泰州大桥南锚碇巨型沉井排水下沉施工技术.pdf

2 0 0 9年 1 月 第 1 期 ( 总 1 2 4 ) 铁道工程学报 j our nal 0f r ai l way e ngi ne e ri ng s oc i e t y j a n 2 0 0 9 n o 1 ( s e r 1 2 4 ) 文章编号 ： 1 0 0 6 2 1 0 6 ( 2 0 0 9 ) 0 1 0 0 6 3 0 4 泰 州大桥 南锚碇 巨型沉 井排水下沉施工技术 陶建 山 ( 中铁大桥局股份公司， 武汉 4 3 0 0 5 0 ) 摘 要 ： 研究 目的 ： 随着 国 内经 济 发展 及 大 型沉 井 基 础 的 开发 应 用 ， 泰 州 长 江公 路 大 桥南 锚 碇 沉井 基 础 长 6 7 9 m， 宽 5 2 m， 高 4 1 m， 在长江岸边的 冲积沙土地质 中下沉 ， 选用排水下沉 和不排水 下沉 相结 合的两个施工 方案， 如何确保沉井结构和附近建筑物以及长江大堤的安全是关键； 本文仅介绍沉井钢壳拼装 ， 混凝土接高， 深井降水和泵吸挖土的排水下沉施工方案， 达到安全优质快速下沉的目的。 研究结论 ： 采用排水下沉， 沉降系数大， 深井降水效果好， 泵吸挖土效率高、 出泥量大， 下沉速度再创新高； 安全可控制， 质量有保证， 环境易达标； 沉井接高浇筑质量和下沉偏差都得到了很好控制， 达到规范标准； 通过 回灌水附近建筑物和长江大堤的沉降得到有效控制， 确保了人民生命财产安全。采用深井降水和泵吸挖土的 排水下沉方案， 能达到安全快速施工大型沉井基础的目的， 同时也掌握了大型沉井排水下沉的关键施工技术。 关键词 ： 大型沉井 ； 排水下沉 ； 泵吸排渣 ； 下沉监控 ； 大堤安全 中图分类号 ： u 4 4 文献标识码 ： a co n s t r u c t i o n te c h n o l o g y f o r dr a i n i n g s i n k a g e for s o u t h ca i s s o n an c h o r a g e t o ta i z h o u ya n g t z e ri v e r hi g h wa y br i dg e wi t h la r g e s i z e d s u n k w e l l tao j i a ns h a n ( c h i n a z h o n g t i e ma j o r b r i d g e e n g i n e e r i n g g r o u p ， wu h a n ，h u b e i 4 3 0 0 5 0 ，c h i n a ) ab s t r a c t ： re s e a r c h p ur po s e s ：wi t h t h e e c o n o mi c d e v e l o p me n t i n ch i n a，mo r e a n d mo r e l a r g es i z e d s u n k we l l s h a v e b e e n us e d fo r i n s t a nc e，t h e 67 9 m l o n g，52 m wi d e a n d 41 m hi g h b a s e o f s o u t h c a i s s o n a n c h o r a g e t o ta i z h o u ya n g t z e ri v e r hi g h wa y br i d g e h a d t o b e s u nk i n t h e a l l u v i a l s a n d o n t h e r i v e r b a n k b y d r a i n i n g s i n k a g e a l o n g wi t h n o n - dr a i n i n gs i n k a g e ho w t o e n s u r e t h e s a f e t y o f s un k we l l s t r u c t u r e，s u r r o u n d i n g b u i l d i n g s a n d ya n g t z e ri v e r d a m i s t h e ke y p o i n t th e i n t r o d u c t i o n i s g i v e n i n t hi s p a pe r t o t h e d r a i n i n g s i n k a g e s c h e me，i n c l ud i n g t h e s t e e l c a i s s o n a s s e mb l y， c o n c r e t e j o i n t h e i g h t a n d p u mp i n g w a t e r a n d r e m o v i n g s o i l w i t h d e e p w e l 1 r e s e a r c h c o n c l u s i o n s ： u s i n g d r a i n i n g s i n k a g e c a n g u a r a n t e e t h e g r o u t i n g q u a l i t y f o r c o n c r e t e j o i n t h e i g h t a n d c a n e f f e c t i v e l y c o nt r o l t he d e v i a t i o n o f s i n k a g e，wi t h t h e f e a t u r e s o f l a r g e s i n k i n g c o e ffic i e n t ，g o o d p r e c i pi t a t i o n e f f e c t s o f d e e p we l t ，p e r f e c t p u mp i n g e ffi c i e n c y o f t h e e x c a v a t o r，r e mo v i ng l a r g e mu d a n d h i g h s i n k i n g s p e e dand t h e s u b s i d e n c e o f t h e s u r r o u n d i n g b ui l di n g s a n d ya ng t z e ri v e r d a m i s c o n t r o l l e d e f f e c t i v e l y b y fil l i n g wa t e r ke y wo r ds：l a r g es i z e d s un k we l l ；d r a i n i n g s i n ka g e；s ha m ts e n g p r e c i p i t a t i o n；s ub s i d e n c e mo n i t o r i n g；d a m s a f e t y 泰州长江公路大桥为三塔两跨悬索桥 ， 桥跨 布置 为 3 9 0+1 0 8 0+1 0 8 0+ 3 9 0 m。其锚碇拉力达 4 3万 t ， 采用重力式锚 ； 锚碇基础采用矩形沉井， 沉井长 6 7 9 m， 宽 5 2 m( 底节长 6 8 3 m， 宽 5 2 4 m) ， 平面设三纵 四横 隔墙 ， 2 0个井孔 ， 井壁厚度为 2 m， 隔墙厚度为 1 4 m。 南锚碇沉井高4 1 m， 竖向分 8节， 底节钢壳混凝土沉 井高 8 m， 第七节高 3 m， 其余各节高度均为 5 m。下 沉入土深度 4 2 i n 。如 图 1 所示。 收稿 日期 ： 2 0 0 8 0 91 1 作者 简介 ： 陶建 山， 1 9 6 3年出生 ， 男 ， 教授级高级工程师 ， 中铁大桥局股份公 司副总工程师。 铁道工程学报 2 0 0 9年 1月 图 1 沉井结构透视图( 单位 ： m) 地质主要为细颗粒沉积物、 粘性土、 粉砂和细砂。 地下水埋深 1 3 m， 并受长江水位影响。 1 沉井下沉方案选用 沉井下沉原理是沉井 自重克服土壤阻力而 自沉 ， 为了减少阻力， 只有将沉井 内的土壤清除。下沉施工 方法主要分为排水开挖 和不排水吸泥 2类 ； 排水即止 水， 止水方案有深井降水 、 注浆 固结止水 、 冰冻 固结止 水和沉箱气压排水4种方式， 开挖有深坑吊桶取土、 基 坑抓泥斗取土和泥浆泵抽吸的 3种方案； 不排水下沉 则有空气吸泥和砂石泵泵吸 2种方案。选用哪种方案 应充分研究基坑的地质 土壤特性和周边环境， 同时还 应结合科技创新 、 工程进度和成本综合比选。 本桥南锚碇沉井平面尺寸大到 3 5 8 0 m ， 下沉取 土总量达 1 5万 m 。因此选择进度快 、 成本低的深井 降水和泥浆泵抽吸取土作为前期排水下沉方案， 后期 则选用空气吸泥的不排水下沉方案 ， 将两个方案结合 使用 ， 更能发挥和体现各 自的优点 ， 加快施工进度 ， 确 保工程质量。 2 施工特点与难点 南锚沉井浇筑两节高 1 3 m， 重达 3 5万 t ， 如何安 全抽垫是难点。沉井下沉是最重要工序， 如何将巨型 沉井安全、 顺利和精确下沉到位是重点。在排水下沉 过程中， 确保长江大堤和周边民房的安全又是难点。 3沉井浇筑下沉施工流程 场地平整地基加固一钢壳沉井工厂分块制造现场 支垫拼装焊接一浇筑底节混凝土一接高第二节一沉井 抽垫入土一接高第三节一深井降水及泵抽下沉 1 6 m 一回水接高 2节一再深井降水及泵吸下沉 1 0 m 一 回水 接高 3节一不排水空气吸泥下沉 1 6 m达到设计位置。 4 沉井钢壳拼装及混凝土浇筑接高 南锚碇处地下水位高， 水量大， 表层为软土地质 ， 因此底节 8 m采用钢壳沉井 ， 以上 7节均采用钢筋混 凝土沉井。 4 1 地 基加 固及 沉井 支垫 南锚碇地基表层主要为淤泥质亚粘土， 承载力低 ， 采用砂桩换填的复合地基加固法提高承载力。 4 1 1 地基加固 砂桩平面沿沉井井壁及隔墙 梅花形布置 ， 桩径为 3 8 c m， 间距 1 m， 宽度 6 m； 砂桩穿过软土伸人粉沙层 ， 砂桩长 1 7 m， 以筒式振动打桩机施工。 表层软土需换填成砂土， 因沉井井壁与隔墙高差 1 9 m， 换填深度外圈井壁下为 5 m， 中间隔墙下为 3 m。 因基坑面积大 ， 地下水位高 ， 基坑开挖换填期问采取了 轻型井点降水措施 ， 降水 深度 5 m。换填的砂土以振 动棒逐层振捣 密实 ， 密实度达 9 0 9 5 ， 承载力大 于 4 0 0 k p a 。 4 1 2 钢沉井支垫 周边井壁刃脚底宽度为2 0 o m， 采 用 1 2 5 m短枕木支垫， 中间隔墙底宽为 1 2 m， 则用 2 5 m枕木支垫 ， 枕木支垫主要用于底节钢壳拼装调 平。前期沉井重量则是采用夯实的三合土土模支承 ， 局部承载力要求达到 5 0 0 k p a 。 4 2钢沉井制造拼装 沉井底节为钢壳填充混凝土结构， 平面周边为井 壁 ， 中间为三纵四横 的隔墙 ， 采取平面分块制造安装 ， 即分为 9类共 4 3个节段， 钢沉井最大块段长 1 9 3 m， 高 8 m， 最大重量 4 2 t 。 钢沉井在钢结构工厂车间制造成板桁单元件， 运 到工地后在组拼胎架上进行块单元拼装焊接。块单元 运输设备采用平板运输车， 拼装设备采用 1 5 0 t 履带 吊 机和2 5 t 汽车吊机辅助安装 。钢沉井拼装采取 自中间 向外侧对称拼装的拼装方式， 拼装 时采用钢管斜撑杆 支撑块单元 ， 拼装完毕， 进行钢沉井几何尺寸的检查和 纠正， 调整正确后进行拼缝焊接。 4 3 沉井接高混凝土浇筑 在沉井两侧布置 2台 1 0 t 走行式塔式 吊机 ， 负责 材料装卸以及钢筋 、 模板等吊装作业， 模板安装拆除时 又增加 1台 2 5 t 汽车吊机和 1台5 0 t 履带 吊机。 沉井混凝土采用工地 3台 h z s 7 5和 1台 h z s 1 2 0 全 自动混凝土搅拌站生产， 1 0台 6 8 m 混凝土运输 车， 3 4台混凝土汽车泵直接泵送人模 ， 浇筑速度为 1 0 01 6 0 m h。 为防止沉井在浇注过程 中出现倾斜 ， 填充混凝土 时按 台阶式分舱分层， 自中间向周边 、 先隔墙后井壁的 顺序， 对称均匀地灌注混凝土 ， 确保对沉井均衡加载。 钢筋混凝土接高采用全平面浇筑 ， 一次浇筑高度 为2 5 m， 共需接高 1 4次， 采用3 层 1 2 5 m高的钢模 板进行翻转模板接高施工。钢筋采取 在工地加工成 型， 现场绑扎 ， 水平 6 3 2主筋接头采用剥肋滚扎直螺 纹套筒连接 ， 其它钢筋则采用搭接接长。 第 1 期 陶建 山 ： 泰州大桥南锚碇 巨型沉井排水下沉施工技术 6 5 4 4 沉井抽垫入土 在钢沉井拼装时 ， 为了支垫和调平 ， 在钢沉井井壁 和隔墙底面铺设了长短枕木 ， 为防止 钢沉井土模 变形 变位， 直到浇筑底节和第二节混凝 土后 才进行抽垫 。 抽垫换填采取分区、 对称、 同步、 依次进行 ， 先中间后节 点 ， 先隔墙后井壁 ， 最后同时抽 除周边井壁 4个支点 ， 2节混凝土重量完全 由土模 承当。抽换时 ， 先将 垫木 底面和两侧面的填砂松动 ， 尽可能少影响土模 。隔墙 底枕木按批次逐一抽出， 井壁底短枕木则 以挖掘机从 沉井外侧水平拔除， 并及 时回填夯实。抽换过程 中进 行沉降跟踪观测 ， 没有发现异常情况。 5 深井降水排水下沉 沉井接高前三节 ， 高度为 1 8 m， 重量 4 8万 t ， 首 次排水下沉 1 6 m， 下沉系数为 1 4 3 ； 再接高第 四第 五 节 ， 高度为 2 8 m， 总重量达 7 8万 t ， 第二次排水下沉 1 0 m， 下沉系数为 1 3 ， 排水下沉合计 2 6 m。 s 1 深 井降水 南锚碇主要含水层分为 3类 ： 第一类含水层 ( 浅 层潜水) 为亚粘土层 ， 平均厚度约 1 5 m， 渗透性差 ， 为 弱透水层。第二类含水层 ( 中部弱承压) 为粉砂层 ， 平 均厚度约 5 0 m， 渗透性较好 ， 为强透水层 。第三类含 水层 ( 下部承压 ) 为中粗砂层 ， 总厚度大于 1 0 0 m， 渗透 性好 ， 与长江相通 ， 为强透水层 。 沉井 中心东距长江大堤约为 2 1 0 m， 距长江岸边 为 4 2 0 m， 西距周围最近的民房仅约 1 0 0 m， 因此 ， 应观 测分析降水深度分布情况和长江大堤及民房建筑的沉 降量 ， 采取有力措施 ， 确保安全。 5 1 1 深井降水计算 为确保降水井在沉井下沉过程 中的能正常使用 ， 降水井与沉井周边设有 8 r n的安全距离。 依据抽水试验得到的土层渗透系数及分次下沉的 降水深度 ， 基坑总涌水量分别按潜水层和近江承压层 进行估算 ， 再根据单 井出水能力确定 降水井数量。深 井降水计算如表 1 所示。 表 1 深 井降水计算 首次降水 第二次降水 项 目 ( 潜水层 ) ( 近江承压层 ) 渗透系数 ( m d ) 5 2 1 2 3 水位降低值 m 1 4 2 2 4 2 抽水影响半径 m 5 7 8 1 8 4 8 7 总涌水量 ( m d ) 1 2 0 2 8 4 3 2 8 5 3 6 单井点管 出水量 ( r n - d ) 7 8 2 3 1 0 4 3 7 井点管需要数 n 1 6 3 4 5 1 2 降水施工布置 根据现场抽水试验情况， 设计抽水井井深为 3 2 m， 孔径 6 0 c m， 采用 内3 0 c m混凝土花管下到孔底 ， 在 花管外周缠绕金属丝 网以减少含水层细颗粒流入井 内 ， 在管外 与孔壁 之间 回填 中细砂滤 层。抽水 采用 2 0 0 q s g 6 36 0 4不锈 钢 五 级 深井 潜 水 泵 ， 流量 为 6 3 m h。 依据第二次降水深度在沉 井外周布置 4 0口深水 井 ， 其 中备用 4口， 在沉井中间也布置了 3口井。在沉 井的轴线上布置 2个观测井 ， 用于监测降水情况 ， 另外 在锚后方靠近民房侧布置 3口回灌井减少民房沉降。 如图 2所示 。 图 2 深井降水井及观测布置图 深井降水是配合沉井内排水开挖下沉， 降水面与 开挖面基本一致 ， 不宜过多或过少降水 ， 将沉井外的地 下水水位降至刃脚踏 面以上 1 m左 右， 防止沉井 内产 生涌水流砂 。 首次降水 时， 首先开启周边 8口， 随着下沉深度 ， 加大降水 ， 开了 1 9 e l 管井抽水， 抽水量达 1 2 0 0 0 m d ； 第二次降水时 ， 首先开启 2 7口井， 随着下沉深度加大 了降水力度， 最终开启 4 1口管井抽水， 最大降水深度 为 2 4 m， 最大抽水量达 3 2 0 0 0 m d 。 5 1 3 长江大堤和民房沉降观测及控制 深井降水后 ， 原饱和土壤出现了空隙 ， 导致土体压 缩沉降。因抽水量大 ， 影响半径达 8 5 0 m， 因此对影响 半径范围内的长江大堤 、 民房建筑和场地沉降进行测 算评估和布点实时监测 。长江大堤 累计沉降 5 7 c m， 铁道工程学报 2 0 0 9年 1 月 没有开裂和位移， 是安全的； 虽然在居民民房与沉井之 间采取了回灌深井灌水补水及几排深截水井的减沉措 施 ， 但是最近处的民房还是沉降 了 1 8 c m， 不均匀沉降 8 e m， 出现了裂纹， 按预案进行修补和补偿。 5 2 沉井排 水下沉 沉井下沉施工组织主要包括指挥系统 、 供 电系统、 供水射水系统 、 抽吸排渣系统和监控监测系统。 排水下沉开挖原理 ： 用高压射水对沉井 内基坑土 体进行冲刷 、 切割 、 搅拌使之形成泥浆并汇集到集水坑 内， 再 由泥浆泵将泥浆抽吸排放至沉井外 2 0 0 1t i 远 的 大型泥浆沉淀弃土场所。泵吸由中间向四周 ， 均匀对 称 ， 分层进行 ， 循序渐进 ； 纵横隔墙底 由中间向两端逐 渐脱空 ， 基底渐渐形成沉井周边井壁刃脚支承的锅底 状 ， 应控制锅底深度 ， 锅底以能形成汇集的水力坡度为 宜； 井壁内侧应保留适量土体 ， 由刃脚挤压破 土， 使沉 井平稳下沉。 中间6个井孔各设 1台 6时泥浆泵， 外圈 8个井 孔各设 1台4时泥浆泵 ， 2 0把水枪以高压离心泵供水 冲射； 因泥浆泵扬程较小 ， 采用 6台 6时泥浆泵作为接 力泵， 并以管道排渣到沉淀弃土场。6时泥浆泵定额 流量 1 5 0 m h ， 扬程 1 8 1t i ， 效率 6 8 ， 使用 流量可达 1 0 0 ill h 。6台泥浆泵 1 d可抽 1 4 0 0 0 it i 泥浆 ， 排渣 可达 4 0 0 0 il l ， 能满足下沉进度要求。如图 3所示 。 泥 面大锅 底 深 达 5 i l l 图 3 沉井射水泵吸排渣 图 m3 h ； 下沉过程中应采取措施防止出现涌水翻砂 ： 周边 井壁刃脚埋深应对称一致 ， 不低于 1 1t i ； 备用发电机 ， 确保正常供电； 应有备用潜水泵 ， 确保深井降水正常运 行； 沉井外降水与沉井内开挖应保持同步进行。 首次于 6月 2日开始排水下沉 ， 历时 1 4 d ， 沉井下 沉了 1 4 m， 平均每天下沉 1 m； 初期因地基加固后土体 承载力高， 下沉速度慢 ， 后期下沉越来越快， 达 1 8 m d ， 如图4所示