懸索橋重力式錨碇沉井基礎下沉施工監控技術

韓會生

(廣西交科工程咨詢有限公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

隨著當今社會經濟的不斷發展,城市交通基礎設施不斷引入大型、超大型懸索橋[1-2]。懸索橋的基本構成與承載單位是錨碇,為避免錨碇下沉施工過程中對附近環境造成干擾與沉降,需對錨碇下沉本身的力學特性與應力應變數據進行準確分析,提升錨碇下沉施工安全性[3-4]。在建設懸索橋過程中,絕大部分錨碇選取重力式錨碇[5]。在重力式錨碇施工過程中存在巨大豎向荷載的力,并向地基方向進行傳輸,為提升橋梁結構安全,地基地質條件需具有較高標準。因此,如何避免懸索橋重力式錨碇沉井基礎下沉施工時對附近環境造成安全影響,成為現今社會需要解決的主要問題。

潘桂林等[6]通過荷載對沉井基礎土的影響,獲取沉井基礎極限荷載力,并求解第一次下沉沉井下挖面積,減少沉井下沉施工對附近環境產生的影響,該方法適應性較強,可在大型懸索橋下沉施工中廣泛應用。但該方法研究沉井下沉施工參數較少,分析下沉施工方案不全面。施洲等[7]通過風險、工作分解架構對沉井基礎施工安全進行分析,實現沉井基礎下沉施工控制,該方法分析的下沉施工精確度高,但該方法未考慮沉井基礎附近環境的受力機理,造成施工附近環境土體沉降不穩定。

監控沉井基礎下沉施工時地基受力情況,有助于規避沉井基礎下沉施工時的危險狀況,因此本文提出懸索橋重力式錨碇沉井基礎下沉施工監控技術。

1 懸索橋重力式錨碇沉井基礎結構

在懸索橋重力式錨碇沉井基礎下沉施工前,預先分析懸索橋重力式錨碇沉井基礎結構。

選取某地區某個懸索橋為試驗對象,承載基礎是重力式錨碇沉井基礎,設置該懸索橋共有A、B兩處重力式錨碇沉井基礎,A側和B側尺寸均為25.4 m×18 m×21 m。制作施工時A、B兩側重力式錨碇沉井分節高度為1.8 m+3.2 m+3×4 m。重力式錨碇沉井基礎結構如圖1所示。

圖1 重力式錨碇沉井基礎平面圖(cm)

重力式錨碇沉井基礎包括:基礎蓋板、井壁、隔板、填芯、封底,沉井最后一節上接一層基礎蓋板。其中基礎蓋板高度為8.4 m,井壁厚度為1.4 m,隔板寬度為1 m。隔板將沉井基礎分為6個艙室,艙室內填筑輕質泡沫混凝土,泡沫混凝土型號為FCA08-C3-W30-S-JG/T 266-2011;封底混凝土厚度為11.2 m,采用C28水下混凝土。重力式錨碇沉井基礎高度為49 m,共分為5個節段,第1節是鋼殼混凝土沉井基礎,高度為1.8 m,第1節最下端預設3.2 m刃腳;第2～5節是鋼筋混凝土沉井基礎,高度為4 m。

2 懸索橋重力式錨碇沉井基礎下沉施工監控方案

為了保證沉井基礎下沉施工安全,對其進行監控。具體實現過程為設計沉井基礎下沉施工監控項目和布設沉井基礎下沉施工監控點兩部分。通過上述兩個步驟,獲取沉井基礎下沉施工監控數據,綜合分析數據后,實時對沉井基礎下沉施工提供高效的指導建議。

2.1 沉井基礎下沉施工監控項目

沉井基礎下沉施工的施工監控項目如表1所示。

表1 沉井基礎下沉施工的施工監控項目一覽表

依據表1設立的沉井基礎下沉施工監控項目,選取合適的監測裝置,從不同角度獲取重力式錨碇沉井基礎下沉施工數據,助力綜合分析重力式錨碇沉井基礎下沉施工情況。

2.2 沉井基礎下沉施工監控點設置

設置沉井基礎下沉施工監控點,如圖2所示。

圖2 沉井基礎下沉施工監控點位置平面圖

圖2中沉井基礎結構應力監控點設置在沉井井壁上,每條井壁各設置2個監控點,共計8個監控點;刃腳土壓力監控點在刃腳處共設立10個;側壁土壓力監控點設置在沉井井壁上,每條井壁各設置2個監控點,共計8個監控點;沉井基礎下沉變形監控點在沉井基礎中心設立1個,在每條井壁中間位置共設立1處,共為5處監控點;鋼筋應力監控點與地基下沉變形監控點相同;在沉井基礎四角各設置一個沉井基礎下沉幾何姿態監控點,并在A、C兩側井壁中間位置各設置1個監控點,共計6個監控點。

3 監控結果分析

3.1 沉井基礎結構應力監控結果

為了更直觀地反映沉井基礎結構應力的安全性,需要獲取沉井基礎結構應力數據。通過對應力數據的監控,對沉井基礎施工下沉中沉井結構受力狀況進行評估,并對沉井基礎施工下沉的安全性進行預警。采用鋼筋計完成沉井基礎結構應力監控,設置監控點為8個,8個觀測點設置8個鋼筋計,沉井基礎施工第1次下沉監控觀測為期5 d,每天觀測4次;第2次下沉監控觀測為期5 d,每天2次;第3次下沉監控觀測時間為6 d,每2 d監控觀測1次。統計3次下沉施工各個監控點應力均值,采用本文方法對沉井基礎結構應力進行觀測的結果如圖3所示。

圖3 沉井基礎結構應力監控結果柱狀圖

由圖3可知,第1次下沉沉井基礎結構應力數據最小,第3次下沉沉井基礎結構應力數據最大。監控結果說明:沉井基礎結構應力數據隨著下沉施工深度增加而增加。

3.2 沉井刃腳踏面應力監控結果

沉井刃腳存在于沉井基礎第1節中,主要承受1～4節沉井基礎的應力影響。設置沉井刃腳踏面應力預警值為172 MPa,通過本文方法對沉井刃腳踏面應力進行監控,結果如表2所示。

表2 沉井刃腳踏面應力監控結果表

由表2可知,刃腳踏面應力值隨著下沉高度的不斷增長而增大,刃腳踏面應力值在第4節下沉施工完成后達到最大值134 MPa,而第1節下沉施工產生的刃腳踏面應力值為123 MPa,說明沉井基礎下沉初期進行沉井基礎開挖時,造成開挖面積變大,隔板底部土層被挖空,使井壁與沉井之間被懸空,且中間跨越距離逐漸變大,沉井荷載對刃腳踏面產生影響,導致此時刃腳踏面應力值異常。通過刃腳踏面應力監控數據可知,其應力最大值未超過預警值,說明該沉井基礎處于安全狀態。

3.3 沉井基礎側壁土壓力監控結果

采用本文方法對沉井基礎側壁土壓力進行監控,設置8個監控點,編號為1～8號,選取1號、2號、3號監控點數據進行沉井基礎側壁土壓力分析,結果如下頁圖4所示。

圖4 沉井基礎側壁土壓力監控結果曲線圖

由圖4可知,沉井基礎側壁土壓力隨著下沉入土深度的增加呈先增加后降低的變化趨勢。當下沉入土深度<11.5 m時,3個監控點的側壁土壓力呈上升狀態,3個監控點監測到的最大側壁土壓力為79 kPa;當下沉入土深度>11.5 m時,3個監控點的側壁土壓力呈下降趨勢。通過沉井基礎側壁土壓力監控數據可知,沉井下沉施工后期下沉速度變慢,導致刃腳取土力度變大,并且刃腳獲取的沙土過于松軟,會流入沉井基礎內,減少側壁土壓力。

3.4 地下與沉井內水位監控結果

采用本文方法對地下與沉井內水位進行監控,設置地下與沉井內水位監控點編號為1～42號(地下水位監控點編號為1號～12號,沉井內水位監控點編號為13號～42號),選取地下與沉井內水位監控點各2個,通過監控數據進行地下與沉井內水位分析,結果如圖5所示。

圖5 地下與沉井內水位監控結果曲線圖

由圖5可知,第一次下沉施工過程中,地下與沉井內4個水位監控點變化量幅度較大,水位變化量最大為1號水位監控點,水位變化值為89.1 cm;第二次下沉施工與第三次下沉施工水位變化較小。

3.5 沉井基礎下沉傾斜度監控結果

采用本文方法對下沉傾斜度進行監控,通過監控數據對下沉傾斜度進行分析。其中預設下沉傾斜度門限值為0.01°,下沉傾斜度監控結果如圖6所示。

圖6 沉井基礎下沉傾斜度監控結果曲線圖

由圖6可知,沉井基礎下沉傾斜度隨著下沉施工進度增加而逐漸上升,沉井基礎下沉傾斜度最大值為0.008 5°,未超過門限值。監控結果說明:沉井基礎狀態處于安全狀態,本文方法的監控數據可有效輔助沉井基礎安全完成下沉施工。

3.6 沉井底部下沉地形監控結果

通過本文方法對沉井底部下沉地形進行監控,分析沉井基礎垂直與水平方向上沉井下沉地形變化情況,結果如圖7所示。

圖7 沉井基礎底部下沉地形變化結果柱狀圖

由圖7可知,沉井基礎底部下沉地形隨著下沉深度變化而變化。分析沉井基礎水平方向上的下沉地形變形量可知,當下沉深度<20 m時,下沉地形變形量最大值為0.11 mm;當下沉深度>20 m時,下沉地形變形量顯著增加,最大值為2.4 mm;沉井基礎垂直方向上的下沉地形變形量在下沉深度為40 m時達到最大值2.39 mm。監控結果說明:當沉井基礎下沉到中后期時,垂直與水平方向的下沉地形變形量數值較大。此時,需沉井基礎工作人員實時監測沉井基礎垂直與水平方向變形情況,保障沉井基礎下沉施工安全。

3.7 鋼筋應力監控結果

采用本文方法對鋼筋應力進行監控,通過震弦式應力計監控鋼筋應力,隨機選取一個沉井基礎艙室,分析鋼筋面對艙室坑面與背對艙室坑面應力變化情況,結果如后頁圖8所示。

(a)6號艙室內面對坑面鋼筋應力

由圖8(a)可知,在沉井基礎6號艙室內,鋼筋面對坑面時,第一次下沉的鋼筋接受到的應力最大,最大值達到87.6 MPa,第二次下沉、第三次下沉鋼筋的應力曲線比較平穩;由圖8(b)可知,在沉井基礎6號艙室內,鋼筋背對坑面時,第一次下沉的鋼筋接受到的應力最大,最大值達到90 MPa,第二次下沉、第三次下沉鋼筋的應力曲線變化較平穩。監控結果說明:鋼筋在沉井基礎下沉前期受到應力最大,需關注鋼筋應力情況,避免鋼筋被折斷,降低沉井基礎下沉施工安全性。

3.8 沉井基礎幾何姿態監控結果

通過本文方法分析3次下沉施工后的沉井基礎幾何姿態監控結果。通過頂部高差、平面旋轉角以及沉井底部中心和中心偏差構成沉井基礎幾何姿態監控條件。將本文方法的監控值與實際值進行比較,結果如表3所示。

表3 沉井基礎幾何姿態監控結果表

由表3可知,本文方法的監控值與實際值各項指標的監控誤差較小,并且獲取的監控值均在允許監控誤差范圍內。監控結果說明,本文方法獲取的沉井基礎下沉施工監控數據較優,符合下沉施工監控標準,可為后續下沉施工安全提供有效數據支持。

4 結語

本文研究一種懸索橋重力式錨碇沉井基礎下沉施工監控技術,用以提升下沉施工安全性。懸索橋采用重力式錨碇沉井基礎作為承載基礎,并對該沉井基礎下沉施工數據進行監控,以提高沉井基礎下沉施工安全性。通過監控沉井的基礎結構應力數據,可清楚反映沉井基礎結構安全性情況。同時,當沉井基礎下沉到位時,本文方法的監控值與實際值誤差較小,可有效為下沉施工安全提供數據支持。