大型圆形沉井在复杂环境下施工的关键技术

大型圆形沉井在复杂环境下施工的关键技术作者：刘荣
来源：《建筑工程技术与设计》2014年第27期
[摘要] 鹦鹉洲长江大桥北锚碇采用世界上截面积最大的陆地圆形沉井基础，其沉井外形独特、造型新颖。

沉井基础地处城区，周边重要建筑物众多，场地十分狭窄。

在建设过程中，建设者针对新颖的沉井结构和复杂的周边环境大量地开展了“四新”技术的研究与应用，取得了良好地效果。

解决了大型沉井基础在十分复杂的城区施工世界性难题，填补了大跨径采用沉井基础的地锚式悬索桥梁在主城区建设的空白。

[关键词] 圆形沉井城区施工风险四新技术研究应用
1 北锚碇沉井结构概述
沉井作为基础结构，将上部荷载传至地基的一种深基础。

具有埋深较大，整体性好，稳定性好，具有较大的承载面积，能承受较大的垂直和水平荷载等特点。

鹦鹉洲长江大桥位于武汉市中心城区，是《武汉市城市总体规划（2010～2020年）》中明确的过长江通道，本桥北接汉阳的鹦鹉大道，南连武昌的复兴路。

大桥建成后将和武汉二七长江大桥构成武汉市二环线。

桥址距下游长江大桥约2.0km，距上游规划杨泗港过江通道约3.2Km，距白沙洲大桥6.3km。

主桥部分采用世界上首座三塔四跨地锚式悬索桥，主梁跨度布置：200+2×850+200=2100m；主缆跨度布置：225+2×850+225=2150m。

北锚碇沉井位于汉阳江滩北侧，是鹦鹉洲长江大桥重要的组成部分，建成后将承担46000t 的缆索拉力。

沉井基础采用结构新颖、造型独特的圆环形截面，中间圆孔内设置十字型隔墙；圆环内沿圆周均布有小直径井孔。

沉井外径为66m，内径41.4m（第一节沉井外径为
66.4m），沉井高43m，共分八节，第一节为钢壳混凝土沉井，高6m；第二至第八节均为钢筋混凝土沉井，第七、八节高6m，其余高5m。

沉井封底混凝土厚为10m，沉井顶面标高为
+19.0m，基底标高为-24m。

2 沉井施工的重难点
鹦鹉洲大桥的北锚碇沉井与国内其他相类似工程相比，具有截面为圆形，处于密集的主城区、距长江主河槽近、桥址处防洪大堤曾多次发生管涌等特点。

在国内、国际桥梁建设史上，还未有将特大型陆地沉井设置在如此密集城区及距长江防洪大堤如此之近的先例，其100m范围内分布有长江大堤、54层高楼、在建的六星级酒店和大量未拆迁2～4层民房等重要构造物；沉井距长江主河槽仅170m，且桥址处防洪大堤曾在1998年汛期发生管涌，施工条件极其复杂，其施工风险和难度前所未有。

如何克服井内取土对周边环境的影响，杜绝汛期桥址处发
生管涌、溃堤等重大安全事故，精确、按期地将沉井顺利地下沉就位，是建设者面临的最大挑战；沉井地处繁华城区，场地狭小，可利用空间少且文明施工要求高。

3 关键技术措施研究及实施
针对北锚碇沉井自身特点、围边环境、施工条件及长江水位周期变化等因素综合考虑，将各种影响及不利于沉井施工的风险和难度进行分析、评估判断。

以便有的放矢、找出最佳的解决施工难题的方法与工艺，达到安全、高效、优质地完成沉井下沉等项目目标。

3.1 关键技术措施研究
3.1.1 沉井周边塌陷及管涌的防治对策
虽然沉井对周边的影响比大开挖等施工方法所影响的范围要小，但由该于沉井的设置地点在密集城区地段，因此，其所造成沉降的危害影响更大，它的沉降可能造成邻近建筑物开裂、城市管网的断裂、市政设施基础、长江大堤堤防的破坏，这时就要求对沉井周边采取合理防治对策以避免上述现象的发生。

因此，合理地选择沉井周边的支护形式，要根据工程地质及水文条件，结合本工程的性质、规模及被支护建（构）筑物的特性来进行。

采取防治对策的原则应如下：
①沉井周边的沉降不得影响相邻建（构）筑物的正常使用或差异沉降允许值。

②沉井周边土体变位不得影响相邻各类管线的正常使用或变形曲率允许值。

③当有共同沟、合流污水管道、重要市政设施存在时，土体位移不得造成结构开裂、发生渗漏或影响市政设施的正常使用。

为了减少和防治沉井下沉过程中对周边构造物的影响，拟在沉井周边设置支护结构。

支护的方法常见的有注浆法（加筋注浆法、劈裂注浆法）、排桩法、旋喷法、水泥搅拌桩、地下连续墙法等。

排桩法、地下连续墙法为支挡型支护，注浆法、旋喷法、水泥搅拌桩为加固型支护。

它们有各自的适用条件，选用时要根据工程地质及水文地质条件，结合工程性质、规模等进行方案比较。

为了确保周边构造物安全，规避沉井下沉取土过程中的各种风险。

根据沉井下沉深度、可预期效果、工程造价、施工工期等因素，对沉井外周的支挡加固结构选定旋喷法和地下连续墙法，并进行各方面比较，见“表2 沉井周边支护结构比选表”
3.1.2 场地狭小，文明施工要求高技术措施研究
沉井地处繁华城区，其100m范围内分布有长江大堤、54层高楼、在建的六星级酒店和大量未拆迁2～4层民房等重要构造物，距市民休闲散步的汉阳江滩公园直线距离约50m 。

在施
工过程中不扰民、不污染环境、尽可能地减少城区用地是建设者面临的很大难题。

根据现场实际，建设者重点研究了三套施工方案。

3.2 关键技术措施的实施
3.2.1 地下连续墙施工
目前国内外广泛采用的成槽工法有：抓斗式成槽工法、冲击式钻进成槽工法、旋挖钻引孔配抓斗成槽工法及双轮铣槽机成槽工法。

抓斗式成槽工法地层适用性广，除大块的漂石、基岩外，一般的覆盖层均适用，查阅资料可知开挖深度达80m以上。

特点：低噪音、低振动；抓斗挖槽能力强，施工高效，成槽垂直度能达到1/300，设备较多，费用底。

本防护墙工程深度55m，穿过地层主要以粉质黏土层、砂层和局部较为坚硬的砾砂层为主，工程量较小（弧长仅270m、共46个槽段），施工工期紧（4月5日至5月15日），考虑经济性、适用性和技术要求，本防护墙成槽采用抓斗式成槽工法施工。

根据施工机械（斗体张开>2.8米）、施工工艺（三抓成槽）要求，单个槽段弧长（轴线）5.93米，外弧长5.99米，内弧长5.87米，槽段尺寸及细部结构详见“图3 槽段大样示意图”。

根据成槽顺序和施工计划安排，地连墙共划分为46个槽段，分为一期槽段、二期槽段和三期槽段，受场地内征地拆迁和场内施工便道施工的平行作业影响。

3.2.2 水循环系统实施
沉井下沉施工分为前期排水干挖取土下沉和后期不排水空气吸泥取土下沉两个阶段。

前期干挖取土下沉采用高压冲吸泥法取土施工，充分利用后期不排水空气吸泥取土下沉施工所需的水循环系统对沉井内土体进行冲刷和抽排，场地布置基本和后期不排水空气吸泥取土下沉阶段相同，仅不需要布置空气循环系统。

不排水吸泥取土下沉施工节段段场地布置仅在沉井接高施工阶段的基础上增加了空气吸泥机供气系统和水循环系统。

吸泥机供气系统由12台空压机和6个空气包组成，布置于锚碇下游侧。

根据以往大型沉井施工经验，沉井不排水吸泥下沉需很大的蓄水池和泥浆沉淀场地，由于本工程在市区，为摆脱施工场地限制，保证施工场地的文明整洁，缓解利用城市道路外运弃渣的压力，节约成本，拟在1#墩上游侧布置抽水平台，布置20台泥浆泵抽水，考虑泥浆泵的扬程较小，在长江边大堤上设置4台大功率砂石泵接力供水，通过4根直径315mm的管道向沉井内供水，沉井内泥浆通过空气吸泥机抽出，利用砂石泵中途接力直接将泥浆输送至1#墩下游侧停放的泥浆船，采用水路运输出场。

4 结束语
沉井自2011年10月18日开始第一次下沉，至2012年5月21日下沉到位，历时216天，沉井累计下沉45.019m，期间沉井施工技术攻关小组严格按照各项预控措施进行作业，项目部测量组对沉井接高及下沉过程中进行姿态测量，并对沉井各阶段的侧壁压力、刃脚压力、关键位置混凝土应力值、钢筋应力值、钢壳钢板的应力值进行监控，同时对世茂锦绣长江高楼、长江大堤进行沉降位移监控。

通过沉井监控数据表明，实际地表沉降及位移值比理论计算值大，分析原因主要是理论计算过程中未考虑周边土体的流失和地下水变化后土体的压缩，但最终变形和位移值未达到预警值，对周边重要构造物未造成影响，达到了预期效果。

沉井下沉利用长江作为循环系统，很好地解决了城区可利用土地资源少，文明施工要求高等难题。

通过技术创新，开创了密集城区内大型沉井施工的先河。

参考文献（References）：
[1] 孟凡超，王仁贵，徐国平，等.公路桥涵设计手册——悬索桥[M] .北京：人民交通出版社，2011.
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[3] 徐斌，沉井基础施工技术研究[J].现代商贸工业，2009，（10）：267-268.。