11南京四桥北锚碇沉井施工技术方案综述.docx
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1、南京四桥北锚碇沉井施工技术方案综述中交二公局二公司南京四桥桥项目经理部二OO九年九月南京四桥北锚碇沉井施工技术方案综述1 简介南京长江第四大桥位于南京市栖霞山附近,是南京市规划建设“二环”线路中的过江通道。该桥采用双塔三跨钢箱梁悬索桥设计结构,主桥桥跨布置为166m+410.2m+1418m+363.4m+118.4m=2476m。北锚碇采用大型深沉井基础方案,平面尺寸为69m58m,下沉深度为52.8m,其平面规模为目前世界桥梁陆地沉井之首。北锚碇基础为超大陆上沉井,结构规模庞大。由于沉井所处位置濒临长江大堤不足百米,地质条件极为复杂,沉井基础底部支撑在层厚很薄的圆砾石层上,都给北锚碇沉井的
2、下沉施工带来诸多不确定因素,在沉井下沉施工中存在以下诸多难点: 本沉井基础的平面尺寸(69.058.0m)庞大,下沉规模居世界前列,现场施工组织难度大; 沉井位置处地质以砂层为主,且粉砂和细砂层较厚,易出现涌砂等不利状况; 在沉井下沉后期,须穿过较厚的密实砂层,地基承载力较大,最终沉井支撑在密实的圆砾石层,仅靠自重下沉困难; 沉井为钢筋混凝土沉井,每次浇注的混凝土方量较大,对混凝土浇注质量、浇注设备及工艺的要求较高,且浇注过程中不能产生过大的下沉和偏斜; 施工中沉井一旦出现偏斜,纠偏困难; 沉井下沉施工过程不可见,下沉过程中抽水对长江大堤及附近结构物有不同程度影响,必须采用先进的监控措施和施工
3、控制手段。2 工程概况沉井顶面高程+4.300m,基底标高-48.500m。沉井共分十一节,除第一节为钢壳混凝土沉井外,其余十节均为钢筋混凝土沉井。沉井顺桥向69.0m,横桥向宽度58.0m。其竖向高度划分为:第一节沉井高6m,第二十节沉井高5m,第十一节沉井高1.8m。沉井共分20个井孔,标准节段井孔顺桥向长度14.2m,横桥向8.68m;沉井标准井壁厚2.0m,第一六节沉井井壁厚2.1m,第七十一节沉井井壁加厚至2.5m;隔墙标准壁厚2.4m;顶板厚7.813.8m;封底厚度10m。从第二节开始以上井壁外侧设置了齿坎,齿坎厚0.5m。首节沉井钢壳用Q235B钢1002.3t,沉井混凝土总量
4、为7.3万方。沉井基础结构详见下图2-1。图2-1 北锚碇沉井基础结构布置图北锚碇所属区域属于漫滩地貌,地势平坦,地面标高3.934.32m,地下水位埋深0.701.20m,平均1.01m。地表岩性为第四纪全新世粘性土,近长江水域地表岩性味砂类土,地形微向长江倾斜。由于基底下部为圆砾石、砾砂层,渗透系数大,透水条件好,水量大(根据抽水试验报告,基坑涌水量达39230.93m3/d),且其与长江相连通,施工时易产生如涌水、涌砂等现象。沉井基础采用砂桩复合地基处理方式,在满足接高稳定性的情况下,采取多次接高一次下沉的方法:前四节(6m+35m)采用一次性降排水下沉,后七节采用三次(+节,+节,+节
5、)不排水下沉。3 临时地基加固施工在首节钢壳沉井拼装、混凝浇筑过程中不允许产生过大的压缩沉降。同样,第一次下沉前的接高及初始挖土下沉过程中,要求地基具有足够的强度支撑沉井结构,以免发生突沉或严重不均匀下沉,造成沉井倾斜或偏位,同时又要求不至于由于地基加固给井内出土带来困难或其他不利影响。设计要求沉井制作21m高后开始第一次下沉,原状土地基承载力不能满足沉井沉降要求,需做砂垫层地基加固处理。同时,沉井自重约7万吨,经过砂垫层的扩散作用后,传至下卧层上的应力仍大于原状土的地基承载力,为此采用砂桩复合地基对下卧层的地基加固。地基处理加固施工顺序: 基坑2.5m深首次开挖(轻型井点降水) 试验砂桩平板
6、载荷试验 砂桩施工 基坑2.0m深二次开挖并换填1.4m厚砂垫层(同步进行垫层平板载荷试验)土模制作。3.1 地基承载力计算北锚碇沉井首次下沉为前四节21m高整体下沉,砂垫层换填情况如图3-1所示:图3-1 井壁及隔墙下垫层布置图(单位:cm)3.1.1 井壁刃脚处地基承载力计算沉井井壁四节21m高单位长度,砼方量为39.59m3,则沉井井壁单位长度重G=39.59m325kN/m3=989.75kN。则井壁刃脚处地基承载力为:所以要求该处地基承载力要大于258.4kPa,而通过平板载荷试验得该处地基承载力均大于500kPa,所以处理后的复合地基承载力满足设计要求。3.1.2 隔墙下处地基承载
7、力计算沉井隔墙四节19m高单位长度,砼方量为33.66m3,则沉井隔墙单位长度重G=33.66m325kN/m3=841.5kN。则隔墙下地基承载力为:所以要求该处地基承载力要大于664.2kPa,而通过平板载荷试验得该处地基承载力大于701kPa,所以处理后的复合地基满足设计要求。3.2 砂桩施工北锚碇沉井基础原地面标高为+4.3m,首次开挖2.0m深,基坑顶口尺寸为81.0m70.0m,底口尺寸为78.3m67.3m,在开挖后的地面上进行砂桩施工。砂桩在沉井刃脚及隔墙下土层布置,梅花形设置,通过前期砂桩试验确定合理的砂桩间距、桩体材料及桩长等参数,即砂桩桩径D=50cm,桩长L=13.8m
8、,砂桩底标高为-12.0m,桩距为1.2m,梅花形布置。砂桩数量约为2885根,用砂量约8751m3(考虑1.12的松方系数)。投入 4台JGZ-90Y型沉管桩机,每天每台机器约完成30根桩。3.3 基坑开挖及砂垫层施工基坑开挖分两次进行,首次开挖地基深度2.0m,砂桩试验完成后,坑底整平之后开始打设砂桩,砂桩施工完成后二次开挖地基深度2.5m,最后进行1.4m厚50%粉砂+50%石屑垫层施工。 基坑两次开挖总深度为4.5m,基坑顶口尺寸为81.0m70.0m,底口尺寸为75.0m64.0m,开挖总方量为20916m3。因基坑开挖面积大,地下水位高,基坑开挖换填期间采取了轻型井点降水措施,降水
9、深度5m。换填的砂分层进行压实,密实度达到9095%,井壁及隔墙下地基承载力均满足设计要求,沉井受力均匀,满足沉井制作、下沉施工的工艺要求。4 沉井钢壳拼装及混凝土浇筑接高4.1 沉井钢壳制作与拼装沉井底节为钢壳填充混凝土结构,平面周边为井壁,中间为四纵三横的隔墙,采取平面分块制造安装,即分为9类共103个节段,钢沉井最大块段尺寸为7.88m(长)5.4m(高)1.6m(宽),单块段重量最大为10.9吨。为加快钢壳制作施工进度及保证施工质量,委托附近专业造船厂进行钢壳节段制作,采用300t自带动力货轮将验收合格的钢壳节段水运至北塔栈桥码头,再利用100t浮吊将钢壳节段装卸至20t平板车,由平板
10、车将钢壳节段运送至施工现场,采用50t履带吊进行拼装。首先吊装西北角的A2节段,以此节段作为定位基准段,再在其四周吊装,定位其他节段,先形成“口”字形封闭结构,再形成倒“日”字形封闭结构。拼装过程中,进行钢沉井几何尺寸的检查和纠正,调整正确后进行拼缝焊接。确保沉井安装的几何尺寸、结构轴线、对角线、倾斜度以及平面扭转角度等参数的偏差满足设计和规范要求。4.2 沉井接高混凝土浇筑模板采用组合钢模板,设计高度为5.5m,分三层按0.5m+4.5m+0.5m进行接高。沉井纵桥向两侧沿桥轴线各布置一台移动式175tm塔吊,另外再配2台50t履带吊,负责材料装卸以及钢筋、模板等吊装作业。混凝土采用2台12
11、0m3/h砼搅拌站生产供应,6台8m3混凝土运输车,采用4台拖泵接泵管配4套布料杆进行混凝土浇筑,浇筑速度约为150m3/h。为防止沉井在浇筑过程中出现倾斜,填充混凝土时按台阶式分舱分层,每层厚度不超过50cm,自中间向四周、先隔墙后井壁的顺序,对称均匀地浇筑混凝土,确保对沉井均衡加载。首节钢壳混凝土沉井接高采用全平面浇筑,钢筋混凝土沉井采用 “跳仓法”对角对称分区浇筑施工,混凝土沉井在平面上分4个区,对角区域同时对称进行浇筑,以减少井壁及隔墙混凝土单次浇筑最大长度,满足设计对大体积混凝土施工的要求。钢筋采用在工地钢筋加工厂加工成型,现场绑扎,水平32、25主筋接头采用滚轧直螺纹套筒连接,其它
12、钢筋则采用搭接接长。4.3 沉井抽垫入土在首节钢壳沉井拼装时,为了支垫和调平,在钢壳沉井井壁和隔墙底部铺设了混凝土垫块,以防止钢壳沉井土模变形变位。垫块高25cm,根据钢壳节段结构的差异,混凝土垫块在平面尺寸上分为3种,共计186块。垫块抽取共分两步进行,第一步:钢壳拼装完成后,即开始抽取刃脚及分区隔墙下的混凝土垫块,抽垫换填采取分区、对称、同步、依次进行,先井壁后分区隔墙,垫块抽出时,及时用砂回填并用水冲实;第二步:前四节接高完成后,首次降排水下沉时,在高压水枪冲土的过程中,再对称抽取一般隔墙下垫块;抽垫过程中需进行沉降跟踪观测,防止异常情况的发生。5 沉井出土下沉沉井平面尺寸为69m58m
13、,下沉深度达52.8m,偏差、高差、扭角均要控制在允许范围内,难度非常大,下沉是沉井工程的最大施工难点。沉井下沉分排水下沉和不排水下沉两个阶段进行,其中排水下沉深度23.2m,不排水下沉深度29.6m。5.1 排水下沉沉井接高前四节,高度为21m,重量7.0万吨,首次排水下沉19.6m,全刃脚支撑条件下,下沉系数为2.16;再接高第五、六节,高度为31m,总重量达10.7万吨,根据现场实际降排水深度,适当采用降排水下沉,实际二次降排水下沉3.6m,全刃脚支撑条件下,下沉系数为1.28,排水下沉合计23.2m。5.1.1 深井降水北锚碇主要含水层分为两类:第一含水层(浅层潜水)主要为淤泥质亚粘土
14、、亚砂土,具层理,层间夹薄层粉砂,厚度约12m,透水性一般。第二含水层(承压水)主要岩性为粉砂、细砂、砾石,顶板埋深一般在12m左右,底板埋深一般在64m左右,砂质纯,透水性较好,富水性强,单井涌水量大。沉井中心南距长江大堤约为140m,因此,应对降排水期间对长江大堤的沉降影响进行分析,制定长江大堤防护预案,确保长江大堤安全。1)深井降水计算为确保降水井在沉井下沉过程中能够正常使用,降水井在距离沉井四周井壁外侧17m和22m处交错布置两排。依据抽水试验得到的土层渗透系数及分次下沉的降水深度,对基坑涌水量进行估算,再根据单井出水能力确定降水井数量。沉井降水理论计算如表5-1。表5-1 深井降水理
15、论计算工况水位高程 (m)降深(m)325管井抽水量(m3/d)273管井抽水量(m3/d)备用井抽水量(m3/d)井内管井抽水量(m3/d)总抽水量(m3/d)首次降水-16.220.5182015300040400二次降水-21.025.3140011802320215054000备注:1、二次降排水启用4口备用井,此时沉井外降水井达到32口,同时启动在沉井中布设4口降水井;2、理论计算较首次增加深度4.8m,实际沉井下沉3.6m。2)降水井施工布置根据现场抽水试验情况及沉井计划降排水下沉深度,设计抽水井井深为35m,孔径60cm,成井管径325和273两种,首次降排水前打设28口, 32
16、5和273各14口。第二次五、六节降排水下沉时,为尽可能的多下沉,增加打设沉井外四个桥角的4口备用井,此时沉井外降水井达到32口,同时在沉井中布设4口降水井,以降低降水漏斗,满足施工要求。另外,在沉井南端外侧布置了3口观测井,用于监测降水情况。降水深井平面布置图见图5-1。图5-1 深水井平面布置图(单位:m)过滤器贯穿整个上部潜水层和部分弱承压含水层,放置深度15.035.0m,在花管外周缠绕金属丝网以减少含水层细颗粒流入井内,在管外与孔壁之间回填中细砂滤层,另外,在距离地面10m范围内井管外用粘土封填;深井施工完成后,安装深井抽水泵,管径325和273两种抽水井分别采用125m3/h和85
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