鎮(zhèn)江五峰山長江大橋北錨碇沉井施工監(jiān)控管理

張健健

(中鐵武漢大橋工程咨詢監(jiān)理有限公司，湖北 武漢 430050)

1 概述

江蘇省鎮(zhèn)江市五峰山長江大橋?yàn)楣F合建特大型長江橋，主橋跨江設(shè)計(jì)為(84+84+1 092+84+84)m的鋼桁梁懸索橋結(jié)構(gòu)。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，北錨碇沉井基礎(chǔ)尺寸為100.7×72.1×56(長×寬×高)，其中第1節(jié)為鋼殼混凝土沉井結(jié)構(gòu)、第2節(jié)～第10節(jié)為混凝土沉井結(jié)構(gòu)(見圖1)。沉井采用矩形截面，標(biāo)準(zhǔn)壁厚2.0 m，隔墻厚1.3 m，中間共設(shè)置48個(gè)(10.2×10.9)m的矩形井孔，其中后端18個(gè)井孔用C20水下混凝土填充，中間18個(gè)井孔用砂填充，前端12個(gè)井孔用清水填充。

2 監(jiān)控工作內(nèi)容

2.1 監(jiān)控的目的

1)確保施工全過程中，沉井基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的安全、沉井幾何位置及姿態(tài)滿足設(shè)計(jì)要求。

2)通過對沉井在施工過程中的狀態(tài)(幾何姿態(tài)、應(yīng)力及變形)各項(xiàng)控制指標(biāo)的監(jiān)測，及時(shí)對沉井當(dāng)前的施工狀態(tài)進(jìn)行評估及對后續(xù)施工進(jìn)行預(yù)判。若施工過程中出現(xiàn)異常情況，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)，提出切實(shí)可行的調(diào)整措施。

3)在沉井施工過程中，需要對沉井周邊鄰近重要建筑物進(jìn)行監(jiān)測，全面了解沉井施工對周邊鄰近重要構(gòu)建物(過江電塔、長江大堤)的影響情況，以保證沉井施工周邊環(huán)境及施工變形可控[1]。

2.2 監(jiān)控的難點(diǎn)

該沉井體積龐大，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較柔加上地質(zhì)條件復(fù)雜，特別是加固處理后的地基參數(shù)與原始地質(zhì)勘測結(jié)果相差甚多，難免會給沉井下沉施工帶來很多困難。因此，合理的監(jiān)測方法加上滿足規(guī)范頻次的監(jiān)測頻率，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)分析總結(jié)，提出合理化建議，才是控制沉井下沉姿態(tài)狀態(tài)可控的根本，這樣才能確保沉井結(jié)構(gòu)安全。

2.3 監(jiān)控內(nèi)容

根據(jù)規(guī)范要求及結(jié)合本工程實(shí)際特點(diǎn)、現(xiàn)場監(jiān)測內(nèi)容如表1所示。

3 監(jiān)測方法及測點(diǎn)布置

3.1 底部土壓力監(jiān)測

1)監(jiān)測方法。

監(jiān)測采用標(biāo)定檢校合格的振弦式土壓力盒。根據(jù)工程設(shè)計(jì)地質(zhì)勘察資料數(shù)據(jù)分析，并考慮到方便監(jiān)測，以及沉井下沉?xí)r對周邊土體的侵?jǐn)_、擾動，對刃口反力計(jì)采用經(jīng)鑒定合格，量程選用大于2.0 MPa。

2)測點(diǎn)布置。

在靠近沉井井壁以及隔墻底部布置34個(gè)土壓力盒，用于監(jiān)測沉井下沉過程中沉井底部土體的反力。

表1 沉井結(jié)構(gòu)施工下沉監(jiān)測項(xiàng)目表

3.2 井壁土壓力監(jiān)測

在下沉過程中，下沉阻力除了要考慮刃腳反力外，還要考慮井壁摩擦力，對于井壁摩擦力，主要還是以測量側(cè)壁土壓力的方式進(jìn)行，采用井壁埋設(shè)土壓力盒測量。

1)監(jiān)測方法與刃腳土壓力相同。

2)測點(diǎn)布置。

測點(diǎn)布置在沉井第2節(jié)～第10節(jié)井壁外側(cè)，高度方向位于每節(jié)井壁中間。

3.3 結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測

1)監(jiān)測內(nèi)容。

監(jiān)測沉井各關(guān)鍵截面的應(yīng)力應(yīng)變，沉井下沉過程中主要監(jiān)測每次接高后下沉?xí)r結(jié)構(gòu)的頂面和底面(即第1，3，4，6，10節(jié)沉井的頂面)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

2)監(jiān)測手段及測點(diǎn)布置。

對于鋼殼應(yīng)力的監(jiān)測，原測點(diǎn)于鋼板內(nèi)側(cè)水平布置，布置的位置位于首節(jié)沉井底部部位，共布置22個(gè)測點(diǎn)；新增32個(gè)測點(diǎn)布置的位置位于首節(jié)沉井刃腳及隔墻外壁靠近底部部位。

3.4 沉井下沉姿態(tài)監(jiān)測

利用北斗+GPS實(shí)時(shí)監(jiān)測沉井4個(gè)角點(diǎn)的三維幾何坐標(biāo)，通過程序自動計(jì)算，從而實(shí)時(shí)掌握沉井的傾斜度、水平位移與水平扭轉(zhuǎn)等幾何姿態(tài)的變化信息。在沉井四條邊中點(diǎn)、沉井中心點(diǎn)及四個(gè)角點(diǎn)共布置9個(gè)測點(diǎn)。

在每個(gè)測點(diǎn)位置布置自動撓度儀實(shí)時(shí)監(jiān)測各測點(diǎn)相對于角點(diǎn)的相對高程，即可得出沉井軸線以及各邊的撓度曲線。

1)沉井中心平面位置。

通過觀測得到的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對沉井四周測量實(shí)測數(shù)據(jù)的分析結(jié)果和理論結(jié)果進(jìn)行比較，確定每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的x,y坐標(biāo)偏差值，根據(jù)計(jì)算模型，利用沉井四周監(jiān)測點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算出沉井中心坐標(biāo)，和沉井中心的理論位置比較，可以得出沉井中心的平面位置偏差值[2]。

2)沉井下沉深度。

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙及規(guī)范要求，監(jiān)測下沉量及其在平面分布上的均勻性是沉井施工過程中的最重要的監(jiān)控內(nèi)容，是本次項(xiàng)目監(jiān)測重點(diǎn)。通過沉井的下沉量及其差異的監(jiān)測，能夠及時(shí)、直觀地了解沉井制作和下沉過程中的施工狀態(tài)并為沉井下沉施工和糾偏提供依據(jù)，沉井倉位井孔示意圖如圖2所示。

3)沉井傾斜度。

通過監(jiān)測沉井角4個(gè)控制點(diǎn)高程，可以計(jì)算出沉井的傾斜度。沉井傾斜度的測定是通過4個(gè)測點(diǎn)之間高差和距離相比求得。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測，直接測出測點(diǎn)之間的高差，然后推算出沉井的傾斜值[3]。

4)沉井扭轉(zhuǎn)。

根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測所測得的4個(gè)角控制點(diǎn)1′，2′或3′，4′的坐標(biāo)求出它們與橋軸線的夾角，即為沉井扭角。

5)沉井撓度。

根據(jù)監(jiān)測各點(diǎn)相對標(biāo)高數(shù)據(jù)，可以較準(zhǔn)確的推算出沉井軸線及各條長邊、短邊的撓度曲線。

3.5 塔吊區(qū)域混凝土應(yīng)力監(jiān)測

塔吊布置在沉井井壁體順橋向和橫橋向的中間位置，塔吊基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)預(yù)埋在沉井井壁內(nèi)，塔吊隨著井壁接高而接高，為確保塔吊的安全使用，沉井下沉過程中需特別針對塔吊基礎(chǔ)區(qū)域混凝土的應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測。

3.6 沉井周邊鄰近建筑物適時(shí)沉降監(jiān)測

本項(xiàng)目北錨碇緊鄰長江大堤，處于防洪一級階地，因根據(jù)規(guī)范及監(jiān)測方案要求，制訂切實(shí)可行的實(shí)施措施，對沉降施工及降水助沉引起土內(nèi)細(xì)顆粒移動造成的損耗流失，以及應(yīng)對土體有效應(yīng)力增加不規(guī)律，從而容易導(dǎo)致沉井周邊地基土的變形、開裂、不均勻沉降、塌陷等病害，若控制不當(dāng)，變形加劇，極易引起長江大堤因不規(guī)則不均勻沉降而產(chǎn)生裂縫、管涌等病害，影響長江大堤的安全渡汛和防洪安全。在沉井200 m范圍內(nèi)還有1座過江高壓電力電塔，也需針對高壓電力電塔的基礎(chǔ)進(jìn)行定期沉降監(jiān)測。

3.7 沉井刃腳處泥面監(jiān)測

采用人工用測繩定時(shí)測量井壁及隔墻刃腳泥面標(biāo)高，采用三維圖像聲吶系統(tǒng)進(jìn)一步真實(shí)了解井壁刃腳埋深情況，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和沉降特點(diǎn)，在每個(gè)井艙布置8個(gè)監(jiān)測控制測點(diǎn)，累計(jì)384個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測頻率為1次/6 h，根據(jù)現(xiàn)場施工工況及開挖功效，對應(yīng)調(diào)整監(jiān)測頻次，本項(xiàng)目采用的三維聲吶型號為德國Blue View 5000，該設(shè)備可在水下地形、結(jié)構(gòu)和目標(biāo)物的生成高分辨圖像，聲吶采用緊湊型低重量設(shè)計(jì)，便于在三腳架或ROV上進(jìn)行安裝，該聲吶設(shè)備可生成類似于光學(xué)全息效果的水下目標(biāo)的三維點(diǎn)云立體圖像，通過計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算，生成的圖像如圖3所示。

3.8 沉井內(nèi)外水位監(jiān)測

排水下沉?xí)r，井外水位控制開挖面與-8 m之間；在進(jìn)行不排水法施工時(shí)，尤其是終沉階段，要對沉井內(nèi)外水位進(jìn)行監(jiān)測，控制井內(nèi)水位高于地下水位不小于2.0 m。以免發(fā)生基底翻砂、管涌，造成周圍地基塌陷，影響周圍結(jié)構(gòu)物的使用安全。沉井外水位監(jiān)測在沉井拐角處選取一口降水井作為地下水位觀測井，采用滲壓計(jì)監(jiān)測水位；沉井內(nèi)水位監(jiān)測選取48號隔艙進(jìn)行水位監(jiān)測，采用激光液位計(jì)監(jiān)測水位[4-5]。

4 監(jiān)控控制要點(diǎn)

根據(jù)已批復(fù)的北錨碇沉井施工監(jiān)控方案，對下沉開挖方式、開挖深度、吸泥區(qū)域控制、刃腳埋深、水位控制、沉井姿態(tài)、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)預(yù)警制定相應(yīng)措施進(jìn)行控制。

1)開挖方式：第一次采取排水輔助下沉，第二次與第三次采取不排水下沉，第二次下沉分8區(qū)下沉吸泥至刃腳標(biāo)高-15 m后，采取分4區(qū)吸泥。第三次下沉按保留核心土(中間4個(gè)井孔)開挖至-45 m，最后-45 m～-55 m 根據(jù)下沉分析計(jì)算，盡量控制開挖深度。

2)開挖深度：各吸泥單元之間泥面高差控制在1.0 m～2.0 m以內(nèi)，不同下沉方法要求不同。根據(jù)實(shí)際方法和現(xiàn)場下發(fā)下沉指令進(jìn)行檢查。

3)吸泥區(qū)域控制：每個(gè)單元有嚴(yán)格的吸泥區(qū)域控制，根據(jù)現(xiàn)場下發(fā)下沉指令進(jìn)行監(jiān)理。

4)刃腳埋深控制：第一次排水下沉刃腳埋深控制不小于1 m;第二次不排水下沉刃腳埋深控制不小于2 m，根據(jù)現(xiàn)場下沉指令進(jìn)行控制;第三次下沉井壁刃腳埋深控制1 m，中間24井艙隔墻埋深控制在-1 m，采用空氣幕助沉。

5)沉井姿態(tài)：沉井四角高差控制在40 cm以內(nèi)(黃色預(yù)警值15 cm，橙色預(yù)警值25 cm，紅色預(yù)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內(nèi)水位高于井外水位不小于2 m。

7)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)預(yù)警：預(yù)警值為極限值的60%，當(dāng)監(jiān)控值達(dá)到預(yù)警值時(shí)，引起重視。報(bào)警值為極限值的80%，當(dāng)監(jiān)控值達(dá)到報(bào)警值時(shí)，現(xiàn)場暫停施工，現(xiàn)場指揮小組(指揮部、監(jiān)理單位、設(shè)計(jì)代表、施工單位)進(jìn)行開會研判并制定應(yīng)對措施,如表2所示。

表2 沉井監(jiān)控控制標(biāo)準(zhǔn)表

5 結(jié)語

本橋的特點(diǎn)是超大跨度、超重荷載、超大沉降，從施工準(zhǔn)備到沉井安全平穩(wěn)下沉到指定標(biāo)高耗時(shí)近兩年。沉井竣工復(fù)核檢查數(shù)據(jù)為，頂面中心位置偏差縱橋向：3 cm，橫橋向：7.2 cm，傾斜度縱橋向：0.11%，橫橋向：0.24%，平面扭角：0.045°，頂面高程偏差：2.1 cm，各項(xiàng)檢測指標(biāo)均滿足驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求。其中的施工工藝相比以往沉井下沉，由量到質(zhì)的改變，形成一套超大陸地沉井下沉的工藝工法。從結(jié)構(gòu)分析、開挖方式、姿態(tài)控制、竣工復(fù)核等各環(huán)節(jié)，下沉總體原則“同步取土、均勻下沉”及“兩線法”(水位線、泥面線)控制，注重各個(gè)環(huán)節(jié)監(jiān)控，保證了施工質(zhì)量，對同類橋梁建設(shè)具有很好的指導(dǎo)意義。