悬索桥重力式锚碇沉井基础下沉施工监控技术

韩会生

(广西交科工程咨询有限公司,广西 南宁 530007)

0 引言

随着当今社会经济的不断发展,城市交通基础设施不断引入大型、超大型悬索桥[1-2]。悬索桥的基本构成与承载单位是锚碇,为避免锚碇下沉施工过程中对附近环境造成干扰与沉降,需对锚碇下沉本身的力学特性与应力应变数据进行准确分析,提升锚碇下沉施工安全性[3-4]。在建设悬索桥过程中,绝大部分锚碇选取重力式锚碇[5]。在重力式锚碇施工过程中存在巨大竖向荷载的力,并向地基方向进行传输,为提升桥梁结构安全,地基地质条件需具有较高标准。因此,如何避免悬索桥重力式锚碇沉井基础下沉施工时对附近环境造成安全影响,成为现今社会需要解决的主要问题。

潘桂林等[6]通过荷载对沉井基础土的影响,获取沉井基础极限荷载力,并求解第一次下沉沉井下挖面积,减少沉井下沉施工对附近环境产生的影响,该方法适应性较强,可在大型悬索桥下沉施工中广泛应用。但该方法研究沉井下沉施工参数较少,分析下沉施工方案不全面。施洲等[7]通过风险、工作分解架构对沉井基础施工安全进行分析,实现沉井基础下沉施工控制,该方法分析的下沉施工精确度高,但该方法未考虑沉井基础附近环境的受力机理,造成施工附近环境土体沉降不稳定。

监控沉井基础下沉施工时地基受力情况,有助于规避沉井基础下沉施工时的危险状况,因此本文提出悬索桥重力式锚碇沉井基础下沉施工监控技术。

1 悬索桥重力式锚碇沉井基础结构

在悬索桥重力式锚碇沉井基础下沉施工前,预先分析悬索桥重力式锚碇沉井基础结构。

选取某地区某个悬索桥为试验对象,承载基础是重力式锚碇沉井基础,设置该悬索桥共有A、B两处重力式锚碇沉井基础,A侧和B侧尺寸均为25.4 m×18 m×21 m。制作施工时A、B两侧重力式锚碇沉井分节高度为1.8 m+3.2 m+3×4 m。重力式锚碇沉井基础结构如图1所示。

图1 重力式锚碇沉井基础平面图(cm)

重力式锚碇沉井基础包括:基础盖板、井壁、隔板、填芯、封底,沉井最后一节上接一层基础盖板。其中基础盖板高度为8.4 m,井壁厚度为1.4 m,隔板宽度为1 m。隔板将沉井基础分为6个舱室,舱室内填筑轻质泡沫混凝土,泡沫混凝土型号为FCA08-C3-W30-S-JG/T 266-2011;封底混凝土厚度为11.2 m,采用C28水下混凝土。重力式锚碇沉井基础高度为49 m,共分为5个节段,第1节是钢壳混凝土沉井基础,高度为1.8 m,第1节最下端预设3.2 m刃脚;第2～5节是钢筋混凝土沉井基础,高度为4 m。

2 悬索桥重力式锚碇沉井基础下沉施工监控方案

为了保证沉井基础下沉施工安全,对其进行监控。具体实现过程为设计沉井基础下沉施工监控项目和布设沉井基础下沉施工监控点两部分。通过上述两个步骤,获取沉井基础下沉施工监控数据,综合分析数据后,实时对沉井基础下沉施工提供高效的指导建议。

2.1 沉井基础下沉施工监控项目

沉井基础下沉施工的施工监控项目如表1所示。

表1 沉井基础下沉施工的施工监控项目一览表

依据表1设立的沉井基础下沉施工监控项目,选取合适的监测装置,从不同角度获取重力式锚碇沉井基础下沉施工数据,助力综合分析重力式锚碇沉井基础下沉施工情况。

2.2 沉井基础下沉施工监控点设置

设置沉井基础下沉施工监控点,如图2所示。

图2 沉井基础下沉施工监控点位置平面图

图2中沉井基础结构应力监控点设置在沉井井壁上,每条井壁各设置2个监控点,共计8个监控点;刃脚土压力监控点在刃脚处共设立10个;侧壁土压力监控点设置在沉井井壁上,每条井壁各设置2个监控点,共计8个监控点;沉井基础下沉变形监控点在沉井基础中心设立1个,在每条井壁中间位置共设立1处,共为5处监控点;钢筋应力监控点与地基下沉变形监控点相同;在沉井基础四角各设置一个沉井基础下沉几何姿态监控点,并在A、C两侧井壁中间位置各设置1个监控点,共计6个监控点。

3 监控结果分析

3.1 沉井基础结构应力监控结果

为了更直观地反映沉井基础结构应力的安全性,需要获取沉井基础结构应力数据。通过对应力数据的监控,对沉井基础施工下沉中沉井结构受力状况进行评估,并对沉井基础施工下沉的安全性进行预警。采用钢筋计完成沉井基础结构应力监控,设置监控点为8个,8个观测点设置8个钢筋计,沉井基础施工第1次下沉监控观测为期5 d,每天观测4次;第2次下沉监控观测为期5 d,每天2次;第3次下沉监控观测时间为6 d,每2 d监控观测1次。统计3次下沉施工各个监控点应力均值,采用本文方法对沉井基础结构应力进行观测的结果如图3所示。

图3 沉井基础结构应力监控结果柱状图

由图3可知,第1次下沉沉井基础结构应力数据最小,第3次下沉沉井基础结构应力数据最大。监控结果说明:沉井基础结构应力数据随着下沉施工深度增加而增加。

3.2 沉井刃脚踏面应力监控结果

沉井刃脚存在于沉井基础第1节中,主要承受1～4节沉井基础的应力影响。设置沉井刃脚踏面应力预警值为172 MPa,通过本文方法对沉井刃脚踏面应力进行监控,结果如表2所示。

表2 沉井刃脚踏面应力监控结果表

由表2可知,刃脚踏面应力值随着下沉高度的不断增长而增大,刃脚踏面应力值在第4节下沉施工完成后达到最大值134 MPa,而第1节下沉施工产生的刃脚踏面应力值为123 MPa,说明沉井基础下沉初期进行沉井基础开挖时,造成开挖面积变大,隔板底部土层被挖空,使井壁与沉井之间被悬空,且中间跨越距离逐渐变大,沉井荷载对刃脚踏面产生影响,导致此时刃脚踏面应力值异常。通过刃脚踏面应力监控数据可知,其应力最大值未超过预警值,说明该沉井基础处于安全状态。

3.3 沉井基础侧壁土压力监控结果

采用本文方法对沉井基础侧壁土压力进行监控,设置8个监控点,编号为1～8号,选取1号、2号、3号监控点数据进行沉井基础侧壁土压力分析,结果如下页图4所示。

图4 沉井基础侧壁土压力监控结果曲线图

由图4可知,沉井基础侧壁土压力随着下沉入土深度的增加呈先增加后降低的变化趋势。当下沉入土深度<11.5 m时,3个监控点的侧壁土压力呈上升状态,3个监控点监测到的最大侧壁土压力为79 kPa;当下沉入土深度>11.5 m时,3个监控点的侧壁土压力呈下降趋势。通过沉井基础侧壁土压力监控数据可知,沉井下沉施工后期下沉速度变慢,导致刃脚取土力度变大,并且刃脚获取的沙土过于松软,会流入沉井基础内,减少侧壁土压力。

3.4 地下与沉井内水位监控结果

采用本文方法对地下与沉井内水位进行监控,设置地下与沉井内水位监控点编号为1～42号(地下水位监控点编号为1号～12号,沉井内水位监控点编号为13号～42号),选取地下与沉井内水位监控点各2个,通过监控数据进行地下与沉井内水位分析,结果如图5所示。

图5 地下与沉井内水位监控结果曲线图

由图5可知,第一次下沉施工过程中,地下与沉井内4个水位监控点变化量幅度较大,水位变化量最大为1号水位监控点,水位变化值为89.1 cm;第二次下沉施工与第三次下沉施工水位变化较小。

3.5 沉井基础下沉倾斜度监控结果

采用本文方法对下沉倾斜度进行监控,通过监控数据对下沉倾斜度进行分析。其中预设下沉倾斜度门限值为0.01°,下沉倾斜度监控结果如图6所示。

图6 沉井基础下沉倾斜度监控结果曲线图

由图6可知,沉井基础下沉倾斜度随着下沉施工进度增加而逐渐上升,沉井基础下沉倾斜度最大值为0.008 5°,未超过门限值。监控结果说明:沉井基础状态处于安全状态,本文方法的监控数据可有效辅助沉井基础安全完成下沉施工。

3.6 沉井底部下沉地形监控结果

通过本文方法对沉井底部下沉地形进行监控,分析沉井基础垂直与水平方向上沉井下沉地形变化情况,结果如图7所示。

图7 沉井基础底部下沉地形变化结果柱状图

由图7可知,沉井基础底部下沉地形随着下沉深度变化而变化。分析沉井基础水平方向上的下沉地形变形量可知,当下沉深度<20 m时,下沉地形变形量最大值为0.11 mm;当下沉深度>20 m时,下沉地形变形量显著增加,最大值为2.4 mm;沉井基础垂直方向上的下沉地形变形量在下沉深度为40 m时达到最大值2.39 mm。监控结果说明:当沉井基础下沉到中后期时,垂直与水平方向的下沉地形变形量数值较大。此时,需沉井基础工作人员实时监测沉井基础垂直与水平方向变形情况,保障沉井基础下沉施工安全。

3.7 钢筋应力监控结果

采用本文方法对钢筋应力进行监控,通过震弦式应力计监控钢筋应力,随机选取一个沉井基础舱室,分析钢筋面对舱室坑面与背对舱室坑面应力变化情况,结果如后页图8所示。

(a)6号舱室内面对坑面钢筋应力

由图8(a)可知,在沉井基础6号舱室内,钢筋面对坑面时,第一次下沉的钢筋接受到的应力最大,最大值达到87.6 MPa,第二次下沉、第三次下沉钢筋的应力曲线比较平稳;由图8(b)可知,在沉井基础6号舱室内,钢筋背对坑面时,第一次下沉的钢筋接受到的应力最大,最大值达到90 MPa,第二次下沉、第三次下沉钢筋的应力曲线变化较平稳。监控结果说明:钢筋在沉井基础下沉前期受到应力最大,需关注钢筋应力情况,避免钢筋被折断,降低沉井基础下沉施工安全性。

3.8 沉井基础几何姿态监控结果

通过本文方法分析3次下沉施工后的沉井基础几何姿态监控结果。通过顶部高差、平面旋转角以及沉井底部中心和中心偏差构成沉井基础几何姿态监控条件。将本文方法的监控值与实际值进行比较,结果如表3所示。

表3 沉井基础几何姿态监控结果表

由表3可知,本文方法的监控值与实际值各项指标的监控误差较小,并且获取的监控值均在允许监控误差范围内。监控结果说明,本文方法获取的沉井基础下沉施工监控数据较优,符合下沉施工监控标准,可为后续下沉施工安全提供有效数据支持。

4 结语

本文研究一种悬索桥重力式锚碇沉井基础下沉施工监控技术,用以提升下沉施工安全性。悬索桥采用重力式锚碇沉井基础作为承载基础,并对该沉井基础下沉施工数据进行监控,以提高沉井基础下沉施工安全性。通过监控沉井的基础结构应力数据,可清楚反映沉井基础结构安全性情况。同时,当沉井基础下沉到位时,本文方法的监控值与实际值误差较小,可有效为下沉施工安全提供数据支持。