CN115637721B - 一种桥梁墩台沉井结构下沉主动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种桥梁墩台沉井结构下沉主动控制方法，步骤1，根据桥梁设计的预设位置进行开挖作业，在预定位置预制桥梁墩台沉井，在沉井井壁和各隔墙内的安装水管，在底面刃脚踏面及隔墙底面安装布设高压喷嘴，开始沉井下沉施工时，先开通高压水流疏松下面土体，降低土体承载力，然后依靠自重下沉，开挖内部土体；将高压喷嘴进行分级、分区控制，沉井下沉施工时，先逐级开通喷嘴，观察每一级水管在相同时间下的沉井下沉量，若在固定时间内，沉井不发生下沉，则继续开通下一级水管。步骤2，在分级控制水管射水的同时，各井孔内同时配合吸泥机进行吸除底泥作业，从而减小沉井底端端阻力值，从而实现桥梁墩台沉井结构的主动下沉。

Description

一种桥梁墩台沉井结构下沉主动控制方法

技术领域

本发明属于沉井工程技术领域，特别涉及一种桥梁墩台沉井结构下沉主动控制方法。

背景技术

沉井基础是一种被广泛应用于大型地下构造物和深基础方面的类似筒状的结构物。施工时，沉井通过井壁的围护以人工或者机械在沉井内部取土，并依靠自重和相关助沉技术克服下沉摩阻力到达预定设计标高，再进行封底构筑内部构造，最后形成一个整体。作为深基础而言，一般应用于超高层建筑物基础、大型桥梁基础、港口基础及各种重型设备基础等。

目前常用的沉井施工工艺分为排水下沉和不排水下沉两种，两者均采用吸泥设备进行取土，不同点在于排水下沉需进行降水施工后创造无水环境再进行冲泥-吸泥施工，而排水下沉主要利用导管式潜水泥浆泵在水下进行抽吸取土下沉，由于水下施工，无法直观控制取土量，取土时应做到对称、分层均匀，保证沉井平稳下沉。

因此，如何实现沉井下沉的有效控制，提高沉井施工的效率、降低施工危险，是一个需要解决的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种桥梁墩台沉井结构下沉主动控制方法，在下沉过程中，利用高压水冲刷刃脚内侧及隔墙底部土体使其加快松散塌落，配合弯头吸泥机除土，提高隔墙底部除土效率的同时，降低沉井底部支撑土体的承载力，有效减少沉井下沉正面阻力，达到沉井主动下沉的目的；本发明所述沉井结构和沉井控制方法应用在墩台沉井基础下，不仅可提高施工速度、降低施工成本，提高施工效率、降低施工危险性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种桥梁墩台沉井结构下沉主动控制方法，包括以下步骤：

步骤1，根据桥梁设计的预设位置进行开挖作业，将预制的所述桥梁墩台沉井结构置于预设位置处，并开始沉井下沉施工；将预埋在沉井井壁和各隔墙内的水管分级、分区控制，观察每一级水管在相同时间下的沉井下沉量，若在固定时间内，沉井不发生下沉，则继续开通下一级水管；

桥梁墩台沉井结构，包括沉井井壁、井盖和若干隔墙，四周沉井井壁构成一井圈，井圈内通过隔墙分隔成若干井孔，其中，在所述沉井井壁和各隔墙内埋设水管；所述沉井井壁的最底部为外长内短的刃脚，所述隔墙分为中间分区隔墙和普通隔墙，并且所述水管位于刃脚和隔墙底的位置均设有高压喷嘴；

步骤2，通过上述分级控制水管射水，高压喷嘴形成高压水流，切削所述桥梁墩台沉井结构盲区底部土体，破解土体结构、降低承载力，沉井结构依靠自重下沉，然后将盲区土体挤压至各个井孔内，各井孔内同时配合吸泥机进行吸除底泥作业，从而减小沉井底端端阻力值，这样先用高压水流预破土、然后沉井结构下沉、再配合吸泥机吸除底泥，往复循环，继而实现所述桥梁墩台沉井结构的主动下沉。

进一步的，在沉井下沉时，需保证下沉系数K＜1，其中

式中：

G为该工况沉井下沉的总重＝钢壳重+注水重+混凝土重+施工荷载；

F为沉井所受浮力；

R₁为刃脚及隔墙底面的正面反力，R₁＝S×P_u；其中，S为与地面接触的沉井投影面积，P_u为地基的极限承载力；

R₂为沉井的侧壁外摩阻力，R₂＝Στi×Ai；其中，τi为地基的极限摩阻力，Ai为沉井进入土体的侧壁接触面积。

进一步的，所述吸泥机通过龙门吊吊装于各个井孔内进行吸除底泥作业，包括空气吸泥机和弯头空气吸泥机。

进一步的，所述中间分区隔墙的底部呈锥形，所述普通隔墙底部呈平头。

进一步的，所述水管包括水平输水管和竖直输水管，在水平输水管和竖直输水管的末端分别设有射水管。

进一步的，所述高压喷嘴为360度旋转喷嘴。

进一步的，所述水管的上端口通过高压管道连接高压水泵，高压水泵与水箱连接用于为各路水管供水。

本发明所述的沉井主动下沉控制方法是针对沉井常规开挖下沉做出的改进，因为沉井大部分开挖都是在水下进行，具体来说：桥梁基本都在江河湖海区域，地下水位较高，开挖一般采用水下吸泥机吸取泥水混合物，降低沉井内部土体的高度，造成其端阻和侧阻约束降低，使沉井下沉，但是由于隔墙底部盲区的存在，随着下沉深度的增加，侧摩阻力的增大，这时就需要开挖隔墙底部的盲区来进一步降低端阻力，但是盲区常规手段不好开挖实施。本发明通过设置在刃脚和隔墙底的高压喷嘴，将水流增压，在孔径很小的喷嘴约束下形成高压水流，切削沉井盲区底部土体，破解土体结构、降低承载力，沉井结构依靠自重下沉，然后将盲区土体挤压至井孔内，再用吸泥机吸走。这样是先用高压水流预破土、然后沉井结构下沉、进而吸泥机吸除底泥，往复循环，继而所述桥梁墩台沉井结构的主动下沉控制。

本发明相比现有技术的有益效果为：

1、本发明利用高压水流对沉井井壁下方取土盲区进行分区域、高精度的预破土，通过精确降低沉井底部阻力(约30％～50％)，控制沉井下沉的新方法，克服地质不均匀和盲区取土不准确造成的沉井不沉、突沉和倾斜问题，为沉井下沉装上“油门、刹车和方向盘”，实现真正的可控和预控，最终形成一套完整的复杂地质条件下大型沉井主动下沉控制施工技术；

2、本发明桥梁墩台沉井结构的下沉主动控制方法，其创新点主要围绕高压射流对土体进行预切割松弛，突破常规沉井下沉方式的局限性，进一步降低沉井下沉端阻力，实现沉井“先下沉后取土的目标”，关于先下沉后取土的目标可以这样理解，高压射流切割松弛沉井刃脚隔墙底部土体，沉井下沉，沉井下沉后刃脚隔墙底部土体被挤压到隔舱内，然后隔舱内的吸泥机把土吸走。而常规的下沉工艺是先用吸泥机吸土，不断在隔舱内部取土，然后导致沉降下沉，因为都是水下施工，这种工艺就会存在有点地方过吸导致部分刃脚区域大面积脱空，产生裂缝或者倾斜突沉等危害。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为实施例1所述桥梁墩台沉井结构的三维布置图；

图2为实施例1所述桥梁墩台沉井结构的纵向剖面图；

图3为图2中B-B截面图；

图4为图2中C-C截面图；

图5为所述沉井井壁的底部刃脚结构放大图；

图6为所述中间分区隔墙的底部结构放大图；

图7为所述普通隔墙的底部结构当大图；

图8、图9为水管布置图；

图10为所述沉井井壁的底部刃脚处水管布置图；

图11为所述中间分区隔墙的底部水管布置图；

图12为所述普通隔墙的底部水管布置图；

图13为实施例2所述高压水流预破土系统的结构示意图；

图14为实施例2所述水管区域划分示意图；

图15为实施例2所述高压水流预破土分区控制系统示意图；

图16为所述吸泥机作业示意图。

图中，1-沉井井壁、101-刃脚，2-隔墙、201-中间分区隔墙、202-普通隔墙，3-底泥，4-水管、401-水平输水管、402-竖直输水管、403-射水管，5-井孔，6-高压喷嘴，7-高压管道，8-高压水泵，9-水箱，10-吸泥机、1001-空气吸泥机、1002-弯头空气吸泥机，11-龙门吊。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供了一种桥梁墩台沉井结构，如图1所示，包括沉井井壁1和若干隔墙2，四周沉井井壁构成一井圈，井圈内通过隔墙分隔成若干井孔5，其中，在所述沉井井壁1和各隔墙2内埋设水管4。如图8、图9所示，所述水管4包括水平输水管401和竖直输水管402，又如图10-13所示，在水平输水管和竖直输水管的末端分别设有射水管403。所述沉井井壁1的最底部为外长内短的刃脚101，所述隔墙2分为中间分区隔墙201和普通隔墙202，并且位于刃脚和隔墙底射水管的位置均设有360度旋转高压喷嘴6。如图2-图4所示，紧邻沉井井壁1的一列6个井孔6由混凝土填充，其余井孔均由水填充，井孔数量共计36个。

如图2、图3所示，本实施例所述沉井结构的长和宽分别为75m和70m(第一节沉井长和宽分别为75.4m和70.4m)，沉井顶标高为+3.5m，沉井底标高为-53.5m，沉井总高57m，共分十一节。第一节为钢壳混凝土结构，高8m；第二节至第十一节均为钢筋混凝土结构，其中第二节高6m，第三、四节高4m，第五、六、九、十节高4.5m，第七、八节高5m，第十一节高7m。其中，第一节为钢壳混凝土沉井，其余均为钢筋混凝土沉井。

如图5-图7所示，为了减少沉井结构的下沉阻力，所述沉井井壁1的最底部为外长内短的刃脚101，所述中间分区隔墙201的底部呈锥形，所述普通隔墙202底部呈平头。

如图13所示，所述水管4的上端口通过高压管道7连接高压水泵8，高压水泵与水箱9连接用于为各路水管供水。相邻射水管403的间距在2.5m左右，在井壁及隔墙内预埋水管，采用高压水泵进行供水。为提高射水压力，按8～10个射水管一组设置，每组分别设置一根水平输水管401和一根竖向输水管402。

实施例2

本实施例利用实施例1所述的桥梁墩台沉井结构，提供了一种沉井下沉主动控制方法，该方法包括以下步骤：

首先，根据桥梁设计的预设位置进行开挖作业，将预制的所述桥梁墩台沉井结构置于预设位置处，并开始沉井下沉施工；当开挖至隔墙底截面位置时，此时刃脚及中间隔舱墙均埋置于底泥3的土层中，再向下进行吸泥开挖就易造成局部超挖，影响沉井下沉姿态，因此，本实施例中将预埋在沉井井壁和各隔墙内的水管分级、分区控制，逐级开通喷嘴，观察每一级水管在相同时间下的沉井下沉量，若在固定时间内，沉井不发生下沉，则继续开通下一级水管，若下沉过程中沉井发生倾斜，则对应分区开通水管，切削对应位置土体，调整沉井姿态，保证沉井均匀下沉。

具体的，将射水管分区、分级编号，确保每级均匀布置相同数量的射水管。如图14所示，所述射水管分为A、B、C、D四个区，各区又分为A1～A4、B1～B4、C1～C4、D1～D4，例如：若刃脚侧面射水管(即图14中所示C区)全部开通后还未发生下沉，则开通刃脚踏面底部射水管(即图14中所示A区)，也按逐级开通方式进行。并且，如图15所示，各区、各级射水管的分别与控制器电连接，从而实现射水管开合的分区、分级控制。由于高压水流各分区有独立的控制系统，在沉井正常下沉阶段，对各分区进行组合，分析在不同组合下启动、停止高压水流预破土系统对沉井下沉的影响。在沉井姿态调整阶段，对各区进行单独控制，可研究各独立区域高压水流系统对沉井姿态的影响。

其次，在上述分级控制水管射水的同时，各井孔内同时配合吸泥机10进行除土作业，从而减小沉井底端端阻力值，从而实现所述桥梁墩台沉井结构的主动下沉。

在沉井下沉时，需保证下沉系数K＜1，其中

式中：

G为该工况沉井下沉的总重＝钢壳重+注水重+混凝土重+施工荷载；

F为沉井所受浮力；

R₁为刃脚及隔墙底面的正面反力，R₁＝S×P_u；其中，S为与地面接触的沉井投影面积，P_u为地基的极限承载力；

R₂为沉井的侧壁外摩阻力，R₂＝Στi×Ai；其中，τi为地基的极限摩阻力，Ai为沉井进入土体的侧壁接触面积。

如图16所示，所述吸泥机10通过龙门吊11吊装于各个井孔内进行吸泥作业，包括空气吸泥机1001和弯头空气吸泥机1002。

所述空气吸泥机10由空气箱、供气管、供水管、混合管、高压水喷嘴等组成。为保证密实砂层空气吸泥装置取土效率，通过在空气吸泥机底部吸泥口外侧设置高压射水喷嘴结构，利用高压射水加速对密实砂层的扰动，实现水力破土+气举取土工艺。

为减少空气吸泥设备吊装次数，保障沉井取土下沉进度，空气吸泥装置每个井孔设置1套，共配置36套。

由于沉井上施工平台及隔墙厚度的影响，采用常规的空气吸泥机吸泥下沉存在吸泥盲区，大部分盲区无法直接吸泥，结合类似项目的施工经验，盲区部位可以采用弯头吸泥机1002冲洗法吸泥取土。

所述弯头吸泥机1002是在传统吸泥机端部加设了弯头，弯头吸泥机吸泥工作时，弯头吸泥口朝向盲区位置，龙门吊11吊挂吸泥机移动，实现底部吸泥。施工中通过监控设备严格控制吸泥深度，避免出现吸泥过多导致隔墙或刃脚底部悬空。

为解决沉井盲区取土不均匀所造成的下沉、突沉问题，利用高压水流预破土系统，在刃脚和隔墙底设高压喷嘴，对土体均匀、系统性破除，均匀降低土体端部承载力，使沉井匀速下沉，控制突沉，并通过调整不同区域的水压大小，调节破土比例、深度，控制不同区域承载力，实现沉井整体受力的调整与控制。用均匀破土，抵消不均匀地质、不均匀取土带来的不均匀沉降，进而减小纠偏超挖带来的风险，减小侧壁土体松动带来的不利影响，从而提高沉井姿态、状态的可控性，保证沉井分阶段下沉顺利就位。

如图13所示的高压水流预破土系统，是一种利用高压射水设备，在喷嘴出口形成高压水流，用于破坏沉井下沉盲区土体稳定性，从而有效减少端部阻力，增大沉井的下沉系数，使沉井顺利下沉。系统包括：水源、高压泵组、控制台、高压管道、钢管、喷嘴等，在首节沉井拼装时，在刃脚和隔墙底安装高压喷嘴，连接井壁内竖向钢管，每根钢管的上端口通过高压管道连接高压水泵，用于沉井下沉时，通过高压水泵向钢管内压入高压水破坏沉井刃脚及隔墙下方的土体，减少下沉阻力。

已知不同地层类型中达到要求破坏效果所需要的射水压力，选择合适的高压水流预破土系统各部件参数，在沉井下沉前完成系统的分区布置。每个分区的破坏效果不同，因而布置的喷嘴数量不同，喷嘴方向和角度也不同，通过计算单个喷嘴压力，可知该分区压力总和，便可以选择合理高压泵组的压力和流量参数、输水管道的数量和单个管道的喷嘴连接数等，组成沉井下沉高压水流预破土系统。

根据刃脚及隔墙所处地层类型分析，推算各个分区所需要的射水压力和射水持续时间，通过高压水流预破土系统与机械取土互为协助，先利用高压水流预破土系统实现沉井盲区预破土，降低端阻力，再进行沉井内机械取土，降低侧摩阻力，使沉井保持均匀、平稳地下沉。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种桥梁墩台沉井结构下沉主动控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1，根据桥梁设计的预设位置进行开挖作业，将预制的桥梁墩台沉井结构置于预设位置处，并开始沉井下沉施工；当开挖至隔墙底截面位置时，将预埋在沉井井壁(1)和各隔墙(2)内的水管分级、分区控制，观察每一级水管在相同时间下的沉井下沉量，若在固定时间内，沉井不发生下沉，则继续开通下一级水管；

所述桥梁墩台沉井结构中在所述沉井井壁(1)和各隔墙(2)内埋设水管(4)；所述沉井井壁(1)的最底部为外长内短的刃脚(101)，所述隔墙(2)分为中间分区隔墙(201)和普通隔墙(202)，并且所述水管位于刃脚和隔墙底的位置均设有高压喷嘴(6)；

步骤2，通过分级控制水管射水，高压喷嘴形成高压水流，切削所述桥梁墩台沉井结构盲区底部土体，破解土体结构、降低承载力，沉井结构依靠自重下沉，然后将盲区土体挤压至各个井孔(5)内，各井孔(5)内同时配合吸泥机(10)进行吸除底泥(3)作业，从而减小沉井底端阻力值，这样先用高压水流预破土、然后沉井结构下沉、再配合吸泥机吸除底泥，往复循环，继而实现所述桥梁墩台沉井结构的主动下沉；

在沉井下沉时，需保证下沉系数K＜1，其中

式中：

G为工况沉井下沉的总重＝钢壳重+注水重+混凝土重+施工荷载；

F为沉井所受浮力；

R₁为刃脚及隔墙底面的正面反力，R₁＝S×P_u；其中，S为与地面接触的沉井投影面积，P_u为地基的极限承载力；

R₂为沉井的侧壁外摩阻力，R₂＝Στi×Ai；其中，τi为地基的极限摩阻力，Ai为沉井进入土体的侧壁接触面积；

所述吸泥机(10)通过龙门吊(11)吊装于各个井孔(5)内进行吸除底泥(3)作业，包括空气吸泥机(1001)和弯头空气吸泥机(1002)；

所述桥梁墩台沉井结构中，中间分区隔墙(201)的底部呈锥形，所述普通隔墙(202)底部呈平头；

所述水管(4)包括水平输水管(401)和竖直输水管(402)，在水平输水管和竖直输水管的末端分别设有射水管(403)，射水管末端连接所述高压喷嘴(6)。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述高压喷嘴(6)为360度旋转喷嘴。

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述水管(4)的上端口通过高压管道(7)连接高压水泵(8)，高压水泵与水箱(9)连接用于为各路水管供水。