景奉韜 ，劉修成 ，管政霖

（1.中國(guó)交通建設(shè)股份有限公司，北京 100088；2.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；3.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430040；4.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430040）

0 引言

國(guó)內(nèi)在深水急流的江河中建造的橋墩基礎(chǔ)形式主要為樁基礎(chǔ)和沉井基礎(chǔ)兩種，20世紀(jì)90年代至今，隨著國(guó)內(nèi)大跨徑橋梁建設(shè)逐漸興起，沉井基礎(chǔ)在橋墩及錨碇上的應(yīng)用日益增多。表1給出了國(guó)內(nèi)大跨徑橋梁主墩沉井基礎(chǔ)平面尺寸與地質(zhì)情況[1-7]，可見(jiàn)沉井平面尺寸逐漸增加，同時(shí)外周長(zhǎng)與井壁及隔墻底面積之比減小趨勢(shì)明顯，這意味著大型沉井下沉阻力中端阻力占比相對(duì)較大，由于剪力鍵的存在，現(xiàn)有取土方法無(wú)法顧及到井壁及隔墻下方的土體，存在取土盲區(qū)。此外，近年來(lái)沉井下沉遇到硬塑黏性土、膠結(jié)砂層以及卵礫石層等硬質(zhì)土層，該類(lèi)土層能提供較大的端阻力，導(dǎo)致沉井下沉效率低、安全風(fēng)險(xiǎn)高等問(wèn)題。

因此，大型沉井下沉遇到硬質(zhì)土層時(shí)，有效克服沉井端阻力是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。一方面，實(shí)現(xiàn)井孔內(nèi)高效破（?。┩?，減小井壁及隔墻下方土墻的側(cè)壁土壓力，使其在沉井刃腳的擠壓下更容易破壞；另一方面，井壁及隔墻盲區(qū)取土對(duì)削弱端阻力也尤為關(guān)鍵。本文結(jié)合相關(guān)施工案例，總結(jié)硬質(zhì)土層的破土方法，并對(duì)沉井盲區(qū)取土裝備研發(fā)進(jìn)行探討。

表1 大跨徑橋梁主墩沉井基礎(chǔ)平面尺寸與地質(zhì)情況Table1 Caisson foundation plane sizeand geological conditions of main pier of long-span bridges

1 硬質(zhì)土層破土方法

針對(duì)砂性土、砂夾卵石、黏質(zhì)砂土等流動(dòng)性相對(duì)較好的土層，沉井不排水下沉施工以空氣（水力）吸泥或抓斗取土為主。當(dāng)沉井下沉過(guò)程中遇到硬質(zhì)土層時(shí)，空氣吸泥機(jī)、抓斗的效率極低，沉井下沉緩慢甚至無(wú)法下沉。此時(shí)，需要采用其它輔助手段對(duì)硬質(zhì)土層進(jìn)行預(yù)破壞，再通過(guò)空氣吸泥機(jī)或抓斗將土取出，破土方法大體上可以分為機(jī)械破土、射流破土以及爆破法3類(lèi)。

1.1 機(jī)械破土

機(jī)械破土主要是通過(guò)機(jī)械能對(duì)密實(shí)堅(jiān)硬土體進(jìn)行沖擊、擠壓或者剪切破壞，常用的設(shè)備有沖擊鉆機(jī)、氣動(dòng)潛孔錘、電動(dòng)（液壓）絞刀以及回旋鉆機(jī)。

1）沖擊鉆機(jī)主要針對(duì)較薄的硬層。?？谑兰o(jì)大橋S主塔沉井在下沉至-16.0～-20.0 m高程時(shí)，遇到泥巖、砂巖夾層和粗砂膠結(jié)塊，采用了2臺(tái)1.5 t沖擊錘將硬層破碎成塊，再由潛水員配合吊出井外[1]。

2）氣動(dòng)潛孔錘主要應(yīng)用于石油勘探領(lǐng)域，解決鉆進(jìn)時(shí)遇到堅(jiān)硬巖石成孔難題。其原理是通過(guò)壓縮空氣作為循環(huán)介質(zhì)驅(qū)動(dòng)潛孔鉆頭對(duì)巖體進(jìn)行高頻沖擊使其破碎。松花江盾構(gòu)沉井終沉?xí)r遇到起伏巖面，導(dǎo)致沉井下沉困難并發(fā)生偏斜。該工程將潛孔錘沖擊破巖與空氣吸泥相結(jié)合，設(shè)計(jì)了水下破碎巖石的空氣吸泥裝置，通過(guò)0.8～1.0 MPa的風(fēng)壓驅(qū)動(dòng)硬質(zhì)合金球齒鉆頭以800～1 500次/min的頻率沖擊巖體，并由空氣吸泥機(jī)將破碎巖塊排出，實(shí)現(xiàn)了沉井順利入巖[8]。

3）電動(dòng)（液壓）絞刀工作原理類(lèi)似于絞吸挖泥船，采用水下電機(jī)或是液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)絞刀頭對(duì)土體進(jìn)行機(jī)械擾動(dòng)、切削破壞，再通過(guò)泵舉或氣舉將破碎后的土體排出井外。楊泗港長(zhǎng)江大橋1、2號(hào)沉井基底持力層均為硬塑黏土層，終沉?xí)r需分別進(jìn)入硬塑黏土層6.2m、10.6m，該項(xiàng)目在空氣吸泥機(jī)上集成2臺(tái)30 kW水下電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)2個(gè)φ850 mm三翼刮刀鉆頭，鉆頭轉(zhuǎn)速65 r/min，轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩平衡，輔以高壓射水，將切削后的黏土碎塊混合于泥漿中，并由空氣吸泥機(jī)排泥[9]。值得注意的是，需定期清理井孔內(nèi)雜物，避免堵塞吸泥管或損壞絞刀頭。

4）回旋鉆機(jī)與電動(dòng)絞刀破土原理類(lèi)似，所不同的是回旋鉆機(jī)動(dòng)力部分在水面以上，可靠性更好，且輸出扭矩更大，鉆頭直徑可達(dá)2 m左右。溫州甌江北口大橋南錨沉井下沉至-33.3 m遇到深厚強(qiáng)塑性黏土層，采用回旋鉆機(jī)進(jìn)行井孔內(nèi)破土，通過(guò)移動(dòng)臺(tái)車(chē)沿軌道行走，以及鉆機(jī)在臺(tái)車(chē)主梁上滑移的方式見(jiàn)圖1，解決鉆機(jī)移位的難題，實(shí)現(xiàn)井孔內(nèi)取土全覆蓋，并對(duì)三翼刮刀鉆頭進(jìn)行改進(jìn)，減少了強(qiáng)塑性黏土中鉆進(jìn)易“糊鉆”、堵管的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 回旋鉆機(jī)在沉井下沉施工中的應(yīng)用Fig.1 Application of rotary drill in caisson sinking

1.2 射流破土

射流對(duì)土體產(chǎn)生破壞的主要表現(xiàn)：在高壓水射流沖擊和剪切作用下，土體產(chǎn)生軟化、流變和裂化，射流穿透和滲入，促使裂隙擴(kuò)展，加速了土體顆粒的剝離、脫落。針對(duì)黏性土，在射流動(dòng)壓作用下，使土體中孔隙水的壓力增高，削弱孔隙介質(zhì)顆粒之間的黏聚力[10]。在空氣吸泥機(jī)的吸泥口附近設(shè)置射水噴嘴，射水壓力2～2.5 MPa，可以加速對(duì)黏土和密實(shí)砂層的擾動(dòng)，提高吸泥效率。而高壓射水在淹沒(méi)狀態(tài)上，與周?chē)慕橘|(zhì)極易發(fā)生能量交換，導(dǎo)致射流靶距衰減嚴(yán)重，為了提高射流的破土效果，在射流水柱外周增加壓縮空氣幕，現(xiàn)有的設(shè)備有高壓旋噴鉆機(jī)以及“氣推水”沖泥器。

高壓旋噴工法主要用于基坑支護(hù)及地下連續(xù)墻接縫止水施工，該工法的關(guān)鍵步驟是利用超高壓噴射流體產(chǎn)生的動(dòng)能充分破壞原狀土，其中的RJP工法采用流量100 L/min、壓力達(dá)40 MPa高壓水射流配合1.05 MPa壓縮空氣進(jìn)行土體切削，最大影響直徑可達(dá)2～3 m。

鎮(zhèn)江大港水廠取水工程頂管井為圓形斷面沉井，外徑17.6 m，下沉至-26.4 m時(shí)，遭遇硬塑～堅(jiān)硬粉質(zhì)黏土層，最終通過(guò)在井內(nèi)投入浮平臺(tái)搭載2臺(tái)高壓旋噴鉆機(jī)，考慮射流切削影響區(qū)直徑為1 m，點(diǎn)位按0.7 m間距搭接布置。對(duì)井孔內(nèi)所有點(diǎn)位進(jìn)行逐層破土作業(yè)，每層60 cm處理完成后由空氣吸泥機(jī)輔助排泥，最終使沉井順利穿越硬層下沉至-33.0 m設(shè)計(jì)標(biāo)高[11]。

考慮到40 MPa超高水壓不易獲取，“氣推水”沖泥器選用大流量、相對(duì)較低壓力（約2～2.5 MPa）的射流進(jìn)行破土，沖泥器由雙重管和噴嘴焊接而成。內(nèi)管通水，外管通氣，噴嘴處的壓縮氣體助推水力噴射，同時(shí)針對(duì)黏土透氣性差的特點(diǎn)，使得被氣水混合射流沖擊的土體迅速膨脹破壞。豎向噴嘴破土協(xié)助沖泥器向下鉆進(jìn)，水平及斜向噴嘴擴(kuò)大其影響直徑。該設(shè)備應(yīng)用于夏漳同城大道西溪主橋2號(hào)主墩圍堰吸泥作業(yè)，有效解決了強(qiáng)黏性深厚老黏土的破土難題[12]。

1.3 爆破法

爆破法是山嶺隧道、礦井坑道普遍采用的破碎巖石方法，主要利用在炮眼內(nèi)裝入的炸藥瞬間釋放出巨大的沖擊波能量破碎巖石，也被應(yīng)用于沉井下沉遇到堅(jiān)硬土層時(shí)破土作業(yè)，從而削弱沉井端部承載力。楊泗港長(zhǎng)江大橋2個(gè)橋塔墩沉井，針對(duì)刃腳踏面處的硬塑黏土采用了水下爆破法破土，通過(guò)地質(zhì)鉆機(jī)沿井壁上預(yù)留的φ140 mm鋼管垂直鉆孔至刃腳踏面以下2.0～2.5 m，裝藥后以沉井中心軸線對(duì)稱(chēng)起爆[13]。合福鐵路銅陵長(zhǎng)江大橋北側(cè)3號(hào)主墩沉井下沉至-44.5 m時(shí)遇到卵石膠結(jié)層，下沉受阻，對(duì)于膠結(jié)層厚度大于0.5 m的區(qū)域，采用沖擊鉆機(jī)沖砸效果不佳，而后改用復(fù)合高強(qiáng)度導(dǎo)爆管雷管和抗深水壓力及水密性能良好的水膠炸藥，順利地破碎了卵石膠結(jié)層[3]。

綜上，不同破土方法所適應(yīng)的硬土類(lèi)型見(jiàn)表2。

表2 不同破土方法匯總Table 2 Summary of different soil breaking methods

2 盲區(qū)取土設(shè)備研發(fā)探討

現(xiàn)有沉井取土方法以垂直取土為主，通常情況下，隨著井底中部的土被取出，井孔內(nèi)的泥面會(huì)呈現(xiàn)鍋底狀，鍋底比刃腳低1～1.5 m時(shí)，沉井即可靠自重下沉，并將刃腳下方的土擠向井孔中部。當(dāng)下沉遇到硬塑黏土、卵石膠結(jié)層等硬質(zhì)土層時(shí)，該類(lèi)土體具有較大的天然坡角，不易向鍋底坍落，沉井的端部承載力可阻礙其下沉。傳統(tǒng)方法以彎頭沖泥器或派潛水員進(jìn)行水底人工水平射水破土為主，存在水下定位難、勞動(dòng)強(qiáng)度大的缺點(diǎn)，而采取超挖促使土體坍塌的方法，又會(huì)帶來(lái)沉井突沉或周?chē)貙映两颠^(guò)大等風(fēng)險(xiǎn)。

國(guó)外刃腳取土設(shè)備主要有水下自動(dòng)反鏟挖掘機(jī)以及豎井掘進(jìn)機(jī)。日本SOCS（Super Open Caisson System）工法進(jìn)行沉井首節(jié)制作時(shí)，在刃腳處內(nèi)井壁上埋設(shè)軌道，如圖2所示，反鏟挖掘機(jī)可沿軌道行走，將刃腳下方土體挖掘后拋填至井孔中部，再由抓斗將土提升至井外，可適用于硬質(zhì)砂土及黏性土地層。為了提高設(shè)備的破巖能力，可采用銑刨頭替代鏟斗，實(shí)現(xiàn)對(duì)中軟巖層的銑削。

圖2 日本軌道式反鏟挖機(jī)Fig.2 Japanese rail-type backhoeexcavator

德國(guó)海瑞克研發(fā)的豎井掘進(jìn)機(jī)（見(jiàn)圖3）適用于4.5～18 m直徑的豎井下沉施工，其支撐結(jié)構(gòu)通過(guò)銷(xiāo)軸與豎井內(nèi)壁上的預(yù)埋件固定，克服掘土作業(yè)時(shí)的工作荷載，通過(guò)機(jī)械臂的回轉(zhuǎn)、伸縮、變幅動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)豎井底部及刃腳開(kāi)挖面的全覆蓋，水下離心泵將銑削后的泥水混合物排出井外。

圖3 德國(guó)豎井掘進(jìn)機(jī)Fig.3 German vertical shaft sinking machine

上述刃腳取土設(shè)備主要針對(duì)中小型圓形斷面單井孔沉井和豎井下沉施工，而大型橋梁沉井基礎(chǔ)刃腳取土專(zhuān)用設(shè)備研發(fā)尚屬空白。橋梁沉井具有尺寸大，井孔數(shù)量多的特點(diǎn)，且井孔斷面多以方形、矩形為主，因此設(shè)備研發(fā)需考慮水下精確定位、井孔間便捷轉(zhuǎn)倉(cāng)、操作可視化等問(wèn)題。

依托在建的常泰長(zhǎng)江大橋5號(hào)主墩沉井，研發(fā)了一種適用于深水多井孔沉井刃腳取土設(shè)備。該設(shè)備由上部移動(dòng)平臺(tái)和水下機(jī)器人本體組成，移動(dòng)臺(tái)車(chē)上設(shè)置有操作室，收放卷?yè)P(yáng)以及電纜卷筒，水下機(jī)器人則包括內(nèi)支撐臂架、動(dòng)力總成、機(jī)械臂、射流泵和銑刨頭，如圖4所示。采用模塊化設(shè)計(jì)理念，通過(guò)改變內(nèi)支撐臂架的結(jié)構(gòu)形式和機(jī)械臂的尺寸來(lái)適應(yīng)不同斷面形狀以及尺寸的井孔。

圖4 沉井盲區(qū)取土設(shè)備Fig.4 Excavation equipment of caisson blind area

內(nèi)支撐臂架集成導(dǎo)向裝置和伸縮油缸，使取土機(jī)器人能安全通過(guò)井孔內(nèi)壁上剪力鍵，伸縮油缸具有油壓維持功能，作業(yè)過(guò)程中，油缸能始終保持一定壓力，使撐靴緊貼于井壁上。動(dòng)力總成通過(guò)臍帶電纜供電，為水下射流泵、液壓油缸和銑刨頭提供動(dòng)力。機(jī)械臂端部安裝有銑刨頭，適合密實(shí)膠結(jié)砂層以及風(fēng)化巖層等堅(jiān)硬地層的銑削作業(yè)，針對(duì)硬塑黏土可更換齒型，并輔以高壓射水輔助破土。

同時(shí)開(kāi)發(fā)一套可視化界面操控系統(tǒng)，保證深水環(huán)境刃腳取土施工精度。通過(guò)導(dǎo)入作業(yè)井孔的幾何參數(shù)以及三維聲吶所測(cè)得的泥面標(biāo)高數(shù)據(jù)，建立作業(yè)環(huán)境的空間模型。卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)通過(guò)記錄鋼絲繩的下放量獲取水下機(jī)器人相對(duì)泥面的實(shí)時(shí)高程，以便水下機(jī)器人內(nèi)支撐臂架在合適高程定位，依靠油缸伸長(zhǎng)量傳感器以及轉(zhuǎn)動(dòng)角度傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，解算出機(jī)械臂的空間姿態(tài)信息，構(gòu)建水下可視化操控界面。

3 結(jié)語(yǔ)

大型橋梁沉井基礎(chǔ)具有較大的踏面面積，下沉過(guò)程中遇到硬質(zhì)土層時(shí)需克服更大的端阻力，對(duì)井孔內(nèi)及踏面下土體破除顯得尤為重要。本文在國(guó)內(nèi)沉井不排水下沉實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)了適用于不同類(lèi)型硬質(zhì)土層的破土方法，并對(duì)沉井刃腳盲區(qū)取土設(shè)備進(jìn)行了探討，提出了一種適用于深水多井孔沉井盲區(qū)取土專(zhuān)用設(shè)備。