長江沿岸大型沉井基礎安全監控系統設計

朱永珠 陳志平 薛寒冰

近年來，我國橋梁事業飛速發展，尤其是長江沿線，出現了許多大型橋梁。在眾多大型橋梁之中，懸索橋由于其技術成熟、跨徑大、不占長江河道等優點而被廣泛采用。沉井基礎是懸索橋錨定的主要基礎形式之一，大型沉井基礎具有穩定性好、安全儲備高的優點，但是大型沉井基礎的施工風險相對較大，安全監控是保證沉井施工安全的必要措施之一[1]。因此，深入研究長江沿岸大型沉井基礎的安全監控系統是必要的。

1 工程概況

某大型過江大橋南錨碇位于江心洲，臨近江心洲西大堤約160 m。南錨碇是該大橋的關鍵結構之一。根據設計，錨錠采用重力式沉井基礎，南錨碇采用大沉井施工方案，為60.2 m×55.4 m(第一節沉井長和寬分別為60.6 m和55.8 m)的矩形截面，沉井高41 m，共分8節，共布置25個井孔，為普通鋼筋混凝土結構。第一節為8 m高鋼殼混凝土沉井，其余節段為鋼筋混凝土沉井，封底混凝土厚8 m。沉井第二節及以上節井壁厚1.8 m、隔墻厚1.2 m(第一節井壁厚 2.0 m、隔墻厚 1.4 m)[1]。

2 監控系統設計

2.1 安全監控目的

在深入分析該沉井基礎下沉過程中的主要風險以后，明確以下監控目的:

1)及時發現不穩定因素;

2)指導施工;

3)提高和發展安全監測的技術與方法;

4)為科學研究提供數據支持;

5)為類似工程的建設積累經驗。

2.2 監控項目

由于該沉井基礎規模巨大，最大平面面積為60.6 m×55.8 m，深41 m。地基的過大變形或不均勻變形會造成橋梁結構的下沉、扭曲、傾斜，乃至引起整個橋梁的失事。基礎所處位置地質條件復雜;沉井體積龐大，入土深度深，下沉糾偏難度大;橋位處江面寬闊，自然條件惡劣，施工測量難度高;沉井的一些助沉措施，如吸泥等，可能影響長江大堤的穩定性。由此主要確定以下幾項監控項目，如表1所示。

表1 監測項目

2.3 監控方法

2.3.1 沉井下沉深度、平面位置及偏斜監測

沉井下沉量是直觀評價施工中沉井狀態的重要參數，對下沉量進行的控制是沉井施工控制的關鍵技術，而沉井下沉量在平面分布上的差異是沉井下沉過程中的最重要的監控指標。傾斜度、水平位移與水平扭轉是沉井施工控制的重要參數，是指導沉井下沉施工和糾偏的重要依據[2]。

為了監測沉井的下沉量和下沉量在平面上的差異，在每次接高后的沉井井壁頂面布置由9個監測點組成的觀測網，9個監測點分別構成3條縱向觀測剖面和3條橫向觀測剖面。另外，為確保差異下沉量觀測的可靠度并滿足快速監測的需要，沉井的傾斜度監測也同時采用更直接的方法觀測，即靜力水準監測(液體連通管監測)。

在沉井中心布置1個沉井整體傾斜監測孔。觀測孔隨沉井的接長而接長，并在接長后的觀測孔中及時安裝雙向傾斜儀，安裝后的雙向傾斜儀即可實現實時、連續、快速的沉井整體傾斜監測。

2.3.2 刃腳踏面反力監測

在豎向荷載作用下，沉井基礎主要通過基底承擔自重和上部荷載。沉井刃腳反力既反映沉井下沉過程中所遇到的地層阻力[3]，也客觀反映了沉井的受力情況，是沉井下沉過程中的重要監測指標。為了實時得到沉井井壁受力的分布狀況，可在沉井四周按要求布設應力傳感器，刃腳反力的監測對象包括井壁和隔墻。

經過系統優化，最終在沉井井壁刃腳踏面上布置11個刃腳反力監測點(其中3點布置在北側后懸段結構井壁刃腳)，每點布置一支土壓力傳感器;在沉井隔墻的底部布置5個反力監測點，每點布置1支土壓力傳感器。共布置16套反力計，用于監測沉井下沉過程中刃腳和隔墻底部的反力。

2.3.3 沉井側壁土壓力(側壁摩阻力)監測

側壁摩阻力反映了沉井的受力情況，特別是錨碇沉井。沉井側壁土壓力和摩阻力監測點布置在沉井的第1，3，5，7節。在每個側壁布置兩個監測點，四壁共8個測點。第1節鋼殼沉井布置兩層，分別布置在該節的底部和上部;第3，5，7節各布置1層測點，位于該節的頂部。側壁土壓力監測點共布置5層，20個測點。需要指出的是側壁摩阻力在工程上并沒有直接測試的儀器，均是經過土壓力間接換算求出。

2.3.4 沉井結構應力監測

結構應力和應變是客觀反映沉井結構是否處于安全狀態的最直觀的指標。為確保沉井施工過程中結構的安全，必須對關鍵部位及關鍵截面的結構應力進行實時監測，以防止結構因出現過大的拉應力而導致局部開裂。

通過有限元計算分析，確定主要監測項目如下:

1)首節鋼殼沉井刃腳關鍵部位的應力(監測應力最大斷面的鋼板計和鋼筋計的應力);

2)第2節混凝土沉井底部截面水平環向應力(監測代表位置鋼筋的應力)。

首節關鍵部位共布置14個測點，第二節在每壁中央位置布置1個監測點。

2.3.5 地下水位與沉井內水位

沉井下沉第1節擬采用排水下沉，以后采用不排水下沉。無論排水下沉還是不排水下沉，由于沉井周邊管井降水或沉井井內抽泥會引起周邊地下水的變化，因此必須對地下水位進行定期監測，掌握地下水漏斗變化情況，確保沉井下沉和接高過程中沉井周邊土體不至水力梯度太大引起滲透變形。在監測地下水位的同時，也必須同時對井內水位進行監測。

地下水位的監測需結合工程需求布置，此處不再詳述。可采用滲壓計測試技術。

2.3.6 地表沉降和長江防洪大堤沉降量監測

對于靠近長江大堤的沉井基礎而言，沉井施工及降水助沉引起土內細顆粒的流失以及土體有效應力增加，從而容易導致沉井周邊地基土的開裂和塌陷，如控制不當，容易導致大堤產生滲漏和管涌破壞的隱患，影響長江大堤的安全。因此，保障長江大堤的安全也是其施工過程中需要異常重視的環節。

圖1 長江大堤監測剖面

長江大堤安全監測以沉降、不均勻沉降、水平位移以及水力坡降為監測重點。周邊地面沉降以控制附近民房地面沉降為主。沿長江大堤布置1條長約160 m的縱向觀測剖面，主要觀測長江大堤的沉降和不均勻沉降;在與橋軸線相交的大堤位置布置測斜管，觀測地基土的水平變形情況，測斜管深度40 m，每隔0.5 m設置一個測點;在大堤至沉井之間共布置5根測壓管，觀測在沉井抽水助沉及下沉過程中地下水降落漏斗的形態，根據實測的水力坡降，判斷是否會產生流砂等滲透變形以及是否危及長江大堤的安全，布置圖見圖1。

3 結語

本文結合工程實例，在分析了長江沿岸大型沉井基礎施工過程中的主要風險因素以后，確定了安全監控的監測項目，并對各個監測項目的傳感器系統進行了設計，為保證沉井基礎施工的安全提供了保障，也為其他工作提供了參考。

[1]朱建民，龔維明，穆保崗.南京長江四橋北錨碇沉井下沉安全監控研究[J].建筑結構學報，2010，31(8):112-117.

[2]吉 林，馮兆祥，周世忠.江陰大橋北錨沉井基礎變位過程實測研究[J].公路交通科技，2001，18(3):33-35.

[3]陳曉平，茜平一，張志勇.沉井基礎下沉阻力分布特征研究[J].巖土工程學報，2005，27(2):148-152.