大橋深水基礎采用沉井方案之淺見
2014-03-21
大橋深水基礎工程影響施工方案最重要的是時效及技術經濟因素，但比選方案范圍狹窄，要質高價廉必須是高技術水平與周密的設計技術工作的結果。人們在選擇和評定大橋基礎設計方案時，長期局限于單一的鉆孔灌注樁方案，這是由于鉆孔樁的工藝簡單，發(fā)展很快，已經廣泛應用到重要橋梁上。此后由于鉆具的改進，如正、反循環(huán)系統(tǒng)的鉆孔機逐漸引入應用，在陸地上鉆孔時，不需套管，只是在開孔的樁位地表面壓入一段短鋼筒或鋼筋混凝土護筒，然后在其中鉆進，以保持孔頂?shù)牧己脿顟B(tài)。鉆到一定深度為了防止孔壁塌孔，則需在優(yōu)質的低比重泥漿中進行。這種泥漿需采用優(yōu)質的膨潤土來制拌，再與鉆渣同時吸出時，能分離循環(huán)使用。在九江長江大橋北岸橋頭堡若干礅、臺的基礎鉆孔灌注樁，直徑為1.5m，鉆孔深度為65m，由于采用低比重為1.04~1.08的優(yōu)質膨潤土泥漿護壁，反循環(huán)鉆進，加上施工工藝縝密完善，操作規(guī)程嚴格，成孔率達到100%，沉渣厚度為0~3cm。原橋臺設計的位置正好在長江黃岡大堤上，采用沉井方案怕影響大堤安全，故采用鉆孔灌注樁的優(yōu)點是對原土地基擾動小，對鄰近建筑物的安全危害性也較小。由于橋頭堡附近的若干墩臺相距較近，設置了一整套泥漿循環(huán)利用設施，減少膨潤土的用量。因而降低了造價。但事物總是一分為二的，鉆孔樁在水中施工時由于水文地質的復雜多變，影響質量的因素也較多，如碰到流沙，地下暗河，軟質腐植土等，或操作稍有不當，造成塌孔、縮頸等弊端的事也是屢見不鮮的?，F(xiàn)在在深水基礎中采用的大直徑鉆孔灌注樁，不僅需用30mm以上厚的鋼護筒，下插到沖刷線以下，直徑達到2.5~3.2m，深度已超過100m以上。按2.5m的直徑鉆孔樁的造價，每延米長已超過3萬元。成孔后還要在孔底、孔壁壓漿以確保支承力。在防護鋼筋的銹蝕措施上，采用環(huán)氧鋼筋，價格較前提高一倍。而環(huán)氧鋼筋與混凝土間的握裹力卻降低了15%~20%。筆者認為我們的思路要與時俱進，在大直徑超長的鉆孔樁設計中不能套用上世紀70年代根據(jù)105根樁徑1.2m、樁長40m的鉆孔樁實驗資料而提出的計算公式和參數(shù)的老規(guī)范。見參考文獻[1]最近項海帆院士指出：“目前我國的橋梁界對經濟性原則似乎愈來愈被忽視了……”也切中了當前大橋深水基礎工程中單打一偏愛鉆孔樁基礎，不作與其他方案經濟比較的弊端。
而今大橋局的設計大師楊進在泰州長江大橋的中塔基礎設計中，采用了井身全高近80m的浮運沉井方案，下沉到-70m的深度。該結構不僅具有極好的剛度、強度的自穩(wěn)性和抗擊各種沖擊能力，工程造價比采用鉆孔灌注樁群柱高承臺基礎，節(jié)省了一半，參考文獻[2]。這是值得橋梁界反思的重要課題。過去認為沉井造價高，工期長，施工難度大，下沉困難，容易發(fā)生“十沉九歪”的疑慮。在實踐中不斷得到改進和變革，獲得了解決。筆者通過長江中下游的枝城、九口、南京三大橋中各類沉井的施工實踐和長期觀測，提出幾點拙見供大家商榷。
1. 關于沉井下沉措施的探討
南京長江大橋一號礅是在淺灘上筑島設置的重力式沉井，它賴自重克服井壁摩擦力和刃尖部分的正面土層阻力之和，在井孔內補水吸泥的措施下下沉的，下沉深度達53m，穿過了粉砂、細砂、粗砂到達礫砂持力層標高后封底。沉井外壁厚2.0～2.2m，內墻厚1.6m，井孔3.2×3.2m，沉井平面尺寸為20.2×24.9m，總高53.5m。下沉初期留有挖空部分，到一定深度，這些空孔填以重混凝土，用重礦石為粗骨料，以增加自重，沉井下沉總重在扣除水浮力后約250,000KN。沉井底節(jié)高5m為25Mpa鋼筋混凝土制造，以上井身灌注高度每節(jié)不大于5M，為17Mpa素混凝土。僅在施工接縫加插了受拉短鋼筋。水下封底混凝土用25Mpa，厚6m，沉井下部在刃尖上1.5m處，設50cm的縮進臺階，以期降低井壁摩擦力。預期洪水期可能沖深30m，按下沉53m計算的沉降系數(shù)低于1.25。施工時采取沉井上加重，設水平射水管絡系統(tǒng)，通過射水咀向井壁外側高壓射水，用9級高壓水泵加壓，施工吸泥時盡量避免刃腳下過分掏空，以防翻砂。在這些措施下，基本達到預定標高。為了防止竣工后繼續(xù)下沉，在礅頂支座上還考慮設計了頂高措施。這種重型沉井的剛度和強度是毋庸置疑的。但就其本身承受墩身以上的荷載需要，從結構角度來看，其截面是不需要做這樣大的，其中一大部分的混凝土僅僅起到壓重作用，沉井達到設計標高進行清基時，這部分混凝土的贅重起到了負面作用。見下式所示：
k=w/(fa+N)≥1.2
式中：k---沉降系數(shù)；
w—沉井自重減去按井內水位的水浮力（KN）；
f---外井壁單位面積摩擦力（KN/m2）;
a---沉井入土側面積（m2）；
N---沉井刃腳部分的支承面阻力（KN）；
從式中可以看出，沉降系數(shù)k在一般情況下只要大于1.2，沉井下沉就較順利。顯然控制沉井下沉的主要因素是W和fa，N則可通過井孔內吸泥不斷減小來解決。而重型沉井主要以W來控制下沉是不經濟的。如果采用排減井內水位以減少浮力，增加自重，來克服阻力，就必須十分小心防止內外水頭差過大，導致翻砂和水土急劇從刃尖下涌入，使沉井受到與設計假定的反向壓力，會發(fā)生井壁裂縫或沉井傾斜位移過大的弊端。
后來設計人員在fa這個摩擦力因素上作文章，就是在井壁周圍設置泥漿套籍以減少沉井下沉中的側面摩擦力。使下沉平穩(wěn)快速，傾斜率小，瞬時下沉量僅為5cm左右，無突然下切現(xiàn)象，吸泥效率增高，在粉細砂中只須在中央空內吸泥，以減少翻砂事故，在粘性土中，為避免大的鍋底坑，則可在邊孔內吸泥，當穿過硬塑粘土時，則加用不大于2Mpa的高壓射水，亦能取得較佳效果。但吸泥時，要隨時注意補漿，以免造成地面塌陷?？刂坪镁畠韧馑缓湍酀{面的高差。使井內水位要高出泥漿面1m，高出井外水位1.5m左右較妥。九江長江大橋北岸淺灘上的沉井總高51m，沉井直徑為20m的圓形沉井，井身混凝土部分全高39m，上接12m高的鋼板樁圍堰。沉井中央孔直徑為5.5m，8個邊孔直徑3.8m，在刃腳尖以上高程5m及8.6m處，分別用臺階縮小井身直徑，使泥漿套厚度為0.10及0.2m。沉井穿過砂粘土，粉砂，細砂等到達礫砂持力層，入土深度約50m。泥漿主要用彭潤土，經過配比的試驗，要求能達到理想的觸變效應，即動時為流體，靜時為固體狀態(tài)的良好性能。這個實例與南京一號墩重型沉井比較，除下沉深度稍淺外，其他條件有很多近似之處，如作技術經濟時效比照，九江橋一號墩底面積為314m2，南京橋一號墩為485m2；下沉深度前者為49m，后者為53.5m；混凝土量前者為6646m3，后者為17000m3。折合后，為獲得相等的下沉效果，前者的混凝土用量為后者的65.5%；下沉各階段進度，前者較后者快3.6~11.4倍，結構部件及所用機具九江橋較為簡單，經濟效益明顯。但泥漿套下沉工藝有下列幾個缺點：（1）當沉井在下沉過程時，泥漿容易流失，主要是沉井在搖晃中下沉，迫使泥漿套厚度左右受到擠壓及擴張；（2）在土質基底，當沉井下沉到設計標高，在沉井內底部清基時，吸泥發(fā)生大的鍋底坑，土面不平，會隨吸隨下，不易控制沉井繼續(xù)下沉，也就較難達到清基要求；（3）即使采取了回填部分砂石，控制好下沉速度，澆筑了水下封底混凝土，四周井壁的泥漿套既不易固結，土壤對井壁的扶持嵌固效果大大降低，因而會使沉井基礎的承載力降低，增加土質基底的負擔，減弱整體的穩(wěn)定性。此外制取泥漿工序繁瑣，勞動力較大，清除又缺少經濟有效的辦法，故工程界對此助沉措施持有異議，已不多采用。后來在九江長江大橋同時采用了空氣幕工藝的助沉措施，見參考文獻[3]克服了上述泥漿套助沉措施的弊端，既容易控制下沉高度和速度，一當停止吹氣，就可使土壤逐漸恢復對沉井井壁的固結，恢復其摩擦力，不影響基礎的承載力，又可省略大量優(yōu)質的膨潤土泥漿及其設施而進一步降低造價。為了驗證空氣幕下沉沉井的質量及其穩(wěn)定性，筆者對九江長江大橋北岸引橋第09墩深40m的沉井采用空氣幕工藝下沉到到設計標高，經過簡易清基及澆筑水下封底混凝土后即進行精密的沉降觀測檢查，歷時近9年共15次觀測的沉降量為23.1mm。而與同樣的地質地層條件，不用空氣幕下沉的重力式沉井的056號墩的沉井深39m，經過6年共5次的同精度觀測，其沉降量卻達到33.5mm。兩個沉井基礎的橋墩最后一次觀測的時間均為1986年4月。說明空氣幕的助沉措施是有效的，前者的混凝土用量僅為后者的60%左右且下沉速度較重力型沉井快了2倍多。質量和造價都是令人滿意的。以后在九江長江大橋的水中主墩的基礎也采用了空氣幕沉井方案，同樣獲得了理想的技術經濟效果。
誠然，沉井的設計思路主要體現(xiàn)在壁厚上，即依靠自重下沉的厚壁素混凝土沉井和主要依靠減少井壁摩擦力來克服側面下沉阻力的薄壁的鋼筋混凝土沉井。前者的壁厚至少在1.2m以上，而后者的壁厚常在1.0m以下。重力型沉井除作用在懸索橋用的錨碇沉井外，在墩臺基礎上將會減少使用。南京長江大橋的七號墩，原定管柱基礎結構的方案已經鐵道部批準立案。但負責整個大橋基礎方案設計的曹楨總工程師，不唯上，不唯書，雄才膽識提出了薄壁的鋼筋混凝土浮運沉井方案，外壁厚度最薄處小到0.35m，內隔墻僅厚0.20m，外墻采用鋼?，F(xiàn)澆，內隔墻采用鋼筋混凝土預制板拼裝。曹老總在沉井鋼筋塔樓傳力細節(jié)的計算和設計上都滿足了正，負彎矩的應力要求，在節(jié)點處防止開裂的受彎內力彎曲強度都作了精心的計算和設計，保證了沉井主體的剛度和強度。不僅大大節(jié)約了資源也加快了施工的進度。深得大橋局領導和所有技術人員異口同聲的贊絕和欽佩。現(xiàn)在楊進設計大師主持設計的泰州長江大橋浮運沉井基礎更是青出于藍而勝于藍。使浮運沉井方案又上了一個新臺階，為我國深水基礎工程作出了重大貢獻。
2. 關于水中沉井的定位問題
很多設計人員對在深水下沉沉井中存在著位移和傾斜過大的疑慮，因此老規(guī)范中，原定的沉井底中心的位移限差定為H/100+0.25m（h為沉井高度），后來改為H/50+0.25m。即下沉50m高的沉降可允許偏差為1.25m，傾斜率不得超過1%。這樣勢必要在設計中加大沉井的截面尺寸，使結構體系能承受豎直力偏心的影響。但從筆者所經歷的長江中下游的枝誠、九江、南京三座大橋的各類沉井的定位實踐中，除了南京大橋的N3號墩沉井底中心偏移值為78cm外，其他沉井的中心位移都在20cm左右。而N3號墩的沉降在落底時，主要是錨繩沒有均勻收緊，受潮汐推移，致使沉井偏上游78cm，超過規(guī)范允許的H/100+0.25=75cm（沉井高50m）偏大了3cm。故后來將規(guī)范放寬到H/50+0.25m。我認為這是不妥的。眾所周知，水中沉井定位的二大關鍵因素是錨碇系統(tǒng)的穩(wěn)定和測量定位的精度和速度。兩者既是不同的工序又是相輔相成的合作共同體。在吸取了N3號墩的教訓后，于是在N7號墩的鋼筋混凝土浮運沉井中的定位工作中采取了技術革新，就是在沉井晃動時，將原來采取的三臺經緯儀作前方交會實地標定法產生過大的示誤三角形難以標定沉井中心的正確位移值。改為三臺經緯儀對沉井頂面的結構中心，豎立覘標，進行瞬間觀測，采用角差位移法進行1:2的圖上定位[4]，結果得出的示誤三角形的最大邊長在3cm以內，為及時調整錨繩提供了精確的數(shù)據(jù)，使錨繩受力均勻，晃動幅度越來越小，為此與施工人員共同商量連續(xù)觀測24小時，每半小時觀測一次得出沉井頂、底的中心的位移值，繪出沉井在落底后的變位過程曲線，找出了最適宜的落底時段，隨落底下沉隨觀測，一次觀測成果僅需5分鐘左右，即可提供精確的位移數(shù)據(jù)。直到下沉到穩(wěn)定的深度。取得了成功。隨著GPS定位技術的出現(xiàn)，則定位方法更是先進了。但是我國原有的常規(guī)測量設備并不是無用武之地了，筆者在角差位移圖解法的基礎上，創(chuàng)建了網(wǎng)絡圖定位法[5]不經現(xiàn)場計算或繪圖，直接用觀測值在網(wǎng)絡圖上標定沉井實際中心的位移值，每觀測一次僅需2分鐘，在實踐中已深得測量人員的鐘愛和接受。在錨錠設施的改進上，目前在墩位上下游適當距離設置的錨墩，簡化了原來上下定位船拋投為數(shù)較多的鋼筋混凝土錨和鐵錨的繁瑣工序，對航道帶來的影響。這樣的錨墩自身就較穩(wěn)定且將來還可作保護橋墩的安全防撞墩的功用，一舉兩得。故筆者認為原有規(guī)范要與時俱進進行必要的修改，為此提出下列幾點拙見供同仁討論商榷。
3. 建議和結語
?。?）重型沉井賴自重是完全可以下沉到位的，可以不必采取其他助沉措施。尤其用于懸索橋的錨錠基礎結構型式，還宜在地基能承受的最大限度負荷下，加大自重，促使其克服摩阻力及復雜的粘土層，達到穩(wěn)定的設計標高。有時為了抵抗纜索拉力，在沉井內還要填充混凝土，但前提是不能使沉井在負荷的過程中發(fā)生沉降以影響纜索拉力。而作為深水橋墩基礎的沉井結構，首先要考慮的沉井主體結構的強度和剛度及其本身的自穩(wěn)性來抵御可能發(fā)生的豎向力和水平力，適度的自重和重率是保證沉井下沉的重要因素。重率過大，對下沉沉井而言是有利的，但達到設計標高后若為土質基底則在清基時往往難以控制繼續(xù)下沉，這就需要減小重率。為此筆者建議對重型沉井主體結構設計時，在沉井四周壁留出一些有底的空腔作為倉儲室的結構，在下沉時需要增大重率時，可以在倉儲室內灌水、砂或吸出的渣來壓重，以資助沉，達到設計標高時，即可將倉儲室內的壓重物體吸出，減輕沉井自重，這樣便可大大地節(jié)約混凝土的用量，又可保持沉井底清基時的穩(wěn)定。
（2）實踐證明，采用空氣幕工藝的助沉措施，下沉沉井的最大優(yōu)點無論是陸上沉井或與水中鋼筋混凝土浮運沉井配合，在穿過沙層，砂粘土層都是顯著有效的，而且通過調節(jié)氣壓來糾正沉井的偏斜也很有效，但在大顆粒、大空隙的卵石層及粘性很大的土質中，將有泄漏或不能造成水、土翻騰的幕體勢態(tài)，就不宜使用。
?。?）沉井的設計和施工是一項較為復雜的細致的工程，在每個環(huán)節(jié)都要有周密的計算，尤其在施工過程中，必須要有嚴格的便于執(zhí)行的操作工藝，對沉井的位移和傾斜以及井孔內泥面標高要勤測量勤調整，防止翻砂事故的發(fā)生。陳新院士提出的“沉井基礎工程的核心是沉井的下沉，要抓住這個”牛鼻子“主題不放。還有許多文章可做：如將空氣動力學的工作原理，用在節(jié)能上，將吸泥機負壓工作時排出的氣體可利用儲氣筒儲存起來，可供空氣幕正壓排氣用，這就需要設備進行改造和革新；在沉井下沉過程中，正確控制好井孔的泥面標高，是保證沉井穩(wěn)妥下沉的一個重要環(huán)節(jié)。必須邊測量邊調整吸泥機的位置，測量次數(shù)多，費時費力，若用超聲波測水深的探頭布置在各個測點，通過轉換開關，隨時可在儀器熒屏上讀得所觀測點的泥面標高數(shù)值，便于施工人員及時掌握泥面高差來采取相應的助沉措施；沉井的內隔墻，可以采用預制板，省去立模，綁扎鋼筋現(xiàn)場澆筑，拆模，養(yǎng)護的多道工序，使沉井下沉走向快速、自動控制的步伐，在縮短工期，降低造價上更上一層樓是不無可能的。
沉井是近代大型橋梁基礎同時發(fā)展的一種承重基礎結構，已有百年以上的使用經驗，在設計上，施工工藝上已有了不斷的改進和應用成功案例。誠然，在墩位水文、地質條件相近的情況下，同時可用管柱、鉆孔樁、沉井方案的自然條件下，就應作經濟、工期、安全、環(huán)保方面的綜合比較。在我國還是一個發(fā)展中的實際國情下，在保證安全適用的前提下，經濟性還是要作為重點考慮的重要因素的。
2012年《第二十屆全國橋梁學術會議論文集》上冊
參考文獻
[1]殷萬壽、朱海濤：“對用現(xiàn)行規(guī)范指導設計大直徑鉆孔樁出現(xiàn)承載力不足問題的思考”《鐵道標準設計》2006年.
[2]楊進：“大橋深水基礎方案設計與施工及經濟性研究”《橋梁建設》2011年第2期編號：0211026.
[3]朱海濤、周蓓：“利用空氣幕下沉沉井的施工方法及其特點”《中國市政工程》1995年第3期.
[4]朱海濤：“特大橋水中墩采用直接觀測值進行前方交會網(wǎng)絡圖定位”《橋梁建設》1984年第3期.
[5]朱海濤：“利用常規(guī)測量儀器進行橋墩精密定位的簡捷法”《第十九屆全國橋梁學術會議論文集》上冊 2010，上海.
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