长江沿岸大型沉井基础安全监控系统设计

2011-06-13朱永珠陈志平薛寒冰

山西建筑 2011年32期

朱永珠陈志平薛寒冰

近年来，我国桥梁事业飞速发展，尤其是长江沿线，出现了许多大型桥梁。在众多大型桥梁之中，悬索桥由于其技术成熟、跨径大、不占长江河道等优点而被广泛采用。沉井基础是悬索桥锚定的主要基础形式之一，大型沉井基础具有稳定性好、安全储备高的优点，但是大型沉井基础的施工风险相对较大，安全监控是保证沉井施工安全的必要措施之一[1]。因此，深入研究长江沿岸大型沉井基础的安全监控系统是必要的。

1 工程概况

某大型过江大桥南锚碇位于江心洲，临近江心洲西大堤约160 m。南锚碇是该大桥的关键结构之一。根据设计，锚锭采用重力式沉井基础，南锚碇采用大沉井施工方案，为60.2 m×55.4 m(第一节沉井长和宽分别为60.6 m和55.8 m)的矩形截面，沉井高41 m，共分8节，共布置25个井孔，为普通钢筋混凝土结构。第一节为8 m高钢壳混凝土沉井，其余节段为钢筋混凝土沉井，封底混凝土厚8 m。沉井第二节及以上节井壁厚1.8 m、隔墙厚1.2 m(第一节井壁厚 2.0 m、隔墙厚 1.4 m)[1]。

2 监控系统设计

2.1 安全监控目的

在深入分析该沉井基础下沉过程中的主要风险以后，明确以下监控目的:

1)及时发现不稳定因素;

2)指导施工;

3)提高和发展安全监测的技术与方法;

4)为科学研究提供数据支持;

5)为类似工程的建设积累经验。

2.2 监控项目

由于该沉井基础规模巨大，最大平面面积为60.6 m×55.8 m，深41 m。地基的过大变形或不均匀变形会造成桥梁结构的下沉、扭曲、倾斜，乃至引起整个桥梁的失事。基础所处位置地质条件复杂;沉井体积庞大，入土深度深，下沉纠偏难度大;桥位处江面宽阔，自然条件恶劣，施工测量难度高;沉井的一些助沉措施，如吸泥等，可能影响长江大堤的稳定性。由此主要确定以下几项监控项目，如表1所示。

表1 监测项目

2.3 监控方法

2.3.1 沉井下沉深度、平面位置及偏斜监测

沉井下沉量是直观评价施工中沉井状态的重要参数，对下沉量进行的控制是沉井施工控制的关键技术，而沉井下沉量在平面分布上的差异是沉井下沉过程中的最重要的监控指标。倾斜度、水平位移与水平扭转是沉井施工控制的重要参数，是指导沉井下沉施工和纠偏的重要依据[2]。

为了监测沉井的下沉量和下沉量在平面上的差异，在每次接高后的沉井井壁顶面布置由9个监测点组成的观测网，9个监测点分别构成3条纵向观测剖面和3条横向观测剖面。另外，为确保差异下沉量观测的可靠度并满足快速监测的需要，沉井的倾斜度监测也同时采用更直接的方法观测，即静力水准监测(液体连通管监测)。

在沉井中心布置1个沉井整体倾斜监测孔。观测孔随沉井的接长而接长，并在接长后的观测孔中及时安装双向倾斜仪，安装后的双向倾斜仪即可实现实时、连续、快速的沉井整体倾斜监测。

2.3.2 刃脚踏面反力监测

在竖向荷载作用下，沉井基础主要通过基底承担自重和上部荷载。沉井刃脚反力既反映沉井下沉过程中所遇到的地层阻力[3]，也客观反映了沉井的受力情况，是沉井下沉过程中的重要监测指标。为了实时得到沉井井壁受力的分布状况，可在沉井四周按要求布设应力传感器，刃脚反力的监测对象包括井壁和隔墙。

经过系统优化，最终在沉井井壁刃脚踏面上布置11个刃脚反力监测点(其中3点布置在北侧后悬段结构井壁刃脚)，每点布置一支土压力传感器;在沉井隔墙的底部布置5个反力监测点，每点布置1支土压力传感器。共布置16套反力计，用于监测沉井下沉过程中刃脚和隔墙底部的反力。

2.3.3 沉井侧壁土压力(侧壁摩阻力)监测

侧壁摩阻力反映了沉井的受力情况，特别是锚碇沉井。沉井侧壁土压力和摩阻力监测点布置在沉井的第1，3，5，7节。在每个侧壁布置两个监测点，四壁共8个测点。第1节钢壳沉井布置两层，分别布置在该节的底部和上部;第3，5，7节各布置1层测点，位于该节的顶部。侧壁土压力监测点共布置5层，20个测点。需要指出的是侧壁摩阻力在工程上并没有直接测试的仪器，均是经过土压力间接换算求出。

2.3.4 沉井结构应力监测

结构应力和应变是客观反映沉井结构是否处于安全状态的最直观的指标。为确保沉井施工过程中结构的安全，必须对关键部位及关键截面的结构应力进行实时监测，以防止结构因出现过大的拉应力而导致局部开裂。

通过有限元计算分析，确定主要监测项目如下:

1)首节钢壳沉井刃脚关键部位的应力(监测应力最大断面的钢板计和钢筋计的应力);

2)第2节混凝土沉井底部截面水平环向应力(监测代表位置钢筋的应力)。

首节关键部位共布置14个测点，第二节在每壁中央位置布置1个监测点。

2.3.5 地下水位与沉井内水位

沉井下沉第1节拟采用排水下沉，以后采用不排水下沉。无论排水下沉还是不排水下沉，由于沉井周边管井降水或沉井井内抽泥会引起周边地下水的变化，因此必须对地下水位进行定期监测，掌握地下水漏斗变化情况，确保沉井下沉和接高过程中沉井周边土体不至水力梯度太大引起渗透变形。在监测地下水位的同时，也必须同时对井内水位进行监测。

地下水位的监测需结合工程需求布置，此处不再详述。可采用渗压计测试技术。

2.3.6 地表沉降和长江防洪大堤沉降量监测

对于靠近长江大堤的沉井基础而言，沉井施工及降水助沉引起土内细颗粒的流失以及土体有效应力增加，从而容易导致沉井周边地基土的开裂和塌陷，如控制不当，容易导致大堤产生渗漏和管涌破坏的隐患，影响长江大堤的安全。因此，保障长江大堤的安全也是其施工过程中需要异常重视的环节。

图1 长江大堤监测剖面

长江大堤安全监测以沉降、不均匀沉降、水平位移以及水力坡降为监测重点。周边地面沉降以控制附近民房地面沉降为主。沿长江大堤布置1条长约160 m的纵向观测剖面，主要观测长江大堤的沉降和不均匀沉降;在与桥轴线相交的大堤位置布置测斜管，观测地基土的水平变形情况，测斜管深度40 m，每隔0.5 m设置一个测点;在大堤至沉井之间共布置5根测压管，观测在沉井抽水助沉及下沉过程中地下水降落漏斗的形态，根据实测的水力坡降，判断是否会产生流砂等渗透变形以及是否危及长江大堤的安全，布置图见图1。