大桥深水基础采用沉井方案之浅见
2014-03-21
大桥深水基础工程影响施工方案最重要的是时效及技术经济因素，但比选方案范围狭窄，要质高价廉必须是高技术水平与周密的设计技术工作的结果。人们在选择和评定大桥基础设计方案时，长期局限于单一的钻孔灌注桩方案，这是由于钻孔桩的工艺简单，发展很快，已经广泛应用到重要桥梁上。此后由于钻具的改进，如正、反循环系统的钻孔机逐渐引入应用，在陆地上钻孔时，不需套管，只是在开孔的桩位地表面压入一段短钢筒或钢筋混凝土护筒，然后在其中钻进，以保持孔顶的良好状态。钻到一定深度为了防止孔壁塌孔，则需在优质的低比重泥浆中进行。这种泥浆需采用优质的膨润土来制拌，再与钻渣同时吸出时，能分离循环使用。在九江长江大桥北岸桥头堡若干礅、台的基础钻孔灌注桩，直径为1.5m，钻孔深度为65m，由于采用低比重为1.04~1.08的优质膨润土泥浆护壁，反循环钻进，加上施工工艺缜密完善，操作规程严格，成孔率达到100%，沉渣厚度为0~3cm。原桥台设计的位置正好在长江黄冈大堤上，采用沉井方案怕影响大堤安全，故采用钻孔灌注桩的优点是对原土地基扰动小，对邻近建筑物的安全危害性也较小。由于桥头堡附近的若干墩台相距较近，设置了一整套泥浆循环利用设施，减少膨润土的用量。因而降低了造价。但事物总是一分为二的，钻孔桩在水中施工时由于水文地质的复杂多变，影响质量的因素也较多，如碰到流沙，地下暗河，软质腐植土等，或操作稍有不当，造成塌孔、缩颈等弊端的事也是屡见不鲜的。现在在深水基础中采用的大直径钻孔灌注桩，不仅需用30mm以上厚的钢护筒，下插到冲刷线以下，直径达到2.5~3.2m，深度已超过100m以上。按2.5m的直径钻孔桩的造价，每延米长已超过3万元。成孔后还要在孔底、孔壁压浆以确保支承力。在防护钢筋的锈蚀措施上，采用环氧钢筋，价格较前提高一倍。而环氧钢筋与混凝土间的握裹力却降低了15%~20%。笔者认为我们的思路要与时俱进，在大直径超长的钻孔桩设计中不能套用上世纪70年代根据105根桩径1.2m、桩长40m的钻孔桩实验资料而提出的计算公式和参数的老规范。见参考文献[1]最近项海帆院士指出：“目前我国的桥梁界对经济性原则似乎愈来愈被忽视了……”也切中了当前大桥深水基础工程中单打一偏爱钻孔桩基础，不作与其他方案经济比较的弊端。
而今大桥局的设计大师杨进在泰州长江大桥的中塔基础设计中，采用了井身全高近80m的浮运沉井方案，下沉到-70m的深度。该结构不仅具有极好的刚度、强度的自稳性和抗击各种冲击能力，工程造价比采用钻孔灌注桩群柱高承台基础，节省了一半，参考文献[2]。这是值得桥梁界反思的重要课题。过去认为沉井造价高，工期长，施工难度大，下沉困难，容易发生“十沉九歪”的疑虑。在实践中不断得到改进和变革，获得了解决。笔者通过长江中下游的枝城、九口、南京三大桥中各类沉井的施工实践和长期观测，提出几点拙见供大家商榷。
1. 关于沉井下沉措施的探讨
南京长江大桥一号礅是在浅滩上筑岛设置的重力式沉井，它赖自重克服井壁摩擦力和刃尖部分的正面土层阻力之和，在井孔内补水吸泥的措施下下沉的，下沉深度达53m，穿过了粉砂、细砂、粗砂到达砾砂持力层标高后封底。沉井外壁厚2.0～2.2m，内墙厚1.6m，井孔3.2×3.2m，沉井平面尺寸为20.2×24.9m，总高53.5m。下沉初期留有挖空部分，到一定深度，这些空孔填以重混凝土，用重矿石为粗骨料，以增加自重，沉井下沉总重在扣除水浮力后约250,000KN。沉井底节高5m为25Mpa钢筋混凝土制造，以上井身灌注高度每节不大于5M，为17Mpa素混凝土。仅在施工接缝加插了受拉短钢筋。水下封底混凝土用25Mpa，厚6m，沉井下部在刃尖上1.5m处，设50cm的缩进台阶，以期降低井壁摩擦力。预期洪水期可能冲深30m，按下沉53m计算的沉降系数低于1.25。施工时采取沉井上加重，设水平射水管络系统，通过射水咀向井壁外侧高压射水，用9级高压水泵加压，施工吸泥时尽量避免刃脚下过分掏空，以防翻砂。在这些措施下，基本达到预定标高。为了防止竣工后继续下沉，在礅顶支座上还考虑设计了顶高措施。这种重型沉井的刚度和强度是毋庸置疑的。但就其本身承受墩身以上的荷载需要，从结构角度来看，其截面是不需要做这样大的，其中一大部分的混凝土仅仅起到压重作用，沉井达到设计标高进行清基时，这部分混凝土的赘重起到了负面作用。见下式所示：
k=w/(fa+N)≥1.2
式中：k---沉降系数；
w—沉井自重减去按井内水位的水浮力（KN）；
f---外井壁单位面积摩擦力（KN/m2）;
a---沉井入土侧面积（m2）；
N---沉井刃脚部分的支承面阻力（KN）；
从式中可以看出，沉降系数k在一般情况下只要大于1.2，沉井下沉就较顺利。显然控制沉井下沉的主要因素是W和fa，N则可通过井孔内吸泥不断减小来解决。而重型沉井主要以W来控制下沉是不经济的。如果采用排减井内水位以减少浮力，增加自重，来克服阻力，就必须十分小心防止内外水头差过大，导致翻砂和水土急剧从刃尖下涌入，使沉井受到与设计假定的反向压力，会发生井壁裂缝或沉井倾斜位移过大的弊端。
后来设计人员在fa这个摩擦力因素上作文章，就是在井壁周围设置泥浆套籍以减少沉井下沉中的侧面摩擦力。使下沉平稳快速，倾斜率小，瞬时下沉量仅为5cm左右，无突然下切现象，吸泥效率增高，在粉细砂中只须在中央空内吸泥，以减少翻砂事故，在粘性土中，为避免大的锅底坑，则可在边孔内吸泥，当穿过硬塑粘土时，则加用不大于2Mpa的高压射水，亦能取得较佳效果。但吸泥时，要随时注意补浆，以免造成地面塌陷。控制好井内外水位和泥浆面的高差。使井内水位要高出泥浆面1m，高出井外水位1.5m左右较妥。九江长江大桥北岸浅滩上的沉井总高51m，沉井直径为20m的圆形沉井，井身混凝土部分全高39m，上接12m高的钢板桩围堰。沉井中央孔直径为5.5m，8个边孔直径3.8m，在刃脚尖以上高程5m及8.6m处，分别用台阶缩小井身直径，使泥浆套厚度为0.10及0.2m。沉井穿过砂粘土，粉砂，细砂等到达砾砂持力层，入土深度约50m。泥浆主要用彭润土，经过配比的试验，要求能达到理想的触变效应，即动时为流体，静时为固体状态的良好性能。这个实例与南京一号墩重型沉井比较，除下沉深度稍浅外，其他条件有很多近似之处，如作技术经济时效比照，九江桥一号墩底面积为314m2，南京桥一号墩为485m2；下沉深度前者为49m，后者为53.5m；混凝土量前者为6646m3，后者为17000m3。折合后，为获得相等的下沉效果，前者的混凝土用量为后者的65.5%；下沉各阶段进度，前者较后者快3.6~11.4倍，结构部件及所用机具九江桥较为简单，经济效益明显。但泥浆套下沉工艺有下列几个缺点：（1）当沉井在下沉过程时，泥浆容易流失，主要是沉井在摇晃中下沉，迫使泥浆套厚度左右受到挤压及扩张；（2）在土质基底，当沉井下沉到设计标高，在沉井内底部清基时，吸泥发生大的锅底坑，土面不平，会随吸随下，不易控制沉井继续下沉，也就较难达到清基要求；（3）即使采取了回填部分砂石，控制好下沉速度，浇筑了水下封底混凝土，四周井壁的泥浆套既不易固结，土壤对井壁的扶持嵌固效果大大降低，因而会使沉井基础的承载力降低，增加土质基底的负担，减弱整体的稳定性。此外制取泥浆工序繁琐，劳动力较大，清除又缺少经济有效的办法，故工程界对此助沉措施持有异议，已不多采用。后来在九江长江大桥同时采用了空气幕工艺的助沉措施，见参考文献[3]克服了上述泥浆套助沉措施的弊端，既容易控制下沉高度和速度，一当停止吹气，就可使土壤逐渐恢复对沉井井壁的固结，恢复其摩擦力，不影响基础的承载力，又可省略大量优质的膨润土泥浆及其设施而进一步降低造价。为了验证空气幕下沉沉井的质量及其稳定性，笔者对九江长江大桥北岸引桥第09墩深40m的沉井采用空气幕工艺下沉到到设计标高，经过简易清基及浇筑水下封底混凝土后即进行精密的沉降观测检查，历时近9年共15次观测的沉降量为23.1mm。而与同样的地质地层条件，不用空气幕下沉的重力式沉井的056号墩的沉井深39m，经过6年共5次的同精度观测，其沉降量却达到33.5mm。两个沉井基础的桥墩最后一次观测的时间均为1986年4月。说明空气幕的助沉措施是有效的，前者的混凝土用量仅为后者的60%左右且下沉速度较重力型沉井快了2倍多。质量和造价都是令人满意的。以后在九江长江大桥的水中主墩的基础也采用了空气幕沉井方案，同样获得了理想的技术经济效果。
诚然，沉井的设计思路主要体现在壁厚上，即依靠自重下沉的厚壁素混凝土沉井和主要依靠减少井壁摩擦力来克服侧面下沉阻力的薄壁的钢筋混凝土沉井。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悬索桥用的锚碇沉井外，在墩台基础上将会减少使用。南京长江大桥的七号墩，原定管柱基础结构的方案已经铁道部批准立案。但负责整个大桥基础方案设计的曹桢总工程师，不唯上，不唯书，雄才胆识提出了薄壁的钢筋混凝土浮运沉井方案，外壁厚度最薄处小到0.35m，内隔墙仅厚0.20m，外墙采用钢模现浇，内隔墙采用钢筋混凝土预制板拼装。曹老总在沉井钢筋塔楼传力细节的计算和设计上都满足了正，负弯矩的应力要求，在节点处防止开裂的受弯内力弯曲强度都作了精心的计算和设计，保证了沉井主体的刚度和强度。不仅大大节约了资源也加快了施工的进度。深得大桥局领导和所有技术人员异口同声的赞绝和钦佩。现在杨进设计大师主持设计的泰州长江大桥浮运沉井基础更是青出于蓝而胜于蓝。使浮运沉井方案又上了一个新台阶，为我国深水基础工程作出了重大贡献。
2. 关于水中沉井的定位问题
很多设计人员对在深水下沉沉井中存在着位移和倾斜过大的疑虑，因此老规范中，原定的沉井底中心的位移限差定为H/100+0.25m（h为沉井高度），后来改为H/50+0.25m。即下沉50m高的沉降可允许偏差为1.25m，倾斜率不得超过1%。这样势必要在设计中加大沉井的截面尺寸，使结构体系能承受竖直力偏心的影响。但从笔者所经历的长江中下游的枝诚、九江、南京三座大桥的各类沉井的定位实践中，除了南京大桥的N3号墩沉井底中心偏移值为78cm外，其他沉井的中心位移都在20cm左右。而N3号墩的沉降在落底时，主要是锚绳没有均匀收紧，受潮汐推移，致使沉井偏上游78cm，超过规范允许的H/100+0.25=75cm（沉井高50m）偏大了3cm。故后来将规范放宽到H/50+0.25m。我认为这是不妥的。众所周知，水中沉井定位的二大关键因素是锚碇系统的稳定和测量定位的精度和速度。两者既是不同的工序又是相辅相成的合作共同体。在吸取了N3号墩的教训后，于是在N7号墩的钢筋混凝土浮运沉井中的定位工作中采取了技术革新，就是在沉井晃动时，将原来采取的三台经纬仪作前方交会实地标定法产生过大的示误三角形难以标定沉井中心的正确位移值。改为三台经纬仪对沉井顶面的结构中心，竖立觇标，进行瞬间观测，采用角差位移法进行1:2的图上定位[4]，结果得出的示误三角形的最大边长在3cm以内，为及时调整锚绳提供了精确的数据，使锚绳受力均匀，晃动幅度越来越小，为此与施工人员共同商量连续观测24小时，每半小时观测一次得出沉井顶、底的中心的位移值，绘出沉井在落底后的变位过程曲线，找出了最适宜的落底时段，随落底下沉随观测，一次观测成果仅需5分钟左右，即可提供精确的位移数据。直到下沉到稳定的深度。取得了成功。随着GPS定位技术的出现，则定位方法更是先进了。但是我国原有的常规测量设备并不是无用武之地了，笔者在角差位移图解法的基础上，创建了网络图定位法[5]不经现场计算或绘图，直接用观测值在网络图上标定沉井实际中心的位移值，每观测一次仅需2分钟，在实践中已深得测量人员的钟爱和接受。在锚锭设施的改进上，目前在墩位上下游适当距离设置的锚墩，简化了原来上下定位船抛投为数较多的钢筋混凝土锚和铁锚的繁琐工序，对航道带来的影响。这样的锚墩自身就较稳定且将来还可作保护桥墩的安全防撞墩的功用，一举两得。故笔者认为原有规范要与时俱进进行必要的修改，为此提出下列几点拙见供同仁讨论商榷。
3. 建议和结语
（1）重型沉井赖自重是完全可以下沉到位的，可以不必采取其他助沉措施。尤其用于悬索桥的锚锭基础结构型式，还宜在地基能承受的最大限度负荷下，加大自重，促使其克服摩阻力及复杂的粘土层，达到稳定的设计标高。有时为了抵抗缆索拉力，在沉井内还要填充混凝土，但前提是不能使沉井在负荷的过程中发生沉降以影响缆索拉力。而作为深水桥墩基础的沉井结构，首先要考虑的沉井主体结构的强度和刚度及其本身的自稳性来抵御可能发生的竖向力和水平力，适度的自重和重率是保证沉井下沉的重要因素。重率过大，对下沉沉井而言是有利的，但达到设计标高后若为土质基底则在清基时往往难以控制继续下沉，这就需要减小重率。为此笔者建议对重型沉井主体结构设计时，在沉井四周壁留出一些有底的空腔作为仓储室的结构，在下沉时需要增大重率时，可以在仓储室内灌水、砂或吸出的渣来压重，以资助沉，达到设计标高时，即可将仓储室内的压重物体吸出，减轻沉井自重，这样便可大大地节约混凝土的用量，又可保持沉井底清基时的稳定。
（2）实践证明，采用空气幕工艺的助沉措施，下沉沉井的最大优点无论是陆上沉井或与水中钢筋混凝土浮运沉井配合，在穿过沙层，砂粘土层都是显著有效的，而且通过调节气压来纠正沉井的偏斜也很有效，但在大颗粒、大空隙的卵石层及粘性很大的土质中，将有泄漏或不能造成水、土翻腾的幕体势态，就不宜使用。
（3）沉井的设计和施工是一项较为复杂的细致的工程，在每个环节都要有周密的计算，尤其在施工过程中，必须要有严格的便于执行的操作工艺，对沉井的位移和倾斜以及井孔内泥面标高要勤测量勤调整，防止翻砂事故的发生。陈新院士提出的“沉井基础工程的核心是沉井的下沉，要抓住这个”牛鼻子“主题不放。还有许多文章可做：如将空气动力学的工作原理，用在节能上，将吸泥机负压工作时排出的气体可利用储气筒储存起来，可供空气幕正压排气用，这就需要设备进行改造和革新；在沉井下沉过程中，正确控制好井孔的泥面标高，是保证沉井稳妥下沉的一个重要环节。必须边测量边调整吸泥机的位置，测量次数多，费时费力，若用超声波测水深的探头布置在各个测点，通过转换开关，随时可在仪器荧屏上读得所观测点的泥面标高数值，便于施工人员及时掌握泥面高差来采取相应的助沉措施；沉井的内隔墙，可以采用预制板，省去立模，绑扎钢筋现场浇筑，拆模，养护的多道工序，使沉井下沉走向快速、自动控制的步伐，在缩短工期，降低造价上更上一层楼是不无可能的。
沉井是近代大型桥梁基础同时发展的一种承重基础结构，已有百年以上的使用经验，在设计上，施工工艺上已有了不断的改进和应用成功案例。诚然，在墩位水文、地质条件相近的情况下，同时可用管柱、钻孔桩、沉井方案的自然条件下，就应作经济、工期、安全、环保方面的综合比较。在我国还是一个发展中的实际国情下，在保证安全适用的前提下，经济性还是要作为重点考虑的重要因素的。
2012年《第二十届全国桥梁学术会议论文集》上册
参考文献
[1]殷万寿、朱海涛：“对用现行规范指导设计大直径钻孔桩出现承载力不足问题的思考”《铁道标准设计》2006年.
[2]杨进：“大桥深水基础方案设计与施工及经济性研究”《桥梁建设》2011年第2期编号：0211026.
[3]朱海涛、周蓓：“利用空气幕下沉沉井的施工方法及其特点”《中国市政工程》1995年第3期.
[4]朱海涛：“特大桥水中墩采用直接观测值进行前方交会网络图定位”《桥梁建设》1984年第3期.
[5]朱海涛：“利用常规测量仪器进行桥墩精密定位的简捷法”《第十九届全国桥梁学术会议论文集》上册 2010，上海.
（作者 朱海涛）
