長(zhǎng)江沿岸大型沉井基礎(chǔ)安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱永珠 陳志平 薛寒冰

近年來(lái)，我國(guó)橋梁事業(yè)飛速發(fā)展，尤其是長(zhǎng)江沿線，出現(xiàn)了許多大型橋梁。在眾多大型橋梁之中，懸索橋由于其技術(shù)成熟、跨徑大、不占長(zhǎng)江河道等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。沉井基礎(chǔ)是懸索橋錨定的主要基礎(chǔ)形式之一，大型沉井基礎(chǔ)具有穩(wěn)定性好、安全儲(chǔ)備高的優(yōu)點(diǎn)，但是大型沉井基礎(chǔ)的施工風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較大，安全監(jiān)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(zhǎng)江沿岸大型沉井基礎(chǔ)的安全監(jiān)控系統(tǒng)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(guān)鍵結(jié)構(gòu)之一。根據(jù)設(shè)計(jì)，錨錠采用重力式沉井基礎(chǔ)，南錨碇采用大沉井施工方案，為60.2 m×55.4 m(第一節(jié)沉井長(zhǎng)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(jié)，共布置25個(gè)井孔，為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。第一節(jié)為8 m高鋼殼混凝土沉井，其余節(jié)段為鋼筋混凝土沉井，封底混凝土厚8 m。沉井第二節(jié)及以上節(jié)井壁厚1.8 m、隔墻厚1.2 m(第一節(jié)井壁厚 2.0 m、隔墻厚 1.4 m)[1]。

2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 安全監(jiān)控目的

在深入分析該沉井基礎(chǔ)下沉過程中的主要風(fēng)險(xiǎn)以后，明確以下監(jiān)控目的:

1)及時(shí)發(fā)現(xiàn)不穩(wěn)定因素;

2)指導(dǎo)施工;

3)提高和發(fā)展安全監(jiān)測(cè)的技術(shù)與方法;

4)為科學(xué)研究提供數(shù)據(jù)支持;

5)為類似工程的建設(shè)積累經(jīng)驗(yàn)。

2.2 監(jiān)控項(xiàng)目

由于該沉井基礎(chǔ)規(guī)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(huì)造成橋梁結(jié)構(gòu)的下沉、扭曲、傾斜，乃至引起整個(gè)橋梁的失事。基礎(chǔ)所處位置地質(zhì)條件復(fù)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(cè)量難度高;沉井的一些助沉措施，如吸泥等，可能影響長(zhǎng)江大堤的穩(wěn)定性。由此主要確定以下幾項(xiàng)監(jiān)控項(xiàng)目，如表1所示。

表1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

2.3 監(jiān)控方法

2.3.1 沉井下沉深度、平面位置及偏斜監(jiān)測(cè)

沉井下沉量是直觀評(píng)價(jià)施工中沉井狀態(tài)的重要參數(shù)，對(duì)下沉量進(jìn)行的控制是沉井施工控制的關(guān)鍵技術(shù)，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(jiān)控指標(biāo)。傾斜度、水平位移與水平扭轉(zhuǎn)是沉井施工控制的重要參數(shù)，是指導(dǎo)沉井下沉施工和糾偏的重要依據(jù)[2]。

為了監(jiān)測(cè)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(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)組成的觀測(cè)網(wǎng)，9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別構(gòu)成3條縱向觀測(cè)剖面和3條橫向觀測(cè)剖面。另外，為確保差異下沉量觀測(cè)的可靠度并滿足快速監(jiān)測(cè)的需要，沉井的傾斜度監(jiān)測(cè)也同時(shí)采用更直接的方法觀測(cè)，即靜力水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)(液體連通管監(jiān)測(cè))。

在沉井中心布置1個(gè)沉井整體傾斜監(jiān)測(cè)孔。觀測(cè)孔隨沉井的接長(zhǎng)而接長(zhǎng)，并在接長(zhǎng)后的觀測(cè)孔中及時(shí)安裝雙向傾斜儀，安裝后的雙向傾斜儀即可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、連續(xù)、快速的沉井整體傾斜監(jiān)測(cè)。

2.3.2 刃腳踏面反力監(jiān)測(cè)

在豎向荷載作用下，沉井基礎(chǔ)主要通過基底承擔(dān)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(jiān)測(cè)指標(biāo)。為了實(shí)時(shí)得到沉井井壁受力的分布狀況，可在沉井四周按要求布設(shè)應(yīng)力傳感器，刃腳反力的監(jiān)測(cè)對(duì)象包括井壁和隔墻。

經(jīng)過系統(tǒng)優(yōu)化，最終在沉井井壁刃腳踏面上布置11個(gè)刃腳反力監(jiān)測(cè)點(diǎn)(其中3點(diǎn)布置在北側(cè)后懸段結(jié)構(gòu)井壁刃腳)，每點(diǎn)布置一支土壓力傳感器;在沉井隔墻的底部布置5個(gè)反力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每點(diǎn)布置1支土壓力傳感器。共布置16套反力計(jì)，用于監(jiān)測(cè)沉井下沉過程中刃腳和隔墻底部的反力。

2.3.3 沉井側(cè)壁土壓力(側(cè)壁摩阻力)監(jiān)測(cè)

側(cè)壁摩阻力反映了沉井的受力情況，特別是錨碇沉井。沉井側(cè)壁土壓力和摩阻力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在沉井的第1，3，5，7節(jié)。在每個(gè)側(cè)壁布置兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，四壁共8個(gè)測(cè)點(diǎn)。第1節(jié)鋼殼沉井布置兩層，分別布置在該節(jié)的底部和上部;第3，5，7節(jié)各布置1層測(cè)點(diǎn)，位于該節(jié)的頂部。側(cè)壁土壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)共布置5層，20個(gè)測(cè)點(diǎn)。需要指出的是側(cè)壁摩阻力在工程上并沒有直接測(cè)試的儀器，均是經(jīng)過土壓力間接換算求出。

2.3.4 沉井結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)

結(jié)構(gòu)應(yīng)力和應(yīng)變是客觀反映沉井結(jié)構(gòu)是否處于安全狀態(tài)的最直觀的指標(biāo)。為確保沉井施工過程中結(jié)構(gòu)的安全，必須對(duì)關(guān)鍵部位及關(guān)鍵截面的結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以防止結(jié)構(gòu)因出現(xiàn)過大的拉應(yīng)力而導(dǎo)致局部開裂。

通過有限元計(jì)算分析，確定主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目如下:

1)首節(jié)鋼殼沉井刃腳關(guān)鍵部位的應(yīng)力(監(jiān)測(cè)應(yīng)力最大斷面的鋼板計(jì)和鋼筋計(jì)的應(yīng)力);

2)第2節(jié)混凝土沉井底部截面水平環(huán)向應(yīng)力(監(jiān)測(cè)代表位置鋼筋的應(yīng)力)。

首節(jié)關(guān)鍵部位共布置14個(gè)測(cè)點(diǎn)，第二節(jié)在每壁中央位置布置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

2.3.5 地下水位與沉井內(nèi)水位

沉井下沉第1節(jié)擬采用排水下沉，以后采用不排水下沉。無(wú)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(nèi)抽泥會(huì)引起周邊地下水的變化，因此必須對(duì)地下水位進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)，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(jiān)測(cè)地下水位的同時(shí)，也必須同時(shí)對(duì)井內(nèi)水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

地下水位的監(jiān)測(cè)需結(jié)合工程需求布置，此處不再詳述。可采用滲壓計(jì)測(cè)試技術(shù)。

2.3.6 地表沉降和長(zhǎng)江防洪大堤沉降量監(jiān)測(cè)

對(duì)于靠近長(zhǎng)江大堤的沉井基礎(chǔ)而言，沉井施工及降水助沉引起土內(nèi)細(xì)顆粒的流失以及土體有效應(yīng)力增加，從而容易導(dǎo)致沉井周邊地基土的開裂和塌陷，如控制不當(dāng)，容易導(dǎo)致大堤產(chǎn)生滲漏和管涌破壞的隱患，影響長(zhǎng)江大堤的安全。因此，保障長(zhǎng)江大堤的安全也是其施工過程中需要異常重視的環(huán)節(jié)。

圖1 長(zhǎng)江大堤監(jiān)測(cè)剖面

長(zhǎng)江大堤安全監(jiān)測(cè)以沉降、不均勻沉降、水平位移以及水力坡降為監(jiān)測(cè)重點(diǎn)。周邊地面沉降以控制附近民房地面沉降為主。沿長(zhǎng)江大堤布置1條長(zhǎng)約160 m的縱向觀測(cè)剖面，主要觀測(cè)長(zhǎng)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(cè)斜管，觀測(cè)地基土的水平變形情況，測(cè)斜管深度40 m，每隔0.5 m設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn);在大堤至沉井之間共布置5根測(cè)壓管，觀測(cè)在沉井抽水助沉及下沉過程中地下水降落漏斗的形態(tài)，根據(jù)實(shí)測(cè)的水力坡降，判斷是否會(huì)產(chǎn)生流砂等滲透變形以及是否危及長(zhǎng)江大堤的安全，布置圖見圖1。

3 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合工程實(shí)例，在分析了長(zhǎng)江沿岸大型沉井基礎(chǔ)施工過程中的主要風(fēng)險(xiǎn)因素以后，確定了安全監(jiān)控的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，并對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的傳感器系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，為保證沉井基礎(chǔ)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(zhǎng)江四橋北錨碇沉井下沉安全監(jiān)控研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2010，31(8):112-117.

[2]吉 林，馮兆祥，周世忠.江陰大橋北錨沉井基礎(chǔ)變位過程實(shí)測(cè)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(chǔ)下沉阻力分布特征研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2005，27(2):148-152.