特大超深沉井的下沉施工技术－－江阴长江公路大桥北锚沉井施工实践加峰基础工程公司【摘要】江阴长江公路大桥北锚沉井是世界第一大沉井，本文根据施工流程，分排水下沉施工与不排水下沉施工两个阶段详细介绍了该沉井的下沉施工工艺及效果，其中重点介绍了深井降水与空气幕在下沉施工中的应用。
前言江阴长江公路大桥位于省江阴市西山与靖江市十圩村之间，该桥是国家规划2000年前建成“两纵两横”公路主骨架中同江至国道主干线以及至国道主干线的跨江“咽喉”工程。
大桥采用一跨过江，大跨径钢悬索桥型，主跨1385m，目前为“中国第一，世界第四”。
大桥南北锚采用重力式锚方案。
其中北锚锭采用大型深沉井（下称北锚沉井）基础方案。
作为吊桥四大件之一的北锚沉井主要功能是将大桥主缆6.4万吨的拉力传给地基，并使北锚锭的竖直沉降和水平位移限制在允许值以，确保120年“岿然不动，稳如泰山”，是整个大桥工程的关键和核心。
北锚沉井为矩形多孔（格）沉井，长69m、宽51m，制作高度及下沉深度均为58m，设纵横各五道隔墙，把沉井分为36个格仓，井壁厚度为2m，隔墙厚度为1m。
整体规模目前属世界第一，该沉井工艺复杂，难度大，技术含量高，工期紧，自一九九五年九月开工至一九九七年十月竣工，共经历了地基处理、钢壳沉井制作、钢砼沉井制作、排水下沉、不排水下沉以及封底回填等工序过程，其中的下沉施工由于深度深、地质情况复杂且邻近长江大堤等原因给施工带来了很大的难度和风险。
1工程概况沉井共分十一节，第一节高8m（亦即最下面一节），为钢壳砼沉井，其余十节每节高5m，均为钢筋砼结构（见图1）。
钢壳沉井是在现场制作现场安装的，钢壳沉井的主要作用是在下沉时克服正面阻力，保证沉井安全顺利地穿越58m土层，下沉到设计标高。
按照图1 沉井平、立面图原设计要求，沉井按节分为十一次制作，十次下沉。
即制作13m后进行第一次排水下沉，然后每制作接高一次（5m），下沉一次，并要求排水下沉15m后，井灌水，改为不排水下沉。
其理由是：a、排水下沉15m后沉井进入粉细砂层，继续进行排水下沉，易产生流砂现象，使沉井失稳并扰动沉井周边土体，这对作为锚锭基础的沉井是不利的；b、配合排水下沉进行的深井点降水，由于深度深，影响面积大，它所引起的土体沉降，对周边民房、桥墩，特别是直线距离只有240m的大堤稳定造成威胁；c. 每接高5m下沉一次，沉井重心比较低，容易控制偏差。
施工中，在对原设计方案进行研究分析后认为，如按上述方案施工，工期将大大延长，施工成本也将大大提高，为此基础公司根据北锚沉井所处地质条件和以往在长江边沉井下沉施工的经验，经过多次的专家会议论证，提出并确定了如下方案：排水下沉29m（结构极限允许排水下沉30m），不排水下沉29m，分十一次制作，四次下沉的施工方案。
即制作至13m，排水下沉12.5m，制作至18m，排水下沉至17.5m；制作至33m，排水下沉至29m；制作至53m，不排水下沉至58m（最后一节5m是在第四次下沉过程中进行的）。
这一方案不但可以加快施工进度，而且能大大降低施工成本，但它给下沉施工也带来了较多的难题，具体表现在以下几个方面：a、大型沉井排水下沉30m史无前例，与其相配合的大面积深坑疏干是排水下沉成功的关键，也是施工中有待研究的课题。
b、.国现有的常规水力机械吸泥设备多是针对淤泥质土设计的，砂质土的高磨损性对其是个考验，而且在30m高度上能否正常工作也是个问题。
c、如何控制深井降水引起的土体沉降，以保证邻边特别是大堤的安全。
d、超深度的排水下沉，如何满足设计要求的沉井下沉过程中的12点支撑受力工况，从而保证沉井结构的安全。
2 水文地质概况北锚沉井设计位置距长江大堤约240m，地貌上属长江三角洲冲积平原，地面高程2.25~2.69m，地形平坦，地下水埋深约1.60~2.20m，所处地层均为第四系松散沉积层，主要为亚粘土、亚砂土、粉砂、粉细砂、含砾中粗砂等（见表1）。
表 1北锚锭区自上而下有四个含水层，依次为：潜水含水层，平均厚度为19m，随着深度增加，渐具微承压性；第一承压水层，平均厚度20m，岩性以细砂为主，与上覆潜水含水层间具有3m左右不稳定粉质粘土隔水层，越流补给现象明显；第二承压含水层，厚度29m，与第一承压水层间有9.9m～12.6m厚的隔水层，此层承压水资源丰富，与长江有密切的水力联系；岩溶承压含水层。
3 下沉力分析北锚沉井为重型沉井，主要靠自重G克服阻力下沉，其所受的阻力有水的浮力F、刃脚及隔墙底的正面反力R1和沉井的侧壁摩阻力R2，其下沉系数K值为：K＝（G－F）/（ R1＋R2）计算结果如表2：表 2根据以往施工经验，沉井下沉时的正常下沉系数，一般应大于1.10～1.25为好，由此，根据计算结果可知：a、三次排水下沉在全刃脚支承的工况下下沉系数均满足下沉要求。
b、刃脚踏面标高在－41.64m以上，即穿越粉细砂层时，在隔墙底面悬空的工况下，下沉系数大于1.53，沉井能顺利下沉。
c、刃脚踏面标高在－51.64m以上，即穿越亚粘土层时，只有在半刃脚的工况下，沉井才能顺利下沉。
d、沉井穿越亚粘土层，进入含砾中粗砂层，到达设计标高前，仅依靠自重下沉已比较困难，需要采取辅助措施。
e、沉井下沉至设计标高-55.60m时，基本能保持稳定。
4 排水下沉按照预定方案，沉井的排水下沉分三次进行，下沉深度分别为12.5m、17.5m、29m，排水下沉工艺就是井外采用井点降水，降低井外水头差，防止涌砂，井用高压水枪冲泥，泥将泵吸泥，井无水的干下沉工艺。
4.1 设备配备和工艺流程在沉井36个格仓布置36套冲泥水枪，可同时启动18套水枪冲泥下沉，每套水枪由1台80-50-200B型高压水泵供水，共计18台。
每台80-50-200B型高压水泵的流量为50m3/h，水枪出口水压力0.6MPa左右，功率15KW。
吸泥设备采用NL100-28型高压立式泥浆泵，共24台，分别和各个格仓的水枪相应配合使用。
泥浆泵扬程28m（二台串联，扬程可达50m 以上），流量120m3/h，功率22KW。
起重设备为1台50t履带吊，1台80t的塔吊和1台40t塔吊，配合沉井冲泥设备的调动，及其它辅助工作。
下沉时，高压水泵从距井50m处的蓄水池取水供高压水枪用水，蓄水池由3台NL100-12.5型立式泥浆泵从长江取水和由井点降水井抽出的水供水，供水量每小时可达3000立方左右。
高压水枪冲出的泥浆由NL-100-28型高压泥浆泵抽至沉南北两侧的沉淀池进行沉淀处理，沉淀池总容量约10万立方m，沉淀后清水抽入长江，泥砂沉淀物用挖机挖出并外运堆放。
4.2 深井降水29m排水下沉能否成功的关键在于深井降水的效果。
沉井地处长江北岸，垂直向沉积多为砂层，含水层渗透性极强，水量丰富，而且在沉井下沉深度围存在潜水层和两层承压水层，所有这些都给深井降水带来很大难度。
为确保深井降水的效果，深井打设施工前，委托省水文地质勘察家港分院进行了为期一个月的水文地质试验，根据试验结果制定了深井施工方案。
4.2.1 深井设计和布置根据排水下沉深度和深井降水的试验结果，经计算，沿沉井周边共布设深井20口，考虑到沉井下沉可能产生塌方、土体位移等现象，降水井与沉井外井壁必须留有一定的安全距离，以保证降水井在沉井下沉过程中的正常使用，确定安全距离为20m，井间距20m，成孔深度48m，下管46m，成孔口径Φ650mm，井管采用Φ273mm钢管。
为了便于水位控制和环境观测，打设了6口观测井，成孔深度40m，井管用Φ108mm钢管。
井点布置见图2。
图2 降水井点平面布置图4.2.2 深井降水施工排水下沉过程中的深井降水其主要目的是减小井外水头差，防止出现涌砂现象，施工中，深井降水井的启用和控制即以此为原则。
下沉施工中，利用观测井和通过观测沉井刃脚处的渗水情况，动态地调整降水井开启运行的数量、位置和降水深度，考虑到如降水太深，致使基底疏干，给冲泥出土带来较大的困难，在保证不产生流砂的情况下，尽量减少降水深度，一般控制沉井井壁外地下水位在刃脚踏面以上2m左右的位置。
第一次下沉，平均每天5口井运转，各单井出水量大，建井质量良好。
在第二次下沉时，采用抬高深井潜水泵至地面下25m的方法，来控制和稳定地下水位和最大降水深度，以减少因降水地表沉降引起的环境问题，同时也达到了配合下沉的目的。
第三次下沉深度加大，又进入细砂层，稍有疏忽，即有可能产生流砂，特别是到了后期由于群井干扰等因素，多数井由于水量不足，产生了“脉冲现象”，其中部分井运行时间较长，滤砂网堵塞，为确保降水效果，采取了边洗井边运行的措施。
下沉至29m时，外井壁水位降深仍达28m 左右，未发生大流砂现象，深井施工方案取得了预期的效果。
4.2.3 地面沉降的控制措施大面积长时间的深层降水必将导致土层固结，致使地面沉降，这对周边民居、邻近的桥墩，特别是长江大堤的安全造成威胁，为确保安全施工，沿大桥轴线、十圩河大堤、长江大堤、民舍、桥墩等布设了28个沉降点，定期监测，同时利用地下水位观测井及时掌握降水井运行过程中地下水位的变化，对降水过程实行信息化控制。
沉降点观测在降水初期和水位恢复期间，每星期一次，后期2天一次，当天测量平均沉降值超过1cm时每天测量一次，水准基点设在距沉井较远的桥墩上。
通过这些措施，沉井三次排水下沉没有对周边环境造成任何破坏性影响，并经受了百年不遇的长江大潮的考验。
4.3 冲泥下沉4.3.1 冲泥顺序下沉时，为便于控制，把沉井36个隔仓由中心向四周分为Ａ、Ｂ、Ｃ三个环形区域（见图1），冲泥下沉即采取先Ａ区，再Ｂ区，再Ｃ区的顺序。
具体步骤如下。
第一步：以Ａ区为下沉的中心区，Ａ、Ｂ两区16个格可同时启动，用高压水枪冲泥，高压泥浆泵出泥，各自形成小锅底；下沉过程中，Ａ区可保持悬空1.5m左右，但锅底不宜太深，Ｂ区侧控制在50cm以，外墙控制在20cm以；第二步：对Ｃ区井格，在沉井依靠自重能够均匀下沉的情况下，仅以冲吸井格土体为主，在必须冲吸隔墙及刃脚下土体时，对隔墙悬空的围和尺寸，刃脚埋入土体的深度都要严格控制。
一般刃脚要埋入土中，侧保持有80cm左右的土塞，冲刃脚时要做到对称，均匀。
4.3.2 沉井均匀下沉的控制沉井排水下沉深度达29m，其井位偏差、四角高差、扭角均要控制在允许围以，以便形成良好的下沉轨道，为沉井的不排水下沉创造最好的工况。
施工的关键便在于沉井的均匀下沉，为此采取了如下控制措施：一、“有偏必纠”，通过电测和光学仪器两种用段对下沉量、四角高差、偏差进行测量，及时了解下沉速度，及时进行纠偏，确保沉井在下沉初始阶段形成良好的下沉轨道；二、利用沉井结构预埋的电器元件，获得基底反力以及沉井混凝土的应力、应变数据，指导下沉冲泥力度，消除应力集中现象，确保结构体均匀受力；三、控制降水深度严防涌砂现象发生；四、保护刃脚处的土塞，保证设计的沉井四边12点支承工况，在刃脚支承不能满足下沉要求时，在刃脚处取土，应做到均匀、对称，层层剥离，循序渐进。
