超大型沉井在深厚软土中的定位着床及下沉施工

叶建良

(中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北 武汉 430050)

1 工程概况

温州瓯江北口大桥位于温州市瓯江出海口，采用宁波至东莞国家高速公路和国道228线(南金公路)共线过江的双层桥梁方案，主桥为(215 m+2×800 m+275 m)三塔四跨双层钢桁梁悬索桥。中塔基础采用倒圆角的矩形沉井[1]，沉井横向长66.0 m，纵向宽55.0 m，顶面高程为+5.5 m，刃脚高程-62.5 m，沉井总高度68.0 m，其中钢沉井高59 m(8 m+6 m+10×4.5 m)，共计12节，钢壳内填充混凝土，钢筋混凝土沉井高9 m，顶部在上下游方向各向外扩大2.5 m。沉井平面布置25个井孔，其中21个井孔为11.36 m×9.16 m标准井孔，四角4个井孔设置成倒圆角形。沉井外圈井壁厚度为2.0 m，隔墙厚度为1.3 m。沉井结构如图1所示。沉井总重量为18.5万t，入土深度为50 m，其中-12 m～-33 m为淤泥，-33 m～-53 m为淤泥质黏土，-53 m～-59 m为粉质黏土，-59 m～-62.5 m为卵石层，持力层为卵石层。

2 中塔沉井定位、着床施工

中塔沉井地处瓯江入海口，属于强潮河口，具有潮差大、水流急、波浪高的特点，加上墩位处河床表层为淤泥，承载能力极差，水工试验显示局部冲刷大。为确保首节27.5 m钢沉井精确定位并顺利着床，本工程中塔沉井采用先河床预处理，然后用“锚墩+重力边锚”相结合的定位系统进行定位，再注水着床的方法。

2.1 河床预处理

1)河床预处理的必要性。

《中塔沉井基础施工期局部冲刷试验研究报告》[2]表明，施工期沉井下沉着床过程中，沉井底部距河床越小，河床起冲流速越大，沉井底初入河床时，沉井周边均有较大的局部冲刷，最深点发生在迎水侧拐角处，单向水流与潮流作用下的最大局部冲刷深度均大于10.0 m。另外根据现场实测，墩位处河床标高为-12 m，而刃脚混凝土浇筑完成并割除井孔封底板后沉井的吃水深度为10.4 m，考虑潮差影响，低水位-3 m时墩位处的水深不能满足沉井着床前吃水深度要求。综合考虑上述不利因素，为确保沉井顺利着床，变被动防护为主动防护，事先进行河床预处理是十分必要的。

2)河床预处理施工。

河床预处理分清淤和防护两步：先采对河床进行清淤处理，河床清淤范围为四棱台体，顶面边长为161 m×172 m，底面边长为95 m×106 m，侧面边坡为1∶6，高为5.5 m，清淤总方量约为10万m3，原河床标高-12.0 m，清淤后的河床标高为-17.5 m。清淤后采用定位船上设置导管架，安装料斗及导管，抓斗船配合进行防护层施工。防护层厚度为3 m，分上下两层施工，底下0.8 m为反滤层，采用粒径1 mm～6 mm的颗粒，顶上2.2 m为防护层，采用粒径5.5 cm的石子[3]。预防护层顶面标高控制在-14.5 m，平整度控制在50 cm之内，见图2。

3)抗台设计。

大桥地处台风多发区，考虑在沉井施工前期中受台风影响因素较大(沉井所承受台风作用下的波浪力约为3 000 t)，为应对台风对沉井下沉施工过程中的不利影响，采用在沉井四周河床防护顶面抛掷碎石的抗台方案，抛石位置处于沉井四周约172 m×161 m的范围内，碎石层底标高为河床预防护顶标高-14.5 m，碎石层顶标高-8.5 m，抛掷厚度为6.0 m。沉井抗台主要由两个不同工况来实现，第一个工况：沉井刃脚进入防护层2 m时，由基底反力抵抗台风作用；第二个工况：沉井突破防护层后，由所抛掷碎石抵抗台风作用。

2.2 沉井定位系统设计

瓯江北口大桥中塔钢沉井定位系统由锚墩、重力边锚、拉缆系统及收缆系统组成。锚墩平台在沉井上下游方向各设置一个，顶面设计高程为+13.735 m，锚墩平台中心距离沉井中心距离为260 m，单个锚墩平台下部布置16根φ2 200 mm斜钢管桩作为基础，钢管桩总长80 m，顶部管桩间采用连接系连接。锚墩平台上部结构包括扁担梁、反力座、转向座、操作平台、栏杆等。重力锚布置在沉井南北两侧，每侧各布置4个，重力锚中心距沉井中心距离为150 m，单个重力锚尺寸为12 000 mm×10 200 mm×6 000 mm，单重为900 t。拉缆系统包括8根边锚拉缆和12根主锚拉缆，分上、下两层设置，均采用φ110 mm钢丝绳，强度等级为1 770 MPa(破断力不小于900 t)。主锚拉缆一端与锚墩顶面的收缆系统相连，另一端与沉井相连；边锚拉缆一端与重力锚相连，然后通过沉井边锚转向与锚墩顶面的收缆系统相连。收缆系统主要由20台350 t连续千斤顶、10台液压泵站及一套控制系统组成，详见图3。

2.3 沉井定位着床施工

沉井浮运至墩位后，按照“先主缆后边缆、先上游后下游、左右对称”的原则逐根完成缆绳转换，然后利用定位系统对钢沉井进行定位。沉井定位分为初定位和精确定位两部分。初定位在过缆完成后进行，精确定位在注水着床前进行。钢沉井顺江向定位通过调整设置在上下游的主缆缆力来控制，南北向定位通过调整沉井南北侧边锚缆绳缆力来控制，钢沉井的垂直度通过调整下拉缆和主缆缆力来实现，沉井的扭转通过主缆和边缆缆力的配合调整来实现。调位过程中需要实时监测沉井姿态[4]，定位完成后检查主、边锚各锚绳受力是否均匀，同类型锚绳受力差值应控制在5%左右。

钢沉井精确定位后，选择水流流速小、流态稳定，风速小的有利时段，利用水泵抽江水快速注入井壁和隔舱内，实现快速着床，为此选择大流量的150WL320-26-45型水泵进行注水施工，36个隔仓内每个隔仓内布置一台注水泵。此型号水泵理论扬程26 m，钢沉井注水着床前干舷高度为18 m。理论流量320 m3/h，效率为73%即有效流量为320 m3/h×73%=233 m3/h。通过计算沉井着床时注水高度为外井壁11.5 m，内隔墙13 m，此时最大隔舱注水量为414 m3(长边T形块体)，灌注时间=414/233=1.77 h，可满足高平潮内快速着床的施工要求。本工程沉井实际注水着床时间选择在2017年6月21日早晨高平潮时进行。6:00开始注水，经过1 h 15 min的注水，沉井平稳着落于预定河床面，经测量复测，沉井着床时的偏位、扭角和垂直度均满足设计精度要求。

3 沉井下沉施工

中塔沉井墩位处从上到下约40 m深度范围内均为淤泥及淤泥质黏土，故施工单位最初总体施组中沉井下沉施工的总体思路是[5]：先通过注水配重+抓斗抓泥方式突破防护层将沉井下沉至-17.5 m，然后通过3次接高、4次配重，主要依靠增加沉井自重克服沉井端部和侧壁摩阻力来下沉，中间如遇沉井靠自重不能下沉时再辅以少量吸泥措施将沉井下沉至-53 m标高，再接高9 m混凝土沉井后上门吊及吸泥设备，通过吸泥下沉将沉井下沉到设计标高-62.5 m。

3.1 突破防护层下沉施工

沉井着床后即进行沉井第一次接高(2×4.5 m=9 m，沉井总高度36.5 m)，同时进行沉井周边防台抛石。沉井接高完成后就开始沉井第一次突破防护层下沉施工。此时沉井总高度36.5 m，最高水位时沉井干弦高度19 m，由于水深不够，沉没比不足，无法用吸泥机，故突破防护层施工选用2台型号为DLQ25轮胎式抓斗吊(1.8 m3)进行抓土。根据下沉计算，此时的沉井全截面支撑下沉系数0.88，全刃脚支撑下沉系统为1.25，故抓取原则为仅保留刃脚下防护层，其他区域均需抓除，先抓中间核心区9个井孔防护层，再对沉井核心区周圈16个井孔进行防护层的抓取施工，抓取施工时为防止刃脚涌土，距离外圈井孔刃脚3 m宽度范围内暂不取土，抓泥深度-14.5 m～-17.5 m，抓泥理论方量7 500 m3。在抓取沉井井孔防护层过程中钢沉井累计下沉1.7 m，未突破防护层。项目部通过对井壁及隔舱注水压重使沉井平稳下沉至-17.5 m，基本突破防护层。

3.2 淤泥质及粉质黏土层中沉井下沉施工

沉井突破防护层后即开始第一阶段井壁及隔仓混凝土填充配重(井壁15.5 m，隔墙17 m)，在配重作用下沉井刃脚标高从-17.5 m平稳下沉至-21.2 m，小于预期的-28.0 m标高。然后开始第二次沉井接高(3×4.5 m=13.5 m，沉井总高度50 m)，接高过程中沉井只下沉了10 cm，沉井刃脚标高为-21.3 m，沉井姿态良好。

3.2.1 不均匀快速下沉

沉井第二次接高完成后即开始第二阶段井壁及隔仓混凝土填充(井壁17 m，隔墙17 m)。在第二阶段配重混凝土浇筑过程中，沉井先后发生了三次大幅度的摇摆式不均匀快速下沉[6]。沉井中心刃脚标高由-21.3 m下沉至-31.35 m，上下游高差3.5 m，沉井已基本穿透了20 m淤泥层进入淤泥质黏土层。通过专题会议研究决定：基于目前沉井所处的状态，后续施工应是在保证沉井主体结构安全的前提下(主要控制水头压力不超设计值)首先要以调整姿态和减小重心偏心距为主，即将剩余几个隔舱的混凝土浇筑完成后(浇筑高度按混凝土顶面距离沉井顶面不小于15 m控制)立即转换工序开始沉井吸泥施工，通过吸泥下沉来调整沉井的姿态。沉井吸泥按先中间、后四周、先高侧、后低侧，逐步外扩的原则。中间区域9个井孔吸泥按照吸后泥面标高在剪力键以下2 m控制。外圈16个井孔是否吸泥及吸泥的范围要根据沉井下沉情况具体分析后确定，吸泥施工中需谨慎、勤量测，杜绝基底隆起或“翻砂”等现象，确保安全平稳下沉。

3.2.2 淤泥质及粉质黏土层中沉井纠偏及取土下沉施工

根据专题会议精神，在第二批次隔仓混凝土浇筑完成后，项目部即开始转入纠偏及取土下沉阶段，此过程一直持续到沉井基本下沉到位，全面转入清基阶段为止。期间项目部择机完成了：沉井最后两层钢沉井的接高(2×4.5 m=9 m，沉井总高度59 m)；按“逐步配重调整重心位置居中尽量减小偏心距”的原则分多次完成了剩余隔仓混凝土的浇筑；分两次完成了9 m混凝土沉井的接高作业。沉井接高及填仓作业属于常规作业，在此不做详细介绍，重点介绍淤泥质及粉质黏土层中沉井取土下沉施工工艺。

1)本工程淤泥质及粉质黏土层中沉井取土下沉难点分析。

a.黏土层由于其不良岩土性质(可塑性、不透水性、高灵敏度、触变性)导致沉井下沉取土困难。主要表现就是土体不容易坍塌，传统空气吸泥及高压射水效率低下，且黏土的触变性致使一旦突破临界点土体便迅速坍塌，容易引起沉井的快速下沉。

b.取土盲区大，国内现有的深水盲区取土设备匮乏导致沉井盲区取土效率低下。沉井取土盲区主要有：刃脚及隔墙下踏面盲区、剪力键盲区、取土及吊装设备自身结构特点产生的工作盲区以及沉井倾斜引起的盲区。盲区取土面积占整个沉井取土面积超过50%，盲区土体不能有效取出，意味着沉井端承阻力不能有效解除，导致沉井下沉困难。

2)淤泥质及粉质黏土层中取土下沉施工工艺探索。

温州瓯江北口大桥中塔沉井是世界上首座深厚黏土层中的超大深水沉井基础，施工难度远超预期，特别是在沉井下沉施工过程中发生了9次不均匀快速下沉，上下游高差一度超过6 m。施工单位根据现场地质实际情况，积极探索新的取土工艺，最终安全地将沉井下沉到位。淤泥质及粉质黏土层中取土下沉施工大致经历了三个阶段：

a.抓斗取土阶段。考虑到防护层取土时抓斗效率较高，故前期取土仍采用抓斗取土。此阶段配置了2台轮胎式抓斗吊和4台履带式抓斗吊配合滑槽进行施工。轮胎式抓斗吊工作半径为11 m，配2方抓斗，安放于沉井十字隔墙位置的专用底座上。履带式抓斗吊工作半径为14 m～16 m，配2方抓斗，安放于沉井井孔上专用平台上。抓泥滑槽安装在抓斗吊抓泥对应的井孔旁。抓斗取土期间沉井经历了两次快速下沉，两次缓慢下沉，沉井中心刃脚标高从-31.35 m下沉至-38.7 m，上下游高差缩小至0.9 m，沉井姿态趋好(见图4)。

b.搅吸+空气吸泥+高压射水阶段。随着取土深度加深，淤泥质黏土固结强度增高，加上水深抓斗上下一次时间长，抓斗吊取土效率明显降低。为提高取土效率，经现场试验可行后项目部改用“20台绞吸泵+5台空气吸泥机+高压射水”进行搅吸取土。为实现搅吸取土，项目部在沉井隔墙上铺设风管、高压水管、龙门吊机走道等设施，起重设备为21台16 t龙门吊机及2台浮吊(1台200 t，1台300 t)，供风设备根据相关计算及其他项目施工经验采用25台23 m3/min的电力空压机，空压机布置在沉井南北侧的空压机方驳上，通过布置在沉井顶上的供气管直接向各吸泥点供气。另外还自行加工了两套带水平支架的高压射水装置来射盲区土层。采用搅吸辅以高压射水措施后，取土效率较抓斗有明显提高。期间沉井经历了3次不均匀快速下沉，沉井中心刃脚标高从-38.7 m下沉至-49.3 m，但上下游高差再次增大到5.4 m，沉井姿态不是很理想。此时沉井最低点已进入粉质黏土层(见图5)。

c.钻机取土阶段。由于“搅吸机容易被杂物卡死、电缆接头密封性差、粉质黏土层强度高造成电机过载烧坏、水深超过50 m不适用”等原因，造成搅吸机故障率高且维修成本高，严重影响了搅吸机的取土效率。基于搅吸机高压射水功效降低，沉井第八次快速下沉后，施工单位在不放弃搅吸的同时尝试采用正循环钻机辅助松土后再用空气吸泥机吸泥，效果较为理想。随即项目部投入了5台GPS18型正循环钻机+5台空气吸泥机，经过努力将上下游高差由5.4 m调整为2.5 m，具备混凝土沉井接高条件后停止钻机取土，进行混凝土沉井接高。混凝土沉井接高完成后，考虑钻吸一体化，施工单位开始尝试用反循环钻机取土试验可行。此后项目部全面采用正、反循环钻机联合取土方案。9台气举反循环钻机，主要负责中间核心区9个井孔的取土；8台GPS18正循环钻机+8台空气吸泥机，主要负责周边16个井孔的取土。8台门吊负责空气吸泥机吸泥时吸泥管起落及移位，2台浮吊主要负责钻机及平台的移位(见图6，图7)。

钻机取土施工中遇到的问题及解决措施：

第一，频繁的糊钻、堵管问题：改进钻头，通过调整钻杆底部的开口尺寸及位置、改变钻头的倾角、优化钻齿的排列等方式，糊钻问题得到了一定的控制。

第二，盲区取土难度大的问题：采取预留射水管内压水压气、改制钻头(如调整刀头角度及数量、加大钻头直径、调整钻杆风口位置等)、钻头上焊钢绞线扫土、水平高压射水、高压旋喷射水破土等方式来加快盲区土体的坍塌。

从改用钻机取土开始，沉井又经历了1次快速下沉4次缓慢下沉，沉井中心刃脚标高从-49.3 m下沉至-59.1 m，上下游高差从2.5 m缩小到1.1 m，沉井姿态进一步趋好。至此沉井已基本穿透粉质黏土层进入了卵石层。

3.3 卵石层中沉井下沉施工

卵石层取土基本延续了正、反循环钻机联合取土工艺，另外增加了两套426大管径的空气吸泥机。期间沉井经历了3次缓慢下沉，沉井中心刃脚标高从-59.1 m下沉至-61.92 m。经一桥四方联合验收：沉井偏位、倾斜度、扭角、持力层均满足设计要求，同意沉井终沉。

4 沉井施工监控量测

及时准确的监控量测对确保沉井安全可控地平稳下沉至关重要[7]。瓯江北口大桥中塔沉井施工监控量测的主要内容有：沉井结构应力及侧壁钢板应力的监测、沉井端承力和侧摩阻力的监测、沉井几何姿态的监测、沉井内外泥面标高的监测。沉井的结构应力及侧壁钢板应力主要通过埋设在沉井关键位置上的钢筋计来监测，端承阻力及侧摩阻力主要通过埋设在隔墙底部和刃脚踏面上的土压力计进行监测，沉井几何姿态通过设置在沉井顶面纵横轴线上的4个GPS进行监测，沉井井孔内外泥面标高主要通过测绳和超声或声呐检测仪进行监测。应力及姿态数据通过无线实时传输至监测云平台，可在手机和电脑上实时查看。另外施工现场布置高清摄像头，实现远端全方位实时视频监控。

5 结语

作为世界首座强潮河口深厚软土地质中的超大型深水沉井基础，瓯江北口大桥中塔沉井虽然施工比较艰难，下沉过程中经历了多次不均匀快速下沉，但沉井始终处于可控状态，沉井结构安全，沉井下沉到位后的最终姿态：沉井顶口偏位顺桥向偏南25.5 cm，横桥向偏下游11.5 cm；倾斜度上下游1/1 610，南北向1/168；扭角0.977°，均满足设计和规范要求，这也证明了施工单位采取的施工工艺及控制措施的是可行的。