南京长江第四大桥北锚碇沉井施工技术方案综述_牛亚洲（6页）.pdf

1、公路2010 年 6 月第 6 期HIGHWAY Jun.2010No.6文章编号:0451-0712(2010)06-0001-05中图分类号:U443.131文献标识码:B南京长江第四大桥北锚碇沉井施工技术方案综述牛亚洲,田 欣,郝胜利,荆刚毅,蒋能世(中交二公局第二工程有限公司西安市710119)摘要:南京长江第四大桥北锚碇基础为超大陆上沉井,结构规模庞大,其平面规模为目前世界桥梁陆地沉井之首,详细介绍了沉井施工中的地基加固、钢壳拼装、出土下沉、沉井封底等技术方案。关键词:悬索桥;锚碇;沉井;施工1 简介南京长江第四大桥为双塔三跨钢箱梁悬索桥,主跨跨径为 1 418 m。其北锚碇采用大型

2、深沉井基础方案,平面尺寸为 69 m 58 m,下沉深度为52.8 m,其平面规模为目前世界 桥梁陆地沉井之首。沉井所处位置濒临长江大堤,地质条件极为复杂,沉井基础底部支撑在层厚很薄的圆砾石层上,这都给北锚碇沉井的下沉施工带来诸多不确定因素,在沉井下沉施工中存在以下诸多难点:(1)沉井基础的平面尺寸庞大,下沉规模居世界前列,现场施工组织难度大;(2)沉井所处位置地质以砂层为主,且粉砂和细砂层较厚,易出现涌砂等不利状况;(3)在沉井下沉后期,须穿过较厚的密实砂层,地基承载力较大,最终沉井支撑在密实的圆砾石层,仅靠自重下沉困难;(4)在沉井接高施工过程中,每次浇注的混凝土方量较大,对浇注设备及工艺

3、的要求较高,且浇注过程中不能产生过大的下沉和偏斜;(5)沉井下沉施工过程不可见,下沉过程中降排水对长江大堤及附近结构物有不同程度的影响,必须采用先进的监控措施和施工控制手段。2 工程概况北锚碇沉井为矩形结构,共分 20 个井孔,总高度为 52.8 m,共分为 11 节,其分节高度为 6 m+95 m+1.8 m=52.8 m,除第 1 节为钢壳混凝土沉井外,其余 10 节均为钢筋混凝土沉井,其结构如图 1 所示。北锚碇所属区域属于漫滩地貌,地势平坦,地面标高+3.93 +4.32 m,地下水位埋深 0.70 1.20 m。地表岩性为第四纪全新世黏性土,近长江水域地表岩性为砂类土,地形微向长江倾

4、斜。由于基底下部为圆砾石、砾砂层,渗透系数大,透水条件好,水量大(根据抽水试验报告,基坑涌水量达 39 230.93 m3/d),且其与长江相连通,施工时易产生涌水、涌砂等现象。沉井基础采用砂桩复合地基处理方式,在满足接高稳定性的情况下,采取多次接高一次下沉的方法:前 4 节(6 m+35 m)采用一次性降排水下沉,后 7 节采用分 3次不排水下沉。3临时地基加固施工沉井规模庞大,浅表地基承载能力差,为确保下沉稳定,需对沉井处地基进行加固,采用砂桩复合地基加固方法。地基加固后用 50%粉砂+50%石屑换填地表软弱土层,并设置满足前 4 节沉井浇筑的土模。地基加固处理施工顺序:基坑 2.0 m

5、深首次开挖(轻型井点降水)试验砂桩平板载荷试验砂桩施工 基 坑 2.5 m 深二次开 挖并换填1.4 m厚砂垫层(同步进行垫层平板载荷试验)土模制作。收稿日期:2010-05-12单位:cm图 1北锚碇沉井基础结构布置3.1砂桩施工沉井基础原地面标高为+4.3 m,首次放坡开挖 2.0 m 深,在开挖后的地面上进行砂桩打设施工。砂桩布置在沉井刃脚及隔墙下土层,梅花形设置,通过前期砂桩试验确定砂桩桩径 50 cm,砂桩底标高为-12.0 m,桩距为 1.2 m。砂桩数量为 2 885根,用砂量约 8 751 m3(考虑 1.12 的松方系数)。投入 4台 JGZ 90Y 型沉管桩机,每天每台机器

6、约完成 30 根桩。3.2 基坑开挖及砂垫层施工基坑开挖分两次进行,首次开挖深度 2.0 m,根据砂桩试验确定的地基处理参数,在整平的坑底上打2 公路 2010 年第 6 期设砂桩,砂桩施工完成后二次开挖地基 2.5 m 深,最后进行 1.4 m 厚50%粉砂+50%石屑垫层施工。因基坑开挖面积大,地下水位高,开挖换填期间采取了轻型井点降水措施,降水深度 5 6 m。换填的50%粉砂+50%石屑分层进行压实,通过平板载荷试验,井壁及隔墙下地基承载力均满足设计要求,沉井受力均匀,满足制作、下沉施工的工艺要求。4 沉井钢壳拼装及混凝土浇筑接高4.1沉井钢壳制作与拼装沉井底节为钢壳填充混凝土结构,平

7、面周边为井壁,中间为四纵三横的隔墙,采取平面分块制造安装,即分为 9 类,共 103 个节段,钢沉井最大块段尺寸为 7.88 m(长)5.4 m(高)1.6 m(宽),单块段重量最大为 10.9 t。为确保钢壳加工质量及进度,委托附近专业造船厂进行钢壳节段制作与拼装,通过长江水运至工地,采用 50 t 履带吊进行拼装。首先吊装西北角的A2节段,以此节段作为定位基准段,再在其四周吊装焊接,依次拼装完成。拼装过程中,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。确保沉井安装的几何尺寸、结构轴线、对角线、倾斜度以及平面扭转角度等参数的偏差满足设计和规范要求。4.2沉井接高混凝土浇筑模板采用

8、组合钢模板,设计高度为 5.5 m,分 3层按 0.5 m+4.5 m+0.5 m 进行接高。沉井纵桥向两侧沿桥轴线各布置 1 台移动式 175 t m 塔吊,另外再配 2台 50 t 履带吊,进行钢筋、模板等吊装作业。混凝土采用 2 台 120 m3/h 混凝土搅拌站生产供应,6 台 8 m3混凝土运输车,采用 4 台拖泵接泵管配 4 套布料杆进行混凝土浇筑。为防止沉井在混凝土浇筑过程中出现倾斜,填充混凝土时分仓分层,每层厚度不超过 50 cm,自中间向四周、先隔墙后井壁的顺序,对称均匀地浇筑,确保对沉井均衡加载。首节钢沉井混凝土采用全断面浇筑,钢筋混凝土沉井采用“跳仓法”对角对称分区浇筑施

9、工,混凝土沉井在平面上分 4 个区,对角区域同时对称进行浇筑,以减少井壁及隔墙混凝土单次浇筑最大长度,满足设计对大体积混凝土施工的要求。4.3沉井垫块抽除在首节钢壳沉井拼装时,为了支垫和调平,在钢壳沉井井壁和隔墙底部铺设了 25 cm 厚的混凝土垫块,以防止钢壳沉井土模变形变位。根据钢壳节段结构的差异,混凝土垫块在平面尺寸上分为 3种,共计 186 块。垫块抽取过程中进行跟踪测量监控,共分两阶段进行:(1)钢壳拼装完成后,即开始分区、对称同步抽取刃脚及分区隔墙下的混凝土垫块,垫块抽出时,及时用砂回填并用水冲实;(2)前 4 节接高完成后,首次降排水下沉时,在高压水枪冲土的过程中,再对称抽取一般

10、隔墙下垫块。5沉井出土下沉沉井平面尺寸大,下沉深度深,偏差、高差、倾斜度、平面扭转角均要控制在允许范围内,难度非常大,下沉是沉井工程的最大施工难点。沉井下沉分排水 下沉 和 不排 水下 沉,其 中 排水 下 沉深 度19.6 m,不排水下沉深度 33.2 m。5.1 排水下沉沉井 接 高 前 4 节,总 高 度 为 21 m,重 量7.0万 t,首次排水下沉 19.6 m,全刃脚支撑条件下,下沉系数为 2.16。5.1.1深水井降水沉井中心南距长江大堤约为 120 m,沉井降排水下沉施工期定时对长江大堤的沉降进行观测,并制定了防水帷幕的长江大堤防护预案,确保了长江大堤安全。(1)深井降水计算。

11、为最大限度地发挥降水井的降水效能,在距离沉井四周井壁外侧17 m 和22 m 处交错布置 2 排降水井。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,对基坑涌水量进行估算,再根据单井出水能力确定降水井数量。(2)降水井施工布置。根据现场抽水试验情况及沉井计划降排水下沉深度,抽水井井深为 35 m,滤管长 20 m,成井管径 325 mm 和 273 mm 两种,共打设 32 口,325 和 273 各 16 口。另外,在沉井大堤侧间隔布置了 3口观测井,用于监测降水情况。管径 325 和 273 两 种 抽 水 井分 别 采 用125 m3/h和 85 m3/h 水泵。深井降水是配合沉井

12、内开挖下沉,开挖面要高32010 年第 6 期牛亚洲等:南京长江第四大桥北锚碇沉井施工技术方案综述于降水面 0.5 1.0 m,防止沉井内产生涌水涌砂。首次降水时,首先开启周边 8 口,随着下沉深度不断加深,加大降水力度,最终开启 28 口管井抽水,抽水量达 4 万 4.5 万 m3/h。5.1.2 沉井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泥浆沉淀池。泵吸由中间向四周,均匀对称,分层进行,循序渐进;先将中间 6 个井孔挖

13、成一个较大的锅底,然后在下沉过程中逐渐开挖形成大锅底,最后形成全刃脚支撑的大锅底。20个井孔配20 台 NL10028型泥浆泵,配套布置40 套 3B57 高压射水设备。为提高工效,每套泥浆泵配一套功率为 22 kW 的加力泵,辅助往外吸泥。下沉过程中采取了以下防止出现涌水涌砂措施预案:备用发电机及双电源系统,确保正常供电;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。5.2 不排水下沉不排水下沉采用空气吸泥机吸泥下沉,穿越粉砂层、中砂层、细砂层,最终支撑在密实圆砾层上。5.2.1空气吸泥设备沉井 20 个隔仓,布置 20 套空气吸泥设备。空气吸泥设备包括:进气管路、

14、空气吸泥器、排泥管路、高压射水装置等。不排水下沉共投入 16 台功率为22 m3/min 空压机、20 台高压水泵、12 台泥浆泵、10台龙门吊,是沉井施工过程中投入设备最大的项目。在不排水下沉过程采用 d325 mm 空气吸泥机。具体装置如图 2所示。图 2空气吸泥装置 起重设备为净高 6.56 m,宽 9.82 m,起吊重量10 t 的龙门吊。门吊在南北方向行走,电动牵引。5.2.2 吸泥原理当空气吸泥装置工作时,压缩空气沿进气管进入空气箱以后,通过内管壁上的一排排小孔眼进入混合管,在混合管内与水混合,形成容重小于 1 的气、水混合物。当送入压缩空气足够充足,空气箱在水面以下又有相当的深度

15、,混合管中的混合物在管外水头压力的作用下,便顺着排泥管上升而排出井外。压缩空气不断地被送入空气箱、混合管,混合后的泥浆空气混合物不断地排到井外,沉井便慢慢地切土下沉。由此可知,供气量越大,气、水、土混合物的容量越小,压差越大,吸泥效果越好;水深越大,吸泥效果也越好。但是过大的供气量将使每单位体积空气的有效除土量降低,效果反而不好,并容易造成浪费。5.2.3空气吸泥吸泥工艺(1)施工工艺流程。首先由低压水泵向沉井内供水,以保持沉井内的水头压力,然后由附设在空气吸泥管上的高压水枪冲泥,启动空气吸泥机将泥浆排放至泥浆沉淀池沉淀。(2)空气吸泥机取土下沉。沉井下沉按照“定位准确、先中后边、对称取土、4

16、 公路 2010 年第 6 期深度适当”的原则进行。在深井位置共安装 20 套空气吸泥机,布置于20 个隔仓。吸泥顺序从中间 6 个隔仓开始,对称同步向四周扩散形成大锅底吸泥。5.3沉井下沉监测监控沉井下沉过程中,尤其下沉初期,需要实时对沉井进行测量和监控,以掌握沉井下沉过程中的几何姿态和结构受力是否安全。主要监控措施有:(1)通过光学仪器对下沉量、四角高差、偏位进行测量,及时了解下沉速度,并进行纠偏,确保沉井下沉过程中姿态满足设计及规范要求;(2)通过预先埋设在首节沉井钢壳内的钢筋计及钢板计,获得基底反力以及沉井混凝土的应力应变数据,并在进行分析后,及时消除应力集中现象,确保沉井结构受力安全

17、;(3)通过预先埋设在井壁凹凸齿坎位置的土压力计,对沉井侧壁摩阻力进行监测,用于指导施工,配合下沉;(4)对大堤、施工便道及附近建筑物等布点监测,随时掌握由于降水引起的沉降情况。5.4沉井最后一次下沉时的助沉措施北锚碇沉井在不排水下沉后期,由于圆砾石清除困难,使得沉井刃脚处的支撑力较大,沉井下沉变得困难。根据北锚碇的特点,以及国内类似大型沉井施工经验,采用了“预先增大重度系数”、“砂套结合空气幕”的助沉措施。6 沉井封底设计封底厚度为 10.5 m,混凝土总方量为30 662 m3,根据分区隔墙布置分 4 个大区先后进行分区浇筑。沉井下沉接近设计标高时,加强观测,待12 h 沉降量小于 10

18、mm 时,进行封底施工。灌注封底水下混凝土时,、两个分区封底各需导管 12 套,、两个区域各需导管 18 套。用 4台拖泵+2 辆汽车泵连续浇筑,一次到设计标高。导管安装前逐根进行压水试验,在 0.6 MPa 的压力下不漏水的导管方可使用。封底混凝土尽管是分区进行浇筑的,但每个区的混凝土方量都相当大,采用分批开管连续浇筑的方案。沉井底面高低不平,混凝土流动量大,另外,水深达 50 m,在这种条件下要保证封底的质量,首灌量是非常重要的一个因素。为了保证首灌时的混凝土供应,采用 3 台泵车开灌,连续浇筑 28 m3混凝土。7结语北锚碇沉井分 4 次接高下沉,最后 6 m 下沉过程中,启动了“空气幕

19、助沉措施”。整个沉井累计52 d下沉 52.8 m,平均 1.02 m/d 的速度,在国内超大型桥梁沉井施工中名列前茅。在北锚碇沉井基础施工过程中,综合运用了多种手段和方法,对工程技术难题进行全面研究,取得了一系列创新研究成果,这些研究成果为同类工程提供了成套技术参考和借鉴,将进一步提升我国同类型桥梁建设水平。参考文献:1 段良策,殷奇.沉井设计与施工 M.上海:同济大学出版社,2006.2 周申一,张立荣,杨仁杰,杨永灏.基础设计:理论与实践 M.北京:人民交通出版社,2005.3 厦明耀,曾进伦.地下工程设计施工手册 M.北京:中国建筑工业出版社,1999.4 JGJ 79-2002建筑地

20、基处理技术规范 S.5 黄生文.公路工程地基处理手册 M.北京:人民交通出版社,2005.6 汪正荣,朱国梁.简明施工计算手册:第 3 版 M.北京:中国建筑工业出版社,2005.7 JTJ 041-2000公路桥涵施工技术规范 S.North Anchor Construction Technology ProgramOverview ofCaisson in the 4th Yangtze Bridge in Nanjing CityNIUYa-zhou,TIAN Xin,HAOSheng-li,JINGGang-yi,JIANGNeng-shi(CCCC Second Highway E

21、ngineering Co.,Ltd,Xi an 710119,China)Abstract:Anchorage foundation of the 4th Yangtze Bridge in Nanjing City is the large caisson in land,52010 年第 6 期牛亚洲等:南京长江第四大桥北锚碇沉井施工技术方案综述公路2010 年 6 月第 6 期HIGHWAY Jun.2010No.6文章编号:0451-0712(2010)06-0006-05中图分类号:U443.131文献标识码:B南京长江第四大桥北锚碇沉井降排水下沉施工关键技术蒋能世,郝胜利,石虎强

22、,刘 晨(中交二公局第二公路工程有限公司西安市710119)摘要:南京长江第四大桥北锚碇矩形沉井高 52.8 m,共分 11 节,分 4 次接高下沉施工,其中前 4 节采用整体降排水下沉施工,后 7 节分 3 次采用不排水下沉施工,主要介绍北锚碇沉井前 4 节整体降排水下沉施工关键技术。关键词:沉井;降排水下沉;施工;关键技术1 工程概况南京长江第四大桥北锚碇沉井为矩形结构,其平面尺寸为 69 m 58 m,共 20 个井孔,总高度为52.8 m,共分为 11 节,其分节高度分别为 6 m+95 m+1.8 m=52.8 m,除第 1 节为钢壳混凝土沉井外,其余 10节均为钢筋混凝土沉井。采取

23、分次接高,分次下沉的方式进行施工,具体接高、下沉组合见表 1。表 1沉井接高、下沉组合下沉次数阶段组合接高/总高/m单次/累计下沉深度/m下沉方式第 1 次(1)+(2)+(3)+(4)21/2119/19降排水第 2 次(5)+(6)10/3110/29不排水第 3 次(7)+(8)10/4110/39不排水第 4 次(9)+(10)+(11)11.8/52.813.8/52.8不排水2 水文地质条件北锚碇所属区域属于漫滩地貌,地势平坦,地面标高+3.93 +4.32 m,地下水位埋深 0.70 1.20 m,平均 1.01 m。地表岩性为第四纪全新世黏性土,近长江水域地表岩性为砂类土,地形

24、微向长江倾斜。由于基底下部为圆砾石、砾砂层,渗透系数大,透水条件好,水量大(根据抽水试验报告,基坑涌水量达 39 230.93 m3/d),且其与长江相连通,施工时易产生涌水、涌砂等现象。3降排水下沉施工关键技术3.1 沉井下沉系数计算计算时取 4种工况:(1)全截面支承,即刃脚及隔墙踏面共同受力;(2)全刃脚支承,即刃脚全部入土,隔墙踏面不受力;(3)半刃脚支承,刃脚埋入土中一半,隔墙踏面不受力;(4)沉井接高稳定,即在沉井下沉到预定位置后,在全截面支撑条件下对沉井接高稳定性系数进行计算。根据不同的工况,对沉井的下沉系数进行计算,所采取的计算公式如下:收稿日期:2010-05-12its scale is large,and the plane size is the biggest of the land bridge caisson in the world nowadays.Thetechnical programs such as foundation reinforcement,steel assembly,unearthed sinkage,and sinking backare described in the paper.Key words:suspension bridge;anchorage;caisson;construction