一种沉井定位系统及沉井施工方法与流程

1.本技术涉及桥梁工程技术领域，特别涉及一种沉井定位系统及沉井施工方法。


背景技术：

2.随着我国交通事业高速发展，越来越多桥梁工程采用公铁合建跨越江海，沉井基础在复杂地质、恶劣水文条件下具备竞争优势，因此在重载、大跨桥梁中采用沉井基础已成为首选。
3.目前国内沉井基础施工定位技术沿用前后定位船(主缆) 左右霍尔锚(边缆)柔性定位系统，或者采用前后群桩锚墩(主缆) 左右混凝土重力锚(边缆)刚性定位系统，或者上述两种定位系统的组合使用。霍尔锚(边缆)与锚链配合使用，单个霍尔锚提供水平拉力有限，为抵御复杂水域水流力影响需抛锚大量霍尔锚，造成定位系统拉缆数量多、体系受力复杂。混凝土重力锚(边缆)虽然能提供足够水平力，但其体型巨大，重量一般达数百吨，抛锚和回收均需要大型吊船，且基本不具备再利用价值，施工成本过高。
4.与此同时，当沉井基础下沉着床后(沉井底口与河床面齐平)，流向沉井的水流受到沉井的阻挡，沉井周围的水流发生急剧变化，水流的绕流使流线急剧弯曲，床面附近形成旋涡，剧烈淘刷沉井迎水端床面和周围的泥沙，随之形成局部冲刷坑。沉井着床后河床局部冲淤会对施工区域环境以及沉井的后续施工造成较大影响。


技术实现要素：

5.本技术实施例提供一种沉井定位系统及沉井施工方法，以解决相关技术中的沉井施工复杂，且对施工环境造成负面影响问题。
6.第一方面，提供了一种沉井施工方法，包括以下步骤：
7.在沉井的目标区域开挖基坑；
8.向所述基坑下放沉井基础直至其落位到所述目标区域；
9.在所述基坑内建造防护基础。
10.一些实施例中，所述向所述基坑下放沉井基础直至其准确落位到所述目标区域，包括：
11.向所述基坑下放沉井基础直至所述沉井基础的底口与所述基坑底面平齐。
12.一些实施例中，所述在所述基坑内建造防护基础，包括：
13.向所述沉井基础的底口外侧填充碎石，并在所述基坑内形成所述防护基础。
14.一些实施例中，所述在沉井的目标区域开挖基坑，包括：
15.在所述目标区域的两侧定位抛锚抓力锚，所述抓力锚的抓重比大于15。
16.一些实施例中，所述在所述目标区域的两侧定位抛锚抓力锚，在所述在沉井的目标区域开挖基坑之前；或者，
17.所述在所述目标区域的两侧定位抛锚抓力锚，在所述在沉井的目标区域开挖基坑之后。
18.一些实施例中，分析所述沉井基础的位移状态参数；
19.若所述沉井基础的沉井偏差、倾斜度和平面扭转角满足第一指标，则采用单层拉缆连接所述沉井基础与所述抓力锚；若所述沉井基础的沉井偏差、倾斜度和平面扭转角不满足所述第一指标，则采用双层拉缆连接所述沉井基础与所述抓力锚。
20.一些实施例中，所述分析所述沉井基础的位移状态参数，包括：
21.计算所述沉井基础在初定位阶段、精定位阶段、沉井下沉阶段以及着床阶段时的沉井偏差、倾斜度以及平面扭转角。
22.一些实施例中，所述第一指标包括：
23.在所述初定位阶段和着床阶段，所处沉井基础的沉井偏差小于100cm，所处沉井基础倾斜度均小于1/150、所处沉井基础平面扭转角均小于1
°
；
24.在所述精定位阶段和沉井下沉阶段，所处沉井基础的沉井偏差均小于30cm，所处沉井基础的倾斜度均小于1/150，所处沉井基础的平面扭转角均小于1
°
。
25.第二方面提供一种沉井定位系统，包括：
26.基坑，其内设有沉井基础；
27.防护基础，其设置在所述基坑内。
28.一些实施例中，沉井基础的底口与所述基坑底面平齐。
29.本技术提供的技术方案带来的有益效果包括：
30.(1)本发明在沉井前在目标区域开挖基坑，并在沉井着床后及时抛填碎石修筑防护基础，不仅起到了防护河床作用而且取代了沉井过程中需要不断取土下沉的步骤，在节约工期、降低施工风险、减少施工投入等方面具备极大优势。
31.(2)本发明采用抓力锚8作为边锚，抓力锚8采用锚爪与泥土有效啮合提供了较大的抓重比，不仅简化边锚体系，而且抓力锚8方便回收再利用。
32.(3)本发明优化了定位系统拉缆体系，充分利用巨型沉井自身能产生较大复原力矩特性，采用单层拉缆体系代替常规上下双层拉缆体系，使得定位系统拉缆体系所需拉缆数量减少一半。
附图说明
33.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
34.图1为本技术实施例提供的沉井施工方法着床后的正视图；
35.图2为本技术实施例提供的沉井施工方法着床后的侧视图；
36.图3为本技术实施例提供的沉井定位系统防护基础施工后的正视图及俯视图。
37.图中：1、沉井基础；2、锚墩平台；3、基坑；4、主拉缆；5、边拉缆；6、边缆转向座；7、主缆锚固座；8、抓力锚；9、连续千斤顶； 10、临时拉缆；11、防护基础。
具体实施方式
38.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例
中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
39.本技术实施例提供了一种沉井定位系统及沉井施工方法，其能解决相关技术中施工拉缆过多造成施工难度过大，且后期河床防护困难的问题。
40.参见图1所示，本发明一种沉井施工方法，其包括以下步骤：
41.步骤s1.在上下游各设置一个锚墩平台2，并在锚墩平台2上安装张拉设备。
42.步骤s2.在沉井目标区域的左右侧定位抛锚抓力锚8，并在沉井的目标区域进行基坑3的开挖。
43.可以理解的是，河流上下游被视作前后两侧，所以左右侧一般为河岸测或者一个为河岸测另一个为江侧。
44.值得说明的是，本发明方案中的抓力锚的抓重比应大于15，且一般选用带有锚爪的抓力锚8，此类抓力锚8与常规霍尔锚或重力锚不同。抓力锚通过锚爪与土面充分啮合提供巨大的拉力，所以其抓重比有较大提升，不再需要设置多个锚以达到锚固的目的。
45.优选的，抓力锚采用采用抓力锚hyd-14型，其单个重量20t，试验抓重比约15～18。常规方法使用的霍尔锚抓重比约2.5～4。相当于 4个霍尔锚提供的抵抗力一个抓力锚即可提供，锚数量减少意味着缆绳数量也减少，实际应用效果更佳。
46.可以理解的是，所述在所述目标区域的两侧定位抛锚抓力锚8，在所述在沉井的目标区域开挖基坑3之前；或者，
47.所述在所述目标区域的两侧定位抛锚抓力锚8，在所述在沉井的目标区域开挖基坑3之后。
48.步骤s3.沉井基础1运送到位后，依次完成上下游主拉缆4、两侧边拉缆5的挂设。
49.具体地，主拉缆4与锚墩平台2上张拉设备连接，边拉缆5和抓力锚8连接，边拉缆5和抓力锚8连接好后通过边缆转向座6转向后与锚墩平台2上的张拉设备连接。
50.值得说明的是，边拉缆5可以采用双层拉缆体系也可以采用单层拉缆体系。当沉井基础1拥有足够大的自重时，巨型沉井自身能产生较大复原力矩特性，水流等因素不会影响到沉井基础1使其偏移，因此可采用单层拉缆体系。
51.具体地，上述判断边拉缆5使用类型的方法包括以下步骤：
52.采用大型通用有限元软件midas进行施工模拟，建立空间有限元模型，模型由锚墩、锚绳和沉井基础1组成。沉井基础1采用无质量的实体单元，锚绳采用索单元，锚墩采用梁单元。边界条件的设置包括：锚墩钢管桩河床面以下部分采用节点弹性支承，底部铰接；抓力锚处采用固结；沉井底部根据水线处单位深度浮力大小考虑浮力弹簧采用节点弹性支承。荷载设置：水流力以节点荷载形式作用在水面以下吃水深度1/3高度处，风荷载以节点荷载形式作用在水面以上1/2 高度处，快速下沉3m采用节点强制位移，锚绳初拉力荷载以外荷载形式作用在锚绳上。
53.为了使方案在整个施工中可行，整个施工过程中都需要满足第一指标，第一指标包括沉井基础1在初定位阶段和着床阶段后的差应小于100cm、倾斜度均小于1/150、平面扭转角均小于1
°
，而在其他工况，比如精定位阶段和下沉阶段时沉井偏差应小于30cm、倾斜度均小于1/150、平面扭转角均小于1
°
。
54.根据施工步骤，主要计算以下四个工况，本方案提供一个计算判断的具体模拟分析实例：
55.工况1-沉井初定位计算
56.此时沉井吃水深度13.5m，考虑1.2m/s流速和6级风荷载，经过计算后沉井偏差小于100cm，倾斜度为(428-361)/45000＝1/671＜ 1/150，平面扭转角为arctan((635-411)/37200)＝0.345
°
＜1
°
，满足要求。
57.工况2-沉井精定位计算
58.此时沉井吃水深度33m，考虑0.9m/s流速和6级风荷载，沉井偏差小于30cm，倾斜度为(181-164)/45000＝1/2647＜1/150，平面扭转角为arctan((213-168)/37200)＝0.069
°
，满足要求。
59.工况3-沉井快速下沉计算
60.此时沉井精定位后快速注水下沉3m，考虑0.9m/s流速和6级风荷载。计算后，沉井偏差小于30cm，倾斜度为(171-161)/45000＝1/4500 ＜1/150，平面扭转角为arctan((226-181)/37200)＝0.069
°
＜1
°
，满足要求。
61.工况4-沉井着床计算
62.沉井吃水深度33m，考虑1.2m/s流速和6级风荷载。计算后。沉井偏差小于100cm，倾斜度为(306-275)/45000＝1/1451＜1/150，平面扭转角为arctan((380-274)/37200)＝0.16
°
＜1
°
，满足要求。
63.s4.对所述沉井基础1进行初定位。
64.值得说明的是，初定位包括锚墩平台2上张拉设备调整主拉缆4、边拉缆5长度，以对沉井基础1的竖向倾斜度、平面转角进行调整，使沉井基础1的姿势保持准确。
65.s5.向所述沉井基础1注水下沉，并通过所述张拉设备保持所述沉井基础1的下沉姿态直至其准确着床至目标区域内
66.具体地，沉井基础1井壁内分阶段注水下沉，在沉井基础1下沉过程中继续调整主拉缆4、边拉缆5长度，动态调整沉井1基础下沉姿态，使沉井基础1平稳、快速、准确着床(沉井底口到达开挖基坑3 底面)。
67.可以理解的是，由于提前开挖了基坑3，有助于帮助定位沉井的着床位置，且不需要像常规施工一样。边下沉边用设备不断将沉井基础1 下方的泥土吸出。
68.值得说明的是，目标区域是指预先确定好用于下沉所述沉井基础的河流底面位置。
69.具体地，向所述基坑3下放沉井基础1直至所述沉井基础1的底口与所述基坑3底面平齐。
70.s6.向所述基坑3内填充碎石以建造防护基础11。
71.具体地，向所述沉井基础1的底口外侧填充碎石，并在所述基坑内形成所述防护基础11。
72.值得说明的是，填充碎石是为了解决沉井着床后河床局部冲淤以及对施工区域环境影响难题，通过对沉井基础设计位置提前开挖基坑，沉井着床后及时抛填碎石，不仅起到了防护河床作用而且减小沉井取土下沉深度，在节约工期、降低施工风险、减少施工投入等方面具备极大优势。
73.本技术实施例还提供了沉井着床方法的具体实施例，包括如下步骤：步骤1：沉井设计位置处开挖基坑3，对基坑进行预防护施工。安装锚墩平台2，并在锚墩平台2上安装连续千斤顶9收缆系统。精确抛设抓力锚8，将抓力锚8连接钢丝绳接头放在临时工作船上。将主缆锚固座7卡环和主拉缆4挂在沉井1井壁上；边拉缆5穿过边缆转向座6，所有拉缆临时固定在沉井1井壁上。沉井1由拖轮带至墩位处附近。
74.步骤2：选择平潮时段，将沉井1拖航至墩位靠上游侧25m，安装临时拉缆10。撤出沉井1头部一艘拖轮，沉井往下游移动5m，临时拉缆10受力。将挂于沉井1井壁上主拉缆4端头用拖轮拖至锚墩平台2，利用浮吊配合与锚墩平台2上连续千斤顶9相连。重复上述步骤，连接上游侧两根主拉缆4。
75.步骤3：主拉缆4张拉带紧后，其余拖轮全部退出,拆除临时拉缆 10。利用上游侧锚墩平台2上连续千斤顶9溜放沉井1至设计位置靠下游侧。重复2中步骤，将下游侧两根主拉缆4与沉井1下游侧锚墩平台2连接完毕。在墩位处拆除沉井助浮装置。上游侧主拉缆4收紧，将沉井1拖拉至桥轴线附近，收紧下游侧主拉缆4。
76.步骤4：将挂于沉井1井壁上边拉缆5绳头通过拖轮拖到抓力锚8 临时工作船处，利用浮吊将边拉缆5绳头和抓力锚8连接钢丝绳接头连接，撤走此处临时工作船。将挂于沉井1井壁上边拉缆5另一端绳头通过拖轮拖到锚墩平台2处，利用浮吊配合与锚墩平台2上连续千斤顶9收锚系统相连。重复上述步骤，连接剩余三根边拉缆5。锚墩平台2上连续千斤顶9收锚系统对称收紧边拉缆5。
77.步骤5：对沉井1姿态进行观测后，通过锚墩平台2上连续千斤顶 9调整主拉缆4、边拉缆5长度，对沉井基础1的竖向倾斜度、平面转角进行初定位。然后在沉井基础1井壁内分阶段注水下沉，在沉井1 下沉过程中继续调整主拉缆4、边拉缆5长度，动态调整沉井1基础下沉姿态，使沉井基础1平稳、快速、准确着床(沉井底口与开挖基坑3 底面平齐)。
78.步骤6：如图2和图3所示，沉井基础1着床后，向沉井1基础底口外侧开挖基坑3内抛填碎石建造防护基础11，对施工区域河床进行防护。沉井1继续取土下沉到稳定深度后拆除定位系统。
79.另一方面本技术还提供一种沉井定位系统，其包括：
80.基坑3，其内设有沉井基础1；
81.防护基础11，其设置在所述基坑3内。
82.两个锚墩平台2，所述两个锚墩平台2分别位于所述目标区域的上游和下游，所述每个锚墩平台2均设有张拉设备，所述张拉设备均通过主拉缆4与沉井基础1连接；
83.抓力锚8，其设置在所述沉井的目标区域两侧，所述抓力锚8通过边拉缆5依次与所述沉井基础1和所述锚墩平台2组件的张拉设备连接，边缆转向座6，其设置在所述沉井基础1上。所述边拉缆5通过所述边缆转向座6转向后与所述张拉设备连接。
84.具体地，抓力锚8的抓重比大于15，优选的大抓力锚8的抓重比应在15～18之间。
85.一些实施例中，抓力锚8上设有锚爪，将所述抓力锚8抛至预设位置后将所述锚爪啮入土层使所述锚爪的爪面与土层内的土体有效啮合。
86.值得说明的是，张拉设备包括：钢绞线卷盘，其与两组张拉钢绞线组件连接，其中一组张拉钢绞线组件与所述边拉缆5连接，另一组与所述主拉缆4连接；连续千斤顶9，其与所述钢绞线卷盘连接，连续千斤顶9可用于调整所述主拉缆4和边拉缆5的长度。
87.一些实施例中，张拉钢绞线组件采用半径为15.24mm的钢绞线。
88.综上所述，本发明在沉井前在目标区域开挖基坑，并在沉井着床后及时抛填碎石修筑防护基础，不仅起到了防护河床作用而且取代了沉井过程中需要不断取土下沉的步骤，在节约工期、降低施工风险、减少施工投入等方面具备极大优势。本发明采用抓力锚8作为边锚，抓力锚8采用锚爪与泥土有效啮合提供了较大的抓重比，不仅简化边锚体系，而且抓力锚8方便回收再利用。本发明优化了定位系统拉缆体系，充分利用巨型沉井自身能产生较大复原力矩特性，采用单层拉缆体系代替常规上下双层拉缆体系，使得定位系统拉缆体系所需拉缆数量减少一半。
89.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
90.需要说明的是，在本技术中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
91.以上所述仅是本技术的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。