超大沉井施工質(zhì)量控制研究

陳 克 ,石峻峰

(湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 432200)

1 引言

沉井基礎(chǔ)由于埋置深度大，整體性能比較強(qiáng)，剛度大，穩(wěn)定性好，能夠承受較大的垂直荷載和水平荷載，已被廣泛應(yīng)用于橋梁、采礦業(yè)、水利、水電等工程[1]。隨著我國(guó)建筑工業(yè)的快速發(fā)展，愈來愈多的超大型沉井基礎(chǔ)被應(yīng)用到工程建設(shè)中來，如泰州大橋中塔沉井基礎(chǔ)67.9 m×52 m[2]，江陰大橋北錨碇沉井69 m×51 m[3]，武漢楊泗港長(zhǎng)江大橋沉井基礎(chǔ)77.2 m×40.0 m[4]，溫州甌江北口大橋中塔鋼沉井66 m×55 m[5]等。超大沉井基礎(chǔ)一般都在幾十米左右，施工有很大難度，但目前尚未見針對(duì)性的報(bào)道，本文針對(duì)某特大橋沉井基礎(chǔ)，對(duì)超大沉井施工過程中出現(xiàn)的重難點(diǎn)問題進(jìn)行了分析與研究。

2 工程概況

某特大橋位為連接蘇南與蘇中地區(qū)、是實(shí)現(xiàn)區(qū)位優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的節(jié)點(diǎn)性交通工程，其跨長(zhǎng)江主橋采用雙層斜拉橋方式。大橋6號(hào)主塔墩采用沉井基礎(chǔ)形式，沉井從下至上分為10節(jié)，第1節(jié)底節(jié)段高度為9.0 m，第2～9節(jié)標(biāo)準(zhǔn)段的高度均為6.0 m，第10節(jié)高度為7.0 m，沉井基礎(chǔ)平面呈圓端型，立面為臺(tái)階型，底面尺寸95.0 m×57.8 m，圓端半徑28.9 m；沉井頂面尺寸77.0 m×39.8 m(橫橋向×縱橋向)，圓端半徑19.9 m,臺(tái)階寬度9.0 m(圖1)。沉井為填充混凝土的鋼殼結(jié)構(gòu)，為國(guó)內(nèi)平面尺寸最大的水中沉井基礎(chǔ)。

沉井基礎(chǔ)所在場(chǎng)地范圍內(nèi)的地層條件較為特殊，6號(hào)墩沉井基礎(chǔ)場(chǎng)地范圍內(nèi)上部為軟塑粉質(zhì)黏土、硬塑粉質(zhì)黏土及松散-稍密粉砂交互夾層，下部為中密-密實(shí)砂層(自上而下依次為粉砂、細(xì)砂及中砂)，在持力層上部為軟塑狀粉質(zhì)黏土層，最大厚度超過10 m，且地層起伏較大，在沉井基礎(chǔ)平面位置內(nèi)的部分鉆孔未見該軟塑粉質(zhì)黏土層(圖2)。

圖1 沉井總體布置

3 超大沉井施工重難點(diǎn)

3.1 沉井的定位

超大沉井平面和垂直度的定位精度無法滿足要求，因此鋼沉井段的定位系統(tǒng)的布置至關(guān)重要，不僅要能在強(qiáng)潮急流中穩(wěn)定沉井使其精確定位，而且要需要及時(shí)地調(diào)整沉井定位系統(tǒng)各錨纜張力的大小、以使鋼沉井段最終精確定位。

3.2 沉井的著床

沉井在著床過程中，沉井平面范圍內(nèi)的河床會(huì)出現(xiàn)沖淤變化，造成河床面前低后高，對(duì)沉井的著床和定位精度造成較大影響，需要準(zhǔn)確掌握河床沖刷深度、淤積情況，保證鋼沉井著床前河床面基本平整，確定著床前的預(yù)偏方向和預(yù)偏量，才能使沉井在深水急流中順利準(zhǔn)確定位著床，是本項(xiàng)目的施工難點(diǎn)。

3.3 沉井中混凝土的施工

井壁及隔艙內(nèi)填充混凝土，填充過程中如何保證混凝土填充質(zhì)量、滿足沉井結(jié)構(gòu)受力要求是本項(xiàng)目的施工難點(diǎn)。沉井封底、承臺(tái)均屬大體積混凝土結(jié)構(gòu)，一次連續(xù)澆筑的混凝土量巨大，需要投入的混凝土澆注設(shè)備太多。

圖2 沉井基礎(chǔ)立面

3.4 沉井接高及下沉

該超大沉井在接高下沉過程中將歷經(jīng)一次汛期，需要由于施工工期緊，保證沉井安全渡汛，以及汛期沉井井壁接高、下沉施工是本項(xiàng)目的施工重點(diǎn)；同時(shí)，由于沉井下沉深度(入土)超過40 m，且需要穿過多個(gè)不同的地質(zhì)層，如何將巨大的沉井安全、順利下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高是項(xiàng)目施工的難點(diǎn)。保證沉井在澆筑過程中不出現(xiàn)傾斜、突沉的情況。

3.5 沉井黏土層施工

沉井地層自上而下總體呈粉質(zhì)黏土-砂土交互夾層分布模式，且地層交互分界面的起伏較大，對(duì)應(yīng)沉井基礎(chǔ)在下沉過程中的受力特征轉(zhuǎn)換較為頻繁，且在穿過地層分界面時(shí)產(chǎn)生不對(duì)稱下沉及偏位的可能性較大。

4 施工質(zhì)量控制措施與分析

4.1 沉井定位系統(tǒng)施工

鋼沉井定位系統(tǒng)采用“錨墩加大抓力錨”相結(jié)合的方式(圖3)，距離沉井中心上下游方向各215 m的位置布置一個(gè)錨墩，距鋼沉井中心南北方向各200 m的位置布置4個(gè)大抓力錨組成邊錨錨碇。邊錨錨碇采用20 t大抓力錨，利用150 t浮吊拋錨，拋錨完成后將兩側(cè)邊錨進(jìn)行同步對(duì)稱張拉，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)錨固，從錨墩系統(tǒng)可以提供牢靠而使沉井達(dá)到精確定位的目的。

注：?jiǎn)挝粸閙m

4.2 沉井著床控制措施

沉井著床時(shí)選擇在低平潮水位時(shí)間段，并向下游設(shè)置一定的預(yù)偏量。沉井著床前，不斷收緊和調(diào)整錨墩系統(tǒng)，使沉井位置變化范圍控制在設(shè)計(jì)規(guī)定的范圍內(nèi)，此階段沉井頂面、底面中心與設(shè)計(jì)中心偏差在任何方向不得大于沉井高度的1/150，沉井傾斜不得大于1/150，沉井平面扭轉(zhuǎn)角不得大于1°[6]。在注水下沉過程中不斷精調(diào)錨纜的受力，使鋼沉井保持精確定位的姿態(tài)，最后2 m下沉階段，再次復(fù)核沉井定位精度，確認(rèn)無誤后，加大注水力度，使沉井快速、精確著床(圖4)。

圖4 沉井注水系統(tǒng)布置

4.3 超大沉井混凝土的施工措施

混凝土施工需要合理選擇原材料，優(yōu)化混凝土配合比：選用水化熱較低的水泥；采用級(jí)配良好的碎石；采用優(yōu)質(zhì)中砂；在混凝土中摻入Ⅰ級(jí)粉煤灰以減少水泥用量；摻用高效減水劑，延長(zhǎng)混凝土初凝時(shí)間，延緩水泥水化熱峰值出現(xiàn)的時(shí)間。

按照分艙、對(duì)稱的順序進(jìn)行水下混凝土灌注，確保對(duì)沉井均衡加載，避免對(duì)沉井結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，確保整個(gè)沉井結(jié)構(gòu)平穩(wěn)、安全。

按從四周向中心、相對(duì)對(duì)稱的順序進(jìn)行灌注。現(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)沉井監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)適當(dāng)調(diào)整隔艙灌注順序。每個(gè)隔艙內(nèi)布置2～4套導(dǎo)管，并布置3～5測(cè)點(diǎn)，隨時(shí)測(cè)量隔艙內(nèi)混凝土面標(biāo)高。沉井著床后，首節(jié)混凝土采用水下混凝土澆筑，混凝土達(dá)到預(yù)定標(biāo)高后，其隔艙內(nèi)的導(dǎo)管根據(jù)灌注順序倒用到其他隔艙內(nèi)，繼續(xù)灌注水下混凝土，直至完成所有井壁的水下混凝土灌注。

待水下混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求后，抽水，鑿毛清理，干環(huán)境下分隔艙、分次、對(duì)稱澆筑隔艙混凝土。干澆一次，吸泥下沉一次，確保平穩(wěn)下沉。同時(shí)采用雙滲技術(shù)，埋置冷卻水管，減小澆注層厚度，加快混凝土散熱速度，降低混凝土入模溫度，保濕蓄熱養(yǎng)護(hù)(圖5)。

圖5 沉井井壁混凝土澆筑工藝流程

4.4 沉井的接高、下沉及糾偏

為了防止沉井在澆注過程中傾斜，沉井混凝土需分區(qū)對(duì)稱均勻澆注。澆注順序?yàn)椋河伤闹芟蛑虚g，先井壁后隔墻，對(duì)稱澆注，確保對(duì)沉井均衡加載，確保結(jié)構(gòu)平穩(wěn)、安全。

沉井吸泥下沉施工按“先中后邊、分層對(duì)稱破土、先高后低、及時(shí)糾偏”的原則進(jìn)行操作，使沉井保持均勻垂直下沉。沉井井孔中部鍋底深度，一般控制在2 m左右，避免鍋底過深發(fā)生沉井突沉和翻砂，造成沉井下沉量和傾斜度無法控制。

若沉井下沉發(fā)生傾斜，在沉井頂面高的一側(cè)刃腳處進(jìn)行偏吸泥、偏除土，刃腳低的一側(cè)保持不動(dòng)，盡可能地減少高的一側(cè)的正面阻力，保留低側(cè)沉井孔局部土壤，增大沉井的糾偏力矩的方法，使沉井傾斜得到糾正。

若沉井下沉發(fā)生偏移，位移糾正方法一般是控制下沉并不再向位移方向傾斜，同時(shí)有意識(shí)地使沉井向位移相反方向傾斜，糾正傾斜后，使其伴隨向位移相反方向產(chǎn)生一定位移糾正。

若沉井下沉發(fā)生扭轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)可按糾正位移方法糾正，使傾斜方向?qū)?zhǔn)沉井中心，然后糾正傾斜，扭轉(zhuǎn)隨之得到糾正。

4.5 沉井下穿黏土層施工技術(shù)

結(jié)合既有工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化規(guī)律及本項(xiàng)目有限元數(shù)值計(jì)算模型的結(jié)果，布置一定數(shù)量的應(yīng)力監(jiān)測(cè)傳感器，對(duì)下沉過程的結(jié)構(gòu)應(yīng)力等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。采用新型的水下液壓絞吸機(jī)進(jìn)行沉井孔內(nèi)取土，同時(shí)配備智能高效取土設(shè)備配合在取土盲區(qū)(剪力鍵和刃腳根下)取土施工。在下沉困難時(shí)啟用預(yù)留的輔助下沉措施(空氣幕、射水管等)，確保沉井下沉順利可控。

5 結(jié)語

隨著交通事業(yè)的快速發(fā)展，橋梁設(shè)計(jì)形式開始多樣化，結(jié)構(gòu)越發(fā)復(fù)雜，跨度也隨之越來越來越大，沉井基礎(chǔ)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在橋梁建設(shè)中發(fā)揮愈發(fā)重要的作用。而超大沉井的施工過程中存在的問題也隨之突顯出來，施工專員需要把握整個(gè)施工的質(zhì)量，超大沉井施工質(zhì)量的控制由施工的整個(gè)工序決定，明確超大沉井施工的問題，制定相應(yīng)的質(zhì)量控制方案與措施，把握關(guān)鍵技術(shù)，才能順利控制超大沉井施工的質(zhì)量。