèi)外泥面標(biāo)高主要通過測繩和超聲或聲吶檢測儀進(jìn)行監(jiān)測。應(yīng)力及姿態(tài)數(shù)據(jù)通過無線實時傳輸至監(jiān)測云平臺，可在手機(jī)和電腦上實時查看。另外施工現(xiàn)場布置高清攝像頭，實現(xiàn)遠(yuǎn)端全方位實時視頻監(jiān)控。

5 結(jié)語

作為世界首座強(qiáng)潮河口深厚軟土地質(zhì)中的超大型深水沉井基礎(chǔ)，甌江北口大橋中塔沉井雖然施工比較艱難，下沉過程中經(jīng)歷了多次不均勻快速下沉，但沉井始終處于可控狀態(tài)，沉井結(jié)構(gòu)安全，沉井下沉到位后的最終姿態(tài)：沉井頂口偏位順橋向偏南25.5 cm，橫橋向偏下游11.5 cm；傾斜度上下游1/1 610，南北向1/168；扭角0.977°，均滿足設(shè)計和規(guī)范要求，這也證明了施工單位采取的施工工藝及控制措施的是可行的。