李辉
中铁大桥局集团有限公司 湖北省武汉市 430000
[摘要]随着越来越多大跨度跨江跨河桥梁设计的问世，传统的桥梁基础结构形式将越来越难以满足现有结构设计的要求，更高、更大、更多的沉井基础结构形式将被应用到以后的桥梁设计施工中，而确保沉井的快速、高效、安全施工将更是重中之重。
[关键词] 沉井 不排水下沉 翻砂 突沉 倾斜 障碍物
引言：沉井施工分为排水下沉和不排水下沉两种，而大型桥梁的沉井基础施工过程中，所处土层地质情况多样化，沉井周围水资源丰富，大量排出地下水取土不具备可操作性，采取排水下沉的施工方案具有较大的难度；而大型桥梁的沉井基础周边补水、排污等比较便利，在工程造价、进度、安全等方面，不排水下沉具有较大的优势。
一、沉井不排水下沉常见问题的原因
拟采用的沉井沉井基础底面尺寸95.0×57.8m(横桥向×纵桥向)，圆端半径28.9m；沉井顶面尺寸77.0×39.8m(横桥向×纵桥向)，圆端半径19.9m；台阶宽度9.0m，尺寸巨大。沉井入土47m，需穿过总厚约20m粉质黏土，取土难度大。上覆硬塑粉质黏土层，且土层厚度不均，层底高差大，沉井不排水下沉过程中各土层力学性质复杂、层间地基承载力存在突变、沉井下沉过程中水流会发生变化、吸泥导致土压力的变化、施工工序的变化以及地下诸多不可预见的因素，导致沉井不排水下沉过程中不可避免会发生翻砂、突沉、水下施工障碍物、吸泥机堵塞、沉井下沉姿态不可控等现象，导致沉井难以精准定位。
图 1 拟采用的沉井地址柱状图
二、沉井吸泥下沉施工工艺流程
图 2 沉井不排水下沉施工工艺流程图
三、沉井不排水下沉常见问题的分析
1、翻砂现象
产生的原因
井底出现空隙和通道，沉井内压力又小于外压力，使井外砂砾涌向井内。小翻砂可能加速沉井下沉，大翻砂有可能造成沉井突然下沉，倾斜及井壁开裂等严重后果。
应对措施
A.沉井外井壁刃脚内侧一般保留2m宽左右的土坎，使沉井在刃脚处挤土下沉，以减少对沉井外周围土体的扰动程度，确保沉井外周围土体的稳定。只有当沉井中部土体全部吸除而还不下沉时或纠偏时才可适当吸除刃脚处土体。
B.加强监控检测，吸泥时保证井内泥面低于刃脚不超过2m，避免吸泥下沉过程中形成刃脚下翻砂通道禁止在井壁刃脚底直接吸泥。
2、突沉现象
产生的原因
沉井在下沉过程中，由于沉井内部的取土速度和取土范围的变化、以及地层、土压的变化、水下障碍物清除等，很可能出现沉井突然下沉的现象。
应对措施
A.突然下沉，往往是一侧或一角突然倾斜。这主要是由于外侧壁摩擦力突然减少或井内吸泥不均所致。采取在刃脚较高的一侧抓紧吸泥，纠正偏斜，纠正后保持均匀吸泥下沉。
B.在吸泥时始终保持刃脚以上有较厚的土，使井壁内侧亦承受一定的摩阻力，刃脚下土阻力和井壁内、外侧摩阻力之和，与沉井自重处于极限平衡状态，沉井徐徐下沉。
C.沉井后续节段吊装接高保证对称进行，混凝土浇筑对称进行，隔仓内均匀取土。
D.采用沉井施工全过程智能监控系统。对下沉过程中的姿态、土压力、结构应力、泥面情况等进行实施监测、及时预警，并辅助决策生成作业指令，实现可控、可测、可视下沉。
3、水下施工障碍物
产生的原因
由于地质勘探并不能覆盖到沉井位置的所有地方，沉井在下沉过程中不可避免的会遇到树木、孤石、沉船等障碍物，这些障碍物对于沉井的下沉会造成各种不利影响。
应对措施
一旦发现障碍物要立即停止下沉，进行详细探查，确定障碍物的位置及形状尺寸，采取以下方法处理。
A.刃脚下遇到树木时将其破碎或掏移，使其离开刃脚后用抓泥斗取出。
B.刃脚下遇到孤石时，潜水工下水，小块的将周围掏空取出；大块的先清除其覆盖土，寻找弱点进行开挖，先将小块清除，形成逐渐扩大的坑后，再将其撬翻离开刃脚取出。
C.刃脚下遇铁件或沉船等障碍时，采用水下切割得方式进行清除。
4、吸泥机堵塞
产生的原因
吸泥管口距离泥面较高时，吸泥效果较差。与泥面距离过低，容易造成堵塞；当井底有杂物时，吸泥过程中，弯头排泥管的接头处，易被堵塞。
应对措施
A.吸泥过程中，吸泥机一般距离泥面15～50cm，停吸时，先将吸泥机提升一定高度后再关闭风阀。
B.经常注意风压，防止回风，以免导管内泥砂倒入风包，堵住风眼。
C.采取防护措施，尽量避免木块、草袋、麻绳、工具及材料等杂物掉入井底。
D.随时掌握井底面变化情况，防止周围土层坍落或由于翻砂而埋住吸泥机。
5、沉井下沉姿态不可控
沉井下沉过程中，沉井会发生倾斜现象，使沉井中心线、刃脚中心线与设计位置不重合，沉井出现歪斜，垂直度超过允许限度。当倾斜方向不平行于轴线时，纠正后则产生扭转（两个方向的偏移）。
产生的原因
A.沉井下沉过程中，地层厚度变化不均，同一土层层面的高差较大，沉井刃脚处所受反力和外侧壁所受摩阻力有较大不同，沉井有可能向受力较小的一侧偏斜。
B.沉井后续节段接高时未对称进行，导致沉井外侧受力不均引起偏斜。
C.壁体混凝土的不对称浇筑引起偏斜。
D.隔舱内取土不均匀引起偏斜。
E.刃脚处取土不当被淘空引起偏斜。
F.地层中的不明障碍物没有及时发现引起下沉困难和偏斜。
应对措施
A.当倾斜发生在吸泥下沉阶段时，立即停止整体吸泥下沉，在沉井顶面高的一侧刃脚处进行偏吸泥、偏除土，刃脚低的一侧保持不动，尽可能地减少刃脚高的一侧的正面阻力，保留低侧沉井孔局部土壤，增大沉井的纠偏力矩，随着刃脚高的一侧的下沉，倾斜即可纠正。
B.吸泥下沉按照先核心后周圈、先井孔后井壁隔墙、分层对称破土、先高后低、及时纠偏的原则进行，对称、均匀的取土。严格控制取土深度，在取土过程中，保持刃脚部位有2m左右的土体，同时保证取土坑坡度尽量平缓并尽量贴近隔墙踏面。
C.下沉过程中，一旦发现沉井下沉困难和出现倾斜，暂时停止取土施工，分析原因，若发现不明障碍物及时进行处理。
D.偏移纠正方法一般是控制下沉并不再向位移方向倾斜，同时有意识地使沉井向偏移相反方向倾斜，直到刃脚处中心线与设计中心线位置吻合或接近时，再纠正倾斜，偏移相应得到纠正。
E.扭转（两个方向的偏移）可按纠正偏移方法纠正，使倾斜方向对准沉井中心，然后纠正倾斜，扭转随之得到纠正。亦可先纠正一个方向的倾斜、位移，然后纠正另一个方向的倾斜、位移，几次倾斜方向纠正后，轴线即恢复到原位置。
F.下沉施工过程中勤测量，包括泥面标高、下沉速度、沉井四周高差、沉井平面位置坐标和高程，在沉井基础顶面安装4台GPS天线用于监测其顶面四边中点的三维坐标，并根据沉井基础的理论中心点位置，利用云平台监测系统实时解算沉井基础几何姿态，其几何姿态的变化规律与下沉端阻力、侧压力及结构应力等监测数据综合分析，确定沉井基础几何姿态偏位的力学机制，并提出纠偏措施。
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图 3 GPS测点平面布置示意图
在沉井主体结构内部安装多个监控元器件，利用智能传感器自动采集沉井姿态和结构受力数据，并在监控云平台上直观显示，取代以往采用人工测量的传统工艺，在首次下沉、终沉和穿越各种土层时加大观测力度，做好记录，发现异常，立即停止吸泥下沉，及时查找原因，制定措施。
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图 4 云平台智能监测系统工作流程图
G.合理配备更先进的智能取土设备，通过搭载水下高清视频监控、前视声呐和避碰声呐传感器对施工环境进行监测，监测数据将实时的反馈至后台显示器上，实现每个井孔内泥面状况、刃脚支撑状态可视化、数据化，实时指导取土作业，不留盲区；同时监测沉井外周边河床地形的冲淤、沉降变化、水流流速、流态等内容，实现监测数据集成化、信息化，综合实现可视化沉井下沉施工。做到可测、可视、可控下沉。
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图 5 多波束成像声纳水下井孔成像应用实例图
H.沉井施工过程中，严格控制沉井姿态，实时调整吸泥取土顺序，通过井孔内可视化泥面监测数据分析，预判沉井下沉姿态，避免发生偏斜。
6、取土盲区
产生的原因
现有沉井取土方法以垂直取土为主，通常情况下，随着井底中部的土被取出，井孔内的泥面会呈现锅底状，锅底比刃脚低1-1.5m时，沉井即可靠自重下沉，并将刃脚下方的土挤向井孔中部。当下沉遇到硬塑黏土、卵石胶结层等硬质土层时，该类土体具有较大的天然坡角，不易向锅底坍落，容易在井壁及隔墙底形成较大的取土盲区。
应对措施
采用新型的智能取土设备，该设备设计了水下走行系统、水下智能感应系统、水下液压电气系统、自动绞吸排渣系统和岸上的操作控制系统。智能取土设备可以在水下行走，并能通过智能感应系统给沉井下沉的河床区域做"B超"，探明工作环境。
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图 6 智能取土设备效果图
每个井孔的水下地形有高低起伏，智能取土设备处理完井孔中的泥土后，利用水下声呐传感和摄像设备，辨别盲区位置，并将感应信号传到地面。水上的操作平台通过传感器可以实时监测智能取土设备取土情况，根据传感器数据来自动化施工作业。工作人员在主控平台可以清晰地看到智能取土设备的作业模拟，显示的图像类似于B超的扇形图。工作人员通过设定吸泥深度等数据，通过调节液压机械臂的角度，操纵杆控制水下智能取土设备，通过水下声呐传感和摄像设备，可以辨别盲区位置，实现精准取土。这样一来可以确保均匀取土，二来保护沉井的井壁不被破坏。实现井孔内高效、精准取土作业，确保沉井安全可视、可测、可控下沉。
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图 7 智能取土设备控制平台示意图
水下地质环境复杂，取土中，万一用力过猛，可能遭遇“没顶之灾"。对此，智能取土设备设计“自救”功能，“取土中，系统一旦监测到沉井下沉速度超过一定范围，会自动预警，迅速将智能取土设备拉上来。
四、总结
总之，沉井下沉施工严格按照施工组织方案进行，当前阶段的施工要考虑为后期的施工提供便利条件。施工组织方案编制时实事求是，做好人员、材料、机械、施工方法、工艺等方面的组织规划，合理编制工期计划，确保沉井安全、质量、进度、成本等符合预期。
随着科学技术的发展、新型装备的研发，以及信息化、可视化在沉井不排水下沉中的应用，有理由相信,沉井基础将在大跨度桥梁中得到越来越广泛的推广及应用,并且会成为桥梁设计施工的优先选择。
参考文献：
[1]超大沉井基础设计及下沉方法研究 秦顺全,谭国宏,陆勤丰,傅战工,郭明伟,魏凯
[2]桥梁深水基础的发展和展望[J] 李军堂,秦顺全,张瑞霞
[3]中国大跨度桥梁最新进展与展望 毛伟琦,胡雄伟
[4]深水巨型钢沉井基础施工方案 刘杰文,黄龙华
[5]沅江大桥大型沉井扶正与纠倾处理方法 杨齐海,陈俊达
[6]大型沉井基础首次下沉高度选择探讨 朱明权,刘涛