沉井下沉的助沉施工控制技術研究

劉春桃　劉志賀　鄭杰　李賀超

摘要? 文章以甌江北口大橋南錨碇沉井工程為背景，分析了促進沉井下沉的關鍵施工控制技術，介紹了該工程的沉井下沉方案、施工技術重難點和相應的降水井施工技術保障措施以及TRD工法機成槽減阻施工技術保障措施。相關技術手段能夠保證沉井下沉可控，并加快沉井下沉施工進度，可為類似工程建設提供參考。

關鍵詞 沉井；助沉；降水；TRD工法

中圖分類號 TU753.64文獻標識碼A文章編號 2096-8949（2023）16-0075-03

0 引言

沉井錨碇基礎是現階段國內外常用的重力式錨碇基礎之一。目前沉井下沉過程中容易遇到各種問題。當地基承載力比較低的情況下，沉井易突沉，且下沉速度和姿態控制難度大[1]。當沉井持力層為卵石層，且卵石層下層深度較大的情況下，取土困難，施工難度大，對大體積沉井的設備配置及施工工藝均有較高要求[2]。該文以甌江北口大橋南錨碇沉井工程為背景，系統地分析了促進沉井下沉施工的關鍵施工技術，旨在為促進大尺寸沉井下沉的工程提供有益參考。

1 工程概況

1.1 工程位置與地層條件

溫州甌江北口大橋橋位距離上游甬臺溫高速公路溫州大橋約15 km，在樂清岐頭山附近跨越甌江北口。主橋跨度（230+800+800+358）m，是國內外首座三塔四跨雙層鋼桁梁懸索橋。全橋共設兩根主纜，主纜橫向間距為41.8 m，主纜矢跨比1/10。

甌江北口大橋南錨碇位于靈昆島北部，甌江北口大橋南岸，新建海岸堤壩后方。相關地層的物理力學參數如表1所示，南錨區上部土層為海積淤泥質黏土、海積淤泥，流塑，厚度為35.5～40.0 m，工程性質差，表層有少量粉細砂分布；中部土層為海積黏土和粉質黏土，軟塑～軟可塑，局部流塑狀，韌性和干強度中等，夾粉砂團塊和貝殼碎片，厚度9.95～24.1 m，工程性質差。中下部土層為沖積卵石層，灰白色，中密～密實狀，厚度較大，層位穩定，卵石層層頂標高為?58.81～62.07 m，總厚度約32 m，含少量黏性土，工程性質較好。

1.2 甌江北口大橋南錨碇沉井概況簡介

溫州甌江北口大橋南錨碇工程原設計方案沉井尺寸為70 m×63 m、沉井高67.5 m；沉井井壁厚2.0 m，隔倉壁厚1.2 m；井孔順橋向長度10.0 m、橫橋向長度10.84 m；沉井共設置30個矩形井孔，前端15個矩形井孔填水，后端15個矩形井孔填筑C20水下混凝土[3]。

南錨沉井結構地質剖面圖如圖1所示。沉井總計共分十三節，第一節為鋼殼混凝土沉井、高8 m，刃腳高1.9 m，刃腳踏面寬0.2 m，第一節鋼殼沉井在工廠分段制造，然后運到現場就位拼裝成整體，以鋼殼沉井為模板澆筑混凝土，形成鋼殼混凝土沉井。第二至第十三節為鋼筋混凝土沉井，其中第二節高6 m，且在第二節沉井設置了6 m高的剪力鍵，以增強封底混凝土與沉井井壁的連接效果和傳遞封底混凝土基底反力；第三節高4 m，第四節至第十一節高均為5 m；第十二節高3.5 m；第十三節高6 m，第十三節沉井為異形沉井，為了便于后續沉井蓋板的施工，在局部隔墻與井壁頂部預留頂蓋底模梁的支承槽口[4]。沉井封底混凝土厚為10 m，沉井頂面標高為+4.0 m，基底標高為?63.5 m，基底置于卵石層中。

2 沉井下沉的助沉施工技術重難點

2.1 沉井下沉工程特點及難點

（1）南錨沉井地基軟弱層達40多米，地基承載力非常低，沉井易突沉，沉井下沉速度和姿態控制難度大。

（2）整個沉井混凝土方量達到237 000 m3，施工組織難度大，單次水下封底混凝土達到13 400 m3，性能要求高[5]。

（3）沉井持力層為卵石層，卵石層下層深度達到6 m，取土困難，施工難度大；沉井平面尺寸大、入土深，對設備配置及施工工藝均有較高的要求。

2.2 沉井下沉施工中的常見問題和對策

甌江北口大橋南錨碇沉井分4次接高3次下沉，首次接高4節，累計下沉15.5 m；第二次接高3節，開挖下沉12 m，累計下沉27.5 m；第三次接高5節，開挖下沉38.5 m，累計開挖下沉57 m；第四次接高1節，開挖下沉10.5 m，累計開挖下沉67.5 m。沉井下沉施工中的常見問題和對策如下：

（1）針對沉井刃腳異物：加強地質鉆探，如出現孤石等異物，應潛水掌握情況，看是否能采用吊裝等方式，或者潛水爆破。

（2）針對沉井不下沉：沉井下沉困難時可采用抽水減浮、空氣幕、射水管等助沉措施。

（3）針對沉井偏位及傾斜：刃腳較高的一側多取土，較少的一側少挖或不挖土，“沉多則少挖，沉少則多挖”，但不能超量取土來糾偏；如取土到一定量無法糾偏時可采用分段開空氣幕的方式進行糾偏，或者采用高側射水糾偏；當偏位超標時，可采用先一側取土，使沉井傾斜，然后均勻挖土，使沉井沿傾斜方向下沉，傾斜下沉至設計中心線后再糾正沉井傾斜。

（4）針對沉井突沉：在下沉前充分地勘的同時，沉井下沉過程中應通過實際支撐情況進行反演計算，嚴格控制下沉系數；該沉井在?31 m時接高，在穿過砂樁處理層時，接高3節，保證足夠預留高度穿過淤泥層，防止突沉沒頂；沉井取土應均勻、對稱，應嚴格控制鍋底深度。

（5）針對翻砂及管涌：沉井下沉過程中應嚴格控制取土深度，刃腳埋深應大于50 cm；嚴禁沉井周邊重載堆物，泥漿池應與沉井保持一定距離且嚴禁堆高；應加強對周邊土地監控，包括原地面標高、土體位移及地下水標高等；應保持沉井內水頭高于地下水位2 m以上；如出現翻砂及管涌應及時撤離周邊設備和人員，回填砂，并加密周邊土體監控觀測，待土體穩定后再進行施工。

2.3 降水井助沉施工重難點

沉井所處地質淺層為黏土層，透水性不強，采用超深降水井降低外部承壓水水頭，同時降低沉井內部水頭，減少浮力的同時，減少可能出現的涌土風險，達到沉井緩慢可控下沉的目的。降水助沉期（每次降水周期2 d）相對于沉井下沉施工期較短，因此降低承壓水頭對地層固結沉降影響較小。但是該文中降水井施工存在以下重難點：

（1）深層降水地表沉降影響范圍大，可能會對沉井周邊建筑物產生影響。沉井北側25 m處為河堤，約30 m處為棧橋平臺（摩擦樁基礎）；沉井西側為混凝土攪拌站，距離約90 m，鋼管樁基礎；沉井南側為引橋下部結構，最近距離約130 m。

（2）南錨沉井地質較為復雜，均勻性不高，同時北側距離甌江交近，各個方向上降水速率可能不相同。

（3）降水施工與艙內取土同步進行，土體的干縮沉降及艙內涌土，降水井壽命不易評估。

2.4 TRD工法機成槽減阻施工重難點

TRD工法機主要由主機（重量約120 t）和刀具（重量約60 t）兩部分組成。其TRD主機由底盤、框架、驅動、刀架和自動控制系統構成：刀具是TRD樁機的專用設備，由尖端導輪和刀具箱組成。

考慮到該沉井所處地層主要為淤泥、黏土地層。通過計算可知，在含砂粉質黏土、粉細砂層采用減少側摩阻達30%能夠滿足沉井下沉要求；在卵石層由于地基承載力高，入土深度大，采用減少側摩阻達30%，尚需采取減小浮力措施才能夠滿足沉井下沉要求。通過調研分析，減少側阻采用TRD工法可行。但是該文中TRD工法機施工存在以下重難點：

（1）設備重量大。在滿足減阻深度需求的拉槽深度情況下選型的設備重量達到180 t，對沉井周邊的地基要求高。

（2）TRD工法機施工因成槽施工位置，施工組織難度大、成本高。

（3）TRD工法機減阻效果不易評估。根據施工情況，在沉井下沉后，泥漿套可能導致破壞，需反復成槽，總體施工周期長。由于施工周期較長，存在塌孔后減阻效果不明顯的弊端，總體而言減阻效果不好評估。

（4）減阻施工應與艙內取土異步施工。在先取端阻再減側阻的施工過程中，如果沉井出現下沉，設備安全風險高。TRD工法機施工第一階段為保證作業人員、設備安全，艙內取土與減阻施工異步進行，需先減側阻再減端阻，總體施工周期延長，取土設備滯工費用高。

（5）TRD工法機成槽，槽體維護費用高，且槽體壽命不易評估。

3 沉井下沉的助沉施工技術

3.1 深層降水井助沉施工技術

根據現場地質情況，取土作業時水頭控制在+2 m以上，用高水頭控制沉井的涌土。因沉井入土深度較大，且進入含黏性土的粉砂層，端側和側阻均較大，空氣幕在淤泥層中的效果有限，沉井主要以集中快速下沉的形式下沉，故通過適當地分級降水減浮促沉能有效控制下沉時間。

3.1.1 利用深層降水井進行降水減浮的優點

（1）該文中的處理對象主要為承壓水，對上部潛水含水層水位影響不大。當沉井刃角已進入承壓水含水層，采用降低承壓含水層水頭的方法進行減浮可行。

（2）在沉井底部支撐削弱至目標值后短時間內進行降水促沉對周邊建筑物影響不大。

（3）承壓含水層深度較大，采用非完整井，以減小涌水量，能夠保證降深。

（4）降水除可對沉井減浮外，土體的排水固結沉降對沉井下沉有利。

3.1.2 深層降水井施工技術保障措施

（1）降水工程配備完善的施工人員，包括項目經理、技術專員、電工、水工等值班人員，及時觀測及分析降水全過程，保證降水施工安全高效。

（2）需要重點關注降水井單井的出水量應該滿足相關規范的設計要求。

（3）為保證降水全過程中降水設備能夠持續運轉，應配備足夠的供電設備，保證降水工作不會發生中斷。

（4）降水維持期間，應該實施信息化全周期管理，以保證最合適的排水量。

3.2 TRD工法機成槽減阻施工技術

初步對比分析，減少側阻采用TRD工法機和地質鉆松土較為可行，但是該工程中卵石層以上的最大減阻需求為減阻39 m的50%，采用松土的方式無法評估減值效果，預估很難達到需求值。TRD工法機是對沉井周邊井壁拉槽，并回灌泥漿，形成泥漿套，能夠達到減阻的效果。因此該文減少側阻采用TRD工法，其由主要優點如下：

（1）施工工效快。該設備施工深度大，適用地層廣，TRD工法機在深厚淤泥質土、淤泥質黏土、粉質黏土地層施工深度可達60 m，部分型號設備可達80 m；施工效率高，每天每臺設備施工深度可達到6 m，沉井周邊266 m，兩臺設備同時作業僅需22 d。

（2）減阻效果明顯。成墻品質高，在墻體深度方向上膨潤土攪拌均勻，強度提高，離散性小，截水性能好；沉井與周邊土體隔離，減阻效果直觀明顯。

此外，該文的TRD工法施工技術保障措施如下：

（1）做好場地平整工作。在施工前，完成不良地質和相關障礙物的相關處理工作。

（2）減阻施工前利用3D聲納做好沉井底部支撐統計，以提供準確的數據用于分析，并將沉井艙內水位升至最高狀態，以確保沉井狀態穩定。

（3）減阻過程中加強對沉井狀態的監測。若沉井有啟動下沉趨勢，立即暫停減阻設備作業，提升設備進行觀測，制定下一步措施。

（4）做好TRD樁機移機的安全監護工作。TRD樁機施工及移機時地基基礎必須滿足設備的承載力方可施工及移機，防止發生機械設備傾倒事件。

4 結論

（1）沉井所處地層上部潛水含水層主要為淤泥、黏土地層，下部承壓含水層主要為粉砂、細砂及卵石層，降低承壓水頭對地層固結沉降影響較小，但是在降水過程中應加強周邊建構筑物處地下水位及沉降監測，對地層沉降進行評估。

（2）降水井降水減浮施工可與艙內取土同步進行，不占用沉井施工工期；其次若降水施工效果良好，沉井提前終沉臨江側粉細砂層置換可不考慮外部土體加固措施；再者，降水施工組織難度小、設備作業安全風險較低、成本較低、時間短。

（3）TRD工法機施工工效快，施工深度大，適用地層廣；在墻體深度方向上，膨潤土攪拌均勻，強度提高，離散性小，截水性能好；沉井與周邊土體隔離，減阻效果直觀明顯。

（4）TRD工法機減少側阻施工對周邊建筑物影響小。

參考文獻

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[3]李鵬飛. 特殊地層中超深沉井下沉施工技術[J]. 山西建筑， 2023（8）： 109-112.

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[5]李永旗. 橋梁大型浮運沉井施工關鍵技術[J]. 世界橋梁， 2023（1）： 50-57.