景奉韜 ，劉修成 ，管政霖

（1.中國交通建設(shè)股份有限公司，北京 100088；2.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；3.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，湖北 武漢 430040；4.交通運輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430040）

0 引言

國內(nèi)在深水急流的江河中建造的橋墩基礎(chǔ)形式主要為樁基礎(chǔ)和沉井基礎(chǔ)兩種，20世紀(jì)90年代至今，隨著國內(nèi)大跨徑橋梁建設(shè)逐漸興起，沉井基礎(chǔ)在橋墩及錨碇上的應(yīng)用日益增多。表1給出了國內(nèi)大跨徑橋梁主墩沉井基礎(chǔ)平面尺寸與地質(zhì)情況[1-7]，可見沉井平面尺寸逐漸增加，同時外周長與井壁及隔墻底面積之比減小趨勢明顯，這意味著大型沉井下沉阻力中端阻力占比相對較大，由于剪力鍵的存在，現(xiàn)有取土方法無法顧及到井壁及隔墻下方的土體，存在取土盲區(qū)。此外，近年來沉井下沉遇到硬塑黏性土、膠結(jié)砂層以及卵礫石層等硬質(zhì)土層，該類土層能提供較大的端阻力，導(dǎo)致沉井下沉效率低、安全風(fēng)險高等問題。

因此，大型沉井下沉遇到硬質(zhì)土層時，有效克服沉井端阻力是解決問題的關(guān)鍵。一方面，實現(xiàn)井孔內(nèi)高效破（?。┩?，減小井壁及隔墻下方土墻的側(cè)壁土壓力，使其在沉井刃腳的擠壓下更容易破壞；另一方面，井壁及隔墻盲區(qū)取土對削弱端阻力也尤為關(guān)鍵。本文結(jié)合相關(guān)施工案例，總結(jié)硬質(zhì)土層的破土方法，并對沉井盲區(qū)取土裝備研發(fā)進(jìn)行探討。

表1 大跨徑橋梁主墩沉井基礎(chǔ)平面尺寸與地質(zhì)情況Table1 Caisson foundation plane sizeand geological conditions of main pier of long-span bridges

1 硬質(zhì)土層破土方法

針對砂性土、砂夾卵石、黏質(zhì)砂土等流動性相對較好的土層，沉井不排水下沉施工以空氣（水力）吸泥或抓斗取土為主。當(dāng)沉井下沉過程中遇到硬質(zhì)土層時，空氣吸泥機、抓斗的效率極低，沉井下沉緩慢甚至無法下沉。此時，需要采用其它輔助手段對硬質(zhì)土層進(jìn)行預(yù)破壞，再通過空氣吸泥機或抓斗將土取出，破土方法大體上可以分為機械破土、射流破土以及爆破法3類。

1.1 機械破土

機械破土主要是通過機械能對密實堅硬土體進(jìn)行沖擊、擠壓或者剪切破壞，常用的設(shè)備有沖擊鉆機、氣動潛孔錘、電動（液壓）絞刀以及回旋鉆機。

1）沖擊鉆機主要針對較薄的硬層。?？谑兰o(jì)大橋S主塔沉井在下沉至-16.0～-20.0 m高程時，遇到泥巖、砂巖夾層和粗砂膠結(jié)塊，采用了2臺1.5 t沖擊錘將硬層破碎成塊，再由潛水員配合吊出井外[1]。

2）氣動潛孔錘主要應(yīng)用于石油勘探領(lǐng)域，解決鉆進(jìn)時遇到堅硬巖石成孔難題。其原理是通過壓縮空氣作為循環(huán)介質(zhì)驅(qū)動潛孔鉆頭對巖體進(jìn)行高頻沖擊使其破碎。松花江盾構(gòu)沉井終沉?xí)r遇到起伏巖面，導(dǎo)致沉井下沉困難并發(fā)生偏斜。該工程將潛孔錘沖擊破巖與空氣吸泥相結(jié)合，設(shè)計了水下破碎巖石的空氣吸泥裝置，通過0.8～1.0 MPa的風(fēng)壓驅(qū)動硬質(zhì)合金球齒鉆頭以800～1 500次/min的頻率沖擊巖體，并由空氣吸泥機將破碎巖塊排出，實現(xiàn)了沉井順利入巖[8]。

3）電動（液壓）絞刀工作原理類似于絞吸挖泥船，采用水下電機或是液壓馬達(dá)驅(qū)動絞刀頭對土體進(jìn)行機械擾動、切削破壞，再通過泵舉或氣舉將破碎后的土體排出井外。楊泗港長江大橋1、2號沉井基底持力層均為硬塑黏土層，終沉?xí)r需分別進(jìn)入硬塑黏土層6.2m、10.6m，該項目在空氣吸泥機上集成2臺30 kW水下電機分別驅(qū)動2個φ850 mm三翼刮刀鉆頭，鉆頭轉(zhuǎn)速65 r/min，轉(zhuǎn)動方向相反實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩平衡，輔以高壓射水，將切削后的黏土碎塊混合于泥漿中，并由空氣吸泥機排泥[9]。值得注意的是，需定期清理井孔內(nèi)雜物，避免堵塞吸泥管或損壞絞刀頭。

4）回旋鉆機與電動絞刀破土原理類似，所不同的是回旋鉆機動力部分在水面以上，可靠性更好，且輸出扭矩更大，鉆頭直徑可達(dá)2 m左右。溫州甌江北口大橋南錨沉井下沉至-33.3 m遇到深厚強塑性黏土層，采用回旋鉆機進(jìn)行井孔內(nèi)破土，通過移動臺車沿軌道行走，以及鉆機在臺車主梁上滑移的方式見圖1，解決鉆機移位的難題，實現(xiàn)井孔內(nèi)取土全覆蓋，并對三翼刮刀鉆頭進(jìn)行改進(jìn)，減少了強塑性黏土中鉆進(jìn)易“糊鉆”、堵管的風(fēng)險。

圖1 回旋鉆機在沉井下沉施工中的應(yīng)用Fig.1 Application of rotary drill in caisson sinking

1.2 射流破土

射流對土體產(chǎn)生破壞的主要表現(xiàn)：在高壓水射流沖擊和剪切作用下，土體產(chǎn)生軟化、流變和裂化，射流穿透和滲入，促使裂隙擴(kuò)展，加速了土體顆粒的剝離、脫落。針對黏性土，在射流動壓作用下，使土體中孔隙水的壓力增高，削弱孔隙介質(zhì)顆粒之間的黏聚力[10]。在空氣吸泥機的吸泥口附近設(shè)置射水噴嘴，射水壓力2～2.5 MPa，可以加速對黏土和密實砂層的擾動，提高吸泥效率。而高壓射水在淹沒狀態(tài)上，與周圍的介質(zhì)極易發(fā)生能量交換，導(dǎo)致射流靶距衰減嚴(yán)重，為了提高射流的破土效果，在射流水柱外周增加壓縮空氣幕，現(xiàn)有的設(shè)備有高壓旋噴鉆機以及“氣推水”沖泥器。

高壓旋噴工法主要用于基坑支護(hù)及地下連續(xù)墻接縫止水施工，該工法的關(guān)鍵步驟是利用超高壓噴射流體產(chǎn)生的動能充分破壞原狀土，其中的RJP工法采用流量100 L/min、壓力達(dá)40 MPa高壓水射流配合1.05 MPa壓縮空氣進(jìn)行土體切削，最大影響直徑可達(dá)2～3 m。

鎮(zhèn)江大港水廠取水工程頂管井為圓形斷面沉井，外徑17.6 m，下沉至-26.4 m時，遭遇硬塑～堅硬粉質(zhì)黏土層，最終通過在井內(nèi)投入浮平臺搭載2臺高壓旋噴鉆機，考慮射流切削影響區(qū)直徑為1 m，點位按0.7 m間距搭接布置。對井孔內(nèi)所有點位進(jìn)行逐層破土作業(yè)，每層60 cm處理完成后由空氣吸泥機輔助排泥，最終使沉井順利穿越硬層下沉至-33.0 m設(shè)計標(biāo)高[11]。

考慮到40 MPa超高水壓不易獲取，“氣推水”沖泥器選用大流量、相對較低壓力（約2～2.5 MPa）的射流進(jìn)行破土，沖泥器由雙重管和噴嘴焊接而成。內(nèi)管通水，外管通氣，噴嘴處的壓縮氣體助推水力噴射，同時針對黏土透氣性差的特點，使得被氣水混合射流沖擊的土體迅速膨脹破壞。豎向噴嘴破土協(xié)助沖泥器向下鉆進(jìn)，水平及斜向噴嘴擴(kuò)大其影響直徑。該設(shè)備應(yīng)用于夏漳同城大道西溪主橋2號主墩圍堰吸泥作業(yè)，有效解決了強黏性深厚老黏土的破土難題[12]。

1.3 爆破法

爆破法是山嶺隧道、礦井坑道普遍采用的破碎巖石方法，主要利用在炮眼內(nèi)裝入的炸藥瞬間釋放出巨大的沖擊波能量破碎巖石，也被應(yīng)用于沉井下沉遇到堅硬土層時破土作業(yè)，從而削弱沉井端部承載力。楊泗港長江大橋2個橋塔墩沉井，針對刃腳踏面處的硬塑黏土采用了水下爆破法破土，通過地質(zhì)鉆機沿井壁上預(yù)留的φ140 mm鋼管垂直鉆孔至刃腳踏面以下2.0～2.5 m，裝藥后以沉井中心軸線對稱起爆[13]。合福鐵路銅陵長江大橋北側(cè)3號主墩沉井下沉至-44.5 m時遇到卵石膠結(jié)層，下沉受阻，對于膠結(jié)層厚度大于0.5 m的區(qū)域，采用沖擊鉆機沖砸效果不佳，而后改用復(fù)合高強度導(dǎo)爆管雷管和抗深水壓力及水密性能良好的水膠炸藥，順利地破碎了卵石膠結(jié)層[3]。

綜上，不同破土方法所適應(yīng)的硬土類型見表2。

表2 不同破土方法匯總Table 2 Summary of different soil breaking methods

2 盲區(qū)取土設(shè)備研發(fā)探討

現(xiàn)有沉井取土方法以垂直取土為主，通常情況下，隨著井底中部的土被取出，井孔內(nèi)的泥面會呈現(xiàn)鍋底狀，鍋底比刃腳低1～1.5 m時，沉井即可靠自重下沉，并將刃腳下方的土擠向井孔中部。當(dāng)下沉遇到硬塑黏土、卵石膠結(jié)層等硬質(zhì)土層時，該類土體具有較大的天然坡角，不易向鍋底坍落，沉井的端部承載力可阻礙其下沉。傳統(tǒng)方法以彎頭沖泥器或派潛水員進(jìn)行水底人工水平射水破土為主，存在水下定位難、勞動強度大的缺點，而采取超挖促使土體坍塌的方法，又會帶來沉井突沉或周圍地層沉降過大等風(fēng)險。

國外刃腳取土設(shè)備主要有水下自動反鏟挖掘機以及豎井掘進(jìn)機。日本SOCS（Super Open Caisson System）工法進(jìn)行沉井首節(jié)制作時，在刃腳處內(nèi)井壁上埋設(shè)軌道，如圖2所示，反鏟挖掘機可沿軌道行走，將刃腳下方土體挖掘后拋填至井孔中部，再由抓斗將土提升至井外，可適用于硬質(zhì)砂土及黏性土地層。為了提高設(shè)備的破巖能力，可采用銑刨頭替代鏟斗，實現(xiàn)對中軟巖層的銑削。

圖2 日本軌道式反鏟挖機Fig.2 Japanese rail-type backhoeexcavator

德國海瑞克研發(fā)的豎井掘進(jìn)機（見圖3）適用于4.5～18 m直徑的豎井下沉施工，其支撐結(jié)構(gòu)通過銷軸與豎井內(nèi)壁上的預(yù)埋件固定，克服掘土作業(yè)時的工作荷載，通過機械臂的回轉(zhuǎn)、伸縮、變幅動作，實現(xiàn)豎井底部及刃腳開挖面的全覆蓋，水下離心泵將銑削后的泥水混合物排出井外。

圖3 德國豎井掘進(jìn)機Fig.3 German vertical shaft sinking machine

上述刃腳取土設(shè)備主要針對中小型圓形斷面單井孔沉井和豎井下沉施工，而大型橋梁沉井基礎(chǔ)刃腳取土專用設(shè)備研發(fā)尚屬空白。橋梁沉井具有尺寸大，井孔數(shù)量多的特點，且井孔斷面多以方形、矩形為主，因此設(shè)備研發(fā)需考慮水下精確定位、井孔間便捷轉(zhuǎn)倉、操作可視化等問題。

依托在建的常泰長江大橋5號主墩沉井，研發(fā)了一種適用于深水多井孔沉井刃腳取土設(shè)備。該設(shè)備由上部移動平臺和水下機器人本體組成，移動臺車上設(shè)置有操作室，收放卷揚以及電纜卷筒，水下機器人則包括內(nèi)支撐臂架、動力總成、機械臂、射流泵和銑刨頭，如圖4所示。采用模塊化設(shè)計理念，通過改變內(nèi)支撐臂架的結(jié)構(gòu)形式和機械臂的尺寸來適應(yīng)不同斷面形狀以及尺寸的井孔。

圖4 沉井盲區(qū)取土設(shè)備Fig.4 Excavation equipment of caisson blind area

內(nèi)支撐臂架集成導(dǎo)向裝置和伸縮油缸，使取土機器人能安全通過井孔內(nèi)壁上剪力鍵，伸縮油缸具有油壓維持功能，作業(yè)過程中，油缸能始終保持一定壓力，使撐靴緊貼于井壁上。動力總成通過臍帶電纜供電，為水下射流泵、液壓油缸和銑刨頭提供動力。機械臂端部安裝有銑刨頭，適合密實膠結(jié)砂層以及風(fēng)化巖層等堅硬地層的銑削作業(yè)，針對硬塑黏土可更換齒型，并輔以高壓射水輔助破土。

同時開發(fā)一套可視化界面操控系統(tǒng)，保證深水環(huán)境刃腳取土施工精度。通過導(dǎo)入作業(yè)井孔的幾何參數(shù)以及三維聲吶所測得的泥面標(biāo)高數(shù)據(jù)，建立作業(yè)環(huán)境的空間模型。卷揚系統(tǒng)通過記錄鋼絲繩的下放量獲取水下機器人相對泥面的實時高程，以便水下機器人內(nèi)支撐臂架在合適高程定位，依靠油缸伸長量傳感器以及轉(zhuǎn)動角度傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)，解算出機械臂的空間姿態(tài)信息，構(gòu)建水下可視化操控界面。

3 結(jié)語

大型橋梁沉井基礎(chǔ)具有較大的踏面面積，下沉過程中遇到硬質(zhì)土層時需克服更大的端阻力，對井孔內(nèi)及踏面下土體破除顯得尤為重要。本文在國內(nèi)沉井不排水下沉實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，總結(jié)了適用于不同類型硬質(zhì)土層的破土方法，并對沉井刃腳盲區(qū)取土設(shè)備進(jìn)行了探討，提出了一種適用于深水多井孔沉井盲區(qū)取土專用設(shè)備。