《交通运输科学技术新成果推广目录》（２０２1）—第一部分桥梁工程篇《深厚淤泥层大型沉井施工关键技术研究》

完成单位：中交第二航务工程局有限公司；中交二航局第二工程有限公司；中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司

主要完成人：张永涛、潘桂林、李德杰、徐元孝、郝聂冰、姬付全、黄威、杨俐、孔茜、董伟、罗甜、任梦、邓志强、李勇智、姚翔川

项目简介

1.项目背景

　　桥梁主塔、锚碇基础形式选取时，沉井因其承载力大、经济性好等优点得到广泛应用，随着大型桥梁的建设，沉井基础也逐渐往大型、特大型方向发展。但现有的理论、设计、施工以及规范要求主要针对小型沉井，在大型、特大型沉井施工领域鲜有研究。在大型沉井首次接高过程中，通常采用砂桩对软弱地基进行加固，沉井自重大接高周期长，导致软土固结后的强度大大提高，亟需结合软土固结效应，提出新的砂桩承载力计算理论；在沉井结构安全控制方面，亟需精准控制不同开挖下沉阶段的支撑转换过程，提出精细化开挖下沉方法，确保沉井顺利下沉；在深厚淤泥地层中，亟待开展适用于深厚淤泥、大水深的新型破取土设备、风险防控技术等具有十分重要的意义。

2.技术概况

　　本项目依托首个深厚淤泥地层温州瓯江北口大桥南锚碇沉井工程，研发的考虑固结的沉井临时地基砂桩加固方法，解决了传统未考虑软土固结造成的地基加固过强问题，该方法将砂桩置换率由63%优化为36%。提出的一种半刚性支撑、多节点支撑、全节点间断支撑及分区支撑组合开挖下沉方法，确保了沉井施工全过程无裂缝。研发的“四绞刀”高效取土设备及自行走快速取土设备，解决了高黏性与高承载力地层破取土困难、工效低的难题。提出的一种舱内全断面注水加荷及基于时空效应的局部反压涌土控制方法，保证了沉井经济安全高效施工。提出的沉井摆动下沉旋转中心计算方法及复杂条件下大型沉井堆载纠偏技术，实现了沉井偏位快速控制与调整。创新提出的沉井快速下沉双指标三级预警技术，实现了大型沉井快速下沉提前预报，确保下沉过程的安全控制。

3.适用范围

　　通过本项目研究，形成了大型沉井场地临时地基处理、开挖下沉工艺、新型装备、风险防控等成套关键技术，填补了深厚淤泥层超大型沉井施工技术的空白，研究成果可在大型、特大型沉井工程施工领域进行推广应用。

4.获奖情况

　　本研究成果获得2021年度中国交通运输协会科学技术奖一等奖。

项目创新点

　　本项目针对深厚淤泥覆盖层大型沉井下沉施工中遇到的土质差、下沉风险高等技术难题，采用理论计算、现场试验、室内试验、数值模拟、对比分析等方法，开展了临时地基砂桩加固、大型沉井接高下沉施工、沉井施工过程风险防控技术等研究，形成了深厚淤泥层大型沉井施工关键技术，成果属原始创新。成果的创新点包括：

　　（1）揭示了大型沉井地基附加应力分布规律和考虑固结效应的高置换率砂桩复合地基固结规律，提出了“有效应力-含水率-承载力”作用机理模型，提出了基于含水率变化的砂桩复合地基优化算法，解决了大型沉井临时地基处理的难题。

　　（2）研发了“半刚性-多节点-全节点-分区”多支撑体系转换的开挖下沉技术，确保了沉井施工结构安全。

　　（3）发明了适用于高黏性与高承载力地层的四绞刀、可移动式快速取土装备及分级切削防糊钻头，实现了高效取土施工。

　　（4）分析了大型沉井偏位机理，提出了沉井摆动下沉旋转中心计算方法及复杂条件下大型沉井荷载补偿纠偏方法，实现沉井偏位快速控制与调整；提出了涌土控制、沉井快速下沉双指标预警方法，降低了沉井施工风险。

应用案例

　　在温州瓯江北口大桥南锚碇沉井具体施工过程中，采用提出的固结的砂桩复合地基承载力计算方法，将沉井基础砂桩置换率由63%优化至36%，大大节省了施工工期及成本。降低了后续施工风险，实现了大型沉井开挖下沉全过程结构安全。通过采用提出的精细化开挖下沉方法，确保沉井顺利下沉，实现了大型沉井多种支撑状态安全转化，使得沉井施工全过程无裂缝。在深厚淤泥地层中，采用研发的适用于深厚淤泥、大水深的四绞刀取土设备及可自行走破取土设备，大大提升了深厚淤泥地层取土效率。采用提出的复杂条件下大型沉井堆载纠偏技术，常规高差调节80天无效果，5m堆载20天实现偏位归零，实现了沉井偏位快速控制与调整，提升了复杂环境沉井偏位调节技术；采用提出的沉井快速下沉双指标三级预警技术，解决了沉井快速下沉风险，在工程实际应用过程中三级预警分别提前4小时、3.5小时和2小时进行预报，实现了大型沉井快速下沉提前预报，确保下沉过程的安全控制。通过工程实践证明了研究成果的可行性、先进性和经济性，必将在后续工程中得到广泛推广应用。

社会效益与经济效益

　　本项目研究成果已在瓯江北口大桥南锚碇沉井等项目中成功应用，不仅解决了上述项目建设过程中面临的技术难题，技术成果还获得国内外同行的高度认可和赞赏，不仅节约了大量的建设成本，还提高了我国在大型、特大型沉井施工领域的影响力，充分展示了我国在交通基础设施领域里的创新能力，大大提升了我国交建基础设施建设国际核心竞争力，取得了巨大的经济、社会效益。