大型橋梁沉井不排水下沉取土設(shè)備研究與實(shí)踐

徐 杰，劉修成,2,3，管政霖,2,3

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040； 2.長大橋梁建設(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)

0 引言

沉井基礎(chǔ)因具有埋置深度大、整體剛度強(qiáng)、穩(wěn)定性高、可承受較大荷載等特點(diǎn)，從20世紀(jì)90年代開始，在我國被廣泛應(yīng)用于大跨徑橋梁主墩和錨碇基礎(chǔ)。隨著橋梁大型化的發(fā)展，沉井結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)尺寸增大對沉井施工風(fēng)險(xiǎn)控制提出更高要求。目前國內(nèi)已積累較豐富的沉井施工經(jīng)驗(yàn)，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(shù)難度大、控制復(fù)雜外，取土專用設(shè)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(jié)合沉井施工日益嚴(yán)格的控制要求，分析常用沉井取土設(shè)備存在的不足，對取土專用設(shè)備開展探索研究，并依托在建項(xiàng)目應(yīng)用，闡述研究思路、總結(jié)應(yīng)用成效、展望未來趨勢。

1 不排水下沉取土專用設(shè)備存在的問題

1.1 需求分析

1)地質(zhì)復(fù)雜 對砂性土、砂夾卵石、黏質(zhì)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(xì)砂、中砂、粗砂[1]。施工中常遇到硬塑黏性土、膠結(jié)砂層及卵礫石層等硬質(zhì)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(zhì)土層中，空氣吸泥設(shè)備效率極低、甚至無法施工，沉井施工工期不可控，從而導(dǎo)致橋梁整體工期不可控。

3)精細(xì)化施工要求 從沉井質(zhì)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(shè)計(jì)和姿態(tài)控制要求，準(zhǔn)確控制每次取土量和井底泥面成型質(zhì)量；②可視 能實(shí)時掌握泥面情況；③可測 能高效精準(zhǔn)測量井底泥面標(biāo)高。

1.2 取土專用設(shè)備存在的問題

傳統(tǒng)取土設(shè)備大多采用空氣吸泥機(jī)，輔以抓斗等設(shè)備，空氣吸泥機(jī)設(shè)備組成簡單、操作方便、經(jīng)濟(jì)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(shè)備。但隨著現(xiàn)階段地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，施工控制要求越來越高，傳統(tǒng)空氣吸泥設(shè)備逐漸滿足不了要求。

1)硬質(zhì)土層取土效率低下 硬塑性黏土、膠結(jié)硬層單憑氣舉難以擾動土體，導(dǎo)致出漿濃度不高、吸泥效率低，多數(shù)情況下無法實(shí)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(shè)備包括龍門式起重機(jī)、吸泥管和空壓機(jī)，龍門式起重機(jī)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(dǎo)致取土效率偏低、泥面成型質(zhì)量不高。

3)盲區(qū)取土無法完全覆蓋 空氣吸泥機(jī)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(zhǔn)確，易改變沉井姿態(tài)，甚至發(fā)生較大傾斜造成安全質(zhì)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(shí)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(shè)備可靠性不足 沉井尺寸加大，埋深增加，設(shè)備需要在>80m的水深下作業(yè)，傳統(tǒng)設(shè)備可靠性差、故障率高，嚴(yán)重影響作業(yè)效率。

5)沉井無法實(shí)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)底標(biāo)高需在卵石層以下。但因缺乏相應(yīng)設(shè)備，無法實(shí)現(xiàn)入巖或卵石層。甌江北口大橋南錨沉井未達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)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(shè)備研究與應(yīng)用

結(jié)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(xiàng)目，總結(jié)沉井取土專用設(shè)備相關(guān)研究、試制和應(yīng)用情況。

2.1 絞刀取土設(shè)備

傳統(tǒng)空氣吸泥機(jī)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(lǐng)域引入的設(shè)備。而絞刀取土設(shè)備基于淤泥質(zhì)黏土、軟塑性黏土等地層，通過在吸泥管底部集成旋轉(zhuǎn)絞刀切割破碎硬質(zhì)土體，再排出土體。根據(jù)刀頭驅(qū)動方式分為水下電機(jī)驅(qū)動和液壓馬達(dá)驅(qū)動；根據(jù)排泥方式分為泵吸和空氣吸泥(泵吸是指設(shè)備集成水下潛水泵實(shí)現(xiàn)排泥，空氣吸泥利用原有空氣吸泥機(jī)實(shí)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(shè)備

該設(shè)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(jié)硬層等堅(jiān)硬地層因刀頭尺寸小、驅(qū)動扭矩不足，設(shè)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(jié)層時，絞刀取土設(shè)備施工效率極低而無法繼續(xù)使用。

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

3)旋轉(zhuǎn)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(dǎo)致電機(jī)過載，且易堵塞吸泥口，需要停機(jī)清理。

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

2.2 鉆機(jī)取土設(shè)備

當(dāng)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(shè)備適用性不足，若采取重型抓斗施工，設(shè)備配置與效率無法滿足要求。在北口大橋第3次下沉前，進(jìn)行一系列抓斗和絞刀設(shè)備試驗(yàn)，效果均不理想，最終選取在沉井頂面搭設(shè)平臺布置鉆機(jī)的方案。

鉆機(jī)布置有旋挖鉆機(jī)和回旋鉆機(jī)方案。旋挖鉆機(jī)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(shè)備二次轉(zhuǎn)運(yùn)土層，且設(shè)備需回轉(zhuǎn)作業(yè)，較易發(fā)生干涉，作業(yè)高度大，安全風(fēng)險(xiǎn)大，尤其是沉井發(fā)生傾斜后不易控制安全風(fēng)險(xiǎn)，因此，甌江北口大橋南錨沉井在第3次取土下沉?xí)r，最終選取回旋鉆機(jī)方案。沉井共30個隔倉，布置22臺回旋鉆機(jī)，回旋鉆機(jī)底部設(shè)置臺車實(shí)現(xiàn)縱橫移動，通過不斷優(yōu)化刀頭尺寸和類型，使鉆機(jī)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(zhì)下的沉井下沉工效提高約1倍[3]。

回旋鉆機(jī)施工方案雖成功應(yīng)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)出比較小；②由于鉆桿安拆較頻繁，鉆機(jī)轉(zhuǎn)點(diǎn)和轉(zhuǎn)艙占總作業(yè)時間20%以上，是制約鉆機(jī)取土效率的主要因素；③施工過程對沉井姿態(tài)控制嚴(yán)格，如北口大橋第3次下沉?xí)r發(fā)生突沉，平面姿態(tài)傾斜較大，鉆機(jī)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(shè)備

當(dāng)沉井穿越以砂層為主的地層時，傳統(tǒng)空氣吸泥設(shè)備能可靠工作，但需要人工判斷進(jìn)行操作、控制取土量，每個井孔吸泥結(jié)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(shè)備最大工效，不能真正實(shí)現(xiàn)井孔內(nèi)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(shè)備進(jìn)行智能化升級：①所有龍門式起重機(jī)實(shí)現(xiàn)集中和遠(yuǎn)程控制，龍門式起重機(jī)與空氣吸泥機(jī)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(yù)；②單個井孔吸泥完成后，通過設(shè)置在吸泥管底部的單點(diǎn)測深儀，按照規(guī)定自動測量泥面標(biāo)高并進(jìn)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(jìn)行反算；③所有的主排泥管與空氣吸泥機(jī)排泥管間設(shè)置控制閥門；④根據(jù)設(shè)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(shè)備調(diào)度管理系統(tǒng)調(diào)度設(shè)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(jī)智能控制、相關(guān)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(nèi)，經(jīng)濟(jì)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(shè)備

遇到堅(jiān)硬地層時，空氣吸泥設(shè)備、絞刀設(shè)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(jī)大面積、大厚度破除取土；或在沉井十字交叉節(jié)點(diǎn)處，空氣吸泥設(shè)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(shè)備，快速將局部硬層或普通設(shè)備無法覆蓋的區(qū)域土層沖散后，再由空氣吸泥設(shè)備取走被破壞的土體。

水下土體切割一般采取機(jī)械方式或水力方式，機(jī)械方式設(shè)備配置和操作復(fù)雜，可嘗試水力方式。通過研究疏浚船原理、高壓旋噴設(shè)備原理，結(jié)合現(xiàn)場情況，研究出氣水混合沖射輔助取土設(shè)備。該設(shè)備由供氣供水管路采用雙層套管形式，外層為DN125供氣管，內(nèi)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(shè)備，采用超高壓小流量，切割力更強(qiáng)，但噴頭直徑很小，射入土體后影響面積有限。該方案需準(zhǔn)備能力很強(qiáng)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(yàn)分析，最終確認(rèn)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(nèi)沖射有效破壞截面積僅70～80cm2。氣水混合沖射設(shè)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(yīng)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(diǎn)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(shè)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(shè)備取土范圍均無法覆蓋，亟需能方便盲區(qū)快速取土的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)取土控制，才能真正實(shí)現(xiàn)沉井可控下沉。如采用水下履帶機(jī)器人，暫不考慮該設(shè)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(jī)器人水下定位及破土機(jī)構(gòu)精準(zhǔn)導(dǎo)引困難。通過研究比選，最終采用內(nèi)支撐配合機(jī)械臂方案。該設(shè)備由上部移動平臺和水下機(jī)器人本體組成，上部平臺將水下機(jī)器人下放至水下工作區(qū)域后，水下機(jī)器人支撐于內(nèi)井壁完成駐位，通過機(jī)械臂伸縮、回轉(zhuǎn)、俯仰破除盲區(qū)土體。通過搭載空間位置與姿態(tài)遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控系統(tǒng)，可精確掌握機(jī)器人空間位置。該設(shè)備水下部分可采取液壓絞吸一次性實(shí)現(xiàn)破土和排土，也可采取絞吸或抓斗破土，由空氣吸泥設(shè)備排土，設(shè)備功能簡單、造價(jià)較低。上部平臺可采取雙輪銑槽機(jī)主機(jī)液壓絞吸一體化設(shè)備，主機(jī)部分還可兼容雙輪銑槽機(jī)功能，也可采取龍門式起重機(jī)模式作為專用設(shè)備使用，根據(jù)不同功能組合成為不同設(shè)備，如圖4所示。

圖4 刃腳取土設(shè)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(rèn)為現(xiàn)階段設(shè)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(shè)備取土，該方案經(jīng)濟(jì)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(yīng)用，設(shè)備可靠性還需進(jìn)一步驗(yàn)證，尤其是水下密封性、精度控制等。同時該設(shè)備昂貴，沉井隔倉較多，同時投入多臺經(jīng)濟(jì)性較差，現(xiàn)階段還不能作為主要取土設(shè)備，僅作為刃腳取土輔助下沉設(shè)備。

2.6 刃腳破巖設(shè)備

當(dāng)沉井設(shè)計(jì)需要入巖時，采取水下爆破的方式不能精準(zhǔn)控制開挖量，一旦控制出現(xiàn)問題給沉井主體結(jié)構(gòu)和安全性帶來較大風(fēng)險(xiǎn)。德國海瑞克研發(fā)的豎井掘進(jìn)機(jī)適用于直徑4.5～18m的豎井下沉施工，參照設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)要求入巖后提前終沉也能滿足承載力要求，因此該設(shè)備研制需求還不足。

圖5 豎井掘進(jìn)機(jī)

3 結(jié)語

大跨徑橋梁沉井基礎(chǔ)施工經(jīng)過10余年積累，施工工藝和控制技術(shù)逐步完善，但專用設(shè)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(jié)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(biāo)，對配套施工的專用設(shè)備和輔助設(shè)施開展研究，并在項(xiàng)目上成功應(yīng)用，尤其是傳統(tǒng)空氣吸泥取土設(shè)備的智能化升級、氣水混合沖射輔助取土設(shè)備的研制應(yīng)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(shè)備和鉆機(jī)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(shí)現(xiàn)沉井可控、可視、可測下沉，沉井專用取土設(shè)備還存在一些問題，需進(jìn)一步優(yōu)化完善，如設(shè)備可靠性和通用性需進(jìn)一步提升，盲區(qū)取土設(shè)備及刃腳破巖設(shè)備的使用效果及經(jīng)濟(jì)性仍需完善。