超大水下钢沉井施工监测数据分析

超大水下钢沉井施工监测数据分析

林建生

深圳市东深工程有限公司 深圳坪山区 518000

摘要：沉井基础由于埋置深度大，整体性能比较强，刚度大，稳定性好，能够承受较大的垂直荷载和水平荷载，已被广泛应用于桥梁、采矿业、水利、水电等工程．本文对超大水下钢沉井施工监测数据进行分析，以供参考．

关键词：沉井；土压力；侧壁摩阻力；施工监测

引言

随着跨江、跨海特大型桥梁建设的发展，深水大型基础应用逐渐增多，而沉井基础作为大跨度桥梁中较为常用的基础形式之一，有着广泛的应用前景。深水钢沉井的定位着床施工难度大，钢沉井悬浮于水中，受水流力、波浪力、风力等外界因素的影响大，定位的精度控制难度大，不确定因素多。由于大型沉井下沉过程中纠偏施工困难，往往很难达到预期效果，而钢沉井的定位精度直接决定着床精度，而着床精度对后期施工至关重要。因此，钢沉井定位施工的精度控制是深水沉井施工的重要一环，定位系统的设计直接关系到钢沉井的定位精度，值得深入研究。

1工程概况

沉井底面尺寸长95.0、宽57.8m，圆端半径28.9m；沉井顶面尺寸长77.0、宽39.8m，圆端半径19.9m；沉井外井壁厚1.8m，高43m，内井壁厚2.0m，高64m，内、外圈隔墙厚度均为1.4m，外圈隔墙高64m，内圈隔墙高39m。内井孔标准尺寸为长11m、宽11m，隔墙、内井壁间倒长1.5m、宽1.5m直角，隔墙外井壁间倒长1.2m、宽1.2直角，沉井为填充混凝土的钢壳结构，共28个隔舱。

2基础类型的比较

2.1钢沉井基础

具有良好的完整性和刚性，能够承受船舶的垂直载荷和水平碰撞力；施工技术成熟，独一无二，进度容易监测，有利于保修期；工程数量少，工作时间短，可以节省投资，更经济。与钢质井和钢质路堤施工过程中过度摆动或部分清除可能造成的不利影响相对应的技术措施，使人工井的精确定位和倾斜变得十分困难，这些技术措施是完全可以克服的。

2.2钢管桩或钢管桩基础

钢脚总重量约6万t，估计费用为3.5亿元至4亿元；需要多次焊接的钢柱(输入脚长12.0m)和壁厚30 ~ 50mm的工程现场焊接质量应由特殊的焊接设备保证；需要大规模作战装备；钢脚闭锁孔难以闭合，整体刚度差，防止水平船舶碰撞的能力弱；水上作业和平台作业需要两套设备，需要与泥浆吸入协调，施工技术复杂，工期长，投资最大，经济效益最低。

3钢沉井首节下河入水施工方案

(1)桥梁两侧海滩的水状况恶劣，在填方上修建防波堤和滑梯以容纳水面，修建钢井施工现场费用昂贵，施工周期较长。使用造船厂进行第一段钢井装配、污水排放和浮运的造船厂只能从沿江现有造船厂进行。为了确保第一段钢井在浮运过程中的安全，不宜选择离大桥更远(30公里以上)的造船厂。经调查，南通市长江造船方案满足了这一要求，造船计划满满，在规定的工作期内无法组织制造计划，使造船和填埋方案难以实施。(2)在半潜式组装钢井的起点下水:根据调查，完全符合这一要求的半潜式水下作业平台只能设计和制造至少6个月，施工费用约为2 000万至2 500万元。目前，该国存在着基本上满足这一要求但需要改变的几乎否定。半复盖长度为112.5米，宽度为31.6米，复盖高度为7.7米，额定负荷为15 40.0米t。安装半潜方案第一决策井段需要高度的浮力协调，深水运输深度必须大于13.0米。

4沉井定位方案

4.1锚墩定位方案

主喷口钢井水中锚泊定位技术采用钢井水平力，在钢井四角各放置一个锚泊。锚桩采用大跨度钢桩作为主要支撑结构，锚桩采用钢桩等钢结构连接整体钢桩，充当操作平台。在锚桩上设置连续绞车或千斤顶，用电缆将钢井与锚桩连接，并通过锚缆的接收和铺设调整钢井平面的位置和姿态。调整锚索时，采用牵引监测装置监测锚索强度，实现锚索与符合要求的井眼姿态之间的均匀力。

4.2继续精确定位钢井

主桩的钢井通过定位系统动态控制其位置，同时倒水。钢制泄漏井平面的位置由定位电缆沿定位系统的所有方向进行调整，然后通过顶部的下拉电缆和注入每个舱的水量对泄漏井的位置进行整体调整。放置分为两个阶段:初始放置和精确放置。钢井的初始定位是在安装钢井锚固支撑系统后进行的，准确定位是在注水泵将水注入河床2米以内时进行的。部分安装床后，立即检查钢井的平面位置和垂直方向，调整钢井的平面位置。然后，根据河床冲洗情况，在钢井采取局部注水措施，直至刀片脚进入河床并停止流动。随时监测河床的形状，及时启动吸尘机，进行局部吸尘。钢井通过吸收泥浆和调整井的姿态进入稳定的深度。

5施工操作性

锚泊定位方案在锚泊定位施工中，四个平台——锚泊平台是独立的操作系统，在水中和远处。不同平台——作业平台——之间必须协调钢质井和床前井的准确位置，以便迅速调整锚索强度，实现调整井眼位置的目标。在桥台定位平面中难以实现操作，重力边缘锚固解决方案的锚固桩+作业平台位于井筒顶面，单作业平台可控制锚索四向牵引实现对比分析表明，在施工操作方面，重力侧锚+锚平面比锚桩锚平面好得多。

6钢沉井下沉过程中冲刷的机理分析

6.1过渡段

随着钢井下沉，水流形状逐渐转变为马蹄形滚球，沉积物输送方式逐渐从井底上游转向井侧，局部冲洗深度逐渐增大，局部冲洗深度逐渐从井底下游转向桩侧。

6.2最后一段

钢井在床面下下沉后，局部冲洗速度下降，在一定深度，钢井底部开始接触冲洗床面，逐渐流入河床。回灌井的最终形状与通常施工的钢井的形状相对应，最大回灌深度接近于相应钢井桩形式的最大回灌深度，但试验表明，钢井动态最大回灌深度逐渐沉入床面一般略 由于钢床沉降后，河床呈现为近缘柠檬，为了保持钢的存放井平稳流动，冲洗砂的清洗负荷应集中在存放井的后半部，以确保整体 大型桥梁钢井局部冲刷研究的主要成果，可为井设计中桩的稳定性和安全性计算提供重要的技术依据。对指导和改进建筑设计具有重要的技术价值，并将为今后的类似工作提供经验教训和指导。

7沉井基础施工

7.1定位及着床

一艘临时定位船预先安装在输井位置，作为临时连接平台和输井预连接和后连接的连接平台。定位船舶时，前锚和侧锚依次连接定位船舶，锚紧。深井输送到定位船上，暂时与定位船相连，然后依次由前端电缆和侧锚电缆实施，最后定位船分离，沉井移至设计位置，建立深井锚电缆定位系统。在初始井定位完成后，注水床的施工开始，即向单独的井仓注水，将井放在设计桩的位置。低潮床的选择依据是流动速度低、流动稳定以及快速床采用人工井的原则。沉积层注水阶段注入的水总量为63330立方米，分为三次注水，并根据涨潮和低潮时的变化以及对涨潮床的需求进行精确定位。采用动态控制方法，在将水注入井筒的同时，对井筒进行精确定位。损失井的初始位置按照损失井中心最大偏差25厘米、最大坡度1/150和损失井平面扭转角度0.8度的标准进行控制；井底的最终位置精度按照以下标准进行控制:桥轴线的底部、主侧和侧侧、顶部、20厘米、最大坡度1/150和井底平面扭转角度0.2度。

7.2贷款减记

取土是在沉积物中钻油井的最关键的过程。本工程井巷深度有一层硬表面粉土和一层软三层粉土。借款设备处理粘土层的能力低，容易堵塞管。根据计算，需要从井筒中提取剪切键，从井筒中提取底土体(属于传统借贷设备的盲区)，使井筒达到设计水平，很难获得土壤，井筒开采在水下，无法进行监测为了消除表面硬塑料粘土层对井眼的影响，项目采用了一个预挖河床的计划，即在将井眼运至现场之前，由挖泥船将表面硬塑料粘土层提取到弃土位置。粘土层和胶合砂层的取气设备采用电动铰链。在空气吸收器的基础上，研制出易于拆卸的双头模块化电动绞盘设备，采用机械脱附+空气提取工艺，从井孔死角和剪切钥匙处采集软粘土和粘结砂层。在井喷的最后阶段，在截止符和底部盲区开采土时，机械臂水下的定点连接设备是辅助设备。设备主体集成了机械手臂和动力系统，通过机械手臂的延长、旋转和变化，导致铣头在底部盲区精确销毁剪切键和基底。

8高低刃脚钢沉井施工

8.1结构设计

钢井由钢井内外的垂直农场组成，形成一个空间系统，加强钢井的整体稳定性。钢井外径23.0m内径21.2m重量275 t总高度23.9m分为8个筒仓。为适应爆炸后基岩表面的较大差异，沉井设计为常用的平足上下平足，不利于沉积岩。高刀片英尺高度确定低刀片英尺高度低于50厘米测量的低刀片河床高度，这取决于所测量的低刀片英尺高度。(2)能够降低水下阻力，使水井能够穿过盖子顺利到达岩石表面；(3)岩石表面支架可保证钢井的稳定性。

8.2浮龙门船的安装

双壁钢井的铺设通常采用定位船的方法定位自浮井，对于高刀片或低刀片钢井，存在钢井的低刀片脚不易组装、钢井易倾斜等问题经研究后，浮龙门船被用来浇筑钢工艺井，可在龙门船上用于组装钢工艺井。它由60个浮箱、6个或5个军用电池和6个或4个军用梁组成。浮船上安装了两组吊架(12米吊装高度和200 t重量)，平台上设有一个工作平台，平台上有10毫米厚的钢板，使用vi-4型军用梁和工作梁在浮船的等待点之间形成

8.3防滑措施

钢井布置后水下混凝土底部的横向压力将允许钢井滑动其他抗滑措施:(1)锚桩在基材上钻孔；(二)将拉杆放在钢井外抽油井；(3)修改施工程序，首先对钻孔灌注桩进行施工，然后对水下混凝土进行密封，以克服钻孔灌注桩的下沉力。已多次证明，措施3有助于防洪，只需6桩(每桩16桩)即可满足要求因此，决定采取行动(3)并安装四个平台----在放置钢井后，同时在所复盖的位置钻孔，以确保钢井的稳定。

9施工质量控制措施与分析

9.1沉井着床控制措施

租用床时，选择低潮水位时段，并设置一定数量的前向-后向偏差。在放置之前，锚泊系统将不断收紧和调整，以使丢失井的位置变化范围保持在设计规定的范围内。井底顶部曲面、井底曲面和井底设计中心之间的距离不得在任何方向上大于井底高度的1 / 150，井底坡度不得大于1 / 150，井底平面扭转角度不得大于1。在注水下降过程中，锚索强度不断调整，以保持钢井的准确位置。在最终下降2米阶段，需要进一步审查水井的定位精度。在确认准确性后，需要增加注水力，以便在床上迅速准确地安装钢井。

9.2沉积物高度、重量和修正

为避免在灌溉过程中倾斜井眼，这些井眼的混凝土应对称均匀地浇筑。灌溉的顺序如下:从中间到周边、井后壁先、对称灌溉、确保井在沉积物中的平衡装载、确保结构的稳定和安全。沉淀池内的污泥吸收率的实施遵循一中后、一级对称、一级以上、一级以下、及时纠正的原则，使沉淀池保持均匀垂直流动。沉井孔中间的沉箱底部深度通常控制在2米左右，以避免沉井渗出和沙化太深，从而无法控制沉井的数量和坡度。如果丢失的井的坡度发生偏移，移动更正方法通常是控制坡度，而不是将丢失的井沿移动方向倾斜，同时将丢失的井沿移动的相反方向自觉倾斜，并更正坡度，以使其沿移动的相反方向进行移动更正

9.3井下粘土层施工技术

通过结合现有工程监理数据中的结构应力变化规律和本工程有限元数值计算模型的结果，布置了一些应力监测传感器，用于监测淹没过程的结构应力等。采用新型水下液压绞盘在沉井孔内采土，同时配备智能有效的采土设备，在盲区(在剪扳手和刀片根部)采土。在租船困难的情况下，应启用预留的辅助租船措施(风帘、水管等)。)以确保井眼的适当操作和控制。

10施工监测结果与分析

10.1下沉曲线

第一次取土开挖之前，为了清淤以及减少土层对井壁的侧摩阻力，对河床进行了开挖，沉井外刃脚底标高初始值为-27.2m。在第一次取土初期，沉井下沉较慢，原因在于取土初期，取土高度控制在了0.5m以内，施工过程较保守，平均下沉速度为14.3cm/d。然而经过数值计算，将第二次及第三次取土阶段取土高度均控制在1m以内，下沉速度加快，其平均下沉速度分别为32.2cm/d、34.3cm/d，下沉速度最大值为1.1m/d。总结前三次取土经验，第四次取土期间，取土高度控制在1.5m以内，下沉加快，下沉速度最大值为0.9m/d，其平均下沉速度为48.7cm/d。

10.2隔墙底部应力监测

（1）测试方法与测点布置隔墙底部的结构应力用于监测隔墙底部的钢板结构应力，是沉井基础定位着床及終沉等阶段的，控制结构安全性的重要指标.（2）测试结果与分析,在经历了两个月的沉井接高以后，即第二次取土初期，其应力值在几天之内迅速达到60MPa左右，原因在于此时沉井入土较浅，沉井自重增大，同时沉井中部区域底部完全被掏空，因此中部区域应力增大。但是第二次取土之后，其值约在60MPa左右，远小于钢板屈服应力，原因可能为此时沉井入土较深，周围土体对沉井底板约束力增强，限制了沉井底板变形，这种限制对沉井受力是有利的。在第二次取土期间，GDY-1，GDY-6以及GDY-7应力曲线有些许不同，原因在于，其隔墙底部较其他隔墙底部未完全被掏空，仍有部分土体支撑，钢板局部应力降低。

结束语

沉井首节混凝土浇筑完成后，已经决定了外隔墙底板的应力大小和分布情况，但是中部内隔墙应力在施工前期由于入土较浅、底部土体被掏空等因素会大幅提升，中后期由于沉井周围土体对沉井底板约束力增强，限制了沉井底板变形，对结构受力有利，中部内隔墙应力会保持稳定，在60MPa左右。

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