特大型沉井開挖下沉施工工法

1特大型沉井開挖下沉施工工法2 1 1 1 1 2 2 2 11 11 11 12 12 12 12 13 13 13 14 14 14 14 151 為保證五峰山長江大橋北錨碇世界第一大沉井開挖下沉施工順利進行，對沉井施工方案、工藝及控制方法進行優(yōu)化與創(chuàng)新，并在沉井施工大型沉井開挖下沉施工工法，這是對大型、特大型沉井開挖下沉施工的全新探索與實踐，在一步總結完善形成本工法。（1）本工法針對百米級沉井前期下沉結構柔性大、易開裂的技術難題，首次提出柔性結構多支點和中心點支撐組合下沉方法，填補了超大型沉井施工技術的空白。避免了沉井傳統(tǒng)鍋底開挖，沉井中心懸空跨度過大沉井結構開裂的風險，解決了大型、特大型沉井開挖結構易于開裂的世界級難題。（2）本工法首次提出超大型沉井下沉撓度控制技術及隔艙分區(qū)集成控制調節(jié)方法，使得根據(jù)沉井上拱/下?lián)媳O(jiān)測數(shù)據(jù)即能直接反應沉井當前受力狀態(tài)，為沉井調整提供更為直接有效的依據(jù)實現(xiàn)了大型沉井結構安全變形監(jiān)測控制。將大型、特大型沉井控制單元簡化為9吸泥設備周轉耗費時間。（3）本工法研發(fā)了沉井下沉全過程實時監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了沉井監(jiān)測數(shù)據(jù)實時自動采集、數(shù)據(jù)高精度無線傳輸、立體直觀展示及異常點位自動預警的功能，解決了大型沉井施工過程中監(jiān)測難、控制難的問題。首次采用了沉井水下泥面三維全景成像聲吶掃描技術，實現(xiàn)了沉井水下泥面的三維掃測及成像技術，為沉井水下施工提供了透視眼，解決了沉井水下開挖支撐條件無法確定的難題。本工法適用于大型、特大型沉井開挖下沉施工與控制，能夠很好解決特大型沉井結構開裂風險，簡化沉井施工控制，大大提高施工信息化水平。特大型沉井首次排水下沉階段，沉井整體剛度小，易于開裂，施工過程采用多點支撐開挖下沉方法確保了沉井結構安全；在不排水下沉階段，為了控制沉井底部結構應力，采用預留核心土開挖下沉方法。為了克服特大型沉井結構應力、姿態(tài)調整困難，沉井施工過程中采2用撓度及隔艙分區(qū)集成控制方法；為了提升沉井施工過程中對風險識別及信息化控制水平，研發(fā)實時監(jiān)測系統(tǒng)，引進三維全景成像聲吶掃描技術，確保了特大型沉井順利下沉至指定標高。5.1施工工藝流程本工法沉井首次接高完成采用不排水下沉方法，采用多支點支撐開挖下沉工藝、撓度與隔艙分區(qū)集成調節(jié)技術，在施工過程中借助監(jiān)控系統(tǒng)對沉井撓度、結構應力、沉井姿態(tài)、水位等進行控制，采用隔艙分區(qū)集中調節(jié)方法快速調整。沉井首次下沉到位后再次接高，采用不排水下沉方法，采用預留核心土開挖下沉工藝、撓度與隔艙分區(qū)集成調節(jié)技術，進行水下開挖下沉，除通過監(jiān)控系統(tǒng)對沉井撓度、結構應力、沉井姿態(tài)、水位等進監(jiān)測控制外，采用水下三維泥面全景成像掃描技術，對泥面進行掃測，控制沉井刃腳埋深，防范沉井涌砂、傾斜等風險，直至沉井下沉至指定標高。圖5.1-1主要施工工藝流程5.2操作要點5.2.1多支點支撐排水開挖下沉1、開挖順序多點支撐開挖方法首先在隔艙進行十字拉槽，然后增加拉槽的寬度，接著擴大拉槽的深度，深井下沉后，拉槽寬度、深度均減小，重復各個步驟實現(xiàn)循環(huán)開挖。3(c)步驟3:隔艙拉槽和鍋底深度增加(圖5.2.1-1多支點支撐開挖施工順序2、施工控制施工過程控制要點為拉槽寬度、拉槽高度和支撐有效性控制。五峰山沉井相關限值為：拉槽寬度7m，懸空高度刃腳部分110cm、隔墻20cm；預留土體寬度需大于1m。多點支撐開挖下沉方法，避免了沉井傳統(tǒng)鍋底開挖，沉井中心懸空跨度過大沉井結構開裂的風險，解決了大型、特大型沉井開挖結構易于開裂的世界級難題。圖5.2.1-2多支點支撐開挖工藝及施工控制(a)沉井首次排水下沉前(b)沉井首次排水下沉后圖5.2.1-3沉井首次多支點支撐開挖下沉5.2.2預留核心土開挖下沉方法1、開挖順序采用預留核心土施工方法施工時，先保留核心艙土體，然后開挖周邊艙土體，接著開挖核心土部分，沉井下沉后，底部脫空面積減小，重復各個施工步驟，直至沉井下沉到指定標4(a)步驟1:核心艙土體預先保留(c)步驟3:核心土開挖圖5.2.2-1預留核心土開挖施工順序2、施工控制通過對沉井核心點支撐，使得沉井中心變形與應力可控。預留核心土工藝能夠優(yōu)先保留核心艙土體，然后開挖周邊艙土體核心艙，使得土體滯后開挖，達到保證核心區(qū)土體不脫空的目的。圖5.2.2-2沉井預留核心土不排水下沉施工5.2.3沉井開挖下沉撓度控制方法1、撓度控制方法原理針對大型沉井采用沉井應力控制，應力監(jiān)測數(shù)據(jù)采集耗時長，監(jiān)測數(shù)據(jù)處理、異常數(shù)據(jù)識別困難的難題；創(chuàng)新性提出的沉井撓度控制方法，通過對沉井界面布置沉降監(jiān)測點，通過對比各監(jiān)測點相對位移，獲得沉井當前姿態(tài)，使用該方法將應力控制替換為更為直接的應變控制，使得根據(jù)沉井上拱/下?lián)媳O(jiān)測數(shù)據(jù)即能直接反應沉井當前受力狀態(tài)，并且，通過沉井撓度控制達到控制沉井結構變形的目的，更易于監(jiān)測、精度更高；從而更精確、更快速、更高效的知道沉井施工。采用撓度控制方法具有如下特點：1、直接監(jiān)測沉井相對變形；2、最少需要9個監(jiān)測點，大大較少監(jiān)測工作量；3、根據(jù)需要可適當加密監(jiān)測點；4、方法操作簡單。5圖5.2.3-1沉井撓度監(jiān)測點布置示意圖2、撓度控制操作方法撓度監(jiān)測點布置在沉井中心和各邊中心點。以1#點撓度γ1求解為例。式中：s5、s6、h5、h6分別為監(jiān)測點5#、6#的沉降和標高，h1為1#點標高。撓度控制方法流程如下圖所示。圖5.2.3-2撓度控制流程圖該控制方法應用在五峰山北錨定沉井和甌江北口大橋南錨碇沉井施工中，引入靜力水準儀等監(jiān)測手段還可以實現(xiàn)實時動態(tài)監(jiān)測，通過對比各監(jiān)測點相對位移，獲得沉井當前姿態(tài)。圖5.2.3-3沉井靜力水準儀和撓度實時監(jiān)測圖5.2.4隔艙分區(qū)集成開挖調節(jié)方法沉井開挖下沉過程往往伴隨著沉井姿態(tài)的不斷調整，即需要沉井開挖過程中不斷調整沉井開挖順序，使沉井姿態(tài)處于可控范圍；因此沉井施工是動態(tài)調整的過程。沉井傳統(tǒng)姿態(tài)調整以單個隔艙為調整單元，對于大型、特大型沉井多達數(shù)十個隔艙，控制單元數(shù)量眾多；吸泥設備布置調整將變得異常復雜、且吸泥設備周轉過程耗時長，大大影響軀體下沉作業(yè)。故而傳統(tǒng)隔艙單元調整方法存在下沉調整指令難以下達，耗時時間長的缺點，在具體實施過程中控制難度大、效率低；嚴重影響沉井開挖下沉效率。6圖5.2.4-1五峰山沉井傳統(tǒng)48個隔艙控制單元隔艙分區(qū)集成開挖調節(jié)方法這一創(chuàng)新成果其技術原理為將大型、特大型沉井多個相鄰隔艙劃分為一個分區(qū)，將多達數(shù)十個隔艙沉井劃分為幾個大的分區(qū)，在沉井姿態(tài)調整時，以大的分區(qū)作為控制單元，單個分區(qū)吸泥設備集中控制；使得沉井施工過程中僅調節(jié)最少單元即可達到調整沉井姿態(tài)、應力的目的；消除了以單個隔艙作為控制單元可控性差、難以操作、效率低下的難題，實現(xiàn)了沉井指令快速下達、沉井姿態(tài)快速調整。采用隔艙分區(qū)集成開挖調節(jié)方法，五峰山北錨定沉井隔艙分區(qū)劃分如圖所示。圖5.2.4-2沉井隔艙分區(qū)集成開挖調節(jié)分區(qū)示意圖五峰山北錨定沉井劃分為9個大分區(qū)，與沉井撓度監(jiān)測點相對應，根據(jù)監(jiān)測點撓度變化下達開挖調節(jié)指令。研發(fā)的隔艙分區(qū)集成開挖調節(jié)方法具有如下特點：1、相鄰隔艙分區(qū)劃分；2、大分區(qū)統(tǒng)一調整施工；3、可重點考慮姿態(tài)應力調整。隔艙分區(qū)集成開挖調節(jié)舉例：當0#點橫橋向撓度、應力異常，則調節(jié)F、E、G區(qū)開挖；當0#點橫橋向撓度、應力異常，調節(jié)E、H、I區(qū)開挖；1#點撓度、應力異常，調節(jié)B、C、I區(qū)開挖；沉井高差異常，加快高側分區(qū)開挖下沉速度或減緩低側開挖下沉速度。7圖5.2.4-3沉井開挖調節(jié)法監(jiān)測點撓度與時間關系圖采用研發(fā)的隔艙分區(qū)集成開挖調節(jié)方法，使得沉井施工過程中數(shù)十個控制單元減小為9個控制單元，實現(xiàn)了單個分區(qū)吸泥設備集中調節(jié)控制，大大提高了沉井姿態(tài)調整效率，使得沉井姿態(tài)調整由原來的數(shù)天見效到0.5h。5.2.5沉井施工過程中實時監(jiān)控系統(tǒng)1、監(jiān)控系統(tǒng)總體思路連鎮(zhèn)鐵路五峰山長江大橋北錨碇沉井基礎長100.7m，寬72.1m，高56m，該沉井體積龐大，需要對沉井各施工狀態(tài)重要參數(shù)進行監(jiān)測，及時掌握沉井結構內部應力應變及整體穩(wěn)定性，及對鄰近建筑物影響的監(jiān)測，從而為安全施工提供預警信息，以確?；A施工順利進行，達到指導施工和反饋設計的目的。遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)的總體方案為：先由自動采集箱采集各傳感器初始信號，然后通過無線網(wǎng)絡將信號發(fā)送到服務器，由服務器對傳感器信號進行轉換和處理，再通過網(wǎng)絡將信號發(fā)送到終端采集站（筆記本電腦）。自動化無線監(jiān)測系統(tǒng)設計遵循實用、實時、同步、可靠、統(tǒng)一的原則進行設計。圖5.2.5-1沉井實時監(jiān)測組網(wǎng)示意圖8表5.2.5-1沉井監(jiān)控項目儀器及監(jiān)測手段1234567892、系統(tǒng)功能實時監(jiān)測系統(tǒng)擬實現(xiàn)以下功能：（1）實時監(jiān)測系統(tǒng)設計開發(fā)和實施采用整體三維模型與局部全景展示相結合的方式，系統(tǒng)在本地服務器部署運行。（2）傳感器安裝及測點位置全景和三維模擬展現(xiàn)相關傳感器及數(shù)據(jù)采集裝置的安裝和調試：a)三維模型及井口全景的制作；b)全景切換的方式展現(xiàn)各節(jié)段井口測點；c)展示傳感器安裝詳情及照片；d)展示傳感器當前數(shù)值。（3）沉井下沉監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集與數(shù)據(jù)呈現(xiàn)a)實現(xiàn)各監(jiān)測數(shù)據(jù)圖、表、趨勢呈現(xiàn)以及歷史查詢；b)實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)主界面和相關實時監(jiān)測數(shù)據(jù)在項目部監(jiān)控室拼接大屏的友好展示；c)實現(xiàn)人工監(jiān)測數(shù)據(jù)的單個或批量導入。（4）監(jiān)測結果預警與預警發(fā)布a)預警閥值的設定；b)預警信息分級發(fā)布（平臺和短信報警c)歷史預警信息查詢。（5）相關報表的自動生成a)生成相關統(tǒng)計分析圖表；b)過系統(tǒng)自動生成相關報表并能導出為EXCEL文件。3、系統(tǒng)界面系統(tǒng)界面包含沉井幾何姿態(tài)、沉井應力狀態(tài)、沉井內外水位、電塔沉降、大堤沉降、沉井撓度等實時監(jiān)測。9(a)系統(tǒng)登錄界面(b)沉井幾何姿態(tài)實時監(jiān)測(c)沉井應力實時監(jiān)測(d)沉井內外水位實時監(jiān)測(e)電塔傾斜率實時監(jiān)測(f)沉井撓度實時監(jiān)測圖5.2.5-2沉井實時監(jiān)控系統(tǒng)4、預警流程監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與反饋按黃色預警值、橙色報警值和紅色極限值三級控制。取理論計算值80%或極限值的60%作為第一級預警指標；第二級報警值為理論計算值或極限值的80%。對于沉井撓度、鋼殼應力、混凝土應力等敏感性控制指標，橙色報警值按照該施工階段理論計算值來取值。當監(jiān)測值達到各級報警值時，系統(tǒng)將出現(xiàn)懸浮窗提示報警，同時通過短信通知相關管理人員，監(jiān)控方將根據(jù)現(xiàn)場情況提交監(jiān)測數(shù)據(jù)報警報告及建議措施。5.2.6三維全景聲吶成像及測量技術沉井施工過程中支撐條件對沉井施工安全至關重要，沉井刃腳支撐脫空易于引發(fā)涌砂、傾斜風險，但沉井水下施工，支撐條件難易觀測。三維圖像聲吶系統(tǒng)又稱水下三維全景成像聲吶系統(tǒng)，引入BlueViewBV5000水下三維全景成像聲吶系統(tǒng)，該設備可生成水下地形、結構和目標物的高分辨圖像，可生成類似于光學全息效果的水下目標三維點云立體圖像。硬件系統(tǒng)包括聲吶頭、云臺、接線盒、支架、數(shù)據(jù)傳輸線纜；軟件包括團隊自主開發(fā)的Proscan、Meshlab和第三方軟件Cyclone、Recap等及若干驅動程序。采用BlueViewBV5000水下三維全景成像聲吶系統(tǒng)，可實時掌握沉井刃腳埋深情況。圖5.2.6-1三維圖像聲吶以及配套圖5.2.6-2三維聲吶泥面掃測效果圖BV5000整體性能穩(wěn)定，經(jīng)試驗測試在30米范圍內，其長度誤差在4cm以內，角度誤差在1°以內。該設備有單角度掃描和球形掃描，在本項目中采用球形掃描模式，通過終端軟件設置掃描速度，一般采取0.5°/s或1°/s，水平方向可掃描360°,豎直方向可設置四個角度分別為+45°、+15°、-15°、-45°。每次掃測固定豎直方向角度，水平方向旋轉360°,掃測一圈所用時間為6min。(a)三維圖像聲吶現(xiàn)場掃測(b)沉井水下泥面三維全景圖片圖5.2.6-3沉井三維泥面掃測‘、材料與設備6.1主要材料主要材料見表6.1-1：表6.1-1主要材料明細表材料名稱規(guī)格單位數(shù)量備注塑料管m300靜力水準管道鋼板m2設備固定鋼絲繩根8設備吊裝2m×2m個2泥面監(jiān)測信號傳輸電纜4通道m(xù)數(shù)據(jù)傳輸支架加工件個9測點布置m2000泥面監(jiān)測6.2主要設備機具設備見表6.2-1：表6.2-1主要機械設備表序號工序設備名稱型號單位數(shù)量備注1沉井接高履帶吊臺4材料設備吊運2塔吊250T·m臺4材料設備吊運3拖泵HBT60臺4混凝土澆筑4泵車54m臺4混凝土澆筑5液壓布料機24m臺3混凝土澆筑628m臺1混凝土澆筑7汽車吊25t臺2設備吊運8排水下沉挖機ZX60臺4道路整修9水泥吸泥機NL150-16臺30泥漿外排高壓水泵臺60土體破除不排水下沉龍門吊臺取墊塊，取土空壓機20m3/min臺30吸泥作業(yè)空氣吸泥機（含管）ф275mm×10mm臺30吸泥作業(yè)水泵3HP-130臺60射水水泵125D25臺補水1400m3/h三維聲吶BV5000臺1水下掃描7.1工程質量控制標準速鐵路橋涵工程施工質量驗收標準》（TB10752-2010）、《公路橋涵施工技術規(guī)范》（JTG/T范》(TB10002.5-2005)。7.2質量保證措施（1）沉井鋼筋施工。鋼筋接頭符合建設部行業(yè)標準《鋼筋機械連接技術規(guī)程》的要求，等級為一級，同一斷面鋼筋接頭率不超過50%。（2）鋼殼沉井制造。鋼殼加工時，各構件的焊接按等強度原則進行；鋼殼沉井外壁均采用坡口熔透焊，內支撐及加勁肋板采用角焊縫形式。（3）在沉井下沉過程應做到，刃腳標高每2小時測量一次。排水下沉時下沉速度較快，應1小時測量一次，軸線位移每4h測一次。（4）沉井初沉階段每小時至少測量一次，必要時連續(xù)觀測，及時糾偏，終沉階段每小時至少測量一次，當沉井下沉接近設計標高時增加觀測密度。（5）下沉初始階段是沉井易發(fā)生偏差的時候，同時也是較易糾正，這時應以糾偏為主，次數(shù)可增多，以使沉井形成一個良好的下沉軌道。（6）下沉過程中，應做到均勻，對稱出土，嚴格控制泥面高差，當出現(xiàn)平面位置和四角差出現(xiàn)偏差時應及時糾正，糾偏時不可大起大落，避免沉井偏離軸線，同時應注意糾偏幅度不宜過大，頻率不宜過高。（7）沉井在終沉階段應以糾偏為主。應在沉井下沉至距設計標高1m以上時基本糾正好，糾正后應謹慎下沉，在沉井刃腳接近設計標高30cm以內時，確保不再有超出容許范圍的標高和軸線偏差，否則難于糾正。（8）測量人員必須將測量數(shù)及時交當班施工負責人和技術主管，以便及時糾偏或掌握下沉情況。（9）施工時要做好沉井下沉施工記錄。7.3質量驗收標準大型、特大型沉井施工應符合表7.3-1規(guī)定。表7.3-1大型沉井施工控制標準序號項目控制標準1沉井幾何姿態(tài)沉井各邊及中心點撓度4.0cm2沉井中心偏位50cm3沉井最大傾斜度4沉井平面扭轉角5沉井結構應力鋼殼應力標準值鋼筋應力標準值混凝土壓應力標準值混凝土拉應力標準值6長江大堤沉降量4cm7過江電塔基礎沉降不均勻沉降2cm塔身傾斜率0.4%（1）在沉井基礎開始施工前，進行安全技術交底，確保交底到每個作業(yè)工人，交底要清晰、明確。（2）現(xiàn)場技術管理人員，應當對沉井施工進行指導和檢查，確保施工人員按照方案落實施工。（3）工程管理部門、質量部門、架子隊隊長和架子隊技術負責人應當監(jiān)督檢查沉井基礎施工，確保施工嚴格按方案執(zhí)行。（4）沉井基礎施工過程中，電工、焊工、起重工、潛水工等特殊工種必須持證上崗；（5）沉井施工、起重設備搭建拆除施工、沉井下沉施工必須由具備相關資質的單位進（6）在沉井環(huán)形道路外側設置隔離墻，設置警示標志，嚴禁與沉井施工無關的人員進入沉井施工現(xiàn)場。（7）測量部門定期對沉井周邊建筑物，如大堤、電塔、塔吊等沉降情況進行測量，并及時將測量信息反饋項目總工和工程部。9.1環(huán)保措施（1）施工中的廢油、廢料和其它固體廢物不得堆放在水體旁，及時清運至專門的倉庫或堆放場所，并應設篷蓋，防止雨水沖刷進入水體。（2）選擇合適的施工方案，最大限度的減輕施工噪聲和沖擊波、振動對環(huán)境的影響。（3）合理安排施工活動，減少施工噪聲影響時間，避免高噪聲施工機械在同一區(qū)域內使用。高噪聲施工機械運行內盡量避開居民休息時間。（4）施工場地及時收集生產(chǎn)及生活垃圾，統(tǒng)一處置，生活污水處理按要求進行。（5）棄土（碴）場選址依據(jù)設計文件規(guī)劃或與地方有關部門協(xié)商，結合當?shù)赝恋乩靡?guī)劃。合理布設棄碴場，不在臨河或居民點上游設置；棄碴前做好擋碴工程和排水溝建設，防止二次污染。擋碴工程做到滿足穩(wěn)定安全和植被恢復要求，適當放緩邊坡。防洪排水措施達到設計的防洪標準；加強棄碴期間施工組織和臨時防護，棄碴時做到分層堆放并夯實，放緩邊坡，做好棄碴場邊坡防護工作，棄碴結束后及時覆土并恢復植被。（6）對施工臨時用地，應本著因地制宜、經(jīng)濟合理的原則，盡量少占地或不占良田、耕地，并注意采取相應的水土保持措施。（7）施工作業(yè)產(chǎn)生的污水必須經(jīng)過沉淀池沉淀，并經(jīng)凈化處理，符合要求后排放。（8）施工結束后應及時進行土地整治，考慮表土回填以利復耕或進行綠化恢復。9.2節(jié)能措施1、研發(fā)新型開挖工藝，確保沉井結構安全，顯著減小鋼材用量，大大節(jié)約了建設成本。2、根據(jù)沉井不同施工階段，在保證沉井結構安全，姿態(tài)良好的條件下，分階段控制監(jiān)測控制指標，節(jié)約了建設工期，減少了施工過程中用電、有油的投入。10.1經(jīng)濟效益（1）五峰山大橋北錨碇沉井項目五峰山長江大橋沉井基礎若以"大鍋底"開挖方式進行驗算，沉井在接高前三節(jié)時，在自重荷載作用下，計算混凝土拉應力達到10.4MPa(位于隔墻中間底部位置)，按混凝土開裂后由鋼殼承受進行折算，則鋼殼折算應力達到676MPa，遠遠大于鋼殼的抗拉強度設計值，"大鍋底"開挖方式會造成沉井開裂。本項目設計方案:沉井鋼殼材質Q235，壁板厚lcm，重量2436.410t。原施工方案采用大鍋底開挖方式，需將沉井鋼殼改為材質Q345，壁板厚2.5cm，將鋼殼應力控制在300MPa以內，則鋼殼重量約增加1.5倍，即3654.6t，鋼材市場采購價約2500元/t，加工費及運輸費2500元/t，施工成本增加3654.6×(2500+2500)=18273075元，本研究成