大型橋梁沉井不排水下沉取土設備研究與實踐

徐 杰，劉修成,2,3，管政霖,2,3

(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，湖北 武漢 430040；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，湖北 武漢 430040)

0 引言

沉井基礎因具有埋置深度大、整體剛度強、穩(wěn)定性高、可承受較大荷載等特點，從20世紀90年代開始，在我國被廣泛應用于大跨徑橋梁主墩和錨碇基礎。隨著橋梁大型化的發(fā)展，沉井結構尺寸突破百米級，如五峰山長江特大橋北錨碇沉井長100.7m、寬72.1m、高51m，常泰長江大橋沉井長95.4m、寬58.2m、高72m，結構尺寸增大對沉井施工風險控制提出更高要求。目前國內已積累較豐富的沉井施工經(jīng)驗，但仍然無法精確做到可控、可視、可測下沉施工，尤其是不排水下沉施工，除沉井施工技術難度大、控制復雜外，取土專用設備落后，未能匹配施工控制要求，創(chuàng)新迭代慢也是制約沉井安全可控下沉的重要因素。本文結合沉井施工日益嚴格的控制要求，分析常用沉井取土設備存在的不足，對取土專用設備開展探索研究，并依托在建項目應用，闡述研究思路、總結應用成效、展望未來趨勢。

1 不排水下沉取土專用設備存在的問題

1.1 需求分析

1)地質復雜 對砂性土、砂夾卵石、黏質砂土等流動性相對較好的土層，沉井取土效率和效果較理想，如泰州大橋中塔沉井主要地層為粉砂、細砂、中砂、粗砂[1]。施工中常遇到硬塑黏性土、膠結砂層及卵礫石層等硬質土層，取土效率低、下沉緩慢，如甌江北口大橋南錨沉井、楊泗港大橋主塔沉井[2]、常泰長江大橋主塔沉井等。

2)施工效率需求提升 隨著沉井大型化，取土方量增大，而取土速度沒有提升，施工周期變長，尤其是硬質土層中，空氣吸泥設備效率極低、甚至無法施工，沉井施工工期不可控，從而導致橋梁整體工期不可控。

3)精細化施工要求 從沉井質量控制、姿態(tài)控制、安全控制角度出發(fā)，要求沉井取土做到可控、可視、可測：①可控 根據(jù)設計和姿態(tài)控制要求，準確控制每次取土量和井底泥面成型質量；②可視 能實時掌握泥面情況；③可測 能高效精準測量井底泥面標高。

1.2 取土專用設備存在的問題

傳統(tǒng)取土設備大多采用空氣吸泥機，輔以抓斗等設備，空氣吸泥機設備組成簡單、操作方便、經(jīng)濟性好，對流動性較好的砂層取土效果較好，是沉井不排水下沉最常用的取土設備。但隨著現(xiàn)階段地質條件越來越復雜，施工控制要求越來越高，傳統(tǒng)空氣吸泥設備逐漸滿足不了要求。

1)硬質土層取土效率低下 硬塑性黏土、膠結硬層單憑氣舉難以擾動土體，導致出漿濃度不高、吸泥效率低，多數(shù)情況下無法實現(xiàn)吸泥作業(yè)。若采用抓斗輔助作業(yè)，為減小取土作業(yè)盲區(qū)，通常選用小容量抓斗，由于井孔較深，工作循環(huán)時間長，整體取土效率較低。

2)智能化程度低 傳統(tǒng)空氣吸泥設備包括龍門式起重機、吸泥管和空壓機，龍門式起重機操作、吸泥管更換等作業(yè)依賴人工操作，作業(yè)人員需求較大、易受主觀因素影響，導致取土效率偏低、泥面成型質量不高。

3)盲區(qū)取土無法完全覆蓋 空氣吸泥機為垂直取土，無法覆蓋剪力鍵、刃腳等盲區(qū)土體，傳統(tǒng)施工一般通過超挖形成鍋底，使沉井刃腳切土下沉，但該方式如果控制不準確，易改變沉井姿態(tài)，甚至發(fā)生較大傾斜造成安全質量事故。現(xiàn)階段，已明確要求不允許超挖，而通過取土覆蓋刃腳盲區(qū)，實現(xiàn)可控下沉，如常泰大橋沉井施工，如圖1所示。

圖1 刃腳盲區(qū)取土要求

4)設備可靠性不足 沉井尺寸加大，埋深增加，設備需要在>80m的水深下作業(yè)，傳統(tǒng)設備可靠性差、故障率高，嚴重影響作業(yè)效率。

5)沉井無法實現(xiàn)入巖 因地層原因和承載力需要，尤其是地層起伏較大的區(qū)域，如五峰山大橋錨碇沉井，設計時要求沉井部分入巖；甌江北口大橋南錨沉井因承載力需要，設計底標高需在卵石層以下。但因缺乏相應設備，無法實現(xiàn)入巖或卵石層。甌江北口大橋南錨沉井未達到設計標高，提前終沉后采取刃腳底部加固手段提升承載力。

2 取土專用設備研究與應用

結合五峰山大橋北錨碇沉井、甌江北口大橋南錨沉井和常泰長江大橋主塔沉井等典型工程項目，總結沉井取土專用設備相關研究、試制和應用情況。

2.1 絞刀取土設備

傳統(tǒng)空氣吸泥機是在無法擾動土體、出漿濃度低、取土效率不高的情況下，由疏浚領域引入的設備。而絞刀取土設備基于淤泥質黏土、軟塑性黏土等地層，通過在吸泥管底部集成旋轉絞刀切割破碎硬質土體，再排出土體。根據(jù)刀頭驅動方式分為水下電機驅動和液壓馬達驅動；根據(jù)排泥方式分為泵吸和空氣吸泥(泵吸是指設備集成水下潛水泵實現(xiàn)排泥，空氣吸泥利用原有空氣吸泥機實現(xiàn))；根據(jù)刀頭數(shù)量分為單刀頭、雙刀頭和四刀頭，如圖2所示。

圖2 不同類型絞刀設備

該設備能提高吸泥效率，刀頭擾動土體后排泥濃度更高，若采取泵吸，因不受水深和供氣量限制，排泥流量大大增加。在五峰山大橋、北口大橋第2次下沉中取得較好效果，但仍存在如下問題。

1)硬塑黏土、膠結硬層等堅硬地層因刀頭尺寸小、驅動扭矩不足，設備自重不夠又無法施加鉆壓，刀頭破土效果顯著降低。如北口大橋南錨沉井第3次取土下沉遇硬塑性黏土地層時，常泰長江大橋5號墩沉井第2,3次取土下沉遇膠結層時，絞刀取土設備施工效率極低而無法繼續(xù)使用。

2)設備可靠性差，經(jīng)濟性有待提升。因在水下施工，水下驅動部分的防水要求高，尤其是到達30m以下水深后。如北口大橋第2次下沉時，設備故障率較高，需經(jīng)常更換電機。如果采取防水等級高的水下電機或馬達，設備成本將增加數(shù)倍。

3)旋轉絞刀雖然可以增加土體擾動、提高吸泥效率，但若遇到鐵絲、織袋、石塊等雜物，絞刀易卡死導致電機過載，且易堵塞吸泥口，需要停機清理。

因此，絞刀取土設備在某些特定地層下能替代空氣吸泥機，大大提高取土效率，但地層適應性、設備可靠性、經(jīng)濟性限定了該設備的適用范圍。

2.2 鉆機取土設備

當下沉需穿越以塑性黏土為主的地層時，空氣吸泥效率極為低下、絞刀設備適用性不足，若采取重型抓斗施工，設備配置與效率無法滿足要求。在北口大橋第3次下沉前，進行一系列抓斗和絞刀設備試驗，效果均不理想，最終選取在沉井頂面搭設平臺布置鉆機的方案。

鉆機布置有旋挖鉆機和回旋鉆機方案。旋挖鉆機取的是純土層，而不是泥水混合物，因此取土效率較高，但需在沉井頂面布置皮帶設備二次轉運土層，且設備需回轉作業(yè)，較易發(fā)生干涉，作業(yè)高度大，安全風險大，尤其是沉井發(fā)生傾斜后不易控制安全風險，因此，甌江北口大橋南錨沉井在第3次取土下沉時，最終選取回旋鉆機方案。沉井共30個隔倉，布置22臺回旋鉆機，回旋鉆機底部設置臺車實現(xiàn)縱橫移動，通過不斷優(yōu)化刀頭尺寸和類型，使鉆機取土效率最大化。最終該方案在硬塑黏土層用時39d下沉5.12m，日均下沉量13.13cm，將該地質下的沉井下沉工效提高約1倍[3]。

回旋鉆機施工方案雖成功應用，但存在如下局限性：①相比傳統(tǒng)方案，該方案投入大，但仍無法覆蓋刃腳底部盲區(qū)取土；相比鉆孔施工，沉井井孔大，沒有形成封閉空間，泥水混合物濃度比鉆孔低、能耗大，整個方案投入產(chǎn)出比較??；②由于鉆桿安拆較頻繁，鉆機轉點和轉艙占總作業(yè)時間20%以上，是制約鉆機取土效率的主要因素；③施工過程對沉井姿態(tài)控制嚴格，如北口大橋第3次下沉時發(fā)生突沉，平面姿態(tài)傾斜較大，鉆機無法繼續(xù)施工，部分鉆桿損壞需要維修。

2.3 智能化空氣吸泥取土設備

當沉井穿越以砂層為主的地層時，傳統(tǒng)空氣吸泥設備能可靠工作，但需要人工判斷進行操作、控制取土量，每個井孔吸泥結束后，需靠人工吊錘測量泥面情況，整個沉井工作面人員眾多，但無法發(fā)揮設備最大工效，不能真正實現(xiàn)井孔內可控和高效率取土。

在常泰長江大橋5號墩沉井施工中，對傳統(tǒng)空氣吸泥取土設備進行智能化升級：①所有龍門式起重機實現(xiàn)集中和遠程控制，龍門式起重機與空氣吸泥機掛接后，按照系統(tǒng)給定的軌跡及吸泥時長指令，直接完成單個井孔取土操作，無須人工干預；②單個井孔吸泥完成后，通過設置在吸泥管底部的單點測深儀，按照規(guī)定自動測量泥面標高并進行反饋，或通過吊重傳感器判定觸底，再通過觸底時鋼絲繩長度進行反算；③所有的主排泥管與空氣吸泥機排泥管間設置控制閥門；④根據(jù)設置的輔助決策系統(tǒng)及反饋的泥面情況，輔助決策確定各井孔取土順序和取土量，通過設備調度管理系統(tǒng)調度設備日常和規(guī)劃取土路徑，發(fā)布指令后自動執(zhí)行。

通過智能化升級，新增龍門式起重機智能控制、相關傳感器、集控系統(tǒng)和施工管理系統(tǒng)，大大提高施工效率，取土效率提高50%以上，而人工減少60%，在地層適用范圍內，經(jīng)濟效益和管理效益明顯，在常泰大橋取土下沉中取得良好效果。施工現(xiàn)場如圖3所示。

圖3 施工現(xiàn)場

2.4 氣水混合沖射輔助取土設備

遇到堅硬地層時，空氣吸泥設備、絞刀設備無法有效破除，但硬層僅間斷存在、不連續(xù)，無需采取鉆機大面積、大厚度破除取土；或在沉井十字交叉節(jié)點處，空氣吸泥設備無法覆蓋，需沖散底部土層。上述情形需要一種能方便操作的設備，快速將局部硬層或普通設備無法覆蓋的區(qū)域土層沖散后，再由空氣吸泥設備取走被破壞的土體。

水下土體切割一般采取機械方式或水力方式，機械方式設備配置和操作復雜，可嘗試水力方式。通過研究疏浚船原理、高壓旋噴設備原理，結合現(xiàn)場情況，研究出氣水混合沖射輔助取土設備。該設備由供氣供水管路采用雙層套管形式，外層為DN125供氣管，內層為DN100供水管，通過高壓水射流、輔以壓縮空氣切割土體[4]。氣推水能軟化擾動土體，有如下模式：①類似疏浚耙吸船，采用大流量低壓，流量大，但需要的靶距很小，將噴頭插入土體更佳；②類似高壓旋噴設備，采用超高壓小流量，切割力更強，但噴頭直徑很小，射入土體后影響面積有限。該方案需準備能力很強的泵，通過控制噴頭出口直徑確定流量和壓力，通過現(xiàn)場試驗分析，最終確認大流量低壓模式影響區(qū)域更大。如果采取超高壓射流，針對硬塑性黏土，水壓140MPa、流量26L/min的條件下淹沒式射流有效靶距僅50cm，且單噴嘴范圍內沖射有效破壞截面積僅70～80cm2。氣水混合沖射設備在北口大橋南錨沉井試制、常泰大橋5號墩沉井現(xiàn)場正式應用，流量150m3/h，水壓2.0～2.5MPa，氣壓0.5MPa(氣壓隨水深變化，底部環(huán)境水壓0.1MPa)，單點處理時間2～3min，可有效破除沉井隔墻下部土體。

2.5 盲區(qū)取土設備

因沉井剪力鍵及刃腳底部盲區(qū)取土需要，上述傳統(tǒng)設備取土范圍均無法覆蓋，亟需能方便盲區(qū)快速取土的設備，實現(xiàn)精準取土控制，才能真正實現(xiàn)沉井可控下沉。如采用水下履帶機器人，暫不考慮該設備可行性和可靠性，因井底泥面高低不平、水下渾濁無法可視，機器人水下定位及破土機構精準導引困難。通過研究比選，最終采用內支撐配合機械臂方案。該設備由上部移動平臺和水下機器人本體組成，上部平臺將水下機器人下放至水下工作區(qū)域后，水下機器人支撐于內井壁完成駐位，通過機械臂伸縮、回轉、俯仰破除盲區(qū)土體。通過搭載空間位置與姿態(tài)遠程可視化監(jiān)控系統(tǒng)，可精確掌握機器人空間位置。該設備水下部分可采取液壓絞吸一次性實現(xiàn)破土和排土，也可采取絞吸或抓斗破土，由空氣吸泥設備排土，設備功能簡單、造價較低。上部平臺可采取雙輪銑槽機主機液壓絞吸一體化設備，主機部分還可兼容雙輪銑槽機功能，也可采取龍門式起重機模式作為專用設備使用，根據(jù)不同功能組合成為不同設備，如圖4所示。

圖4 刃腳取土設備不同方案

常泰大橋通過多種方案比選，根據(jù)土層分布情況，認為現(xiàn)階段設備的主要功能為刃腳破土后沉井端承力降低引發(fā)下沉，破除土體可通過空氣吸泥設備取土，該方案經(jīng)濟性較好。

雖然該方案理論上能解決盲區(qū)及刃腳取土問題，但在常泰大橋還是首次研究應用，設備可靠性還需進一步驗證，尤其是水下密封性、精度控制等。同時該設備昂貴，沉井隔倉較多，同時投入多臺經(jīng)濟性較差，現(xiàn)階段還不能作為主要取土設備，僅作為刃腳取土輔助下沉設備。

2.6 刃腳破巖設備

當沉井設計需要入巖時，采取水下爆破的方式不能精準控制開挖量，一旦控制出現(xiàn)問題給沉井主體結構和安全性帶來較大風險。德國海瑞克研發(fā)的豎井掘進機適用于直徑4.5～18m的豎井下沉施工，參照設計理論可解決大型沉井刃腳破巖問題(見圖5)。目前所有已施工橋梁大型沉井并未入巖、或最初設計要求入巖后提前終沉也能滿足承載力要求，因此該設備研制需求還不足。

圖5 豎井掘進機

3 結語

大跨徑橋梁沉井基礎施工經(jīng)過10余年積累，施工工藝和控制技術逐步完善，但專用設備適用性和施工效率一直是制約沉井施工工效的主要因素之一。本文結合已建和在建大跨徑橋梁沉井，以解決不同地層需求、提高工作效率、提高智能化程度為目標，對配套施工的專用設備和輔助設施開展研究，并在項目上成功應用，尤其是傳統(tǒng)空氣吸泥取土設備的智能化升級、氣水混合沖射輔助取土設備的研制應用，對常規(guī)沉井適用地層的下沉施工起到較好效果，絞刀設備和鉆機施工為特殊硬層下施工提供解決思路。同時，隨著施工要求不斷提高，要真正實現(xiàn)沉井可控、可視、可測下沉，沉井專用取土設備還存在一些問題，需進一步優(yōu)化完善，如設備可靠性和通用性需進一步提升，盲區(qū)取土設備及刃腳破巖設備的使用效果及經(jīng)濟性仍需完善。