溫州甌江北口大橋中塔沉井取土下沉施工技術(shù)

潘 濟(jì)，于宏偉

1.溫州甌江口大橋有限公司，浙江 溫州 325026

2.中鐵大橋局集團(tuán)第四工程有限公司，江蘇 南京 210031

1 概述

溫州甌江北口大橋?yàn)閷幉ㄖ翓|莞國家高速公路（上層）和國道228線（下層）共線過江的雙層公路橋梁，橋址位于甬臺(tái)溫高速公路溫州大橋下游15km處，全長2178m，主橋?yàn)?15m+2×800m+275m三塔四跨雙層鋼桁梁懸索橋，橋式布置形式如圖1所示。主橋中塔縱橋向?yàn)椤癆”形鋼筋混凝土剛性結(jié)構(gòu)、橫橋向?yàn)殚T形鋼筋混凝土剛性結(jié)構(gòu)，塔高142m；中塔采用沉井基礎(chǔ)，沉井下部為填充混凝土鋼殼結(jié)構(gòu)，上部為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。沉井橫橋向?qū)?6m，縱橋向?qū)?5m，總高68m，其中，鋼筋混凝土沉井高9m，鋼沉井高59m，平面布置為21個(gè)尺寸為11.36m×9.16m的井孔，周邊四角井孔設(shè)置成圓端形，形成連拱，中塔沉井結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 溫州甌江北口大橋主橋橋式布置（單位：m）

圖2 溫州甌江北口大橋中塔沉井基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)圖（單位：cm）

對(duì)溫州甌江北口大橋中塔沉井進(jìn)行全方位地質(zhì)鉆探，中塔沉井工程地質(zhì)剖面圖如圖3所示。

圖3 溫州甌江北口大橋中塔沉井工程地質(zhì)剖面圖

對(duì)比沉井下沉各階段土體的力學(xué)性質(zhì)，該項(xiàng)目沉井下沉階段采用了抓斗、空氣吸泥機(jī)、正循環(huán)鉆機(jī)、反循環(huán)鉆機(jī)等不同的取土機(jī)械進(jìn)行取土施工。文章以溫州甌江北口大橋中塔沉井基礎(chǔ)施工為背景，主要講述中塔鋼沉井取土下沉施工方案及關(guān)鍵技術(shù)。

2 沉井取土下沉施工方案

鋼沉井著床前預(yù)先在沉井墩位處進(jìn)行河床預(yù)防護(hù)，主要做法為采用級(jí)配碎石進(jìn)行預(yù)先拋填，既可減少河床沖刷，又可兼做后期抗臺(tái)措施，沉井下沉施工主要施工步驟為沉井著床后清除預(yù)防護(hù)層使沉井刃腳進(jìn)入土層，后期在沉井范圍內(nèi)進(jìn)行取土施工使沉井下沉至設(shè)計(jì)深度。

經(jīng)過多方案比選論證，綜合考慮施工功效等因素，該項(xiàng)目沉井在下沉過程中取土主要方案為防護(hù)層采用抓斗抓取方案、淤泥流塑狀態(tài)下采用傳統(tǒng)的空氣吸泥機(jī)吸泥方案、淤泥質(zhì)黏土層采用抓斗配合絞吸機(jī)以及正循環(huán)鉆機(jī)取土方案、粉質(zhì)黏土層和卵石層采用反循環(huán)鉆機(jī)取土方案。

3 沉井取土下沉施工技術(shù)

3.1 沉井3m防護(hù)層取土施工技術(shù)

沉井著床后按照既定方案需要清除沉井范圍內(nèi)的防護(hù)層，便于沉井進(jìn)入土層，進(jìn)行后續(xù)下沉施工。

沉井在此施工階段由于沉井干舷高度的原因，沉沒比不滿足空氣吸泥的要求，無法采用空氣吸泥機(jī)對(duì)井孔內(nèi)的碎石進(jìn)行吸除施工，故采用在沉井平面設(shè)置平臺(tái)的方式，利用抓斗吊機(jī)進(jìn)行分區(qū)、分層抓取施工，使沉井平穩(wěn)穿越防護(hù)層。

3.2 淤泥質(zhì)流塑土層取土施工技術(shù)

中塔第10節(jié)鋼沉井接高完成，鋼沉井整個(gè)鋼沉井刃腳處于淤泥層。在淤泥質(zhì)流塑土中首先采用的是傳統(tǒng)的空氣吸泥機(jī)進(jìn)行吸泥施工，具體做法為在沉井頂面安裝吸泥管路，采用吊裝設(shè)備起吊空氣吸泥機(jī)在沉井各個(gè)井孔內(nèi)進(jìn)行分層吸泥施工，由于漲落潮的影響及吸泥階段井孔內(nèi)水量的流失，為滿足空氣吸泥機(jī)施工的過程中的沉沒比需求，在吸泥階段需采用水泵向井孔內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)水以滿足施工需求。

后期由于取土深度的不斷增加，淤泥質(zhì)土體的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，固結(jié)效應(yīng)明顯增強(qiáng)，采用傳統(tǒng)的空氣吸泥施工時(shí)只在吸泥機(jī)施工的初段、小范圍內(nèi)適用，后期在井孔內(nèi)的土體往往形成蜂窩狀結(jié)構(gòu)，土體不易坍塌且不形成漿體，空氣吸泥機(jī)的施工效率明顯下降，鑒于此種情況，在淤泥質(zhì)流塑土中改用原先的抓斗吊進(jìn)行土體的抓取施工，施工方法與防護(hù)層抓取類似。

3.3 淤泥質(zhì)黏土層絞吸＋高壓射水施工技術(shù)

隨著鋼沉井入土逐漸加深，沉井取土逐漸進(jìn)入淤泥質(zhì)黏土層，抓斗抓泥施工效率明顯降低，主要原因如下：

（1）隨著取土深度的不斷增加，抓斗從沉井頂工作面到泥面來回時(shí)間增加，嚴(yán)重影響了取土效率。

（2）較深處的淤泥質(zhì)黏土強(qiáng)度高、黏性大，抓斗設(shè)備重量輕，種種因素疊加，導(dǎo)致抓斗無法刺入土層，無法實(shí)現(xiàn)取土施工。

針對(duì)抓斗吊機(jī)在淤泥質(zhì)黏土中取土效率逐漸降低的問題，該項(xiàng)目采用了絞吸機(jī)配合彎頭射水工藝進(jìn)行取土施工。具體方案為在沉井頂部安裝吸泥管路，采用起吊設(shè)備起吊絞吸機(jī)對(duì)井孔內(nèi)土體進(jìn)行絞吸取土施工，在井壁及隔艙下的施工盲區(qū)內(nèi)采用彎頭射管對(duì)土體進(jìn)行沖水，加快土體垮塌，便于絞吸機(jī)取土。

3.4 淤泥質(zhì)黏土層鉆孔吸泥（正循環(huán)）施工技術(shù)

隨著沉井的不斷下沉，取土深度的不斷增加，絞吸機(jī)取土效率降低比較明顯，綜合考慮原因如下：

（1）漏電。①隨水深加大電纜接頭防水密封性差，有泥水侵入，易導(dǎo)致漏電跳閘；②電纜線較長，在絞吸機(jī)作業(yè)時(shí)電纜易刮碰破損或絞斷；③電機(jī)繞組引出線與電纜接頭處滲漏。

（2）土體強(qiáng)度高、黏性大易導(dǎo)致糊鉆，導(dǎo)致絞吸機(jī)過載燒電機(jī)。

（3）橋位地處于淡水與海水的交界處，在此環(huán)境下絞吸機(jī)結(jié)構(gòu)的腐蝕嚴(yán)重。

綜合以上原因，隨著施工水深的增加，作業(yè)環(huán)境差，絞吸機(jī)的損壞率大幅度提升，甚至下水后運(yùn)轉(zhuǎn)幾分鐘就無法使用，施工效率明顯降低。鑒于單純使用抓斗、空氣吸泥機(jī)、絞吸機(jī)已經(jīng)無法滿足沉井取土需要，該項(xiàng)目經(jīng)過調(diào)研、考察后創(chuàng)新性地引入正循環(huán)鉆機(jī)配合空氣吸泥機(jī)進(jìn)行沉井取土施工，具體做法為將鉆機(jī)平臺(tái)與沉井頂面進(jìn)行有效連接，正循環(huán)鉆機(jī)放置在鉆機(jī)平臺(tái)上，通過鉆機(jī)的不斷鉆進(jìn)從而攪動(dòng)固結(jié)的黏土層，使土體與水拌和形成漿體，最后采用空氣吸泥機(jī)配合吸泥施工。通過在各個(gè)井孔內(nèi)不斷的移動(dòng)正循環(huán)鉆機(jī)與空氣吸泥機(jī)分層、分區(qū)域進(jìn)行取土施工。

3.5 粉質(zhì)黏土層及卵石層鉆孔吸泥（反循環(huán)）施工技術(shù)

由于正循環(huán)鉆機(jī)在沉井取土的過程中只發(fā)揮切削土體的作用，而最終的排泥作業(yè)仍然要依靠空氣吸泥機(jī)進(jìn)行，整個(gè)施工過程并不連貫，為了增強(qiáng)施工的整體性，提高施工效率，該項(xiàng)目引入反循環(huán)鉆機(jī)進(jìn)行沉井取土施工，相對(duì)于正循環(huán)鉆機(jī)配合空氣吸泥機(jī)的組合，可實(shí)現(xiàn)取土排泥一體化。

反循環(huán)鉆機(jī)取土具體做法為在沉井頂面支架上設(shè)置排泥管路并與反循環(huán)鉆機(jī)相連，反循環(huán)鉆機(jī)設(shè)置于沉井頂部的吸泥支架上，通過滑道上設(shè)置的牽引系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)前后、左右移動(dòng)，完成井孔取土施工。

4 結(jié)束語

溫州甌江北口大橋中塔沉井取土下沉階段采用了多種取土機(jī)械，包括抓斗、空氣吸泥機(jī)、絞吸機(jī)、正循環(huán)鉆機(jī)、反循環(huán)鉆機(jī)，歷經(jīng)在防護(hù)層、淤泥、淤泥質(zhì)黏土、卵石層等不同土層的下沉施工，施工周期長，地質(zhì)情況復(fù)雜，施工工序轉(zhuǎn)換多。與傳統(tǒng)單純采用空氣吸泥機(jī)取土方式相比，該項(xiàng)目針對(duì)不同土層采用不同的取土設(shè)備，克服了復(fù)雜地質(zhì)條件下沉井取土下沉的難題，可操作性更強(qiáng)，提高了沉井取土下沉的施工效率，減少了施工的安全質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。沉井分階段取土下沉施工技術(shù)在溫州甌江北口大橋的成功運(yùn)用，豐富了沉井取土下沉的施工方法，可為今后深水橋梁沉井基礎(chǔ)在復(fù)雜地質(zhì)情況下取土下沉施工提供參考與借鑒。