临近密集建造物超大沉井下沉施工关键技术

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Vol郾45No郾5Oct郾2019

文章编号:1671-7619(2019)05-0100-07DOI:10.19776/j.gdgljt.2019-05-0100-07

临近密集建造物超大沉井下沉施工关键技术

沈摇涛

(中铁大桥局集团有限公司,武汉430050)

摘要:武汉鹦鹉洲长江大桥主桥为三塔四跨悬索桥。该桥北锚碇基础设计阶段,综合考虑地理、地质、水文、工期等因素,比选确定采用圆形沉井基础;在城市建筑物密集区域,并紧邻长江防洪大堤,沉井基础下沉会对临近建造物造成安全威胁,也会破坏城市生态环境。为解决建造物密集区域建造超大沉井下沉关键技术难点,结合工程实际,通过调查类似工程案例,采取科学试验、数据模拟分析、监控监测等研究方法,评估、确定了结构防护、工艺优化、管道排渣、新型空气幕助沉等关键技术,证明了在城市市区、场地狭小、防护要求高等特殊条件下建造超大沉井的可行性,为城市基建工程环境保护提供借鉴和参考。关键词:沉井;防护结构;地下连续墙;反压下沉;管道排渣;空气幕;监测

中图分类号:U445.557摇摇摇文献标志码:B

0摇概述

长江大桥、南京长江四桥等大型桥梁中均应用了沉井基础(国内部分桥梁工程沉井基础应用情况统计见表1)。随着建筑工程规模的扩大及建造技术的发展,沉井结构平面面积从数十m2发展到数百、数千m2(以平面面积超过3000m2的沉井界定为超大沉井)。

沉井是具有悠久历史的基础形式之一,广泛

应用在桥梁等建筑工程,在国内外具有较多工程案例。如国外的美国海湾大桥、日本明石海峡大桥等著名桥梁工程应用了沉井基础;新中国成立以来,我国在南京长江大桥、九江长江大桥、江阴

表1摇国内部分大型桥梁沉井基础统计

序号123456781011129

桥梁名称南京长江大桥枝江长江大桥九江长江大桥凤台淮河大桥孙口黄河大桥江阴长江大桥海口世纪大桥马鞍山长江大桥南京长江四桥铜陵长江大桥泰州长江大桥

建设年代1961~19681965~19711973~19931985~19901991~19951994~19991998~20032007~20122008~20132008~20122010~20152011~2014

沉井类型浮式钢沉井钢筋混凝土沉井钢筋混凝土沉井钢筋混凝土沉井钢筋混凝土沉井钢筋混凝土沉井钢筋混凝土沉井钢筋混凝土沉井钢筋混凝土沉井钢筋混凝土沉井钢筋混凝土沉井浮式钢沉井

平面尺寸28.2m伊22.4m10.6m伊6.2m直径12.4m30.4m伊19.2m60.2m伊55.4m62.4m伊38.4m直径66m69m伊58m67.9m伊52m69m伊51m直径12m直径20m

平面面积/m2

631.7314.0113.0120.7583.7351965.7

3530.83335.14002.02396.23419.5

鹦鹉洲长江大桥

作者简介:沈涛(1977.09-),男,大学本科,工学学士,高级工程师,从事桥梁工程管理工作,E-mail:80275@qq.com。

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2019年第5期沈涛:临近密集建造物超大沉井下沉施工关键技术总第164期

摇摇虽说沉井基础应用广泛,但其应用往往受地防汛大堤、重要管线、油库等附近,不宜采用沉井基础[1],避免沉井下沉挠动周围土体而影响周围建造物的安全。

武汉鹦鹉洲长江大桥采用三塔四跨悬索桥结构形式,主桥北锚碇为重力式锚碇,在其基础设计阶段,综合考虑地理、地质、水文、工期等因素,比选确定采用沉井基础。然而,北锚碇位于城市市区,周围建造物密集,有高层建筑、长江大堤、普通民房、在建楼群等。经分析,武汉鹦鹉洲长江大桥北锚碇系首次在临近密集建造物条件下应用超大沉井基础。

在建筑物密集区域及紧邻长江防洪大堤建造条件下,沉井下沉施工会对临近建造物造成安全威胁,也会对城市生态环境造成影响。因此,结合武汉鹦鹉洲长江大桥北锚碇沉井基础工程,必须研究实施临近密集建造物超大沉井下沉关键技术,确保周围建造物的结构安全,以保护城市生态环境[2]。

质及环境条件的限制。比如在重要建筑物、民房、

1摇工程概况

武汉鹦鹉洲长江大桥位于武汉市中心城区,

距下游武汉长江大桥约2.0km。跨江主桥长2.1

1)[3]。两岸锚碇均为重力式结构,北锚碇采用陆地沉井基础;南锚碇采用地下连续墙基础。

km,为(200m+2伊850m+200)三塔四跨悬索桥(图

图1摇武汉鹦鹉洲长江大桥主桥立面布置(单位:m)

摇摇北锚碇沉井为“带孔圆环+十字隔墙冶的圆形结构,直径66m(内径41.4m),总高43m,下沉45m。沉井沿高度分为8节,第1节为钢壳混凝土沉井,第2~8节为钢筋混凝土沉井(沉井分节参数见表2)。在井壁周边均布16个直径8.7m的小圆孔,中间大圆孔内设置宽0.14m的十字型隔墙。沉井刃脚高1.8m,踏面宽0.2m,设计刃脚底标高为-24m。封底混凝土厚10m。北锚碇沉井基础结构如图2所示。

表2摇沉井分节参数

分节编号第一节第二节第三节第四节第五节第六节第七节第八节

高度/m65555566

混凝土数量/m354757143621962196219621960931705

混凝土重量/t13140.017143.214925.614925.614925.614925.614623.24092.0

钢筋或钢壳重量/t952.7377.7276.2267.5267.5267.5318.1124.7

各节重量/t14092.717520.915201.815193.115193.115193.114941.34216.7

图2摇北锚碇沉井基础结构(单位:cm)

·101·

2019年第5期摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇广东公路交通摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇北锚碇沉井位于武汉市汉阳江滩北侧,周围建造物密集。距沉井中心以北106m为多栋50层以上高层建筑,以南70m为长江大堤,以西54m外范围为大量民房,以东60m为在建楼群。

北锚碇区域内覆盖层厚约81m,以砂类土和碎石类土为主;沉井刃脚深入至圆砾土土层2m。覆盖层透水性好,地下水与长江水力联系密切,相互补给关系明显。

根据长江大堤防洪管理部门的要求,沉井基础下沉尽量安排在头一年10月至次年6月之间施工,以避开长江7~9月汛期,降低沉井下沉施工对长江大堤的影响程度。

(1)北锚碇沉井周围的高层建筑、长江大堤、普

摇摇摇摇总第164期

成影响,威胁建造结构的安全。如何规避沉井下沉施工给周围建造物造成的安全威胁是主要难点之一。

(2)北锚碇沉井基础位于城市市区,周围建造

物密集,既有施工场地狭小,对于沉井下沉大规模出土来说,如何做到高效出土、节省施工用地、保护城市生态环境是主要难点之二。

(3)北锚碇沉井下沉后期下沉系数小,下沉效

率低,如何解决沉井后期下沉效率问题,规避工期

3摇关键施工技术

3.1摇总体施工方案

风险是主要难点之三。

2摇主要施工难点

北锚碇沉井采用陆地沉井施工方法。基于工

程地质、水文、地理等条件,经技术、工期及效益等综合比选,确定采取3轮接高3次下沉的总体施工方案,并对8节沉井采取了“组合一冶、“组合二冶两种高度组合的比选(表3、表4)。

通民房、在建楼群等建造物,均位于沉井下沉施工影响范围之内,沉井下沉施工必将给周围建造物地基造

表3摇沉井接高及下沉“组合一冶计算摇(单位:m)

接高阶段

轮次第一轮第二轮第三轮

分节组合第1、2、3节第4、5、6节第7、8节

接高高度161512

接高完沉井顶标高+37+38+35

接高完刃脚底标高+21+7-8

轮次第一轮第二轮第三轮

下沉深度141516

下沉阶段

下沉完沉井顶标高+23+23+19

下沉完刃脚底标高+7-8-24

摇摇摇摇说明:第一节沉井拼装时刃脚底标高为+21m(下表同)。

表4摇沉井接高及下沉“组合二冶计算摇(单位:m)

接高阶段

轮次第一轮第二轮第三轮

分节组合第1、2节第3、4、5节第6、7、8节

接高高度111517

接高完沉井顶标高+33+36+40

接高完刃脚底标高+21+10-3

轮次第一轮第二轮第三轮

下沉阶段

下沉深度111321

下沉完沉井顶标高+21+23+19

下沉完刃脚底标高+10-3-24

摇摇结合首次下沉到位后的刃脚标高、地下水位,以及下沉效率和总体工期安排等,确定采用“组合二冶期组织下沉施工,而且具备一定机动性的优势。

为保证沉井下沉过程不翻砂,除第一轮沉井下沉时,第二、三轮沉井下沉均采取不排水下沉法,保证沉井井孔内水位比外侧地下水位高2m以上。

考虑到沉井后期下沉效率及可能需要纠偏,·102·

的接高下沉工序安排。该组合能充分利用首个枯水

比选确定在2~6节沉井井壁分区分层设置空气幕助沉措施。

研究确定的总体方案:第1轮接高第1、2节沉井,第2轮接高第3~5节,第3轮接高第6~8节,并对应分三轮进行下沉施工。在沉井首次下沉前,研究并实施沉井下沉防护措施;在沉井接高时,同步施工空气幕结构。沉井下沉至设计标高后,浇筑封底混凝土混凝土,最后完成填芯、井盖

2019年第5期

3.2摇沉井下沉防护措施施工。

沈涛:临近密集建造物超大沉井下沉施工关键技术总第164期

地下连续墙等。柔性结构横向抗变位能力差,如果用作北锚碇沉井防护措施,将无法达到预期的防护效果。在刚性结构中,综合比选技术、工期安排、工程造价等因素,确定采用地下连续墙结构[5],隔离墙体内外侧土体、抵抗土体变形、截断破裂范围[6],将沉井下沉对周围土体的影响限制在地下连续墙范围之内,保证周围建造物地基和结构安全。

基于防护对象和防护范围,确定地下连续墙采取圆形平面形状,沉井呈同心圆布置,半径比沉井大10m,充分发挥圆形地下连续墙自身拱效应优势(可将结构上出现的弯矩转化成轴力)[7],有助于减小基坑变形。

假定沉井下沉过程中刃脚处发生翻砂,地下连续墙内侧土体发生下陷变形,计算确定地下连续墙墙体厚度为0.80m、墙体底标高比沉井设计底标高低10m。

由此确定地下连续墙结构参数,圆形地下连55m(顶标高+21.0m,底标高-34.0m)。地下连续墙结构如图3所示。

续墙平面内直径86m,墙体厚度0.80m,墙体深

沉井下沉过程中,外侧土体因受到扰动会在

其内部自上而下形成很多内破裂面,这些内破裂面将井外一定范围内的土体剪切破坏,使土体松散[4]。严重时,会构成较大的破坏范围,对周围建造物构成安全威胁。近些年来,在一些超大沉井工程案例中,在无需采取防护措施的情况下,沉井下沉造成外侧地基塌陷,最远造成300m以外地表局部沉降和开裂。

根据地质勘探和原位抽水实验结果,北锚碇区覆盖层具有较好的透水性,40m以上砂层渗透系数K=21.7m/d,影响半径为400m。说明高层建筑、长江大堤、普通民房及在建楼群等建造物地基均处于沉井水力影响范围内。

根据上述分析,有必要在北锚碇沉井和建造物之间设置隔离措施,以达到避免沉井下沉对周围建造物造成安全影响的防护效果。

在水体、土体隔离工程及基坑支护工程案例中,通常采用柔性和刚性两类结构。柔性结构包括水泥旋喷桩、高压旋喷桩、自凝灰浆止水帷幕等;刚性结构主要有钢板(管)桩、钻孔(咬合)桩、

图3摇地下连续墙结构(单位:cm)

摇摇地下连续墙墙体为钢筋混凝土结构,槽段成为保证槽段接头质量,采用特制的钢刷清除已浇3.3摇沉井下沉工艺措施槽段混凝土接头处的胶凝物[8]。

槽采用液压挖槽机,接头采用锁口管接头方法。

沉[9]。对于处于砂层地质条件下的超大沉井来说,若通过形成中部锅底实现下沉,则锅底将相对更深,所带来的翻砂、突沉等施工风险也更大,给沉井自身、井外建造物造成的安全威胁也将更大。

针对北锚碇沉井工程条件,即便在设置圆形地下连续墙防护措施的情况下,也要避免在沉井下沉过程中出现大翻砂,规避沉井外侧土体大规模沉陷的风险(防止沉井倾斜和影响周围建造物

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在沉井下沉过程中,井内取土的顺序通常是

从中间向四周扩展,对称、均匀地进行。通过形成中部锅底,四周土体往中间坍塌,实现沉井下

2019年第5期摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇广东公路交通摇摇摇摇摇摇摇摇摇安全),故而进一步研究沉井下沉工艺措施,多措并举实现超大沉井均匀、平稳下沉。

以不排水下沉为总体工艺思路,同时要避免在沉井中部形成大锅底的吸泥方式。针对北锚碇沉井“十字隔墙+带孔圆环冶的结构形式,四个中间隔舱面积相对较大的条件,确定采取环向均匀取土中部缓吸的工艺措施。即在沉井吸泥下沉施工中,沿沉井内侧壁均匀取土为主,保持沿内侧壁基底标高基本一致,沉井中心区域(十字隔墙以下的区域)则不主动取土,保持该区域土体高出基底2~3m,十字隔墙和刃脚保持切土下沉状态[10](图

摇摇摇摇总第164期

施工中,需要20亩甚至面积更大的场地用来布置排渣系统。而北锚碇沉井所处的地理环境,若采用常规沉井下沉排渣、外运方法,显然行不通。

综合分析其它河道疏浚工程排砂的工程案例,认为沉井下沉所排出的泥浆具有高含砂水流的物理特性。北锚碇沉井距离长江较近,具有水资源丰富的优势,并具备水路运输的自然条件。鉴于此,研究确定长距离管道排渣水路运输的排渣技术。在技术设计时,通过建立管道输送计算模型,分析管道压力、浑水阻力及扬程损失等因素对管道输送能力的影响[12],确定砂石泵、输送管道等设备设施参数。该技术主要由井内取土、管路排渣、水路运输三个部分组成。

(配套空气压缩机供应压缩气体),实现井内取土。10m、长20m、深1.5m),在中转池内预先安装4吸出的泥浆先排至设置在沉井外侧的中转池(宽台砂石泵(型号:250NO-22),分别连接4根HDPE管(外径315mm),砂石泵将泥浆沿管路排放至江边的泥浆船。泥浆船装满后,运输至目的地码头,再将泥浆抽排至政府部门批准的排放场。

根据以井内水平衡计算分析,采用3台砂石泵(型号:PNS-35)在长江内取水,通过3根HDPE管(外径315mm)向沉井内补水。

长距离管道水力排渣系统布置如图5所示,输送管路在施工场地内采用暗埋或架空方式铺设,仅泥浆中转池占地200m2,该排渣系统具有环保、高效、占用场地小等技术优势。

在沉井井孔内布置8台D300型空气吸泥机

4)。通过保持中心区域土体形成一定反压作用,抵抗外侧土体向井内塌翻。

图4摇取土断面

3.4摇沉井渣土外运措施

在沉井下沉过程中,通常采用空气吸泥机将

井内土体以泥水混合物(泥浆)形式排至井外;并在沉井外侧设置包括沉淀池、临时堆放场、蓄水池等在内的排渣系统,井内排出的泥浆在沉淀池沉淀,转移至临时堆放场滤干

[11]

外运至指定消纳场所,蓄水池则用来收集、储备施工用水,随时给井内补水。因此,在其它超大沉井

、晾晒;再通过汽车

图5摇长距离管道水力排渣系统

3.5摇沉井助沉措施·104·

孔位进行静力触探试验,获取各地层地基极限端阻力及极限侧阻力等实际参数。按照下式计算沉

在北锚碇沉井施工前,在工程位置选择4个

2019年第5期沈涛:临近密集建造物超大沉井下沉施工关键技术总第164期

井下沉系数(K)。

K=(G式中:G1+G2-F)/(R1+R2)

G1F2——水浮力施工荷载—已浇筑沉井结构自重(kN);(kN);(kN);伊PRR1=Su计算1—;

刃脚及隔墙底面的正面反力,按照S—与地基接触的沉井投影面积(m2PR2——地基极限端阻力沉井外侧壁摩阻力(kPa););uQ,按R2=Qik伊A计算;

ikA——井壁外接触面积平均侧摩阻力(kPa);(m2分全截面支承、全刃脚支承);

、半刃脚支承、刃脚踏面支承四种工况分别计算下沉系数。根据计算结果,沉井在各接高和下沉阶段,全断面支撑都能保持稳定。第一、二轮下沉时,在半刃脚支撑工况下,下沉系数均大于1.05,说明下沉较容易;在第三轮下沉时,刃脚踏面支承下沉系数为0.96(小于1.05),说明下沉后期将比较困难,必须采取助沉措施。

综合比选压重、高压射水、泥浆套、空气幕等助沉措施,确定选取空气幕助沉措施。空气幕是利用预埋在沉井壁内的管路,通过预先设置在沉井外侧的气龛向井壁四周喷出高压空气,高压空气沿外井壁上升,在井壁与土体之间形成一层空气帷幕,降低井壁与土壤之间的摩阻力,以帮助沉30%井下沉。尤其在砂质土层中,空气幕能有效降低

空气幕可将沉井下沉到位井壁侧摩阻力。按此计算。而且空气幕助沉措施,下沉到后期,开启具有环保、方便操作、便于恢复侧摩阻力等技术优点。

空气幕助沉技术于1973年在九江长江大桥首1次使用,采用单孔空气幕气龛形式,通气孔直径为将空气幕通气孔直径增大至mm;1996年,在江阴长江大桥北锚沉井基础中3mm。根据以往类似,工程案例,采用直径1mm的单孔空气幕,存在出气量不足问题;采用直径3mm的单孔空气幕,虽能保证出气量,但孔口因直径偏大在砂层内容易堵塞,导致空气幕失效[13]北锚碇沉井采取5孔新型空气幕;故此,进行优化布置,即采用5个直径,对1孔堵塞mm的出气孔。

,既能保证出气量,又能避免出气北锚碇沉井空气幕布置在沉井第2~6节外壁(向将沉井外壁分成钢壳沉井及顶部两节不设置96个区,每个区设置独立的供),按水平及竖直方气系统。在第2~5节沉井按1.2m间距交错布置,影响面积为1.44m2错布置,影响面积为2.25;在第m26节按1.两排交错布置,下排设置。5个出气孔分上下5m间距交15毅;上排设置3个出气孔,2方向朝上个出气孔45毅。,方向朝上

在北锚碇沉井下沉至后期,沉井刃脚进入圆

砾土层,阻力增大。曾出现经过多天的连续吸泥,下沉量极小(2mm左右),几乎处于停滞状态。于是先后分三次开启空气幕(送风压力0.6MPa,由上而下分层送风m、0.062m、0.462;停风时则反之m。沉井终沉后刃脚标高为),分别下沉1.47024.035m。

-

4摇施工监测

基于北锚碇沉井地理位置、主体结构、地质条件、水文条件的特殊性及外部条件的不确定性,有必要对沉井施工全过程进行施工监测用目的。

,建立应变对策,以实现关键技术的应,及时分析监测数据[14]施工监测的内容主要包括地下连续墙沉降及水平位移、周围地表沉降及裂缝、周围建造物沉降及裂缝、沉井姿态及结构应力等[15]根据过程实时监测,地下连续墙自身状态稳。

定mm;,墙身最大沉降为3.5mm、水平位移最大为4.3显下沉迹象随着沉井下沉施工,出现最大宽度,地下连续墙内侧土体有明15cm的地表裂缝,但外侧土体无沉降、地表无开裂;周围高层建筑、普通民房、长江大堤(防洪墙)、在建楼群等建造物自身稳定,未出现基础沉陷、结构倾斜及开裂等现象;沉井结构应力状态未出现异常。沉井终沉到位后1.,刃脚底标高仅超沉3.5cm、947。

5忆、顶面中心偏移最大为44mm、倾斜度为平面扭角为

1/

5摇结语

武汉鹦鹉洲长江大桥北锚碇沉井基础位于城

市市区,沉井周围建造物密集,具有安全风险高、施工场地小、施工工期紧等工程施工难点。针对工程关键技术难点,成功应用了地下连续墙防护、环向均匀取土中部缓吸反压下沉、长距离管道水力排渣水陆运输、5孔新型空气幕助沉等关键技术。2011年5月,该沉井基础开始施工,2012年5月21日下沉到位,6月11日(洪水期前)完成沉井

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2019年第5期摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇广东公路交通摇摇摇摇摇摇摇摇摇封底。在北锚碇沉井基础施工过程中,确保了周围建造物的结构安全,满足了总体工期及防洪管理部门的要求,保护城市生态环境,实现了北锚沉井均匀、平稳下沉,证明了在施工场地狭小、防护要求高等特殊条件下建造超大沉井的可行性。

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(收稿日期:2019-05-31)

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ResearchonKeyTechnologyofSuperCaissonSettlementwithinDenseStructuresRegion

(ChinaRailwayMajorBridgeEngineeringGroupCo.,Ltd.,WuhanHubeiChina,430050)

SHENTao

Abstract:ThemainbridgeofWuhanYingwuzhouYangtzeRiverBridgeisasuspensionstructurewith3towersand4spans.Duringthedesignphasefortheanchorfoundationatthenorthbank,lotsoffactorshavebeentakenintoconsiderationsuchasgeographic,geologic,hydrologicandconstructiontimeconsume.Ithasbeenultimatelydeterminedbyapplyingroundcaissonfoundation.Withintheurbanregiondenselydistributedofarchitecturesalsoinadjacentofthefloodlevees,thesettlementofthecaissonwillcausesafetythreatstothenearbybuildingsanddamagingthefragilecityenvironment.Inthisessay,focusingonhowtoresolvethekeypointofovercomingsettlementissueofthehugecaissonwithinurbanareas,byabstractingtheconstructionpractices,investigatingsimilarcasesofengineering,applyingresearchmethodsincludingscientificexperiments,dataanalysis,testsandsurveillance,thekeytechnologiesincludingstructureprotection,processoptimization,dregsremovalfromthepipelines,newaircurtainforassistingthesettlementhavebeenassessedandconfirmed.Ithasultimatelyprovedthepossibilityforapplyingthehugecaissonwithinthecityareawithverylimitedspacewhilewithhighstandardsforprotection,makingthecountereffectsthatimprovesthemethoditselfandpushingthetechnologyadvancingforward,providingvaluableexperienceandreferencetotheconstructionofurbaninfrastructureandenvironmentalpreservation.

Keywords:caisson;protectionstructure;slurrywall;counter-pressuresettlement;pipelinedregsremoval;aircurtain;monitoringandcontrolling

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