泰州大桥沉井的施工难点及对策

　　摘要：泰州长江公路大桥主桥采用主跨2×1080m三塔两跨两锚碇悬索桥，其中南锚碇基础为特大型沉井，平矩形面尺寸为67.9m×52.0m，文章简要介绍了该沉井制作及下沉技术、施工过程中遇到的技术难点、沉井下沉的精确控制等。
　　关键词：悬索桥；南锚碇；沉井；排水下沉；空气吸泥下沉；桥梁施工
　　1工程概况
　　泰州长江公路大桥为主跨1080m三塔悬索桥，桥跨布置为390+1080+1080+390m，主桥桥宽33m，设计车速100km/h；接线分别采用路基宽33.5m的六车道高速公路标准，全线长约62.088km。
　　其中南锚碇基础为特大型重力式沉井，平面为矩形，长67.9m，宽52.0m。沉井内分20个井孔，井壁厚2.4m，隔舱壁厚1.4m，沉井顶标高+2.0m，基底标高-39.0m，沉井高度41m。其南锚碇是大桥的关键结构之一，无论从尺寸方面、还是重量方面都属于国内外罕见的特大型钢筋混凝土结构。
　　2工程地质条件
　　南锚沉井地质条件简表

　　3沉井的简介
　　沉井为一井筒状结构物，由刃脚、井壁、隔墙、井筒等部分组成。
　　泰州长江大桥锚碇基础采用矩形沉井基础，南锚沉井长和宽分别是67.9m和52m，平面共分为20个井孔。南锚碇沉井高41m，共分8节，第一节为钢壳混凝土沉井，高8m，第二至第八节均为钢筋混凝土沉井，除第七节为3m外其余均为5m。封底混凝土厚为8m。井中心里程为K17+911.151，沉井顶面标高为+2.0m，基底标高为-39.0m。
　　南锚碇沉井分三阶段制作，3次下沉。第一阶段沉井制作至18m高度，通过深井降水，排水下沉至-13.0m；第二阶段沉井制作至28m高度，通过深井降水，排水下沉至-23.0m；第三阶段沉井制作至41m高度，不排水空气吸泥下沉至-39.0m。
　　
　　4沉井的制作及下沉
　　4.1沉井的制作
　　沉井底部为钢结构，底节钢壳高8m，混凝土总量为7029m3。根据设计要求，钢壳上部的1m高混凝土和第二节同时浇注，使接缝留在钢壳内。因此，底节钢壳内混凝土浇筑时只填充下部7m，砼方量约6000m3，上部1m与第二节混凝土同时浇筑。
　　钢壳拼装完成后进行混凝土填充作业，一次性分层填充，施工时将钢沉井分成六个区域，分隔舱、分次对称均匀灌注混凝土，确保对沉井均衡加载，避免对钢沉井结构产生不利影响，确保结构平稳、安全。
　　钢沉井以上为33m高的钢筋混凝土井壁部分，需分节接高下沉，除第7节为3m高，其余为5m/节，共需接高7次。
　　钢筋采取在车间成型，现场绑扎的方式进行安装；接高采用大面积钢模板翻模法施工。模板的安装应遵循先内后外，先内隔墙，后外隔墙的原则进行。
　　为保证接高混凝土的质量，在施工时采取以下措施：
　　(1)混凝土在施工前多试拌、试验，选择合适的混凝土配合比。
　　(2)合理选择混凝土原材料，材料必须符合设计、规范要求，确保在浇注过程中不离析、不泌水，具有良好的和易性。
　　(3)混凝土振捣要均匀，严格执行振捣工艺，不欠振、漏振和过振。
　　(4)采用减速漏斗、串筒下料均匀，避免混凝土离析。
　　沉井制作完成后共分三阶段下沉：第一阶段，通过深井降水采用排水下沉；第二阶段跟第三阶段采用不排水空气吸泥下沉。
　　4.2沉井排水下沉施工技术
　　沉井处地面标高为+2.6m，地下水位为+1.2m。由于地下水埋深较浅，会影响前期地基处理的开挖及换填，同时也为使沉井在下沉初始阶段形成良好的导向，加快下沉作业的进度，满足阶段工期目标，沉井初始采用排水下沉。排水下沉拟采用深井井点降水,在基坑周边布设单排一级井点降水设施，降水深度至标高-15.4m。
　　沉井排水下沉过程中采用深井降水，降水井平面位置的布置考虑沉井下沉可能产生的塌方、土体位移等现象，与沉井外井壁必须留有一定的安全距离，以保证降水井在沉井下沉过程中的正常使用，拟定安全距离为8m。
　　降水井数量依据抽水试验确定的土层渗透系数及分次下沉的深度来确定基坑总涌水量，再根据单井出水能力和工作泵的效率而确定。
　　深井降水配合沉井下沉时与基坑开挖时有所不同，降水不宜过多，主要为防止井内产生流砂，井内稍有些积水无碍大局。实际上是进行“有控制的降水”，一般将井壁外的底下水位降至刃脚踏面以上1.2m左右就可达到排水下沉的目的。
　　深井降水启动后，开始沉井第一次排水下沉，下沉深度13.7m。第一次下沉选择沉井周边深井排水，沉井内水力机械冲吸泥下沉工艺，该方法有效率高、成本低、速度快、施工灵便等优点。
　　其工作原理：用高压射水对沉井内土体进行切割、冲刷、搅动使土形成泥浆，同时由吸泥泵将泥浆吸排至井外泥浆沉淀池，循环作业。取土分层厚度为1.0m，使基底形成全刃脚支承的锅底状，刃脚处取土均匀对称，循序渐进，使沉井平稳下沉。由于沉井接完第三节后，其高度已超出泥浆泵扬程，故沉井内需设泥浆接力泵。吸出的泥土再通过一次泥浆接力泵输送至弃土场，严禁堆码在沉井外的一侧。
　　沉井初期下沉注意事项：
　　(1)初期下沉很重要，以慢、稳为原则，下沉中的沉井相对高差应≤10cm，井孔内取土面相对高差应≤1.0m，确保沉井下沉进入正常轨迹。
　　(2)冲土高压水枪切勿冲至刃脚外，以防塌方。
　　(3)刃脚踏面宽为0.2m，承载力小，下沉主要靠隔墙底面控制沉降。
　　(4)由底节往上平面缩小，回填必须及时，以防影响周遍环境。
　　(5)取土过程中应加强测量和利用测量数据来指导取土下沉施工，严格控制高差。沉速以慢、稳为准。
　　(6)施工过程中应及时做好各项施工监控工作，特别要注意在沉井下沉影响范围内的长江大堤和地面构筑物的沉降观测和现场监护工作。
　　初期的排水下沉将作为控制均匀下沉、防偏的一个重要手段。施工中应做到“勤测勤纠，随偏随纠”。在下沉过程必须做到“有偏必纠”。沉井的偏差通过自动测斜仪及光学仪器两种手段，随时收集并分析。
　　4.3沉井不排水下沉施工技术
　　根据沉井结构和工程地质条件,沉井第一到第五节高28m采用排水吸泥方案下沉25.5m到标高-23m；然后接高六、七、八节13m，采用不排水空气吸泥下沉16m，达到-39m的设计标高。
　　沉井空气吸泥下沉具体施工方案如下：在沉井排水下沉达到目标值标高-23m后，在其上接高第六、七、八节沉井，然后安装施工平台、走道及龙门吊机、吸泥机，铺设吸泥管道等进行空气吸泥下沉，空气吸泥下沉16m后，进行清基封底，完善基础施工工作。
　　在吸泥机及管路安装布置完毕且各机械设备调试正常后，开始由水泵从蓄水池取水向沉井内补水，以保持沉井内的水头压力，然后由高压水泵从储水池送水至沉井上的空气吸泥机的高压射水管内冲泥，启动空气吸泥机将泥浆吸出后排入泥浆池，经泥浆池及沉淀池分离沉淀后，池中渣土运至弃土场堆放，而分离后的泥水进入蓄水池泵送回沉井进入循环。空气吸泥机一旦启动后，必须同时启动蓄水池中低压水泵往沉井内连续不断的补水，使沉井内的水头高度比地下水位高2m以上。
　　吸泥下沉按照先中后边、分层对称破土、先高后低、及时纠偏的原则进行。整个沉井共布置20套吸泥机，每个隔仓布置一台，将沉井大体分成两大区域，吸泥时从中间向两侧对称扩撒。
　　锚碇沉井下沉近40m，沉井在下沉的各个阶段具有不同的特点：
　　(1)沉井下沉的快慢主要取决于吸泥的效果。粉砂、细砂层比较松散，容易吸除，下沉较快。
　　(2)沉井入土的深浅是造成沉井是否容易倾斜的主要因素。入土浅，沉井的稳定性差，易于倾斜，但倾斜后容易纠正；入土深情形则相反。因此在吸泥下沉的过程中，保证沉井位置准确，全过程不发生倾斜最为关键。各取土井孔内泥面高差应保持基本一致，取土面相对高差应≤50cm，吸泥时必须掌握好。
　　(3)沉井下沉速度均匀与否与下沉系数的大小及土层的物理力学性能有关。下沉系数在不同高度、不同地质条件下各不相同，计算表明沉井下沉后期下沉系数最小。开始下沉时主要阻力来自刃脚、隔墙下的正面阻力，侧面摩阻力影响小；下沉过程中，侧面摩阻力逐渐增大，当沉井下沉至设计标高附近时，侧面摩阻力达到最大。
　　5沉井下程中可能遇到的问题及对策
　　5.1纠偏应急措施
　　针对沉井下沉过程中常出现井体倾斜、偏移或扭转现象，应采取有效措施进行预防，一旦出现偏斜应正确进行处理。
　　(1)沉井倾斜
　　沉井下沉过程中或下沉后，沉井发生倾斜，使沉井中心线、刃脚中心线与设计位置不重合，沉井出现歪斜，垂直度超过允许限度。产生的原因主要是吸泥不均匀，使井内土面高低悬殊；或局部超挖过深，使下沉不均；或刃脚下掏空过多，使沉井不均匀突然下沉，易导致沉井倾斜。
　　若倾斜发生在吸泥下沉阶段，立即停止整体吸泥下沉，在沉井顶面高的一侧刃脚处进行偏吸泥、偏除土，刃脚低的一侧保持不动，尽可能地减少高的一侧的正面阻力，保留低侧沉井孔局部土壤，增大沉井的纠偏力矩，随着高侧的下沉，倾斜即可纠正。
　　(2)沉井偏移或扭转
　　沉井下沉过程中或下沉后，沉井轴线位置发生一个方向偏移，称为位移；或两个方向的偏移，称为扭转。位移大多由于倾斜或土的偏压引起，大小随土质情况及向一边倾斜的次数而定。当倾斜方向不平行轴线时，纠正后则产生扭位。或沉井倾斜未纠正就继续下沉，也常会使沉井向倾斜相反方向产生一定位移。
　　位移纠正方法一般是控制下沉并不再向位移方向倾斜，同时有意识地使沉井向位移相反方向倾斜，纠正倾斜后，使其伴随向位移相反方向产生一定位移纠正。如位移较大，也可有意使沉井偏位的一方倾斜，然后沿倾斜方向下沉，直到刃脚处中心线与设计中心线位置吻合或接近时，再纠正倾斜，位移相应得到纠正。
　　5.2障碍物处理
　　沉井在下沉过程中不免会遇到树木、孤石等障碍物。一旦发现障碍物要立即停止下沉，进行详细探查，确定障碍物的位置及形状尺寸，采取以下方法处理。
　　(1)刃脚下遇到树木时可将其破碎或掏移，使其离开刃脚后用抓泥斗取出。
　　(2)刃脚下遇到孤石时，潜水工下水，小的可将周围掏空取出；大块的可先清除其覆盖土，寻找弱点进行开挖，先将小块清除，形成逐渐扩大的坑后，再将其撬翻离开刃脚取出。
　　(3)潜水清除孤石时，除打炮眼外，还可利用高压射水将石下掏出小洞放药爆破。刃脚下遇铁件障碍时，可采用水下切割清除。
　　5.3避免翻砂措施
　　下沉过程中出现翻砂的主要原因是,井底出现空隙和通道,内压力又小于外压力,使井外砂砾涌向井内。小翻砂可能加速沉井下沉,大翻砂有可能造成沉井突然下沉，倾斜及井壁开裂等严重后果，采取措施如下：
　　(1)吸泥下沉工艺适当，下沉过程中,随时保证井孔内水头高于地下水位2m以上。
　　(2)避免吸泥下沉过程中形成刃脚下翻砂通道,一般吸泥时保证井内地面低于刃脚不超过2m,禁止在井壁刃脚底直接吸泥。
　　5.4止沉和突沉控制措施
　　沉井在下沉过程中，如果不能严格控制沉井内部的取土速度和取土范围，很可能出现突沉现象；如果遇到特殊的地质情况，如铁板砂，很可能会使得沉井刃脚处的支撑力较大，沉井下沉变得困难。主要采取以下措施解决沉井的突沉和下沉困难。
　　(1)向井内加水，增加沉井所受的浮力，从而达到减小沉井下沉系数的目的。
　　(2)突然下沉，往往是一侧或一角倾斜。这主要是由于外侧壁摩擦力突然减少或井内挖土不均所致。这时，应采取在不沉的一侧抓紧挖土，纠正偏斜，纠正后要保持均匀挖土下沉。若在同一高度上两面土层软硬不同，则应先挖硬土后挖软土。在挖土时应始终保持刃脚以上有较厚的土，使井壁内侧亦承受一定的摩阻力，刃脚下土阻力和井壁内、外侧摩阻力之和，与沉井自重处于极限平衡状态，沉井徐徐下沉。
　　在沉井的纵横方向的轴线上设置四个控制点，测量其平面坐标和高程，用以推算沉井的顶、底面中心坐标，指导沉井下沉施工。在下沉过程中测量这四个控制点，计算出沉井的下沉量、四角高差、平面扭角，用以指导沉井的吸泥下沉和纠偏工作，使沉井能够实现精确下沉。
　　结束语
　　泰州大桥南锚沉井体形巨大、地下水位高、地质土层多为粉砂和细砂。在实际下沉过程中，有效地采取多项安全、质量保证措施，避免了沉井突沉、大面积翻砂及偏移和倾斜等事故发生，本沉井在总体投入较少的情况下顺利下沉到位。
　　参考文献
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