镇江五峰山长江大桥北锚碇沉井施工监控管理

张健健

(中铁武汉大桥工程咨询监理有限公司，湖北 武汉 430050)

1 概述

江苏省镇江市五峰山长江大桥为公铁合建特大型长江桥，主桥跨江设计为(84+84+1 092+84+84)m的钢桁梁悬索桥结构。根据设计图纸，北锚碇沉井基础尺寸为100.7×72.1×56(长×宽×高)，其中第1节为钢壳混凝土沉井结构、第2节～第10节为混凝土沉井结构(见图1)。沉井采用矩形截面，标准壁厚2.0 m，隔墙厚1.3 m，中间共设置48个(10.2×10.9)m的矩形井孔，其中后端18个井孔用C20水下混凝土填充，中间18个井孔用砂填充，前端12个井孔用清水填充。

2 监控工作内容

2.1 监控的目的

1)确保施工全过程中，沉井基础结构的安全、沉井几何位置及姿态满足设计要求。

2)通过对沉井在施工过程中的状态(几何姿态、应力及变形)各项控制指标的监测，及时对沉井当前的施工状态进行评估及对后续施工进行预判。若施工过程中出现异常情况，结合监测数据，提出切实可行的调整措施。

3)在沉井施工过程中，需要对沉井周边邻近重要建筑物进行监测，全面了解沉井施工对周边邻近重要构建物(过江电塔、长江大堤)的影响情况，以保证沉井施工周边环境及施工变形可控[1]。

2.2 监控的难点

该沉井体积庞大，结构设计较柔加上地质条件复杂，特别是加固处理后的地基参数与原始地质勘测结果相差甚多，难免会给沉井下沉施工带来很多困难。因此，合理的监测方法加上满足规范频次的监测频率，对监测数据进行及时分析总结，提出合理化建议，才是控制沉井下沉姿态状态可控的根本，这样才能确保沉井结构安全。

2.3 监控内容

根据规范要求及结合本工程实际特点、现场监测内容如表1所示。

3 监测方法及测点布置

3.1 底部土压力监测

1)监测方法。

监测采用标定检校合格的振弦式土压力盒。根据工程设计地质勘察资料数据分析，并考虑到方便监测，以及沉井下沉时对周边土体的侵扰、扰动，对刃口反力计采用经鉴定合格，量程选用大于2.0 MPa。

2)测点布置。

在靠近沉井井壁以及隔墙底部布置34个土压力盒，用于监测沉井下沉过程中沉井底部土体的反力。

表1 沉井结构施工下沉监测项目表

3.2 井壁土压力监测

在下沉过程中，下沉阻力除了要考虑刃脚反力外，还要考虑井壁摩擦力，对于井壁摩擦力，主要还是以测量侧壁土压力的方式进行，采用井壁埋设土压力盒测量。

1)监测方法与刃脚土压力相同。

2)测点布置。

测点布置在沉井第2节～第10节井壁外侧，高度方向位于每节井壁中间。

3.3 结构应力监测

1)监测内容。

监测沉井各关键截面的应力应变，沉井下沉过程中主要监测每次接高后下沉时结构的顶面和底面(即第1，3，4，6，10节沉井的顶面)的结构状态。

2)监测手段及测点布置。

对于钢壳应力的监测，原测点于钢板内侧水平布置，布置的位置位于首节沉井底部部位，共布置22个测点；新增32个测点布置的位置位于首节沉井刃脚及隔墙外壁靠近底部部位。

3.4 沉井下沉姿态监测

利用北斗+GPS实时监测沉井4个角点的三维几何坐标，通过程序自动计算，从而实时掌握沉井的倾斜度、水平位移与水平扭转等几何姿态的变化信息。在沉井四条边中点、沉井中心点及四个角点共布置9个测点。

在每个测点位置布置自动挠度仪实时监测各测点相对于角点的相对高程，即可得出沉井轴线以及各边的挠度曲线。

1)沉井中心平面位置。

通过观测得到的实时监测数据，对沉井四周测量实测数据的分析结果和理论结果进行比较，确定每个监测点的x,y坐标偏差值，根据计算模型，利用沉井四周监测点的坐标计算出沉井中心坐标，和沉井中心的理论位置比较，可以得出沉井中心的平面位置偏差值[2]。

2)沉井下沉深度。

根据设计图纸及规范要求，监测下沉量及其在平面分布上的均匀性是沉井施工过程中的最重要的监控内容，是本次项目监测重点。通过沉井的下沉量及其差异的监测，能够及时、直观地了解沉井制作和下沉过程中的施工状态并为沉井下沉施工和纠偏提供依据，沉井仓位井孔示意图如图2所示。

3)沉井倾斜度。

通过监测沉井角4个控制点高程，可以计算出沉井的倾斜度。沉井倾斜度的测定是通过4个测点之间高差和距离相比求得。通过实时监测，直接测出测点之间的高差，然后推算出沉井的倾斜值[3]。

4)沉井扭转。

根据实时监测所测得的4个角控制点1′，2′或3′，4′的坐标求出它们与桥轴线的夹角，即为沉井扭角。

5)沉井挠度。

根据监测各点相对标高数据，可以较准确的推算出沉井轴线及各条长边、短边的挠度曲线。

3.5 塔吊区域混凝土应力监测

塔吊布置在沉井井壁体顺桥向和横桥向的中间位置，塔吊基础标准节预埋在沉井井壁内，塔吊随着井壁接高而接高，为确保塔吊的安全使用，沉井下沉过程中需特别针对塔吊基础区域混凝土的应力进行监测。

3.6 沉井周边邻近建筑物适时沉降监测

本项目北锚碇紧邻长江大堤，处于防洪一级阶地，因根据规范及监测方案要求，制订切实可行的实施措施，对沉降施工及降水助沉引起土内细颗粒移动造成的损耗流失，以及应对土体有效应力增加不规律，从而容易导致沉井周边地基土的变形、开裂、不均匀沉降、塌陷等病害，若控制不当，变形加剧，极易引起长江大堤因不规则不均匀沉降而产生裂缝、管涌等病害，影响长江大堤的安全渡汛和防洪安全。在沉井200 m范围内还有1座过江高压电力电塔，也需针对高压电力电塔的基础进行定期沉降监测。

3.7 沉井刃脚处泥面监测

采用人工用测绳定时测量井壁及隔墙刃脚泥面标高，采用三维图像声呐系统进一步真实了解井壁刃脚埋深情况，根据设计图纸和沉降特点，在每个井舱布置8个监测控制测点，累计384个监测点，监测频率为1次/6 h，根据现场施工工况及开挖功效，对应调整监测频次，本项目采用的三维声呐型号为德国Blue View 5000，该设备可在水下地形、结构和目标物的生成高分辨图像，声呐采用紧凑型低重量设计，便于在三脚架或ROV上进行安装，该声呐设备可生成类似于光学全息效果的水下目标的三维点云立体图像，通过计算机模拟计算，生成的图像如图3所示。

3.8 沉井内外水位监测

排水下沉时，井外水位控制开挖面与-8 m之间；在进行不排水法施工时，尤其是终沉阶段，要对沉井内外水位进行监测，控制井内水位高于地下水位不小于2.0 m。以免发生基底翻砂、管涌，造成周围地基塌陷，影响周围结构物的使用安全。沉井外水位监测在沉井拐角处选取一口降水井作为地下水位观测井，采用渗压计监测水位；沉井内水位监测选取48号隔舱进行水位监测，采用激光液位计监测水位[4-5]。

4 监控控制要点

根据已批复的北锚碇沉井施工监控方案，对下沉开挖方式、开挖深度、吸泥区域控制、刃脚埋深、水位控制、沉井姿态、监控数据预警制定相应措施进行控制。

1)开挖方式：第一次采取排水辅助下沉，第二次与第三次采取不排水下沉，第二次下沉分8区下沉吸泥至刃脚标高-15 m后，采取分4区吸泥。第三次下沉按保留核心土(中间4个井孔)开挖至-45 m，最后-45 m～-55 m 根据下沉分析计算，尽量控制开挖深度。

2)开挖深度：各吸泥单元之间泥面高差控制在1.0 m～2.0 m以内，不同下沉方法要求不同。根据实际方法和现场下发下沉指令进行检查。

3)吸泥区域控制：每个单元有严格的吸泥区域控制，根据现场下发下沉指令进行监理。

4)刃脚埋深控制：第一次排水下沉刃脚埋深控制不小于1 m;第二次不排水下沉刃脚埋深控制不小于2 m，根据现场下沉指令进行控制;第三次下沉井壁刃脚埋深控制1 m，中间24井舱隔墙埋深控制在-1 m，采用空气幕助沉。

5)沉井姿态：沉井四角高差控制在40 cm以内(黄色预警值15 cm，橙色预警值25 cm，红色预警值40 cm)。

6)水位控制：第一次排水下沉，第二次不排水下沉井内水位高于井外水位不小于2 m。

7)监控数据预警：预警值为极限值的60%，当监控值达到预警值时，引起重视。报警值为极限值的80%，当监控值达到报警值时，现场暂停施工，现场指挥小组(指挥部、监理单位、设计代表、施工单位)进行开会研判并制定应对措施,如表2所示。

表2 沉井监控控制标准表

5 结语

本桥的特点是超大跨度、超重荷载、超大沉降，从施工准备到沉井安全平稳下沉到指定标高耗时近两年。沉井竣工复核检查数据为，顶面中心位置偏差纵桥向：3 cm，横桥向：7.2 cm，倾斜度纵桥向：0.11%，横桥向：0.24%，平面扭角：0.045°，顶面高程偏差：2.1 cm，各项检测指标均满足验收标准要求。其中的施工工艺相比以往沉井下沉，由量到质的改变，形成一套超大陆地沉井下沉的工艺工法。从结构分析、开挖方式、姿态控制、竣工复核等各环节，下沉总体原则“同步取土、均匀下沉”及“两线法”(水位线、泥面线)控制，注重各个环节监控，保证了施工质量，对同类桥梁建设具有很好的指导意义。