李 一 石

(中鐵大橋局集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430100)

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

武漢楊泗港長(zhǎng)江大橋1號(hào)塔基礎(chǔ)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(jié)為鋼沉井，高8 m，混凝土沉井部分高30 m；標(biāo)準(zhǔn)段井身平面尺寸為77.2 m×40.0 m(長(zhǎng)×寬)，圓端半徑為12.9 m，沉井平面布置為18個(gè)11.2 m×11.2 m井孔，為減少側(cè)壁摩阻力，便于下沉，第一節(jié)沉井尺寸較標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段每側(cè)增加0.2 m，平面尺寸為77.6 m×40.4 m(長(zhǎng)×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(jié)外壁板及隔墻斷面設(shè)計(jì)成下窄上寬的楔形，并在第二節(jié)沉井及沉井封底混凝土高度范圍內(nèi)設(shè)剪力鍵。沉井立面結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。沉井位于大堤外側(cè)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(cè)10 m處布置深度40.5 m樁徑1.5 m鉆孔灌注防護(hù)樁，防護(hù)樁間距1.8 m。沉井結(jié)構(gòu)平面布置圖見(jiàn)圖2。

1.2 工程地質(zhì)

沉井施工區(qū)域自然地面標(biāo)高為+25.8 m，自上而下地層分布依次為：素填土、粉質(zhì)黏土、粉砂、中砂、圓礫土、硬塑黏土等。土層地質(zhì)分層厚度見(jiàn)表1。

表1 地質(zhì)分層表

巖土名稱地層厚度土層底標(biāo)高容許承載力/kPa①素填土8.61+17.19②粉質(zhì)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(chǔ)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(zhǎng)江水力聯(lián)系密切。地下水位動(dòng)態(tài)變化主要受長(zhǎng)江水控制，并存在明顯的季節(jié)性變化特征。長(zhǎng)江豐水期，江水補(bǔ)給地下水，反之地下水補(bǔ)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(hù)樁施工，然后進(jìn)行基坑開(kāi)挖和地基處理。底節(jié)鋼沉井在現(xiàn)場(chǎng)利用臥式胎模具上分節(jié)段制造，采用履帶吊將節(jié)段下胎并吊運(yùn)至沉井施工區(qū)進(jìn)行總拼安裝,并完成節(jié)段間焊接。鋼沉井拼裝完成后，澆筑刃腳混凝土，混凝土強(qiáng)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(gè)節(jié)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(jié)鋼沉井制造拼裝

鋼沉井平面上分為24個(gè)節(jié)段，每塊均設(shè)有隔艙板，單個(gè)節(jié)段吊裝最大64 t，重量約1 365 t，鋼沉井分塊布置見(jiàn)圖3。設(shè)置2個(gè)井壁節(jié)段拼裝胎架和2個(gè)十字隔墻節(jié)段拼裝胎架。為保證沉井節(jié)段制造拼裝質(zhì)量，方便桁片定位焊接，鋼沉井四周井壁節(jié)段采用在胎架上進(jìn)行臥式拼裝制造，長(zhǎng)邊5個(gè)節(jié)段，短邊2個(gè)節(jié)段整體匹配制造。中間十字隔墻節(jié)段采用立式拼裝。四周井壁節(jié)段在胎架上預(yù)制總裝完畢后，采用280 t履帶吊機(jī)吊離胎架并轉(zhuǎn)運(yùn)至場(chǎng)地空曠區(qū)域，在150 t履帶吊輔助配合下進(jìn)行空中翻轉(zhuǎn)豎立。十字隔墻節(jié)段直接采用280 t履帶吊機(jī)調(diào)運(yùn)至指定位置進(jìn)行總拼。鋼沉井節(jié)段總拼前，需要對(duì)沉井區(qū)域進(jìn)行地基處理，換填表層土體，設(shè)置2 m厚的砂墊層，刃角區(qū)域整形與刃角傾斜角度一致。在砂墊層表層設(shè)置混凝土墊塊，作為沉井節(jié)段拼裝支撐點(diǎn)。鋼沉井整體拼裝時(shí)采用從下游側(cè)向上游側(cè)進(jìn)行拼裝，在上游側(cè)井壁處進(jìn)行合龍。鋼沉井節(jié)段拼裝完成后，安裝刃角處預(yù)留爆破管。

4 沉井接高

沉井接高采用翻模法進(jìn)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(jié)段在鋼沉井上焊接牛腿作為模板支撐，模板采用預(yù)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(shè)置支承型鋼架，支撐架上設(shè)置型鋼走道板，采用分塊制作，以便于安裝和拆除?；炷脸辆痈哌^(guò)程中，接長(zhǎng)爆破管，同時(shí)在沉井井壁埋設(shè)空氣幕管道和氣龕。

5 排水下沉技術(shù)

沉井第一次下沉，主要在素填土中進(jìn)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(shí)便于沉井基底標(biāo)高的精確控制，有利于沉井下沉初期的平穩(wěn)，避免下沉初期沉井發(fā)生傾斜。沉井第一次接高過(guò)程中，沉井下沉了0.527 m。本次下沉用時(shí)15 d下沉8.976 m，累計(jì)下沉9.503 m。沖吸泥取土施工時(shí)，采用分層，從中間向兩側(cè)對(duì)稱取土方式，將沉井中間6個(gè)隔倉(cāng)內(nèi)土體沖吸形成深度不大于1.5 m的6個(gè)鍋底，然后向四周沖吸，保證離沉井外壁8 m距離土體不進(jìn)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(cāng)中部，利用泥砂泵抽出沉井。

6 不排水下沉技術(shù)

沉井第二次下沉采用不排水下沉，是采用空氣吸泥機(jī)進(jìn)行吸泥。沉井第二次下沉歷時(shí)45 d，累計(jì)下沉8.225 m。沉井在接高過(guò)程中下沉0.19 m。主要穿過(guò)了粉質(zhì)黏土層，砂層。前28 d在粉質(zhì)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(jìn)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(jī)吸取泥土困難。采用潛水挖泥機(jī)進(jìn)行取土，采用直徑0.6 m雙頭鉸刀鉆頭。潛水動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)鉆頭切削泥土，通過(guò)空氣吸泥機(jī)將泥漿排出井外，連續(xù)工作實(shí)現(xiàn)水下挖掘取土。為提高取土效率，每臺(tái)空氣吸泥機(jī)配備射水壓力20 MPa往復(fù)式高壓射水泵,通過(guò)高壓射水頭進(jìn)行射水作業(yè)配合空氣吸泥機(jī)進(jìn)行取土。由于沉井接高過(guò)程中鋼筋等雜物掉落到沉井內(nèi)，鉆頭上纏繞鋼筋，導(dǎo)致鉆頭經(jīng)常損壞。針對(duì)刃角區(qū)域取土盲區(qū)，采用鈍角彎頭吸泥機(jī)進(jìn)行取土。第三次共計(jì)下沉19.229 m，下沉歷時(shí)161 d，分別穿過(guò)了砂層，圓礫土層，進(jìn)入硬塑黏土層。在沉井接高過(guò)程中下沉0.238 m。在砂層用時(shí)42 d下沉12.403 m，日均下沉量為0.295 m。在圓礫土層用時(shí)55 d下沉2.003 m，日均下沉量為0.036 m。在硬塑黏土層用時(shí)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(guò)對(duì)沉井內(nèi)泥面標(biāo)高，刃角區(qū)域土體埋深進(jìn)行分析，選擇合理時(shí)機(jī)開(kāi)啟空氣幕。通過(guò)三次開(kāi)啟空氣幕降低沉井摩阻力，共計(jì)下沉3.778 m。

7 沉井下沉助沉技術(shù)

由于沉井終沉階段，刃角全部進(jìn)入到硬塑黏土層，硬塑黏土層強(qiáng)度高，無(wú)法在沉井自重作用下進(jìn)行切削下沉，采用在刃角區(qū)域進(jìn)行松動(dòng)爆破，然后采用彎頭吸泥機(jī)和高壓射水完成刃角區(qū)域取土。在沉井隔倉(cāng)內(nèi)取土形成鍋底后，開(kāi)啟空氣幕降低沉井側(cè)面摩阻力，提高沉井下沉系數(shù)，保證沉井順利下沉。在鋼沉井安裝過(guò)程中在鋼沉井井壁預(yù)留兩排爆破孔，排距1.2 m，孔間距為2 m，在隔墻上預(yù)留1排爆破孔。爆破孔采用直徑140 mm鋼管，在底部穿過(guò)鋼沉井和刃角隔墻底部平齊，共計(jì)預(yù)留447個(gè)爆破預(yù)留孔。在沉井接高過(guò)程中接長(zhǎng)至沉井頂部。在沉井進(jìn)入硬塑黏土層后使用潛水挖泥機(jī)對(duì)沉井井壁及隔墻位置進(jìn)行取土，形成2.5 m左右懸空面后，然后進(jìn)行水下爆破輔助取土，采用地質(zhì)鉆機(jī)(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(dǎo)致成孔困難，采用泥漿護(hù)壁措施，地質(zhì)鉆機(jī)成孔率較低。通過(guò)潛水員水下探查，爆破有效完成刃角，隔墻區(qū)域土體松動(dòng)垮塌，達(dá)到了松動(dòng)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(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)在豎直方向上分5個(gè)小區(qū)，共70個(gè)分區(qū)，每個(gè)分區(qū)為一個(gè)獨(dú)立的供氣系統(tǒng)，底節(jié)8 m鋼沉井和頂節(jié)5 m沉井不布置空氣幕。在第一輪爆破后開(kāi)啟空氣幕沉井下沉1.478 m。第二輪爆破后開(kāi)啟空氣幕沉井下沉2.164 m?？紤]沉井刃角接近設(shè)計(jì)標(biāo)高，第三次空氣幕開(kāi)啟前沒(méi)有采用爆破助沉，空氣幕開(kāi)啟后沉井下沉0.136 m。

8 沉井下沉監(jiān)測(cè)

沉井施工期間主要監(jiān)測(cè)大堤，防護(hù)樁沉降，周邊土體沉降，地下水位，土體變形，沉井結(jié)構(gòu)應(yīng)力，沉井下沉姿態(tài)。沉井下沉過(guò)程中，沉井結(jié)構(gòu)應(yīng)力均在正常范圍內(nèi)。結(jié)合沉井在下沉過(guò)程中對(duì)沉井姿態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)吸泥區(qū)域調(diào)整達(dá)到沉井姿態(tài)糾偏的目的，在下沉的過(guò)程中不斷調(diào)整沉井的姿態(tài)，確保下沉姿態(tài)變化在可控范圍。沉井下沉結(jié)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(cè)由于防護(hù)樁作用，地面無(wú)明顯沉降，大堤最大位移0.042 m，最大沉降為0.019 m。在防護(hù)樁自身變形發(fā)生在防護(hù)樁中部位置，最大位移發(fā)生在0.099 m，最大沉降為0.155 m。江邊側(cè)無(wú)防護(hù)樁區(qū)域土體出現(xiàn)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(jié)語(yǔ)

楊泗港長(zhǎng)江大橋主塔沉井基礎(chǔ)下沉采用排水和不排水下沉相結(jié)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(dòng)爆破，配合潛水挖泥機(jī)和高壓射水措施，保證沉井順利下沉到位。采用防護(hù)樁對(duì)沉井下沉進(jìn)行防護(hù)，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(duì)類似工程具有很好參考價(jià)值。