沉井下沉的助沉施工控制技术研究
TRD工法 2023年9月27日 项敏 654
摘要：文章以瓯江北口大桥南锚碇沉井工程为背景，分析了促进沉井下沉的关键施工控制技术，介绍了该工程的沉井下沉方案、施工技术重难点和相应的降水井施工技术保障措施以及TRD工法机成槽减阻施工技术保障措施。相关技术手段能够保证沉井下沉可控，并加快沉井下沉施工进度，可为类似工程建设提供参考。
沉井锚碇基础是现阶段国内外常用的重力式锚碇基础之一。目前沉井下沉过程中容易遇到各种问题。当地基承载力比较低的情况下，沉井易突沉，且下沉速度和姿态控制难度大。当沉井持力层为卵石层，且卵石层下层深度较大的情况下，取土困难，施工难度大，对大体积沉井的设备配置及施工工艺均有较高要求。该文以瓯江北口大桥南锚碇沉井工程为背景，系统地分析了促进沉井下沉施工的关键施工技术，旨在为促进大尺寸沉井下沉的工程提供有益参考。
温州瓯江北口大桥桥位距离上游甬台温高速公路温州大桥约15 km，在乐清岐头山附近跨越瓯江北口。主桥跨度（230+800+800+358)m，是国内外首座三塔四跨双层钢桁梁悬索桥。全桥共设两根主缆，主缆横向间距为41.8 m，主缆矢跨比1/10。 瓯江北口大桥南锚碇位于灵昆岛北部，瓯江北口大桥南岸，新建海岸堤坝后方。相关地层的物理力学参数如表1所示，南锚区上部土层为海积淤泥质黏土、海积淤泥，流塑，厚度为35.5~40.0 m，工程性质差，表层有少量粉细砂分布；中部土层为海积黏土和粉质黏土，软塑～软可塑，局部流塑状，韧性和干强度中等，夹粉砂团块和贝壳碎片，厚度9.95~24.1 m，工程性质差。中下部土层为冲积卵石层，灰白色，中密～密实状，厚度较大，层位稳定，卵石层层顶标高为-58.81~62.07 m，总厚度约32 m，含少量黏性土，工程性质较好。 
温州瓯江北口大桥南锚碇工程原设计方案沉井尺寸为70 m×63 m、沉井高67.5 m；沉井井壁厚2.0 m，隔仓壁厚1.2 m；井孔顺桥向长度10.0 m、横桥向长度10.84 m；沉井共设置30个矩形井孔，前端15个矩形井孔填水，后端15个矩形井孔填筑C20水下混凝土。 南锚沉井结构地质剖面图如图1所示。沉井总计共分十三节，第一节为钢壳混凝土沉井、高8 m，刃脚高1.9 m，刃脚踏面宽0.2 m，第一节钢壳沉井在工厂分段制造，然后运到现场就位拼装成整体，以钢壳沉井为模板浇筑混凝土，形成钢壳混凝土沉井。第二至第十三节为钢筋混凝土沉井，其中第二节高6 m，且在第二节沉井设置了6 m高的剪力键，以增强封底混凝土与沉井井壁的连接效果和传递封底混凝土基底反力；第三节高4 m，第四节至第十一节高均为5 m；第十二节高3.5 m；第十三节高6 m，第十三节沉井为异形沉井，为了便于后续沉井盖板的施工，在局部隔墙与井壁顶部预留顶盖底模梁的支承槽口。沉井封底混凝土厚为10 m，沉井顶面标高为+4.0 m，基底标高为-63.5 m，基底置于卵石层中。
（1）南锚沉井地基软弱层达40多米，地基承载力非常低，沉井易突沉，沉井下沉速度和姿态控制难度大。 （2）整个沉井混凝土方量达到237 000 m3，施工组织难度大，单次水下封底混凝土达到13 400 m3，性能要求高。 （3）沉井持力层为卵石层，卵石层下层深度达到6 m，取土困难，施工难度大；沉井平面尺寸大、入土深，对设备配置及施工工艺均有较高的要求。 瓯江北口大桥南锚碇沉井分4次接高3次下沉，首次接高4节，累计下沉15.5 m；第二次接高3节，开挖下沉12 m，累计下沉27.5 m；第三次接高5节，开挖下沉38.5 m，累计开挖下沉57 m；第四次接高1节，开挖下沉10.5 m，累计开挖下沉67.5 m。沉井下沉施工中的常见问题和对策如下： （1）针对沉井刃脚异物：加强地质钻探，如出现孤石等异物，应潜水掌握情况，看是否能采用吊装等方式，或者潜水爆破。 （2）针对沉井不下沉：沉井下沉困难时可采用抽水减浮、空气幕、射水管等助沉措施。 （3）针对沉井偏位及倾斜：刃脚较高的一侧多取土，较少的一侧少挖或不挖土，“沉多则少挖，沉少则多挖”，但不能超量取土来纠偏；如取土到一定量无法纠偏时可采用分段开空气幕的方式进行纠偏，或者采用高侧射水纠偏；当偏位超标时，可采用先一侧取土，使沉井倾斜，然后均匀挖土，使沉井沿倾斜方向下沉，倾斜下沉至设计中心线后再纠正沉井倾斜。 （4）针对沉井突沉：在下沉前充分地勘的同时，沉井下沉过程中应通过实际支撑情况进行反演计算，严格控制下沉系数；该沉井在-31 m时接高，在穿过砂桩处理层时，接高3节，保证足够预留高度穿过淤泥层，防止突沉没顶；沉井取土应均匀、对称，应严格控制锅底深度。 （5）针对翻砂及管涌：沉井下沉过程中应严格控制取土深度，刃脚埋深应大于50 cm；严禁沉井周边重载堆物，泥浆池应与沉井保持一定距离且严禁堆高；应加强对周边土地监控，包括原地面标高、土体位移及地下水标高等；应保持沉井内水头高于地下水位2 m以上；如出现翻砂及管涌应及时撤离周边设备和人员，回填砂，并加密周边土体监控观测，待土体稳定后再进行施工。 沉井所处地质浅层为黏土层，透水性不强，采用超深降水井降低外部承压水水头，同时降低沉井内部水头，减少浮力的同时，减少可能出现的涌土风险，达到沉井缓慢可控下沉的目的。降水助沉期（每次降水周期2 d）相对于沉井下沉施工期较短，因此降低承压水头对地层固结沉降影响较小。但是该文中降水井施工存在以下重难点： （1）深层降水地表沉降影响范围大，可能会对沉井周边建筑物产生影响。沉井北侧25 m处为河堤，约30 m处为栈桥平台（摩擦桩基础）；沉井西侧为混凝土搅拌站，距离约90 m，钢管桩基础；沉井南侧为引桥下部结构，最近距离约130 m。 （2）南锚沉井地质较为复杂，均匀性不高，同时北侧距离瓯江较近，各个方向上降水速率可能不相同。 （3）降水施工与舱内取土同步进行，土体的干缩沉降及舱内涌土，降水井寿命不易评估。 TRD工法机主要由主机（重量约120 t）和刀具（重量约60t）两部分组成。其TRD主机由底盘、框架、驱动、刀架和自动控制系统构成：刀具是TRD桩机的专用设备，由尖端导轮和刀具箱组成。 考虑到该沉井所处地层主要为淤泥、黏土地层。通过计算可知，在含砂粉质黏土、粉细砂层采用减少侧摩阻达30%能够满足沉井下沉要求；在卵石层由于地基承载力高，入土深度大，采用减少侧摩阻达30%，尚需采取减小浮力措施才能够满足沉井下沉要求。通过调研分析，减少侧阻采用TRD工法可行。但是该文中TRD工法机施工存在以下重难点： （1）设备重量大。在满足减阻深度需求的拉槽深度情况下选型的设备重量达到180 t，对沉井周边的地基要求高。 （2）TRD工法机施工因成槽施工位置，施工组织难度大、成本高。 （3）TRD工法机减阻效果不易评估。根据施工情况在沉井下沉后，泥浆套可能导致破坏，需反复成槽，总体施工周期长。由于施工周期较长，存在塌孔后减阻效果不明显的弊端，总体而言减阻效果不好评估。 （4）减阻施工应与舱内取土异步施工。在先取端阻再减侧阻的施工过程中，如果沉井出现下沉，设备安全风险高。TRD工法机施工第一阶段为保证作业人员、设备安全，舱内取土与减阻施工异步进行，需先减侧阻再减端阻，总体施工周期延长，取土设备滞工费用高。 （5）TRD工法机成槽，槽体维护费用高，且槽体寿命不易评估。 根据现场地质情况，取土作业时水头控制在+2 m以上，用高水头控制沉井的涌土。因沉井入土深度较大，且进入含黏性土的粉砂层，端侧和侧阻均较大，空气幕在淤泥层中的效果有限，沉井主要以集中快速下沉的形式下沉，故通过适当地分级降水减浮促沉能有效控制下沉时间。 （1）该文中的处理对象主要为承压水，对上部潜水含水层水位影响不大。当沉井刃角已进入承压水含水层，采用降低承压含水层水头的方法进行减浮可行。 （2）在沉井底部支撑削弱至目标值后短时间内进行降水促沉对周边建筑物影响不大。 （3）承压含水层深度较大，采用非完整井，以减小涌水量，能够保证降深。 （4）降水除可对沉井减浮外，土体的排水固结沉降对沉井下沉有利。 （1）降水工程配备完善的施工人员，包括项目经理、技术专员、电工、水工等值班人员，及时观测及分析降水全过程，保证降水施工安全高效。 （2）需要重点关注降水井单井的出水量应该满足相关规范的设计要求。 （3）为保证降水全过程中降水设备能够持续运转，应配备足够的供电设备，保证降水工作不会发生中断。 （4）降水维持期间，应该实施信息化全周期管理，以保证最合适的排水量。 初步对比分析，减少侧阻采用TRD工法机和地质钻松土较为可行，但是该工程中卵石层以上的最大减阻需求为减阻39 m的50%，采用松土的方式无法评估减值效果，预估很难达到需求值。TRD工法机是对沉井周边井壁拉槽，并回灌泥浆，形成泥浆套，能够达到减阻的效果。因此该文减少侧阻采用TRD工法，其主要优点如下： TRD工法机在深厚淤泥质土、淤泥质黏土、粉质黏土地层施工深度可达60 m，部分型号设备可达80 m；施工效率高，每天每台设备施工深度可达到6 m，沉井周边266 m，两台设备同时作业仅需22 d。 （2）减阻效果明显。成墙品质高，在墙体深度方向上膨润土搅拌均匀，强度提高，离散性小，截水性能好；沉井与周边土体隔离，减阻效果直观明显。 （1）做好场地平整工作。在施工前，完成不良地质和相关障碍物的相关处理工作。 （2）减阻施工前利用3D声纳做好沉井底部支撑统计，以提供准确的数据用于分析，并将沉井舱内水位升至最高状态，以确保沉井状态稳定。 （3）减阻过程中加强对沉井状态的监测。若沉井有启动下沉趋势，立即暂停减阻设备作业，提升设备进行观测，制定下一步措施。 （4）做好TRD桩机移机的安全监护工作。TRD桩机施工及移机时地基基础必须满足设备的承载力方可施工及移机，防止发生机械设备倾倒事件。 （1）沉井所处地层上部潜水含水层主要为淤泥、黏土地层，下部承压含水层主要为粉砂、细砂及卵石层，降低承压水头对地层固结沉降影响较小，但是在降水过程中应加强周边建构筑物处地下水位及沉降监测，对地层沉降进行评估。 （2）降水井降水减浮施工可与舱内取土同步进行，不占用沉井施工工期；其次若降水施工效果良好，沉井提前终沉临江侧粉细砂层置换可不考虑外部土体加固措施；再者，降水施工组织难度小、设备作业安全风险较低、成本较低、时间短。 （3）TRD工法机施工工效快，施工深度大，适用地层广；在墙体深度方向上，膨润土搅拌均匀，强度提高，离散性小，截水性能好；沉井与周边土体隔离，减阻效果直观明显。 （4）TRD工法机减少侧阻施工对周边建筑物影响小。
作者：刘春桃
编辑整理：项敏
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温州瓯江北口大桥是世界首座三塔四跨双层钢桁梁悬索桥，其中大桥南锚碇沉井是世界首次在深厚淤泥层中建造的超大型陆域沉井。南锚碇如同力压千金的秤砣，将起到拉起整座大桥的作用，而沉井则是锚碇的重要基础。南锚碇沉井平面尺寸为70米×63米，相当于10个标准篮球场大小，共浇筑混凝土约23万立方米，混凝土用量可建造3座世界著名的上海深坑洲际酒店；沉井总重量达20万吨，相当于3到4艘大型航母重量之和。 沉井共分四次接高和三次下沉，历时两年下沉完成：2018年3月6启动首次下沉，2018年5月15日下沉到位；2018年10月25日第二次下沉到位；2020年3月5日第三次下沉到位；随后完成清基封底，并于2020年4月12日完成封底和填仓混凝土的浇筑。沉井前后三次一共沉入地下61.5米，四角高差和平面偏位精准控制在设计误差范围内。三次下沉后，沉井开始浇筑近16万余立方米的封底和填仓混凝土，历时35天完成。 在沉井施工过程中，项目团队面临诸多难题。面对40多米厚的淤泥层地质条件，如何让重量巨大的沉井在软如奶油的淤泥中“稳得住”是第一个难题。项目部研究多种地基处理方式，最后决定采用国内最长36米砂桩置换的方式改变地质结构，增强地基承载力。为保证沉井“下得去”，项目团队将砂桩置换率确定为36%，防止承载力过大而导致下沉困难。 由于沉井尺寸较大，相当于薄板容易因挠度过大而开裂，且地基承载力不均很易导致沉井倾斜。对此，项目团队第一次下沉创新性采用“十字拉槽加全断面小锅底开挖”工法，同时安装大量监控元器件，结合信息化手段，实时监控沉井姿态应力情况。 第二次下沉采用不排水下沉，遇到了黏土淤泥层，就像“橡皮糖”，粘性大，附着性强。项目部大胆创新，自主研发了“水下快速取土装置”，共计采用20台该设备辅以18台龙门吊配合调整，有效解决了黏土淤泥层中取土难的问题。 随着第三次下沉推进，“水下快速吸泥取土装置”显得力不从心。项目部开创性地将专用于桩基施工的大型钻机转用于沉井下沉取土，扛住了一切深水水压。项目部共投入22台钻机配合移动台车进行深水取土，并改进钻头改造，有效解决了取土难题。随着排泥管道源源不断吐出泥土，沉井顺利终沉到位，并且创下超大型沉井零裂缝的纪录。 3月6日，随着40多辆混凝土搅拌车陆续进场，大桥正式启动南锚碇沉井封底及填仓混凝土的浇筑施工。3月24日晚，6万余立方米封底施工比原计划提前6天完成。4月12日晚，9万余立方米填仓混凝土浇筑完成。封底和填仓施工工序，让沉井在深厚淤泥层中扎稳脚跟，为南锚碇后续施工奠定坚实基础。 南锚沉井的终沉，为世界深厚淤泥层中建造超大型陆域沉井开创了先河，为类似工程施工提供了成熟案例。温州瓯江北口大桥是宁波至东莞国家高速公路和国道G228线两大项目共线跨越瓯江的控制性工程，其建设对提高我国东部沿海公路运输大通道通行能力，推进温台产业带和温州瓯江口产业集聚区发展，缓解甬台温高速压力具有重要意义。
