超大尺寸沉井封底施工工藝探究

魏湛力 石軍

摘要：新建鐵路連云港至鎮(zhèn)江線五峰山長江特大橋?yàn)槭澜缟系谝蛔缍瘸^千米的公鐵兩用懸索橋，其北錨碇總重130多萬噸。因其平面尺寸較大、地質(zhì)狀況影響，存在封底失敗的風(fēng)險(xiǎn)。為了防止混凝土流入其他井孔和產(chǎn)生夾層并快速有效的監(jiān)測，本項(xiàng)目提出采用碎石找平的方式，配合三維機(jī)械聲吶監(jiān)測，及時(shí)對(duì)封底布料進(jìn)行調(diào)整，有效控制了封底質(zhì)量。

Abstract： The new railway Lianyungang-Zhenjiang line Wufengshan Yangtze River Bridge is the world's first public-rail suspension bridge with a span of more than 1，000 meters. Its north anchor has a total weight of more than 1.3 million tons. Due to its large size and geological conditions， there is a risk of failure to seal the bottom. In order to prevent concrete from flowing into other wells and creating interlayers and quickly and effectively monitoring， this project proposes the use of gravel leveling， combines with three-dimensional mechanical sonar monitoring and timely adjusts the backing fabric， which effectively controls the sealing quality.

關(guān)鍵詞：超大尺寸沉井;碎石找平層;空氣吸泥機(jī);三維機(jī)械聲吶

Key words： oversized caisson;gravel leveling blanket;air suction machine;three-dimensional mechanical sonar

中圖分類號(hào)：U445? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2018）36-0163-03

0? 引言

近些年，我國在大跨徑橋梁建設(shè)上取得驕人的成績，懸索橋作為大跨徑橋型，跨越能力不斷提高，其錨碇基礎(chǔ)——沉井，尺寸越來越大，在國內(nèi)已屢見不鮮，如南京長江四橋北錨碇沉井平面尺寸69m×58m;馬鞍山大橋南北錨錠沉井平面尺寸60.2m×55.4m;泰州大橋南北錨錠沉井平面尺寸為67.9m×52m等。沉井基礎(chǔ)形式向更大、更深的方向迅速發(fā)展，伴隨著力學(xué)特性，施工工藝控制不斷變化，復(fù)雜性和難度不斷增加，對(duì)于超大尺寸沉井而言，技術(shù)難度更是前所未有，封底是沉井基礎(chǔ)關(guān)鍵一步。

1? 工程概況

五峰山長江特大橋北錨碇為沉井基礎(chǔ)，工程場區(qū)沿江多有第四系土層覆蓋，丘陵區(qū)部分地段基巖出露，含水層主要為第四系沖洪積砂類土，地下水類型可分為第四系松散巖類孔隙水、基巖裂隙水，沉井底部為粉細(xì)砂，有基巖分部。

北錨沉井總平面面積為7192m2，分為48個(gè)（10.2×10.9）m矩形井孔，井壁厚2.0m，隔墻厚1.3m，沉井井壁底高程為-55.0m，隔墻底高程為-54.5m，隔墻比井壁淺50cm。封底分兩層，第一層為碎石找平層，高度為1m，總方量約10368m3;第二層為混凝土封底，總高度為11m，總方量約54468m3。

2? 常規(guī)封底方式

大型沉井常見的封底方式有“分區(qū)隔墻”水下澆筑混凝土，“干封底法”，從一端向另一端或中間向四周逐步封底等。參考文獻(xiàn)[1]、[2]、[3]，并對(duì)國內(nèi)已施工完成大型沉井進(jìn)行考察調(diào)研，結(jié)果表明：本項(xiàng)目沉井尺寸較大，單個(gè)井孔面積達(dá)到100多平方米，底部清基完成后呈“平鍋底”接近“大鍋底”狀態(tài)，隔墻底部懸空，地表水位約+1.0m，水下混凝土封底，采用常規(guī)直接封底方法及監(jiān)測方法，混凝土質(zhì)量難以保證。根據(jù)以上實(shí)際情況，本項(xiàng)目下沉到位、清基完成后，先用1m碎石找平基地，減小刃腳底部懸空縫隙，然后澆筑封底混凝土，總體施工工藝如圖1。

3? 沉井封底施工

3.1 碎石找平層施工

3.1.1 碎石填充工藝? 水下碎石填充一直以來具有很大難度，主要是因?yàn)樵谒率┕ぃ僮麟y度大，而且難以隨時(shí)根據(jù)監(jiān)測攤鋪情況進(jìn)行靈活調(diào)整。傳統(tǒng)的碎石填充工藝使得這種困難更加突出。傳統(tǒng)的水下碎石填充工藝采用履帶輸送或傾倒、抓斗吊運(yùn)的方式，若直接將碎石傾倒入沉井井孔底部，碎石標(biāo)高高度依賴施工人員的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)積累，無法量化控制，填充少了尚可以繼續(xù)倒入，填充超量則需要耗費(fèi)大量時(shí)間和人力挖出或難以處理，而且無法進(jìn)行多點(diǎn)布料，這嚴(yán)重影響施工進(jìn)度，大大增加了投入成本。

本項(xiàng)目采用了空氣吸泥機(jī)的水下碎石攤鋪施工工藝，主動(dòng)控制水下碎石層填充質(zhì)量，消除碎石填充質(zhì)量缺陷，防止漏填、超填，提高施工效率，減小成本投入。

3.1.2 碎石找平層施工? 采用船舶運(yùn)送碎石至主3#墩碼頭，抓斗吊裝卸料，運(yùn)碎石到第一排1#井孔旁邊，經(jīng)卸料通道通過溜槽直接向第一排1#井8個(gè)井孔填充碎石2-3m，在1#井孔布置8臺(tái)空氣吸泥機(jī)（每個(gè)孔一臺(tái)），然后采用吸泥機(jī)從第一排井孔按照6#-5#-4#-3#-2#的填充順序往另外五排井孔泵送填充。（圖2）

填充最后一排井孔（2#）時(shí)，開始控制第1排井孔碎石標(biāo)高，確保最后一排井孔填充到設(shè)計(jì)位置時(shí)，第1排井孔碎石填充厚度為0.7～1m（以-55m為基準(zhǔn)），補(bǔ)料填充至1m。井孔碎石填充時(shí)通過接長或縮短泵管多點(diǎn)布料保證平整度小于30cm，根據(jù)測繩測試標(biāo)高情況適時(shí)調(diào)整布料位置，必要時(shí)安裝軟管接頭進(jìn)行多向布料調(diào)整，每排井孔同步進(jìn)行，最終標(biāo)高通過空氣吸泥機(jī)管道刻度進(jìn)行調(diào)整，直至平整度滿足要求。碎石填充施工布置圖，如圖3所示。

碎石填充順序先填充1#井和6#的目的在于先封長邊刃腳防止涌砂，同時(shí)兼顧整體的平衡性。

3.2 混凝土封底施工? ①混凝土灌注導(dǎo)管采用內(nèi)徑Φ325×10mm或Φ275×7mm無縫鋼管，導(dǎo)管的選用滿足《高速鐵路橋涵工程施工技術(shù)規(guī)程》（Q/CR 9603-2015）的相關(guān)規(guī)定，安裝前進(jìn)行檢查，導(dǎo)管合格后編號(hào)，按編號(hào)進(jìn)行下放。澆筑封底水下混凝土?xí)r，每個(gè)井孔按照先低處、后高處的順序進(jìn)行。澆筑過程中，導(dǎo)管隨混凝土面升高而提升，澆筑11m厚混凝土?xí)r，導(dǎo)管埋入混凝土的深度與導(dǎo)管內(nèi)混凝土下落高度相適應(yīng)。導(dǎo)管擴(kuò)散半徑取3m。首灌混凝土封口采用砍拔工藝。

1）集料斗體積與形狀：根據(jù)首批混凝土澆筑方量，集料斗使用鉆孔灌注樁施工用的大料斗，大料斗下部有1個(gè)溜槽出口，使混凝土流至正澆筑混凝土的小料斗。2）水下混凝土的供應(yīng)。混凝土由4臺(tái)混凝土拌和站集中生產(chǎn)，用輸送車、拖泵通過泵管、布料桿輸送到施工現(xiàn)場大料斗中。不同階段布料桿布置在不同位置，以方便混凝土澆筑。

②首批混凝土方量計(jì)算。首批灌注混凝土的數(shù)量應(yīng)能滿足導(dǎo)管首次埋置深度和填充導(dǎo)管底部的需要，以Φ325×10mm為例，所需灌注量根據(jù)公式：

式中：V-灌筑首批混凝土所需的數(shù)量（m3）;

R-圓錐體坡率為i的擴(kuò)散半徑，從管中心一般為2.5～4.0m，取中間值3m;i-圓錐體坡率，一般不陡于1：5;h-導(dǎo)管混凝土埋置深度不小于1.5m;h1-樁孔內(nèi)混凝土達(dá)到埋置深度時(shí)，導(dǎo)管內(nèi)混凝土柱平衡導(dǎo)管外壓力所需要的高度（m）。

式中：Hw-井內(nèi)水或泥漿深度;γw-井內(nèi)水或泥漿的比重，10kN/m3;γc-混凝土拌和物比重（取25kN/m3）。

首批混凝土方量為：

凝土封底時(shí)，h-導(dǎo)管混凝土埋置深度不小于1.5m，首批混凝土方量為：V=14.13+1.84=15.97m3。

故采用兩個(gè)16m3集料斗，可以滿足封底混凝土澆筑需要。

③每個(gè)井孔采用常規(guī)水下混凝土澆筑方式，一次澆筑到位。按照1-24的順序先兩邊后中間、中心對(duì)稱、同步進(jìn)行的方案進(jìn)行，如圖4所示。單次方量約1135m3×2=2270m3。

3.3 監(jiān)測方法? 傳統(tǒng)方法采用測繩法測量，每個(gè)隔艙測繩不少于8根，且采集數(shù)據(jù)工作量繁重;其次測繩測量時(shí)只能測具有代表性的角點(diǎn)及壁面中點(diǎn)，在指導(dǎo)施工中基本都是以點(diǎn)代面，只能進(jìn)行邊角的粗略控制，如要測量沉井隔艙中間區(qū)域底面狀態(tài)，需要用人工用吊籃連續(xù)打點(diǎn)測量。再次，測繩法誤差較大，無法判斷沉井底面狀態(tài)，不能達(dá)到精細(xì)化、可視化指導(dǎo)施工。水下聲吶成像掃描測繪技術(shù)能有效解決傳統(tǒng)方法的局限性，降低安全隱患。

為了快速準(zhǔn)確掌握碎石層及混凝土層的實(shí)際狀況，本項(xiàng)目采用了水下三維機(jī)械聲吶系統(tǒng)對(duì)各井孔進(jìn)行監(jiān)測。

水下三維機(jī)械聲吶是一種通過靜態(tài)機(jī)械掃描模式進(jìn)行作業(yè)的高精度三維成像聲學(xué)設(shè)備，該設(shè)備可以通過側(cè)舷安裝或者坐底兩種方式進(jìn)行作業(yè)，目前廣泛應(yīng)用于航道整治、橋梁樁基和大壩等水下檢測中。代表性設(shè)備有Blue view 5000。對(duì)采集的數(shù)據(jù)采用專業(yè)軟件Proscan、Cyclone、Autodesk Recap等進(jìn)行拼圖和除噪，最后得到三維點(diǎn)云立體圖像，該監(jiān)測方法誤差在厘米級(jí)[4]。

3.3.1 碎石找平層監(jiān)測

碎石找平層工序中，該方法監(jiān)測圖及判斷如圖5、圖6所示。從圖中可以實(shí)時(shí)了解施工中各艙碎石找平層分布情況，合理布置吹填區(qū)，同時(shí)可以精確量取各碎石面高度，判斷刃腳和隔墻碎石是否填充到位。

3.3.2 封底混凝土監(jiān)測

通過表2可以看出，各井孔混凝土方量基本接近設(shè)計(jì)方量，由此可證明，碎石找平層的實(shí)施，有效的防止了混凝土串孔。

在每個(gè)井孔混凝土封底過程中及完成后，均采用水下三維聲吶掃描監(jiān)測混凝土封底質(zhì)量是否滿足要求，如圖7、圖8所示。

從圖中可以了解到施工中各井孔水下混凝土澆筑情況，精確量取高度，通過監(jiān)測可以判斷混凝土到邊情況及澆筑混凝土平整度，滿足要求。

4? 結(jié)語

五峰長江特大橋北錨碇超大尺寸沉井封底施工，提出了碎石找平基底的水下封底處理理念，有效的防止了串孔、夾砂裹泥等現(xiàn)象的發(fā)生，極大地提高了沉井封底質(zhì)量，并且首次應(yīng)用空氣吸泥機(jī)進(jìn)行碎石填充和對(duì)各個(gè)井孔內(nèi)碎石整平施工，大大提高填充效率，節(jié)約更換設(shè)備工期，提高經(jīng)濟(jì)效益，有效的控制了平整度;混凝土封底采用中心對(duì)稱、同步進(jìn)行的工藝，使沉井平衡受力，通過高程監(jiān)測，沉井封底前后高程變化小于5mm;本項(xiàng)目首次應(yīng)用三維機(jī)械掃描聲吶監(jiān)測封底施工，克服了傳統(tǒng)測繩法中的缺點(diǎn)，譬如布置大量測繩，采集費(fèi)時(shí)費(fèi)力，以點(diǎn)代面精度低等，使用該方法，將不可見的水下情景可視化、精細(xì)化，客觀真實(shí)的反映了施工中沉井水下底面的狀態(tài)和參數(shù)，能夠可視化指導(dǎo)施工，促進(jìn)了沉井下沉水下監(jiān)測技術(shù)的革新。經(jīng)檢驗(yàn)，沉井封底混凝土平整度及與隔墻聯(lián)結(jié)均滿足要求。

五峰山長江特大橋北錨碇沉井的成功封底為今后超大尺寸封底施工開創(chuàng)全新的封底工藝和監(jiān)測方法，此工程經(jīng)驗(yàn)可為其他類似工程提供借鑒和參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]汪成龍，黨彥鋒，黃河清，賈雷剛.大體積陸上沉井封底施工探討[C].中國交通建設(shè)股份有限公司2011年現(xiàn)場技術(shù)交流會(huì)論文集，2012年10月26日.

[2]胡東高.超大型水上沉井封底施工技術(shù)[J].江蘇科技信息，2017年05月02日.

[3]杜洪池，楊寧.超大型陸上沉井封底施工技術(shù)[M].中國工程科學(xué)，2012年07月17日.

[4]李冰，魏湛力.超大尺寸沉井不排水下沉及封底水下三維機(jī)械聲吶應(yīng)用研究[J].上海鐵道科技，2018（2）.