Research on Oversized Caisson Sealing Construction Technology
魏湛力 WEI Zhan-li；石军 SHI Jun
（中交二航局四公司，芜湖 241000）
（CCCCSHEC Fourth Engineering Company Ltd.，Wuhu 241000，China）
摘要：新建铁路连云港至镇江线五峰山长江特大桥为世界上第一座跨度超过千米的公铁两用悬索桥，其北锚碇总重130多万吨。因其平面尺寸较大、地质状况影响，存在封底失败的风险。为了防止混凝土流入其他井孔和产生夹层并快速有效的监测，本项目提出采用碎石找平的方式，配合三维机械声呐监测，及时对封底布料进行调整，有效控制了封底质量。
Abstract: The new railway Lianyungang-Zhenjiang line Wufengshan Yangtze River Bridge is the world's first public-rail suspension bridge with a span of more than 1,000 meters. Its north anchor has a total weight of more than 1.3 million tons. Due to its large size and geological conditions, there is a risk of failure to seal the bottom. In order to prevent concrete from flowing into other wells and creating interlayers and quickly and effectively monitoring, this project proposes the use of gravel leveling, combines with three-dimensional mechanical sonar monitoring and timely adjusts the backing fabric, which effectively controls the sealing quality.
关键词：超大尺寸沉井；碎石找平层；空气吸泥机；三维机械声呐
Key words: oversized caisson；gravel leveling blanket；air suction machine；three-dimensional mechanical sonar
中图分类号：U445 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）36-0163-03
0 引言
近些年，我国在大跨径桥梁建设上取得骄人的成绩，悬索桥作为大跨径桥型，跨越能力不断提高，其锚碇基础——沉井，尺寸越来越大，在国内已屡见不鲜，如南京长江四桥北锚碇沉井平面尺寸69m×58m；马鞍山大桥南北锚锭沉井平面尺寸60.2m×55.4m；泰州大桥南北锚锭沉井平面尺寸为67.9m×52m等。沉井基础形式向更大、更深的方向迅速发展，伴随着力学特性，施工工艺控制不断变化，复杂性和难度不断增加，对于超大尺寸沉井而言，技术难度更是前所未有，封底是沉井基础关键一步。
1 工程概况
五峰山长江特大桥北锚碇为沉井基础，工程场区沿江多有第四系土层覆盖，丘陵区部分地段基岩出露，含水层主要为第四系冲洪积砂类土，地下水类型可分为第四系松散岩类孔隙水、基岩裂隙水，沉井底部为粉细砂，有基岩分部。
北锚沉井总平面面积为7192m2，分为48个（10.2×10.9）m矩形井孔，井壁厚2.0m，隔墙厚1.3m，沉井井壁底高程为-55.0m，隔墙底高程为-54.5m，隔墙比井壁浅50cm。封底分两层，第一层为碎石找平层，高度为1m，总方量约10368m3；第二层为混凝土封底，总高度为11m，总方量约54468m3。
2 常规封底方式
大型沉井常见的封底方式有“分区隔墙”水下浇筑混凝土，“干封底法”，从一端向另一端或中间向四周逐步封底等。参考文献[1]、[2]、[3]，并对国内已施工完成大型沉井进行考察调研，结果表明：本项目沉井尺寸较大，单个井孔面积达到100多平方米，底部清基完成后呈“平锅底”接近“大锅底”状态，隔墙底部悬空，地表水位约+1.0m，水下混凝土封底，采用常规直接封底方法及监测方法，混凝土质量难以保证。根据以上实际情况，本项目下沉到位、清基完成后，先用1m碎石找平基地，减小刃脚底部悬空缝隙，然后浇筑封底混凝土，总体施工工艺如图1。
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3 沉井封底施工
3.1 碎石找平层施工
3.1.1 碎石填充工艺 水下碎石填充一直以来具有很大难度，主要是因为在水下施工，操作难度大，而且难以随时根据监测摊铺情况进行灵活调整。传统的碎石填充工艺使得这种困难更加突出。传统的水下碎石填充工艺采用履带输送或倾倒、抓斗吊运的方式，若直接将碎石倾倒入沉井井孔底部，碎石标高高度依赖施工人员的技术和经验积累，无法量化控制，填充少了尚可以继续倒入，填充超量则需要耗费大量时间和人力挖出或难以处理，而且无法进行多点布料，这严重影响施工进度，大大增加了投入成本。
本项目采用了空气吸泥机的水下碎石摊铺施工工艺，主动控制水下碎石层填充质量，消除碎石填充质量缺陷，防止漏填、超填，提高施工效率，减小成本投入。
3.1.2 碎石找平层施工 采用船舶运送碎石至主3#墩码头，抓斗吊装卸料，运碎石到第一排1#井孔旁边，经卸料通道通过溜槽直接向第一排1#井8个井孔填充碎石2-3m，在1#井孔布置8台空气吸泥机（每个孔一台），然后采用吸泥机从第一排井孔按照6#-5#-4#-3#-2#的填充顺序往另外五排井孔泵送填充。（图2）
填充最后一排井孔（2#）时，开始控制第1排井孔碎石标高，确保最后一排井孔填充到设计位置时，第1排井孔碎石填充厚度为0.7~1m（以-55m为基准），补料填充至1m。井孔碎石填充时通过接长或缩短泵管多点布料保证平整度小于30cm，根据测绳测试标高情况适时调整布料位置，必要时安装软管接头进行多向布料调整，每排井孔同步进行，最终标高通过空气吸泥机管道刻度进行调整，直至平整度满足要求。碎石填充施工布置图，如图3所示。
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碎石填充顺序先填充1#井和6#的目的在于先封长边刃脚防止涌砂，同时兼顾整体的平衡性。
3.2 混凝土封底施工 ①混凝土灌注导管采用内径Φ325×10mm或Φ275×7mm无缝钢管，导管的选用满足《高速铁路桥涵工程施工技术规程》（Q/CR 9603-2015）的相关规定，安装前进行检查，导管合格后编号，按编号进行下放。浇筑封底水下混凝土时，每个井孔按照先低处、后高处的顺序进行。浇筑过程中，导管随混凝土面升高而提升，浇筑11m厚混凝土时，导管埋入混凝土的深度与导管内混凝土下落高度相适应。导管扩散半径取3m。首灌混凝土封口采用砍拔工艺。
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1）集料斗体积与形状：根据首批混凝土浇筑方量，集料斗使用钻孔灌注桩施工用的大料斗，大料斗下部有1个溜槽出口，使混凝土流至正浇筑混凝土的小料斗。2）水下混凝土的供应。混凝土由4台混凝土拌和站集中生产，用输送车、拖泵通过泵管、布料杆输送到施工现场大料斗中。不同阶段布料杆布置在不同位置，以方便混凝土浇筑。
②首批混凝土方量计算。首批灌注混凝土的数量应能满足导管首次埋置深度和填充导管底部的需要，以Φ325×10mm为例，所需灌注量根据公式：
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式中：V-灌筑首批混凝土所需的数量（m3）；
R-圆锥体坡率为i的扩散半径，从管中心一般为2.5～4.0m，取中间值3m；i-圆锥体坡率，一般不陡于1:5；h-导管混凝土埋置深度不小于1.5m；h1-桩孔内混凝土达到埋置深度时，导管内混凝土柱平衡导管外压力所需要的高度（m）。
h1=■
式中：Hw－井内水或泥浆深度；γw－井内水或泥浆的比重，10kN/m3；γc－混凝土拌和物比重（取25kN/m3）。
首批混凝土方量为：
Hω=56m 则h1＝■=10×56/25=22.4m
凝土封底时，h-导管混凝土埋置深度不小于1.5m，首批混凝土方量为：V＝14.13＋1.84＝15.97m3。
故采用两个16m3集料斗，可以满足封底混凝土浇筑需要。
③每个井孔采用常规水下混凝土浇筑方式，一次浇筑到位。按照1-24的顺序先两边后中间、中心对称、同步进行的方案进行，如图4所示。单次方量约1135m3×2=2270m3。
3.3 监测方法 传统方法采用测绳法测量，每个隔舱测绳不少于8根，且采集数据工作量繁重；其次测绳测量时只能测具有代表性的角点及壁面中点，在指导施工中基本都是以点代面，只能进行边角的粗略控制，如要测量沉井隔舱中间区域底面状态，需要用人工用吊篮连续打点测量。再次，测绳法误差较大，无法判断沉井底面状态，不能达到精细化、可视化指导施工。水下声呐成像扫描测绘技术能有效解决传统方法的局限性，降低安全隐患。
为了快速准确掌握碎石层及混凝土层的实际状况，本项目采用了水下三维机械声呐系统对各井孔进行监测。
水下三维机械声呐是一种通过静态机械扫描模式进行作业的高精度三维成像声学设备，该设备可以通过侧舷安装或者坐底两种方式进行作业，目前广泛应用于航道整治、桥梁桩基和大坝等水下检测中。代表性设备有Blue view 5000。对采集的数据采用专业软件Proscan、Cyclone、Autodesk Recap等进行拼图和除噪，最后得到三维点云立体图像，该监测方法误差在厘米级[4]。
3.3.1 碎石找平层监测
碎石找平层工序中，该方法监测图及判断如图5、图6所示。从图中可以实时了解施工中各舱碎石找平层分布情况，合理布置吹填区，同时可以精确量取各碎石面高度，判断刃脚和隔墙碎石是否填充到位。
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3.3.2 封底混凝土监测
通过表2可以看出，各井孔混凝土方量基本接近设计方量，由此可证明，碎石找平层的实施，有效的防止了混凝土串孔。
在每个井孔混凝土封底过程中及完成后，均采用水下三维声呐扫描监测混凝土封底质量是否满足要求，如图7、图8所示。
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从图中可以了解到施工中各井孔水下混凝土浇筑情况，精确量取高度，通过监测可以判断混凝土到边情况及浇筑混凝土平整度，满足要求。
4 结语
五峰长江特大桥北锚碇超大尺寸沉井封底施工，提出了碎石找平基底的水下封底处理理念，有效的防止了串孔、夹砂裹泥等现象的发生，极大地提高了沉井封底质量，并且首次应用空气吸泥机进行碎石填充和对各个井孔内碎石整平施工，大大提高填充效率，节约更换设备工期，提高经济效益，有效的控制了平整度；混凝土封底采用中心对称、同步进行的工艺，使沉井平衡受力，通过高程监测，沉井封底前后高程变化小于5mm；本项目首次应用三维机械扫描声呐监测封底施工，克服了传统测绳法中的缺点，譬如布置大量测绳，采集费时费力，以点代面精度低等，使用该方法，将不可见的水下情景可视化、精细化，客观真实的反映了施工中沉井水下底面的状态和参数，能够可视化指导施工，促进了沉井下沉水下监测技术的革新。经检验，沉井封底混凝土平整度及与隔墙联结均满足要求。
五峰山长江特大桥北锚碇沉井的成功封底为今后超大尺寸封底施工开创全新的封底工艺和监测方法，此工程经验可为其他类似工程提供借鉴和参考。
参考文献：
[1]汪成龙，党彦锋，黄河清，贾雷刚.大体积陆上沉井封底施工探讨[C].中国交通建设股份有限公司2011年现场技术交流会论文集，2012年10月26日.
[2]胡东高.超大型水上沉井封底施工技术[J].江苏科技信息，2017年05月02日.
[3]杜洪池，杨宁.超大型陆上沉井封底施工技术[M].中国工程科学，2012年07月17日.
[4]李冰，魏湛力.超大尺寸沉井不排水下沉及封底水下三维机械声呐应用研究[J].上海铁道科技，2018（2）. |
