常泰長(zhǎng)江大橋5號(hào)墩沉井基礎(chǔ)下沉取土裝備研究與應(yīng)用

劉修成，程茂林，陳廣飛，管政霖

（1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430040；3.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430040；4.中交公路長(zhǎng)大橋建設(shè)國(guó)家工程研究中心有限公司，北京 100120；5.江蘇省交通工程建設(shè)局，江蘇 南京 210004）

1 工程概況

常泰長(zhǎng)江大橋連接常州與泰興兩市，主航道橋?yàn)楣F合建雙塔雙索面斜拉橋，其孔跨布置為（142+490+1 176+490+142）m，是世界首座集高速公路、普通公路、鐵路“三位一體”的跨江大橋，也是目前在建的世界最大跨度斜拉橋。

該橋5號(hào)墩沉井基礎(chǔ)位于泰興側(cè)，為了減小水流對(duì)橋梁基礎(chǔ)周?chē)哟驳臎_刷深度，減輕運(yùn)營(yíng)期沉井自重，最終采用了圓端型截面臺(tái)階型沉井基礎(chǔ)[1]。沉井底部尺寸95.0 m×57.8 m，頂面尺寸77.0 m×39.8 m，沉井總高72 m，其中鋼沉井高64.0 m，頂高程+7.0 m，底高程-65.0 m，如圖1所示。外井壁寬度1.8 m，內(nèi)井壁寬度2.0 m，隔墻寬度1.4 m，基礎(chǔ)持力層為密實(shí)中細(xì)砂。

圖1 5號(hào)橋墩沉井基礎(chǔ)（m）Fig.1 The caisson foundation of pier No.5(m)

5號(hào)墩橋址處河床平均高程-14.5 m，地質(zhì)條件以沖洪積的黏性土、砂性土為主，土層不均勻，層底高差大，如表1所示。表層分布4~6 m厚的硬塑粉質(zhì)黏土層，砂性土地層揭示有砂質(zhì)膠結(jié)層，主要分布在標(biāo)高-38~-48 m范圍。

表1 5號(hào)橋墩土層分布情況Table 1 Soil layer distribution of pier No.5 m

為了消除沉井墩位處上層的硬塑粉質(zhì)黏土層對(duì)沉井施工的不利影響，采用抓斗挖泥船對(duì)河床底部進(jìn)行預(yù)開(kāi)挖清除。根據(jù)硬塑粉質(zhì)黏土層分布范圍，開(kāi)挖深度10 m，即開(kāi)挖至-24.5 m標(biāo)高，超出硬塑粉質(zhì)黏土層層底。河床預(yù)開(kāi)挖采取基坑開(kāi)挖邊坡為1∶3，坑底開(kāi)挖平面尺寸為沉井外輪廓往外延3 m放坡開(kāi)挖的形式。

2 施工難點(diǎn)

相較于國(guó)內(nèi)外沉井基礎(chǔ)，該項(xiàng)目地質(zhì)條件復(fù)雜，沉井體量更為龐大，結(jié)構(gòu)形式尤為新穎，下沉取土施工難點(diǎn)如下：

1）平面尺寸大，沉井取土量達(dá)20萬(wàn)m3，此外，較大的平面尺寸使得其外周長(zhǎng)與井壁及隔墻底面積之比為0.16，這表明下沉阻力中，端阻力占比較大，下沉過(guò)程中遇到承載能力較好的硬質(zhì)土層時(shí)，易出現(xiàn)下沉困難的問(wèn)題[2]。

2）沉井結(jié)構(gòu)的外形整體為臺(tái)階形、平面為圓端形。影響門(mén)吊軌道布置，易產(chǎn)生取土盲區(qū)。

3）土層復(fù)雜，取土難度大。沉井下沉需穿過(guò)多層粉質(zhì)黏土以及砂質(zhì)膠結(jié)層，傳統(tǒng)取土設(shè)備在此類(lèi)地層中的作業(yè)效率很低。

4）精度控制要求高：沉井下沉過(guò)程中，傾斜姿態(tài)要求控制在1/150以?xún)?nèi)。為了保證沉井下沉姿態(tài)平穩(wěn)，內(nèi)、外井孔泥面需形成“外高內(nèi)低”臺(tái)階[1]。對(duì)于黏土層，內(nèi)井孔取土深度不得超過(guò)外井壁刃腳踏面以下2 m。

3 設(shè)備研究及取土方法

砂土層由于其流動(dòng)性較好，在井孔范圍內(nèi)，采用氣舉取土使井孔泥面開(kāi)挖低于隔墻底部1 m左右[3-4]，即可脫空。而黏土層和膠結(jié)砂層具有較好的直壁保持特點(diǎn)，當(dāng)井孔內(nèi)泥面開(kāi)挖至限制標(biāo)高，沉井仍下沉困難時(shí)，采用旋噴鉆機(jī)對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行預(yù)攪松，利用氣水復(fù)合射流[5]破除隔墻下土體。對(duì)于內(nèi)井壁局部難破除區(qū)域，則采用機(jī)械臂水下取土機(jī)器人進(jìn)行定點(diǎn)清除。沉井盲區(qū)破土方法分布如圖2所示。

圖2 沉井盲區(qū)破土方法分布圖Fig.2 Distribution of soil breaking method in blind area of open caisson

3.1 自動(dòng)化氣舉取土

傳統(tǒng)的空氣吸泥工藝存在以下弊端：取土作業(yè)依靠人工操作，管口與泥面的距離難以達(dá)到最優(yōu)，影響吸泥效率；井孔泥面易出現(xiàn)較大高差，無(wú)法做到可控取土；吸泥完成后，泥面標(biāo)高需通過(guò)下放重錘測(cè)量，測(cè)點(diǎn)少，勞動(dòng)強(qiáng)度高。

在空氣吸泥的基礎(chǔ)上，研發(fā)了自動(dòng)化氣舉取土設(shè)備以及門(mén)吊集群控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由集中控制室、門(mén)吊和空氣吸泥機(jī)組成。作業(yè)人員在集控室內(nèi)，選取待作業(yè)的井孔，完成參數(shù)設(shè)置后，將作業(yè)指令通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至門(mén)吊PLC控制系統(tǒng)，門(mén)吊即可吊運(yùn)空氣吸泥機(jī)沿設(shè)定的路徑和深度進(jìn)行取土作業(yè)。作業(yè)過(guò)程中，通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備作業(yè)狀態(tài)和排泥口處泥漿濃度；作業(yè)完成后，該系統(tǒng)對(duì)井孔泥面標(biāo)高進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量。

3.1.1 起重設(shè)備及其定位系統(tǒng)

為了盡量減小因起重設(shè)備布置所引起的取土盲區(qū)，根據(jù)沉井圓端形的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，門(mén)吊軌道布置如圖3所示。按單臺(tái)門(mén)吊作業(yè)區(qū)域覆蓋2個(gè)井孔、對(duì)稱(chēng)布置設(shè)備的原則，共配備11臺(tái)直線(xiàn)行走和4臺(tái)圓弧形軌道行走門(mén)吊，起重量為20 t。由于門(mén)吊大車(chē)走行下橫梁具有一定的寬度，導(dǎo)致在直線(xiàn)軌道與圓弧形軌道交會(huì)處存在取土盲區(qū)，以及直線(xiàn)軌道無(wú)法適應(yīng)的三角形異型井孔，故這些區(qū)域（圖3中陰影表示）采用4臺(tái)起重能力為315 t·m塔吊輔助吊裝吸泥管進(jìn)行吸泥作業(yè)，塔吊臂長(zhǎng)選用50 m和25 m 2種規(guī)格。

圖3 門(mén)吊及塔吊布置圖Fig.3 Layout of gantry cranes and tower cranes

吸泥管在井孔內(nèi)沿設(shè)定路徑自動(dòng)移位的前提是能實(shí)時(shí)感知吸泥管在井孔中的平面位置。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，在門(mén)吊大車(chē)走行、小車(chē)走行機(jī)構(gòu)上設(shè)置絕對(duì)值編碼器，小車(chē)行走采用齒輪齒條傳動(dòng)，提高定位精度。

在每個(gè)井孔的參考原點(diǎn)處設(shè)置磁感應(yīng)開(kāi)關(guān)，門(mén)吊移動(dòng)至該位置時(shí)，大車(chē)編碼器自動(dòng)歸零；在小車(chē)行走后停止位設(shè)置限位開(kāi)關(guān)，定期對(duì)小車(chē)編碼器進(jìn)行校準(zhǔn)。在電動(dòng)葫蘆起升卷筒上安裝絕對(duì)值編碼器，用于計(jì)算鉤頭下放量，起升機(jī)構(gòu)上還集成有高精度吊重傳感器，用于監(jiān)測(cè)吸泥管在作業(yè)狀態(tài)下吊鉤上的荷載變化，判定吸泥管是否接觸到泥面，并以此為依據(jù)控制電動(dòng)葫蘆起升或下放，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)吸泥作業(yè)提供支撐。

3.1.2 吸泥機(jī)及相關(guān)配置

為了提高吸泥作業(yè)效率，每個(gè)井孔布置一套空氣吸泥機(jī)，吸泥管和供氣管的規(guī)格分別為DN250、DN80，在吸泥管口周向均勻分布有3個(gè)內(nèi)徑為10 mm的射水噴嘴，水壓為2.5 MPa，供水管規(guī)格為DN80。吸泥管口設(shè)計(jì)成鋸齒狀，并用筋板加強(qiáng)，減小堵管的概率。管節(jié)長(zhǎng)度分為9 m、3 m、2 m、1 m 4種規(guī)格。采用一體化設(shè)計(jì)，提高管節(jié)連接效率和嚴(yán)密性能。

主供氣、供水和排泥管道在每個(gè)井孔預(yù)留法蘭接口，空氣吸泥機(jī)各路管線(xiàn)通過(guò)軟管與相應(yīng)主管連接，接口處設(shè)置有閥門(mén)，以便控制空氣吸泥的開(kāi)閉。上、下游駁船上各配備有15臺(tái)排氣量22 m3/min、排氣壓力1.0 MPa空氣壓縮機(jī)；5臺(tái)流量155 m3/h，揚(yáng)程270 m水泵；4只10 m3氣包。氣、水通過(guò)耐壓軟管輸送至沉井頂面，再由主管道向各井孔供應(yīng)。

此外，為了改善對(duì)粉質(zhì)黏土層的破土效果，配備有8套可快速安拆的電動(dòng)絞吸模塊，每套包含2臺(tái)功率30 kW水下電機(jī)驅(qū)動(dòng)的2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的三翼刮刀鉆頭[6]。取土過(guò)程中遇到粉質(zhì)黏土層時(shí)，將吸泥機(jī)端部的吸泥頭更換為電動(dòng)絞吸模塊即可。

3.1.3 自動(dòng)化取土作業(yè)

集控室通過(guò)無(wú)線(xiàn)通訊對(duì)15臺(tái)門(mén)吊進(jìn)行遠(yuǎn)程集中控制。數(shù)據(jù)傳輸包括集控室發(fā)送至單臺(tái)門(mén)吊的作業(yè)指令信號(hào)，以及門(mén)吊反饋給集控室的硬件狀態(tài)信息、作業(yè)數(shù)據(jù)信息及視頻信號(hào)等。該自動(dòng)化氣舉取土設(shè)備具有以下功能：

1）自動(dòng)調(diào)整吸泥管口高程，提高泥水混合物濃度。吸泥管口距泥面過(guò)低易堵管，過(guò)高吸泥效果不好[7]。因此需要在吸泥過(guò)程中隨著泥面變化不斷調(diào)整吸泥管口的高程。

2）吸泥管沿預(yù)設(shè)路徑自動(dòng)移位，實(shí)現(xiàn)井孔內(nèi)可控、均勻取土。門(mén)吊PLC控制程序判定單點(diǎn)吸泥深度滿(mǎn)足設(shè)定值后，自動(dòng)執(zhí)行下一點(diǎn)位吸泥作業(yè)，避免超吸引起的涌砂風(fēng)險(xiǎn)。

3）泥面標(biāo)高自動(dòng)測(cè)量。吸泥完成后，關(guān)閉空氣吸泥機(jī)，將吸泥管作為測(cè)桿進(jìn)行泥面標(biāo)高測(cè)量。吸泥管總長(zhǎng)已知，以吊重傳感器數(shù)值變化判定吸泥管是否觸及泥面，記錄電動(dòng)葫蘆鋼絲繩下放量，即可計(jì)算出泥面標(biāo)高和刃腳埋深。

4）門(mén)吊集群控制，作業(yè)數(shù)據(jù)可追溯。2名操作人員在集控室內(nèi)即可控制15臺(tái)門(mén)吊，大大提高了沉井取土作業(yè)機(jī)械化、自動(dòng)化程度。作業(yè)過(guò)程數(shù)據(jù)，如吸泥作業(yè)時(shí)長(zhǎng)、單次吸泥完成后的泥面標(biāo)高、吸泥效率等均能記錄、存儲(chǔ)。

井孔內(nèi)自動(dòng)化吸泥作業(yè)流程如圖4所示。以砂質(zhì)土層為例：?jiǎn)吸c(diǎn)吸泥開(kāi)始后，下放吸泥管，當(dāng)重量傳感器檢測(cè)到吸泥管觸碰泥面后提升20 cm，隔一定時(shí)間再下放吸泥管10 cm，直至電動(dòng)葫蘆鋼絲繩下放量滿(mǎn)足設(shè)定值，即達(dá)到目標(biāo)吸泥深度。不同土層吸泥管作業(yè)參數(shù)有所不同，需依據(jù)工藝試驗(yàn)確定。

圖4 井孔內(nèi)自動(dòng)化取土作業(yè)流程圖Fig.4 Operation flow chart of automatic soil excavation in wells

下沉取土過(guò)程中，編排合理的內(nèi)、外井孔吸泥順序，使內(nèi)、外井孔泥面形成約1.5 m高差。通過(guò)內(nèi)井孔吸泥保證取土量，外井孔吸泥調(diào)整沉井姿態(tài)及每日下沉量，使整個(gè)下沉過(guò)程可控。

自動(dòng)化氣舉取土在砂質(zhì)土層吸泥效率可達(dá)到30~40 m3/h，在軟塑粉質(zhì)黏土層為20 m3/h。作業(yè)完成后，井孔內(nèi)泥面高差可控制在1 m以?xún)?nèi)。作業(yè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，沉井每下沉5~10 m需用抓斗對(duì)井孔內(nèi)遺留下的大塊石進(jìn)行清理，否則影響吸泥作業(yè)效率。

3.2 高壓旋噴與氣水復(fù)合射流破土

當(dāng)沉井下沉至軟塑粉質(zhì)黏土層時(shí)，采用高壓旋噴RJP工法對(duì)內(nèi)井壁及內(nèi)圈隔墻上的24個(gè)節(jié)點(diǎn)處的黏土層進(jìn)行預(yù)攪松。通過(guò)分布在鉆桿上、下段的高壓噴射流體2次切削破壞土層，從而擴(kuò)大射流影響區(qū)。鉆頭鉆進(jìn)時(shí)水壓3.5 MPa，流量12 m3/h，穿透黏土層后停止鉆進(jìn)，緩慢提升鉆桿并進(jìn)行水平噴射破土作業(yè)。上段水平噴嘴射水壓力20 MPa，流量6 m3/h；下段噴嘴射水壓力40 MPa，流量18 m3/h，射水孔環(huán)向氣孔噴射1 MPa壓縮空氣形成氣幕。鉆桿提升速度25 mm/min，轉(zhuǎn)速2.6 r/min。作業(yè)過(guò)程中，可觀(guān)察到節(jié)點(diǎn)相鄰的4個(gè)井孔均出現(xiàn)明顯翻涌現(xiàn)象，且節(jié)點(diǎn)處預(yù)埋的反力計(jì)讀數(shù)由0.9 MPa降低到0.3 MPa（修正環(huán)境影響后的壓力），可判定該節(jié)點(diǎn)已完全脫空。單個(gè)節(jié)點(diǎn)作業(yè)總耗時(shí)約9 h（含鉆桿安裝、拆除），其中5 m土層內(nèi)旋噴作業(yè)總時(shí)長(zhǎng)約4 h。

內(nèi)井孔取土后四周隔墻處形成臨空面后，采用氣水復(fù)合射流工藝對(duì)土墻進(jìn)行沖射破除。沖泥器端部布置有4個(gè)水平噴嘴，工藝原理與RJP工法相似，不同的是射水壓力為2~2.5 MPa，流量提高至280 m3/h，與空氣吸泥機(jī)的供氣、供水系統(tǒng)共用。噴嘴周向的壓縮氣體助推水力噴射，使被射流沖擊的土體迅速膨脹破壞。破除井孔單邊10 m長(zhǎng)井壁隔墻下的土體耗時(shí)約1 h。作業(yè)過(guò)程中，通過(guò)觀(guān)察相鄰井孔水面翻涌情況以及隔墻下預(yù)埋的反力計(jì)數(shù)值變化來(lái)評(píng)估破土效果。

3.3 機(jī)械臂水下取土機(jī)器人

3.3.1 總體設(shè)計(jì)

針對(duì)刃腳下取土盲區(qū)，研發(fā)了一種適用于深水多井孔沉井基礎(chǔ)機(jī)械臂水下定點(diǎn)取土機(jī)器人。該設(shè)備由上部平臺(tái)和水下機(jī)器人本體組成，如圖5所示。上部平臺(tái)包括操作室、水下機(jī)器人收放系統(tǒng)以及電纜絞車(chē)；水下機(jī)器人本體包括內(nèi)支撐臂架、液壓系統(tǒng)、射水泵、機(jī)械臂和銑刨頭。機(jī)械臂繞中心在±190°范圍內(nèi)回轉(zhuǎn)，臂長(zhǎng)伸縮范圍為3.5~8.0 m，工作部件銑刨頭最大切削力為20 kN，刀頭處設(shè)置有射水噴嘴，用于清洗刀齒，并輔助破土。

圖5 水下取土機(jī)器人Fig.5 Underwater excavating robot

上部平臺(tái)走行機(jī)構(gòu)由變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)無(wú)輪緣輪組行走，配合水平導(dǎo)向輪進(jìn)行限位，通過(guò)調(diào)節(jié)兩側(cè)的變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)頻率，實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)軌道和圓弧形軌道自適應(yīng)行走。動(dòng)力總成及控制閥組設(shè)置于水下，減少了液壓系統(tǒng)壓力損失和動(dòng)作延遲。

3.3.2 刀頭空間位置計(jì)算

銑刨頭相對(duì)刃腳的空間位置關(guān)系實(shí)時(shí)感知是問(wèn)題的關(guān)鍵。2臺(tái)絞車(chē)上的編碼器可以測(cè)量鋼絲繩的放繩量，從而計(jì)算出機(jī)械臂回轉(zhuǎn)中心點(diǎn)相對(duì)于刃腳的高度H。此外，機(jī)器人還搭載了高精度水下傳感器，包括回轉(zhuǎn)角度α、臂長(zhǎng)L、伸縮臂傾斜角度β，如圖6所示。傳感器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)讲僮鹘缑妫ㄟ^(guò)數(shù)學(xué)模型即可實(shí)時(shí)解算出銑刨頭與沉井刃腳的空間位置，并將其展現(xiàn)在操作室控制系統(tǒng)界面上。輔助作業(yè)人員判斷刀頭與沉井井壁及刃腳的相對(duì)位置關(guān)系，并通過(guò)觀(guān)察銑刨頭負(fù)載油壓變化對(duì)土體切削過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)水下精準(zhǔn)定點(diǎn)、可視化取土。銑刨頭設(shè)有過(guò)載保護(hù)，超過(guò)一定壓力能自動(dòng)泄壓，防止刀頭及鋼沉井壁體被損壞。

圖6 銑刨頭空間位置計(jì)算模型Fig.6 Calculation model of spatial position of the cutter head

3.3.3 施工工藝

起重船將設(shè)備吊裝至沉井頂面軌道上，解除上部平臺(tái)與水下機(jī)器人之間的鎖緊機(jī)構(gòu)，2臺(tái)絞車(chē)緩慢下放水下機(jī)器人并同步下放電纜。當(dāng)穿過(guò)剪力鍵達(dá)到設(shè)定高度時(shí)，內(nèi)支撐臂架上4個(gè)油缸伸出，支撐于沉井壁，完成駐位，單個(gè)油缸壓力保持在15~20 MPa。

準(zhǔn)備工作就緒后，機(jī)械臂回轉(zhuǎn)至需要銑削的點(diǎn)位，通過(guò)伸縮、變幅動(dòng)作移動(dòng)銑刨頭破除刃腳處土體。作業(yè)過(guò)程中，觀(guān)察銑刨頭負(fù)載油壓，并不斷調(diào)整刀頭的切削進(jìn)給量，直至刀頭整體越過(guò)井壁隔墻中線(xiàn)。當(dāng)前點(diǎn)位作業(yè)完成后，縮回機(jī)械臂，并回轉(zhuǎn)一定角度，調(diào)整臂長(zhǎng)和傾角，直至完成單次駐位所有點(diǎn)位刃腳處土體破除作業(yè)后，縮回內(nèi)支撐油缸，回收水下機(jī)器人，上部平臺(tái)沿軌道移動(dòng)至下一工位，重復(fù)上述步驟即可。單次駐位、破土作業(yè)及水下機(jī)器人回收總耗時(shí)約6 h。作業(yè)完成后，采用三維聲納掃描井孔泥面[8]，并根據(jù)圖像判斷內(nèi)井壁刃腳下的脫空情況。K1—K4井孔泥面掃描如圖7所示，可見(jiàn)內(nèi)井壁刃腳下方已完全脫空。

圖7 井孔內(nèi)三維聲納掃描Fig.7 3D sonar scanning in wells

4 結(jié)語(yǔ)

常泰長(zhǎng)江大橋5號(hào)墩沉井基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)新穎，平面尺寸大，端阻力成為沉井下沉的控制因素。依托項(xiàng)目研發(fā)的自動(dòng)化氣舉取土集群控制系統(tǒng)、機(jī)械臂水下定點(diǎn)取土機(jī)器人，并引入高壓旋噴與氣水復(fù)合射流工藝，首次采用內(nèi)、外井孔臺(tái)階式取土工藝。沉井于2020年6月10日開(kāi)始取土下沉，并于2020年12月28日下沉至-65 m設(shè)計(jì)標(biāo)高，日均下沉量達(dá)到45 cm，且下沉過(guò)程中傾斜姿態(tài)始終控制在1/150以?xún)?nèi)，終沉到位時(shí)橫橋向、順橋向高差分別為4 cm、1 cm，沉井中心平面偏位約10 cm。通過(guò)沉井下沉取土裝備研究與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，提升了沉井施工機(jī)械化、自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)了可控、可測(cè)、可視取土下沉，保證了沉井平穩(wěn)、安全、高效下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高。