武漢楊泗港長江大橋1號塔沉井基礎施工關鍵技術

李 一 石

(中鐵大橋局集團有限公司，湖北 武漢 430100)

1 工程概況

1.1 工程簡介

武漢楊泗港長江大橋1號塔基礎采用圓端形沉井，沉井底高程為-15.0 m，頂高程為+23.0 m，總高38 m，其中底節為鋼沉井，高8 m，混凝土沉井部分高30 m；標準段井身平面尺寸為77.2 m×40.0 m(長×寬)，圓端半徑為12.9 m，沉井平面布置為18個11.2 m×11.2 m井孔，為減少側壁摩阻力，便于下沉，第一節沉井尺寸較標準節段每側增加0.2 m，平面尺寸為77.6 m×40.4 m(長×寬)；沉井壁厚2.0 m，隔墻厚1.2 m；為保證封底混凝抗剪受力需要，底節外壁板及隔墻斷面設計成下窄上寬的楔形，并在第二節沉井及沉井封底混凝土高度范圍內設剪力鍵。沉井立面結構見圖1。沉井位于大堤外側江灘上，沉井中心距離大堤65 m，距離江邊邊坡頂面邊線14 m。在沉井靠近大堤側10 m處布置深度40.5 m樁徑1.5 m鉆孔灌注防護樁，防護樁間距1.8 m。沉井結構平面布置圖見圖2。

1.2 工程地質

沉井施工區域自然地面標高為+25.8 m，自上而下地層分布依次為：素填土、粉質黏土、粉砂、中砂、圓礫土、硬塑黏土等。土層地質分層厚度見表1。

表1 地質分層表

巖土名稱地層厚度土層底標高容許承載力/kPa①素填土8.61+17.19②粉質黏土6.1+11.09120③粉砂5.7+5.3990④中砂12.9-7.51300⑤圓礫土2-9.51450⑥硬塑黏土26.7-36.21550

1.3 水文情況

沉井基礎覆蓋層以砂類土為主，透水性好，地下水類型為孔隙式承壓水，與長江水力聯系密切。地下水位動態變化主要受長江水控制，并存在明顯的季節性變化特征。長江豐水期，江水補給地下水，反之地下水補給江水。在1月～3月承壓水位較低，枯水期(2月)承壓水位一般為11.6 m～15.0 m，7月～9月承壓水位較高，豐水期(8月)承壓水位一般為20.4 m～22.8 m。

2 沉井施工總體施工方案

沉井施工前完成防護樁施工，然后進行基坑開挖和地基處理。底節鋼沉井在現場利用臥式胎模具上分節段制造，采用履帶吊將節段下胎并吊運至沉井施工區進行總拼安裝,并完成節段間焊接。鋼沉井拼裝完成后，澆筑刃腳混凝土，混凝土強度滿足要求后，抽取墊塊，再澆筑第2層高5.4 m混凝土。然后采用翻模法接高混凝土沉井?；炷脸辆?個節段，共分為12次接高，每次接高2.5 m。沉井分為3次下沉，下沉組合為13 m+10 m+15 m。首次下沉采用沖吸泥取土下沉，第二、三次均采用空氣吸泥取土下沉。

3 底節鋼沉井制造拼裝

鋼沉井平面上分為24個節段，每塊均設有隔艙板，單個節段吊裝最大64 t，重量約1 365 t，鋼沉井分塊布置見圖3。設置2個井壁節段拼裝胎架和2個十字隔墻節段拼裝胎架。為保證沉井節段制造拼裝質量，方便桁片定位焊接，鋼沉井四周井壁節段采用在胎架上進行臥式拼裝制造，長邊5個節段，短邊2個節段整體匹配制造。中間十字隔墻節段采用立式拼裝。四周井壁節段在胎架上預制總裝完畢后，采用280 t履帶吊機吊離胎架并轉運至場地空曠區域，在150 t履帶吊輔助配合下進行空中翻轉豎立。十字隔墻節段直接采用280 t履帶吊機調運至指定位置進行總拼。鋼沉井節段總拼前，需要對沉井區域進行地基處理，換填表層土體，設置2 m厚的砂墊層，刃角區域整形與刃角傾斜角度一致。在砂墊層表層設置混凝土墊塊，作為沉井節段拼裝支撐點。鋼沉井整體拼裝時采用從下游側向上游側進行拼裝，在上游側井壁處進行合龍。鋼沉井節段拼裝完成后，安裝刃角處預留爆破管。

4 沉井接高

沉井接高采用翻模法進行接高，每次接高高度為2.5 m，模板采用定型鋼模板。模板采用高度組合為0.5 m+2 m+0.5 m形式。第一節段在鋼沉井上焊接牛腿作為模板支撐，模板采用預埋錨桿和拉桿形式配合背帶固定，2塊0.5 m模板上分別設置支承型鋼架，支撐架上設置型鋼走道板，采用分塊制作，以便于安裝和拆除。混凝土沉井接高過程中，接長爆破管，同時在沉井井壁埋設空氣幕管道和氣龕。

5 排水下沉技術

沉井第一次下沉，主要在素填土中進行，采用排水下沉，利用高壓水切割土體形成泥漿，然后利用泥漿泵將泥漿抽排出沉井，沖吸泥取土下沉施工效率高、速度較快、施工靈活，同時便于沉井基底標高的精確控制，有利于沉井下沉初期的平穩，避免下沉初期沉井發生傾斜。沉井第一次接高過程中，沉井下沉了0.527 m。本次下沉用時15 d下沉8.976 m，累計下沉9.503 m。沖吸泥取土施工時，采用分層，從中間向兩側對稱取土方式，將沉井中間6個隔倉內土體沖吸形成深度不大于1.5 m的6個鍋底，然后向四周沖吸，保證離沉井外壁8 m距離土體不進行沖吸，利用沉井下沉擠壓、并利用水流沖刷作用順流到隔倉中部，利用泥砂泵抽出沉井。

6 不排水下沉技術

沉井第二次下沉采用不排水下沉，是采用空氣吸泥機進行吸泥。沉井第二次下沉歷時45 d，累計下沉8.225 m。沉井在接高過程中下沉0.19 m。主要穿過了粉質黏土層，砂層。前28 d在粉質黏土層下沉2.361 m，日均下沉量為0.084 m。后期17 d在砂層中下沉5.684 m，日均下沉量為0.345 m。

第三次下沉采用空氣吸泥取土，進入圓礫土層后采用爆破助沉、高壓射水和空氣幕助沉措施。在圓礫土和硬塑黏土層中，空氣吸泥機吸取泥土困難。采用潛水挖泥機進行取土，采用直徑0.6 m雙頭鉸刀鉆頭。潛水動力裝置驅動鉆頭切削泥土，通過空氣吸泥機將泥漿排出井外，連續工作實現水下挖掘取土。為提高取土效率，每臺空氣吸泥機配備射水壓力20 MPa往復式高壓射水泵,通過高壓射水頭進行射水作業配合空氣吸泥機進行取土。由于沉井接高過程中鋼筋等雜物掉落到沉井內，鉆頭上纏繞鋼筋，導致鉆頭經常損壞。針對刃角區域取土盲區，采用鈍角彎頭吸泥機進行取土。第三次共計下沉19.229 m，下沉歷時161 d，分別穿過了砂層，圓礫土層，進入硬塑黏土層。在沉井接高過程中下沉0.238 m。在砂層用時42 d下沉12.403 m，日均下沉量為0.295 m。在圓礫土層用時55 d下沉2.003 m，日均下沉量為0.036 m。在硬塑黏土層用時64 d下沉4.585 m，日均下沉量為0.072 m。在硬塑黏土層下沉階段，通過對沉井內泥面標高，刃角區域土體埋深進行分析，選擇合理時機開啟空氣幕。通過三次開啟空氣幕降低沉井摩阻力，共計下沉3.778 m。

7 沉井下沉助沉技術

由于沉井終沉階段，刃角全部進入到硬塑黏土層，硬塑黏土層強度高，無法在沉井自重作用下進行切削下沉，采用在刃角區域進行松動爆破，然后采用彎頭吸泥機和高壓射水完成刃角區域取土。在沉井隔倉內取土形成鍋底后，開啟空氣幕降低沉井側面摩阻力，提高沉井下沉系數，保證沉井順利下沉。在鋼沉井安裝過程中在鋼沉井井壁預留兩排爆破孔，排距1.2 m，孔間距為2 m，在隔墻上預留1排爆破孔。爆破孔采用直徑140 mm鋼管，在底部穿過鋼沉井和刃角隔墻底部平齊，共計預留447個爆破預留孔。在沉井接高過程中接長至沉井頂部。在沉井進入硬塑黏土層后使用潛水挖泥機對沉井井壁及隔墻位置進行取土，形成2.5 m左右懸空面后，然后進行水下爆破輔助取土，采用地質鉆機(φ100 mm)垂直鉆孔，鉆入刃腳下方2 m后安裝炸藥。炸藥采用防水性能好的中爆速震源藥柱，藥柱直徑75 mm。由于沉井刃角和隔墻部位始終存在壓散的砂土層，導致成孔困難，采用泥漿護壁措施，地質鉆機成孔率較低。通過潛水員水下探查，爆破有效完成刃角，隔墻區域土體松動垮塌，達到了松動爆破的效果。在兩次爆破期間沉井下沉均較少，第一輪爆破期間下沉0.21 m，第二輪爆破期間下沉0.13 m。

沉井空氣幕在平面上分14個區，每個區在豎直方向上分5個小區，共70個分區，每個分區為一個獨立的供氣系統，底節8 m鋼沉井和頂節5 m沉井不布置空氣幕。在第一輪爆破后開啟空氣幕沉井下沉1.478 m。第二輪爆破后開啟空氣幕沉井下沉2.164 m。考慮沉井刃角接近設計標高，第三次空氣幕開啟前沒有采用爆破助沉，空氣幕開啟后沉井下沉0.136 m。

8 沉井下沉監測

沉井施工期間主要監測大堤，防護樁沉降，周邊土體沉降，地下水位，土體變形，沉井結構應力，沉井下沉姿態。沉井下沉過程中，沉井結構應力均在正常范圍內。結合沉井在下沉過程中對沉井姿態監測數據，通過吸泥區域調整達到沉井姿態糾偏的目的，在下沉的過程中不斷調整沉井的姿態，確保下沉姿態變化在可控范圍。沉井下沉結束后，平面扭角為0.1°,頂面中心位移Δx位移為0.14 m，頂面中心位移Δy位移為0.023 m。在靠近大堤側由于防護樁作用，地面無明顯沉降，大堤最大位移0.042 m，最大沉降為0.019 m。在防護樁自身變形發生在防護樁中部位置，最大位移發生在0.099 m，最大沉降為0.155 m。江邊側無防護樁區域土體出現大量裂紋，地表明顯下沉，最大地面沉降1.026 m，地面位移最大0.933 m。

9 結語

楊泗港長江大橋主塔沉井基礎下沉采用排水和不排水下沉相結合方式，提高了下沉效率。在硬塑黏土層下沉困難階段采用空氣幕，水下松動爆破，配合潛水挖泥機和高壓射水措施，保證沉井順利下沉到位。采用防護樁對沉井下沉進行防護，起到較好的效果，保證沉井下沉大堤安全，所采取的施工工藝措施對類似工程具有很好參考價值。