懸索橋重力式錨碇沉井基礎(chǔ)下沉施工監(jiān)控技術(shù)

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(jīng)濟的不斷發(fā)展,城市交通基礎(chǔ)設(shè)施不斷引入大型、超大型懸索橋[1-2]。懸索橋的基本構(gòu)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(huán)境造成干擾與沉降,需對錨碇下沉本身的力學(xué)特性與應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)進行準確分析,提升錨碇下沉施工安全性[3-4]。在建設(shè)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(jié)構(gòu)安全,地基地質(zhì)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(chǔ)下沉施工時對附近環(huán)境造成安全影響,成為現(xiàn)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(chǔ)土的影響,獲取沉井基礎(chǔ)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(huán)境產(chǎn)生的影響,該方法適應(yīng)性較強,可在大型懸索橋下沉施工中廣泛應(yīng)用。但該方法研究沉井下沉施工參數(shù)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(gòu)對沉井基礎(chǔ)施工安全進行分析,實現(xiàn)沉井基礎(chǔ)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(chǔ)附近環(huán)境的受力機理,造成施工附近環(huán)境土體沉降不穩(wěn)定。

監(jiān)控沉井基礎(chǔ)下沉施工時地基受力情況,有助于規(guī)避沉井基礎(chǔ)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(chǔ)下沉施工監(jiān)控技術(shù)。

1 懸索橋重力式錨碇沉井基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

在懸索橋重力式錨碇沉井基礎(chǔ)下沉施工前,預(yù)先分析懸索橋重力式錨碇沉井基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

選取某地區(qū)某個懸索橋為試驗對象,承載基礎(chǔ)是重力式錨碇沉井基礎(chǔ),設(shè)置該懸索橋共有A、B兩處重力式錨碇沉井基礎(chǔ),A側(cè)和B側(cè)尺寸均為25.4 m×18 m×21 m。制作施工時A、B兩側(cè)重力式錨碇沉井分節(jié)高度為1.8 m+3.2 m+3×4 m。重力式錨碇沉井基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 重力式錨碇沉井基礎(chǔ)平面圖(cm)

重力式錨碇沉井基礎(chǔ)包括:基礎(chǔ)蓋板、井壁、隔板、填芯、封底,沉井最后一節(jié)上接一層基礎(chǔ)蓋板。其中基礎(chǔ)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(chǔ)分為6個艙室,艙室內(nèi)填筑輕質(zhì)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(chǔ)高度為49 m,共分為5個節(jié)段,第1節(jié)是鋼殼混凝土沉井基礎(chǔ),高度為1.8 m,第1節(jié)最下端預(yù)設(shè)3.2 m刃腳;第2～5節(jié)是鋼筋混凝土沉井基礎(chǔ),高度為4 m。

2 懸索橋重力式錨碇沉井基礎(chǔ)下沉施工監(jiān)控方案

為了保證沉井基礎(chǔ)下沉施工安全,對其進行監(jiān)控。具體實現(xiàn)過程為設(shè)計沉井基礎(chǔ)下沉施工監(jiān)控項目和布設(shè)沉井基礎(chǔ)下沉施工監(jiān)控點兩部分。通過上述兩個步驟,獲取沉井基礎(chǔ)下沉施工監(jiān)控數(shù)據(jù),綜合分析數(shù)據(jù)后,實時對沉井基礎(chǔ)下沉施工提供高效的指導(dǎo)建議。

2.1 沉井基礎(chǔ)下沉施工監(jiān)控項目

沉井基礎(chǔ)下沉施工的施工監(jiān)控項目如表1所示。

表1 沉井基礎(chǔ)下沉施工的施工監(jiān)控項目一覽表

依據(jù)表1設(shè)立的沉井基礎(chǔ)下沉施工監(jiān)控項目,選取合適的監(jiān)測裝置,從不同角度獲取重力式錨碇沉井基礎(chǔ)下沉施工數(shù)據(jù),助力綜合分析重力式錨碇沉井基礎(chǔ)下沉施工情況。

2.2 沉井基礎(chǔ)下沉施工監(jiān)控點設(shè)置

設(shè)置沉井基礎(chǔ)下沉施工監(jiān)控點,如圖2所示。

圖2 沉井基礎(chǔ)下沉施工監(jiān)控點位置平面圖

圖2中沉井基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)控點設(shè)置在沉井井壁上,每條井壁各設(shè)置2個監(jiān)控點,共計8個監(jiān)控點;刃腳土壓力監(jiān)控點在刃腳處共設(shè)立10個;側(cè)壁土壓力監(jiān)控點設(shè)置在沉井井壁上,每條井壁各設(shè)置2個監(jiān)控點,共計8個監(jiān)控點;沉井基礎(chǔ)下沉變形監(jiān)控點在沉井基礎(chǔ)中心設(shè)立1個,在每條井壁中間位置共設(shè)立1處,共為5處監(jiān)控點;鋼筋應(yīng)力監(jiān)控點與地基下沉變形監(jiān)控點相同;在沉井基礎(chǔ)四角各設(shè)置一個沉井基礎(chǔ)下沉幾何姿態(tài)監(jiān)控點,并在A、C兩側(cè)井壁中間位置各設(shè)置1個監(jiān)控點,共計6個監(jiān)控點。

3 監(jiān)控結(jié)果分析

3.1 沉井基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)控結(jié)果

為了更直觀地反映沉井基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的安全性,需要獲取沉井基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)力數(shù)據(jù)。通過對應(yīng)力數(shù)據(jù)的監(jiān)控,對沉井基礎(chǔ)施工下沉中沉井結(jié)構(gòu)受力狀況進行評估,并對沉井基礎(chǔ)施工下沉的安全性進行預(yù)警。采用鋼筋計完成沉井基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)控,設(shè)置監(jiān)控點為8個,8個觀測點設(shè)置8個鋼筋計,沉井基礎(chǔ)施工第1次下沉監(jiān)控觀測為期5 d,每天觀測4次;第2次下沉監(jiān)控觀測為期5 d,每天2次;第3次下沉監(jiān)控觀測時間為6 d,每2 d監(jiān)控觀測1次。統(tǒng)計3次下沉施工各個監(jiān)控點應(yīng)力均值,采用本文方法對沉井基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)力進行觀測的結(jié)果如圖3所示。

圖3 沉井基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)控結(jié)果柱狀圖

由圖3可知,第1次下沉沉井基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)力數(shù)據(jù)最小,第3次下沉沉井基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)力數(shù)據(jù)最大。監(jiān)控結(jié)果說明:沉井基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)力數(shù)據(jù)隨著下沉施工深度增加而增加。

3.2 沉井刃腳踏面應(yīng)力監(jiān)控結(jié)果

沉井刃腳存在于沉井基礎(chǔ)第1節(jié)中,主要承受1～4節(jié)沉井基礎(chǔ)的應(yīng)力影響。設(shè)置沉井刃腳踏面應(yīng)力預(yù)警值為172 MPa,通過本文方法對沉井刃腳踏面應(yīng)力進行監(jiān)控,結(jié)果如表2所示。

表2 沉井刃腳踏面應(yīng)力監(jiān)控結(jié)果表

由表2可知,刃腳踏面應(yīng)力值隨著下沉高度的不斷增長而增大,刃腳踏面應(yīng)力值在第4節(jié)下沉施工完成后達到最大值134 MPa,而第1節(jié)下沉施工產(chǎn)生的刃腳踏面應(yīng)力值為123 MPa,說明沉井基礎(chǔ)下沉初期進行沉井基礎(chǔ)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(chǎn)生影響,導(dǎo)致此時刃腳踏面應(yīng)力值異常。通過刃腳踏面應(yīng)力監(jiān)控數(shù)據(jù)可知,其應(yīng)力最大值未超過預(yù)警值,說明該沉井基礎(chǔ)處于安全狀態(tài)。

3.3 沉井基礎(chǔ)側(cè)壁土壓力監(jiān)控結(jié)果

采用本文方法對沉井基礎(chǔ)側(cè)壁土壓力進行監(jiān)控,設(shè)置8個監(jiān)控點,編號為1～8號,選取1號、2號、3號監(jiān)控點數(shù)據(jù)進行沉井基礎(chǔ)側(cè)壁土壓力分析,結(jié)果如下頁圖4所示。

圖4 沉井基礎(chǔ)側(cè)壁土壓力監(jiān)控結(jié)果曲線圖

由圖4可知,沉井基礎(chǔ)側(cè)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(jiān)控點的側(cè)壁土壓力呈上升狀態(tài),3個監(jiān)控點監(jiān)測到的最大側(cè)壁土壓力為79 kPa;當下沉入土深度>11.5 m時,3個監(jiān)控點的側(cè)壁土壓力呈下降趨勢。通過沉井基礎(chǔ)側(cè)壁土壓力監(jiān)控數(shù)據(jù)可知,沉井下沉施工后期下沉速度變慢,導(dǎo)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(chǔ)內(nèi),減少側(cè)壁土壓力。

3.4 地下與沉井內(nèi)水位監(jiān)控結(jié)果

采用本文方法對地下與沉井內(nèi)水位進行監(jiān)控,設(shè)置地下與沉井內(nèi)水位監(jiān)控點編號為1～42號(地下水位監(jiān)控點編號為1號～12號,沉井內(nèi)水位監(jiān)控點編號為13號～42號),選取地下與沉井內(nèi)水位監(jiān)控點各2個,通過監(jiān)控數(shù)據(jù)進行地下與沉井內(nèi)水位分析,結(jié)果如圖5所示。

圖5 地下與沉井內(nèi)水位監(jiān)控結(jié)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(nèi)4個水位監(jiān)控點變化量幅度較大,水位變化量最大為1號水位監(jiān)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(chǔ)下沉傾斜度監(jiān)控結(jié)果

采用本文方法對下沉傾斜度進行監(jiān)控,通過監(jiān)控數(shù)據(jù)對下沉傾斜度進行分析。其中預(yù)設(shè)下沉傾斜度門限值為0.01°,下沉傾斜度監(jiān)控結(jié)果如圖6所示。

圖6 沉井基礎(chǔ)下沉傾斜度監(jiān)控結(jié)果曲線圖

由圖6可知,沉井基礎(chǔ)下沉傾斜度隨著下沉施工進度增加而逐漸上升,沉井基礎(chǔ)下沉傾斜度最大值為0.008 5°,未超過門限值。監(jiān)控結(jié)果說明:沉井基礎(chǔ)狀態(tài)處于安全狀態(tài),本文方法的監(jiān)控數(shù)據(jù)可有效輔助沉井基礎(chǔ)安全完成下沉施工。

3.6 沉井底部下沉地形監(jiān)控結(jié)果

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

圖7 沉井基礎(chǔ)底部下沉地形變化結(jié)果柱狀圖

由圖7可知,沉井基礎(chǔ)底部下沉地形隨著下沉深度變化而變化。分析沉井基礎(chǔ)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(chǔ)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(jiān)控結(jié)果說明:當沉井基礎(chǔ)下沉到中后期時,垂直與水平方向的下沉地形變形量數(shù)值較大。此時,需沉井基礎(chǔ)工作人員實時監(jiān)測沉井基礎(chǔ)垂直與水平方向變形情況,保障沉井基礎(chǔ)下沉施工安全。

3.7 鋼筋應(yīng)力監(jiān)控結(jié)果

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

(a)6號艙室內(nèi)面對坑面鋼筋應(yīng)力

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

3.8 沉井基礎(chǔ)幾何姿態(tài)監(jiān)控結(jié)果

通過本文方法分析3次下沉施工后的沉井基礎(chǔ)幾何姿態(tài)監(jiān)控結(jié)果。通過頂部高差、平面旋轉(zhuǎn)角以及沉井底部中心和中心偏差構(gòu)成沉井基礎(chǔ)幾何姿態(tài)監(jiān)控條件。將本文方法的監(jiān)控值與實際值進行比較,結(jié)果如表3所示。

表3 沉井基礎(chǔ)幾何姿態(tài)監(jiān)控結(jié)果表

由表3可知,本文方法的監(jiān)控值與實際值各項指標的監(jiān)控誤差較小,并且獲取的監(jiān)控值均在允許監(jiān)控誤差范圍內(nèi)。監(jiān)控結(jié)果說明,本文方法獲取的沉井基礎(chǔ)下沉施工監(jiān)控數(shù)據(jù)較優(yōu),符合下沉施工監(jiān)控標準,可為后續(xù)下沉施工安全提供有效數(shù)據(jù)支持。

4 結(jié)語

本文研究一種懸索橋重力式錨碇沉井基礎(chǔ)下沉施工監(jiān)控技術(shù),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(chǔ)作為承載基礎(chǔ),并對該沉井基礎(chǔ)下沉施工數(shù)據(jù)進行監(jiān)控,以提高沉井基礎(chǔ)下沉施工安全性。通過監(jiān)控沉井的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)力數(shù)據(jù),可清楚反映沉井基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)安全性情況。同時,當沉井基礎(chǔ)下沉到位時,本文方法的監(jiān)控值與實際值誤差較小,可有效為下沉施工安全提供數(shù)據(jù)支持。