沉井基础是一种井筒状结构物, 它具有埋置深度大、整体性强、稳定性好, 能承受较大垂直荷载和水平荷载等优点, 因而被广泛应用于桥梁墩台、锚碇等结构物的基础工程。早期国内外所采用的多为中小尺寸规模沉井, 施工风险相对较小。随着近年来我国大跨度悬索桥的迅速发展, 一大批超大沉井得到应用。其中, 江阴长江大桥的北锚碇沉井平面尺寸69m×51m, 高58m;南京长江四桥北锚碇沉井平面尺寸69m×58m, 高52.8m;马鞍山长江大桥北锚碇沉井平面尺寸60.2m×55.4m, 高41m。五峰山长江大桥北锚碇沉井基础平面尺寸100.7m×72.1m, 高56m, 平面尺寸为世界之最。

与小型沉井不同, 大型沉井刚度相对较小, 即结构更大、更重但更柔, 施工过程中需考虑的因素也更多。目前, 沉井设计规范中的研究成果多针对小型沉井, 应用于特大型沉井时具有局限性, 因而在大型沉井施工过程中必须进行多方面的现场监控, 确保其施工质量及安全。以往工程常用的监控手段为人工采集或无线采集数据, 然后进行人工分析, 在监测效率、准确性及展示效果方面均存在一定弊端。五峰山大桥北锚碇沉井建立了一套完整的监控系统, 首次在沉井施工过程中实现了实时监控, 不仅大大提高监测效率及准确性, 更能将监测结果进行直观展示。

五峰山长江大桥是新建铁路连云港—镇江铁路重点控制工程, 大桥北岸位于镇江市丹徒区高桥镇, 南岸位于镇江新区, 上距润扬长江大桥约30km, 下距泰州长江大桥约20km。五峰山长江大桥主桥为双塔5跨连续钢桁梁公铁两用悬索桥, 桥跨布置为2×84+1 092+2×84=1 432m, 桥面宽40.5m。大桥北锚碇基础采用沉井结构。

沉井长100.7m、宽72.1m、高56m, 平面尺寸为目前世界之最。沉井共分10节, 第1节为钢壳混凝土沉井, 高8m;第2～10节为钢筋混凝土沉井, 其中第2节高6m, 第3～8节高均为5m, 第9节高4m, 第10节高8m。沉井采用矩形截面, 标准截面壁厚2.0m, 隔墙厚1.3m, 中间共设置48个 (10.2m×10.9m) 矩形井孔。沉井刃脚高1.8m, 刃脚踏面宽0.2m;为传递封底混凝土基底反力和增强封底混凝土与井壁的连接, 在第2节沉井设置6m高剪力键, 如图1所示。

五峰山长江大桥北锚碇位于冲积平原区, 地形较平坦, 地表主要为鱼塘及蟹塘, 塘埂道路处表层覆盖层有厚度不等填土, 填土以下土层依次为②₂淤泥质粉质黏土、②_2-1粉砂夹粉土、②₃粉砂、②₃粉细砂、②₄粉细砂、③₁粉细砂、③₂粉细砂, 土层主要参数如表1所示。

沉井在首次接高前, 因原始表层土承载力不足, 对地基进行砂桩加固处理。由于沉井规模巨大且首次接高3节工期较长, 在长期堆载作用下, 复核地基出现明显的固结效应。经过补勘, 得到复合地基的极限承载力约为700kPa, 超过设计值1倍多。

五峰山长江大桥北锚碇沉井规模巨大, 施工工艺繁杂, 结构受力更是极为复杂, 为保证其自身结构及周边邻近构筑物安全, 必须在施工过程中对沉井的几何姿态、挠度、结构应力、土压力、沉井内外水位及周边构筑物沉降等项目进行监测。首先对沉井的施工过程进行有限元模拟, 计算出结构应力较大位置, 用于指导监测仪器布设。

沉井下沉模拟计算采用有限元软件MIDAS进行, 采用施工阶段分析法对沉井下沉过程中的各控制工况进行模拟计算分析。模型中混凝土结构采用三维实体单元, 钢壳结构采用板单元, 计算中钢壳内加劲结构及混凝土内钢筋结构未考虑, 忽略其对结构的影响, 如图2所示。

沉井计算过程中主要考虑的荷载为沉井结构自重、井壁外侧土压力、井壁外侧摩阻力、水对沉井的浮托力。根据沉井在不同深度时的土层情况设置边界条件, 包括井壁及隔墙底部竖向支撑、井壁侧向水平支撑2种。

北锚碇沉井下沉分3次进行, 第1次接高前3节, 采用排水下沉至标高-8.000m;第2次接高第 4～6 节, 采用不排水下沉至标高-30.000m;第3次接高第7～10节, 采用不排水下沉至标高 -55.000m。按此工序划分计算工况, 结合实际施工工艺分析计算结果。

分别提取沉井首次下沉至标高-8.000m, 第2次接高完成, 第2次下沉至标高-30.000m, 第3次接高完成以及终沉到位时的结构应力云图。

由于本沉井的规模极大、结构较柔, 不能采用传统的大锅底开挖施工, 多数情况下为数个隔舱的中小锅底开挖方式下沉, 受力情况与传统沉井也大不相同。由计算结果也可看出, 沉井拉应力整体分布较离散, 各工况下沉井整体呈底部受拉、顶部受压状态。因而沉井需进行应力监测的部位众多, 实际主要监测每次接高后下沉时结构顶面和底面的状态。

根据本工程特点、现场情况及总体设计要求, 设定本工程监测内容, 如表2所示。

根据规范要求, 并结合以往的施工监控经验, 确定沉井监控的控制标准, 如表3所示。施工过程中监控数据超过黄色预警值时应引起技术人员重视, 超过橙色报警值要采取工程措施及时纠偏, 达到红色极限值时应先暂停施工, 然后组织专家论证。

沉井施工过程中布设的监测仪器数量及位置如表4所示。

在北锚碇沉井基础施工过程中, 需对沉井各施工状态重要参数进行监测, 及时掌握沉井结构内部应力、应变和整体稳定性及对邻近构筑物的影响。由于本沉井测点数量众多, 仅采用传统的人工测试工作量非常大, 且无法将沉井工作的状况进行实时且直观展现。因此, 开发一套沉井实时监测系统, 提供直观的监测界面, 对五峰山长江大桥北锚碇沉井施工过程重要部位监测数据进行实时展示, 并可对监测数据超限情况进行及时预警。

1) 实时监控总体方案

实时监控系统基本方案为:先由自动采集箱采集各类传感器初始信号, 然后通过GPRS无线网络将信号发送到后台服务器, 由服务器对传感器信号进行转换和处理, 再通过网络将信号发送到终端采集站 (笔记本电脑) , 如图3所示。自动化无线监测系统遵循实用、实时、同步、可靠、统一的原则进行设计。

2) 系统功能及界面

本实时监控系统可实现以下几项主要功能:①测点位置全景和三维模型展现 制作沉井三维模型及井口全景图像, 用全景切换的方式展现各沉井各节测点的传感器安装详情及照片;② 沉井下沉监测数据的采集与数据呈现 实现各仪器监测数据图、表、趋势呈现以及历史查询, 实现监测系统主界面和相关实时监测数据在项目部监控室拼接大屏的友好展示, 实现人工监测数据的单个或批量导入;③ 监测结果预警与预警发布 设定预警阀值 (见表3) , 通过平台和短信方式发布预警信息;④ 可将系统中查询的数据结果导出为excel文件。本监控系统主要功能模块有数据库、沉井姿态、沉井应力状态、沉井内外水位、电塔沉降、大堤沉降、沉井挠度, 主要监测界面如图4～7所示。

沉井下沉分3次进行, 首次排水下沉经历15d (2016-12-01—2016-12-15) , 第2次不排水下沉经历46d (2017-03-30—2017-05-14) , 第3次不排水下沉经历43d (2017-09-27—2017-11-08) 。沉井于2017-11-08终沉到位后顶部高程 (均值) 与设计误差4cm, 四角高差17.5cm, 平面扭转角0.046°, 沉井各项指标均远小于控制限值。

沉井施工过程中的下沉量以实时监控为主、人工复测为辅进行。经过校核, 二者精度上基本相同。但在沉井下沉较快时, 人工测量由于时间较长, 无法测得动态沉井的顶部标高, 此时布置在沉井4个角点的北斗测得的实时数据 (每分钟) 将更加准确。沉井累计下沉量如图8所示, 图中明显看出在第2次下沉阶段有一次较大规模的突沉现象, 突沉后沉井结构应力仍处于合理状态, 经过措施调整, 将沉井姿态在第2次下沉到位时调整到合理值。

在本沉井施工过程中创新性地采用静力水准仪进行沉井挠度的实时监测。在沉井平面4个角点, 四边中点及中心点位置各布置1台静力水准仪, 实时测量各点与基准点高差, 后台接收到高差数据后经过计算得到挠度的实时值, 同样挠度监测也用人工测量的方式进行复核, 下沉过程挠度结果如图9所示。

由挠度监测结果可看出, 首次下沉期间挠度始终控制在20mm以内;第2次下沉出现突沉后, 挠度出现最大值约-50mm, 通过及时调整, 挠度迅速调整至20mm以内;第3次下沉期间挠度基本控制在25mm以内。这说明沉井在整个下沉期间采取合理的吸泥工艺, 其姿态始终处于可控状态。

沉井下沉期间, 将关键部位 (每次下沉底、顶部) 的应变传感器接入应力自动采集箱, 自动采集原始数据, 无线传输至后台进行换算得到应力实时值。未进行自动采集的非关键部位仪器每日1次人工采集。

沉井底节钢板在横、顺桥向应力曲线如图10所示。由结果可看出, 2个方向上的钢板应力基本都呈现首次下沉波动较大, 第2次下沉压应力减小, 第3次下沉较为平稳的趋势。这是由于沉井首次3节下沉时结构较柔, 采用新工艺施工时应力反应较敏感, 沉井始终处于边下沉边调整状态。随着沉井节数的增加, 结构刚度增大, 结构变形能力减小, 底部钢板应力敏感度下降, 应力变化趋势变平缓。

沉井钢筋顺、横桥向应力曲线如图11所示, 首次下沉只有第1, 3节测点, 第2, 3次下沉分别增加沉井相应顶部测点数据。由结果看出, 每次下沉沉井基本呈底部受拉、顶部受压状态, 由于沉井受力极为复杂, 钢筋应力受结构挠度变化影响明显, 没有明显的变化规律, 但应力数值始终控制在限值以内。

沉井混凝土顺、横桥向应力曲线如图12所示, 混凝土应力结果与钢筋应力类似, 每次下沉也基本呈底部受拉、顶部受压状态。由曲线可看出, 混凝土相对于钢筋其敏感性更强, 施工过程中发现应力超限时, 一般进行分区域调整挠度改善应力, 整个下沉过程中混凝土应力始终控制在极限值以内。

北锚碇紧邻长江大堤, 沉降施工及降水助沉易引起大堤的不均匀沉降、渗漏和管涌破坏等隐患, 影响长江大堤安全。同时, 沉井200m范围内还有1座混凝土过江电塔, 也需针对电塔基础进行沉降监测。

过江电塔通过布置在塔身底部4台静力水准仪实时监测4点沉降值, 进而得到塔的实时倾斜率。为避免温度因素影响塔身倾斜率, 取每日1点监测数据进行分析, 如图13所示。结果显示, 电塔倾斜率在第2次下沉期间有上升趋势, 第3次下沉有下降趋势, 但整体幅度都很小, 在整个下沉过程中倾斜率始终远小于预警值0.002 4。

长江大堤沉降监测采取人工水准测量, 然后将测量数据人工导入监测系统进行直观展示, 监测结果如图14所示。沉井在首次下沉采用排水下沉, 对大堤沉降影响较大, 沉降速度最大;第2, 3次下沉均采取不排水下沉, 但在第2次下沉阶段采取适当降水助沉, 因而大堤沉降相对较快。

五峰山长江大桥北锚碇沉井基础规模巨大, 其平面尺寸为目前世界之最, 其施工难度及风险也在桥梁界非常罕见。沉井施工过程中的监测难度也比以往普通沉井大很多, 全部采用传统的人工监测已无法满足工程需要, 因此专门研发一套沉井实时监控系统, 为沉井顺利下沉提供保障。由监测结果可得到以下结论和建议。

1) 监控方案制订阶段进行沉井的有限元计算分析, 对指导监测仪器布设起到重要作用, 由监测结果看出, 所选的关键部位合理, 监测结果也基本和预想规律一致。

2) 沉井由于结构相对较柔, 施工过程中应尽量避免出现 “大锅底”情况。由监测结果看出, 沉井的挠度变化相当敏感, 实际施工过程中经常进行分区域调整挠度及应力, 因而沉井整体应力监测结果规律性不强。但也是因为进行及时调整, 沉井结构应力和挠度基本都能控制在限值以内。

3) 周边构筑物监测是特大型沉井施工过程中的一项重要内容, 制订监测方案时应进行相应计算分析, 确定需重点监测构筑物, 对其进行定期或实时监测。

4) 实时监测系统在沉井施工中的成功应用避免人工采集、计算上的错误, 极大地提高监测效率, 并能形象直观地展示沉井的实时状态, 对以后类似的特大型沉井施工具有借鉴意义。