泰州大桥中塔超大沉井下沉监控技术

ModernTransportationTechnologyVol.6No.2Apr.2009

泰州大桥中塔超大沉井下沉监控技术

肖文福1，傅琼阁2，刘建波2，翟世鸿2，刘

鹏1

（1.中交集团第二航务工程局有限公司，湖北武汉430071；2.中交集团桥隧重点实验室，湖北武汉430071）摘要：泰州长江公路大桥中塔墩基础采用沉井结构。由于荷载分布的不确定性和施工因素的影响，对下沉过程中沉井结构内部应力应变及整体稳定性进行监控十分重要。文章详细介绍了沉井刃口反力、侧壁摩阻力、井壁与土的摩阻力、锚缆力的监测方案，为沉井基础的安全施工提供了及时、准确的预报预警信息，确保了工程施工顺利进行。

关键词：泰州大桥；沉井；应力应变；监控中图分类号：U445.55+7

文献标识码：B

文章编号：1672－98（2009）02－0058－04

SubsidenceMonitoringTechnologyofExtraLargeCaissoninTaizhouBridge

XiaoWenfu1，FuQiongge2，LiuJianbo2，ZhaiShihong2，LiuPeng1

（1.CCCCSecondHarbourEngineeringCo.，Ltd.，Wuhan430014，China；

2.KeyLabofLarge-spanBridgeConstructionTechnology，MinistryofCommunications，Wuhan430071，China）Abstract：ThepierfoundationofmiddletowerofTaizhouYantzeriverusingcaissonstructure.Itisimportanttomonitortheinnerstressandstrainofcassionstructureaswellaswholestabilityinsinkingprocess.Thispaperintroducesthesidefriction，frictionbetweenshaftliningandsoil，anchorcableforce.monitoringmethodofcassioncutingedgereaction，

Themonitoringprovidetimelyandaccurateearlywarminginformationforsafeconstructionofcassionfoundationandensuretheconstructioncarriedsmoothly.

Keywords：Taizhoubridge；caisson；stressandstrain；monitorandcontrol

1工程概况1.1沉井基础概况

泰州长江公路大桥中塔墩基础采用沉井结构。沉井分为钢沉井和钢筋砼沉井，其中钢沉井高度为钢筋砼沉井高度为38m。第1节钢沉井平面38m，

尺寸为58.4m×44.4m，第2至第7节钢沉井平面尺寸为58m×44m，除了第2节钢沉井隔墙宽度为其余各节隔墙宽度均为1.6m。沉井分为122m外，

个隔舱，沉井顶标高为+6.0m，底标高为-70m，坐落于粉砂层中，封底混凝土厚11m，顶板承台厚5m。中塔墩位置的覆盖层厚度较大，深水江底段厚约覆盖层自上而下可分为粉细砂夹压粘土、中175m，

砂层、砾砂圆砾土。

由于中塔墩沉井规模宏大，处于深水中下沉施工，施工工艺复杂，精度要求高，沉井下沉过程中需要收集大量的信息数据，以便及时进行处理同时作

出判断，指导下沉施工。同时，承台、塔柱、大缆以及桥面的施工过程中，由于荷载分布的不确定性和施工因素的影响，沉井结构内部应力应变及整体稳定

1-2］

性监控都是非常重要的［。1.2中塔沉井基础的工程问题

根据对塔址的工程地质条件和中塔沉井基础工程条件分析，中塔基础在施工和运行期间主要存在以下问题：

基础沉降及不均匀沉降问题（1）

受地层岩性因素、自然因素、工程荷载及地震、船撞等偶然因素影响，在运行期间基础可能出现沉降和差异性沉降问题，影响大桥的正常施工和运营。

（沉井基础的应力和变形问题2）

沉井施工和运行过程中，钢沉井的应力应变问题，特别是在第2节钢沉井处，封底混凝土对钢板的作用，使得钢沉井可能会产生变形或撕裂；清

作者简介：肖文福（，男，四川广安人，高级工程师，主要从事桥梁施工管理工作。1968-）

第2期肖文福，等：泰州大桥中塔超大沉井下沉监控技术

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基及封底前后刃脚反力及沉井侧壁摩阻力变化规律

对工程施工有重要的影响；沉井用混凝土封底后基底反力是否均匀对沉井的稳定性有重要的影响。

（河床的冲刷问题3）

沉井在施工和运行过程中，河床的冲刷对沉井的稳定性有很大的影响，必须对河床的冲刷与淤积进行监测。2

监测方案

针对桥位区覆盖层深厚且松软、自然条件复沉井基础规模大且施工风险大的特点，以及施杂、

工监控所需的数据种类多、数据采集量大的技术要求，兼顾人工监测与自动化监测。对于需要较大代价才能实现的自动监测，则考虑用人工监测；对于需要耗费大量人力的监测项目，则考虑用自动化监起雾刮风、下雨下雪等气候测。监测不受阴天黑夜、

的影响，随时随地进行观测。既重视施工过程中的沉井结构受力，更关注施工过程的监控，以沉井下沉过程为监测重点。

2.1刃口反力和侧壁摩阻力监测

沉井刃口反力和侧壁摩阻力既反映沉井下沉过程中所遇到的地层阻力，也客观反映了沉井的受力情况，是沉井下沉过程中的重要监测指标。为了实时得到沉井井壁受力的分布状况，在沉井四周按要求布设应力传感器，刃口反力的监测对象包括井壁和隔墙。通过测定沉井在下沉过程中的刃口反力直观地了解沉井下沉过程中所遇到的土层为及时、

阻力提供资料。而侧壁力摩阻力可作为控制沉井倾斜的因素，同时也可判断井壁土体是否发生流沙。将应力传感器的测量数据通过无线网络传输到控制中心，实时得到沉井的端阻力和侧阻力的分布状况。2.1.1刃口反力监测

（监测方法与监测频率1）

刃口反力监测拟采用振弦式土压力盒。在其量程确定时，根据工程地质勘察资料以及沉井自重，压力盒量并考虑到沉井下沉时对周围土体的扰动、程与灵敏度的关系以及适当的安全储备，刃口反力计的量程选用1.5MPa。沉井下沉过程中的监测频率为每10min1次，沉井制作过程中的监测频率为每天1次。

（测点布置2）

在沉井井壁的中部、两道隔墙之间的刃口斜面上布置2套反力计；在沉井四角刃口斜面上各布置在沉井隔墙的底部布置4套反力计。共1套反力计；

布置14套反力计，用于监测沉井下沉过程中刃口沉井刃口反力测点布置见图1、和隔墙底部的反力。

图2。刃口斜面的反力计承载面呈水平布置，传感器隔墙传感器埋设见图4。埋设方式见图3，

压力计的编号从水流上游开始按顺时针方向依次进行编号，具体编号见图1。

根据压力计测出各个状态下的频率计算出该状态下的土应力。土应力的计算公式为：F=K0K1（f2x-f20）

式中：F为土应力；K1为标定系数；K0为系数，取值长沙金码仪器）；fx为测点频率；f0为0.0005383（为零点频率。

图1主桥沉井基础施工控制传感器布置平面图

图2主桥沉井基础施工控制传感器布置立面图

2.1.2井壁与土的摩阻力监测

（监测方法与监测频率1）

因沉井的施工周期较长、工序复杂，各项监测

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现代交通技术2009年

图3刃口反力传感器的安装示意图

图4隔墙反力传感器的安装示意图

工作也将经历一个较长的时间，因而要求测试元件必须具备长期稳定性、抗损伤性能好、埋设、定位容易及受施工干扰小等优点。为此，井壁侧阻力采用点焊式应变计进行监测，即在钢沉井内侧高度方向，根据土层的分布情况，在井壁不同高度处预埋测试元件，测试井壁轴向力，通过不同高度处井壁的轴向力的差值换算井壁的分层侧阻力。为防止隔舱内混凝土浇筑后对应变计测量结果的影响，每个应变计位置采用保护盒（铁盒）焊接后封闭保护，与混凝土隔绝。

考虑到水上施工的特殊性及复杂性，采用自动采集仪系统进行测试采集，然后再把数据传输到电脑里面进行数据处理，确保施工监测的实时性。沉井下沉过程中的监测频率为每10min1次，沉井制作过程中的监测频率为每天1次。

应力监测元件采用温度误差小、性能稳定、抗干扰能力强，适合于长期应力监测的VW-1210型点焊式应变计。

（测点布置2）

首节沉井沿每边布设2个，在沉井内侧壁多布设4个用于监测沉井内侧壁摩阻力情况。在第2、3、测点编号从上游开始按顺5、7节沉井每边布设2个，时针方向依次进行编号，具体情况见图1、图2，其中

该N≥2，N表示应变计所在的层数。当N=2和3时，

层应变计个数为10，当N≥4时，应变计个数为8。

表1土压力盒和应变计安装位置及数量汇总表仪器名称

安装位置距刃脚底面4m处距刃脚底面7m处

应变计

距刃脚底面11m处距刃脚底面19m处距刃脚底面31m处距刃脚底面43m处

仪器型号

仪器数量1410108888

土压力盒刃脚斜面及中隔墙踏面JMZX-5040A

VW1210VW1210VW1210VW1210VW1210VW1210

应变计可以直接测出某个压力状态下的频率，根据F应=K（，计算出该部位的应力。其中：f2x-f20）fx为某个压力状态下的频率；f0为初始状态下的频率；k为灵敏度系数；F为应力。

在不能直接得到侧摩阻力时，需要进行推算。例如沉井下沉了Hm，通过对相邻两截面应力的测试，可以推算出相应截面至地面之间的土体与井壁的摩阻力，具体公式如下：

F侧i=Gi-F应i

式中：F侧i为距沉井底im处到沉井顶之间的井壁侧摩阻力；Gi为距沉井底im处到沉井顶之间的

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沉井自重；F应i为距沉井底im处所测得的应力值。

通过沉井顶到各个断面处的侧摩阻力，可以确定整个沉井随地层不同的侧摩阻力系数。2.2锚缆力的实时动态监测

沉井浮运到位后主要依靠锚缆进行定位，锚缆为沉井抵抗水流力和风力的主要承力部件，其失效会产生重大的灾难性后果。由于水流速度、风速不断变化，在下沉时沉井也可能产生一定的倾斜，锚需要对锚缆力缆受力也会相应的动态变化。因此，

进行动态监测，随时掌握锚缆的受力状况，并根据变化进行调整，以确保其承力在许可范围之内，保证沉井定位时的可靠性、安全性。测试结果为沉井定位监测提供基础数据。

锚缆力检测主要方法为：将力传感器联接在锚缆上，考虑锚缆定位时需要进行收放，力传感器需要设置为具有防水功能。通过数据线将传感器与动态数据仪相连，可实现对锚缆力的动态测试。在测试时设定阀值，使缆力超过一定值时实现实时报警。

力传感器初步考虑采用旁压式张力计及机械式拉力计进行双控来保证锚缆的受力状况，共计各安装24个传感器。3监测数据采集点平面布设

在中塔沉井下沉施工现场设置监控室，上下游锚缆力的监测数据采集箱布设在上下游锚墩位置，沉井位置上各监测数据采集箱布设在沉井顶部，通过无线或有线两种方式传递。监测数据采集点平面布设见图5。

4监测数据的分析及安全监控

资料分析和解释系统是施工监控系统的一个

十分重要的子系统。从技术实现的角度来看，也是施工监控系统中最为复杂的子系统。资料分析和解释系统的作用在于通过对已经过可靠分析的实测数据进行必要的分析，以综合评判沉井基础施工工程中的安全状况，并及时提出技术警报以及相应的处理建议。资料分析和解释系统的主题是安全监控模型。

安全监控的宗旨可归纳为：根据监测结果对工程的安全稳定性作出客观明确的评判；根据监测结防范果为后续工况的安全性进行预测预报，实现“于未然”的目的。为了实现安全监测的宗旨，安全监控模型的建立是十分必要的，它是实现信息化施工的必要条件。5

结语

为防止在泰州长江公路大桥中塔墩沉井施工过程中可能出现的下沉过缓、停滞、过速、突沉、施工偏差和施工影响河床冲淤及周边环境等问题，需建立安全监控系统，对施工过程中的沉井的下沉量沉井的倾斜度和水平位移、沉井施工的及其差异、

沉井下沉过程中的土层阻力等进影响程度和范围、

行实时跟踪观测。并通过建立合理的监测数据分析模型和安全监控模型，为沉井基础的安全施工提供及时、准确地预报预警信息，以确保工程施工顺利进行。

参考文献

上海隧道工程股份有限公司.软土地下工程施工技术［［1］M］.

上海：华东理工大学出版社，2001.

［陈光福，王海平.超型深水沉井施工技术［2］J］.中国港湾建

设，（：2007，6）47-51.

［李青岳，陈永奇.工程测量学（第2版）［测绘出3］M］.北京：

版社，1995.

［陆国胜，王学颖.测绘学基础［测绘出版社，4］M］.北京：2006.

（收稿日期：2008-09-16）

图11监测数据采集点平面布设