超大型深水群桩基础的传感器保护技术

陈志坚，陈欣迪，唐 勇，张宁宁

（1. 河海大学 地球科学与工程学院，南京 210098；2. 河海大学 港口海岸与近海工程学院，南京 210098；3. 福建省建筑科学研究院，福州 350025；4. 华电电力科学研究院，杭州 310030）

1 引 言

苏通大桥是世界上跨度最长的斜拉桥，其主塔墩基础是世界上规模最大的群桩基础，由131根直径为2.8 m和2.5 m、长为117 m的变径钻孔灌注桩组成[1－2]。对于这样一个超大规模的群桩基础而言，很多设计都是超规范的，其安全问题也异常突出，安全监测是保证基础施工与运营安全的必要措施。然而，在这样的工程环境下进行传感器安装埋设将面临一些技术难题，如，在超过120 m的水头压力下进行传感器安装，工程界还没有先例，除此以外，还会受各种施工措施的影响。如何保证传感器埋设的成活率，成为监测系统设计的首要问题。

本文在多次试桩试验的基础上，探讨了各个监测子系统安装埋设面临的关键技术问题，提出了相应的有效传感器保护技术。

2 传感器系统简介

根据苏通大桥主塔墩基础施工和运营所面临的主要问题，结合数值模拟结果[3－4]，构建了多个传感器子系统，具体包括以下4部分。

2.1 桩身轴力子系统

苏通大桥桥位区靠近入海口，基岩埋藏较深，无法直接作为主塔基础的持力层。在如此地质条件下修筑大跨度斜拉桥尚无先例。为了保证基础的安全施工，同时提高信息化施工水平，研究超长钻孔灌注桩的传力机制，在桩身共布置了8个轴力监测断面，每个断面布置两套混凝土应变计以及两套（部分断面4套）钢筋应力计。各断面的高程分别为-12、-25、-30、-45、-55、-75、-95、-117 m。由于苏通大桥的桩基础采用了保留钢护筒的设计，为了监测钢护筒应力，在前4个断面每个断面布置了两套表面应变计。

2.2 河床冲刷子系统

河床冲刷是影响桥梁安全运营的重要因素之一[5]，很多桥梁的失事都是由于基础过度冲刷造成的。为了准确反映河床的冲淤情况，采用高精度的水压力计进行河床的冲刷监测，其监测原理是：将一钢圈套在桩上，水压力计固定在钢圈上，利用传感器测得所处位置的水深Hw，利用潮位传感器同步测试潮位高程Hl，则传感器所处位置的河床高程为Hl-Hw，当冲刷发生时，传感器会在钢圈自重的作用下下沉，这样就可监测到冲刷深度。而淤积监测则采用土压力盒测试淤积层的土压力，假定淤积层的密度和孔隙度已知，即可计算出淤积深度。

2.3 沉降与不均匀沉降子系统

由于群桩基础规模巨大，群桩效应问题突出[6]，加上索塔为倒“Y”型结构，加剧了基础的不均匀沉降，沉降与不均匀沉降的监测就显得异常重要。绝对沉降的监测利用墩旁临时墩做基点，利用高精度的微压传感器建立水力连通系统，以此来监测基础的绝对沉降值，详见文献[7]。不均匀沉降的监测采用静力水准监测技术和剖面沉降监测技术进行。测点布置如图1所示。

图1 沉降与不均匀沉降测点布置图Fig.1 Monitoring points of settlements and uneven settlements

2.4 其他子系统

除以上子系统以外，还包含承台内部应力子系统、基桩水平位移子系统、索塔根部应力子系统等，因篇幅所限，不再详述。

3 传感器保护技术

对于埋入式光纤传感器而言，传感器的保护是必不可少的[8－9]，也有很多学者研究了光纤传感器的封装与保护[10－11]。尽管光纤传感器的封装与保护技术已经相对成熟，但在超长桩中的安装埋设仍然十分困难，传感器成活率相对较低，并且造价昂贵。对于弦式传感器而言，还未见相应报道。

3.1 混凝土应变计保护技术

对于埋设在超长钻孔灌注桩中的传感器而言，不仅要遭受施工因素的影响，如混凝土浇筑、振捣等，还会遭受高水压的影响。试验证明，当水深超过55 m时，传感器可靠度就得不到保证。首次试桩试验时，完全按照厂家的安装说明进行，传感器成活率不足10%。因此，传感器的保护是必要的。

3.1.1 技术要求

特殊的安装埋设环境给保护技术提出了特殊的要求。主要有：①承受高水压；②由于传感器不能承受侧向荷载，需要提供侧向保护作用；③降低或消除混凝土浇筑对传感器的影响；④不影响测试结果；⑤不影响施工；⑥便于安装固定与定位。

3.1.2 保护装置

结合上述保护要求，同时参考光纤传感器的封装与保护方法，研发了环氧混凝土预制块保护技术。保护技术的实施，使得传感器埋设成活率大大提高，超过95%。制作步骤：①需要制作浇筑模具，模具大小视现场情况而定，形状以利于安装定位为原则；②混凝土预制块的原料最好与桩身混凝土接近，即选用相同标号的水泥；③在混凝土中加入环氧树脂（当不加入环氧树脂时，试验埋设成活率不足70%）；④需要提前浇筑预制块，浇筑完成后，每天应该用水养护，以保证预制块有足够的强度（浇筑后的预制块如图2所示）。需要指出的是预制块必须将应变计的法兰盘外露，以保证传感器测值的精确性。

图2 混凝土预制保护块Fig.2 Concrete precast protection block

3.2 钢护筒表面应变计保护技术

钢护筒表面应变计在钢护筒插打过程中，不仅需要克服打桩机振动的影响，还要克服钢护筒插入过程中的阻力影响，现有的传感器无法满足要求，只能通过技术手段对传感器进行保护。

3.2.1 技术要求

钢护筒表面计的安装与混凝土应变计相差很大，其安装埋设环境也完全不同，技术要求也是迥异的。对于钢护筒表面计的保护技术的主要要求有：①能抵御钢护筒插打过程中的阻力；②需要将传感器与桩侧土体隔开，避免传感器承受侧向压力；③对传感器电缆要起到保护作用，避免因施工或外力作用（如水流冲击力）损坏电缆；④不影响钢护筒的插打，由于钢护筒的插打的深度较深，表面计保护装置不能给钢护筒插打造成过大阻力；⑤在钢护筒运输过程中也要对传感器电缆提供保护作用；⑥要有足够的强度，不会被破坏，不影响观测结果。

3.2.2 保护装置

综合考虑各种要求，采用角钢贴焊保护技术。角钢保护装置主要包含3大部分：电缆、传感器和尖角部分（如图3所示）。焊接顺序有固定的要求：①先焊尖角部分；②焊接电缆保护部分；③安装传感器；④焊接传感器保护部分。安装完成后的表面计保护装置如图4所示。

图3 钢护筒表面计保护装置剖面图Fig.3 Protection device profile of surface strain gage on steel casing

图4 钢护筒表面计保护装置照片Fig.4 Photo of surface strain gage on steel casing

3.3 静力水准系统保护技术

由于静力水准系统属于串联系统，一旦任何一处损坏，会导致整个系统损坏，并且恢复的代价较高。因此，对整个系统的保护意义重大。

3.3.1 技术要求

静力水准系统的保护分为两部分：连通系统和传感器的保护。主要技术要求有：①由于索塔属于高耸建筑物，避免高空坠物损坏系统；②不影响现场施工；③由于桥位区冬季江面温度较低，应避免水力系统被冻结。

3.3.2 技术方案

通过在承台内部预埋连通管，承台浇筑完成后，利用预埋连通管建立水力连通系统，不仅可以使连通系统受到保护，还能起到隔热作用，冬季不至于被冻结。需要指出的是，预埋的连通管必须要有足够的硬度，不至于被液态混凝土压扁，由于混凝土浇筑后，管路无法进行维护。应预埋1～2路备用管路，以防止施工过程中被损坏。由于要防止连通系统因低温而被冻结，因此，静力水准测点基座也采用混凝土浇筑（如图5所示）。对于传感器的保护则采用金属保护罩，制成由角钢和合金板组成的保护罩，内部加一层泡沫等隔热材料，防止静力水准储液罐里的水因低温而冻结。静力水准系统建立完成后向储液罐加入防冻液。

图5 静力水准系统管路示意图Fig.5 Pipeline sketch of hydrostatic level system

3.4 河床冲刷传感器保护技术

3.4.1 技术要求

由于桥位区水流湍急，受风暴潮影响强烈，因此，水深传感器的保护重点应该在传感器电缆上，避免因水流冲击而发生损坏，同时要避免传感器在水流作用下反复震荡发生损坏。

3.4.2 技术方案

采用镀锌钢管保护电缆，与钢护筒表面计的电缆保护类似，预留在江底的电缆则采用钢丝绳固定保护，避免因水流冲击而损坏。镀锌钢管的上口固定在钢套箱底板上，下口由钢丝绳固定于钢护筒上，其方向利用角钢固定。传感器的平面位置也需要固定，否则传感器会在水流作用下反复震荡而损坏。传感器的平面位置利用套在钢护筒上的钢圈固定（如图6所示）。

图6 水压力传感器安装埋设示意图Fig.6 Installing sketch of water pressure sensors

4 大型群桩基础承载性能分析

高的传感器埋设成活率，使得利用实测数据分析群桩基础的受力特性具备了条件，分别从桩身轴力和基础沉降进行分析。

4.1 桩身轴力分析

实测桩身轴力和钢护筒轴力分别如图 7、8所示。该桩为29#桩，位于承台西侧正中，为“边桩”。从图7中可以看出，含钢护筒的钻孔灌注桩的桩身轴力分布是有别于一般的钻孔灌注桩的，出现了“疑似负摩阻力”的现象，分别位于第2断面和第5断面。然而，第2断面在河床面以上，排除了负摩阻力的可能，结合图8可以看出，是由于钢护筒将部分荷载传递给了桩身，造成了负摩阻力的假象。在河床面高程以下，桩身轴力减小较快，这是由于混凝土与钢的模量存在差异，在荷载的作用下，二者之间存在相对滑移，以致在桩身混凝土与钢护筒之间产生了摩阻力，使得桩身轴力迅速减小，在荷载相对较小的时候，摩阻力并不明显。而第4、5断面之间存在变径段，过了变径段，钢护筒上的荷载大部分传递到了桩身，使得第5断面出现了负摩阻力的假象。在第5断面以后，桩身轴力在桩周土体的摩擦力作用下，逐步减小。最大桩身轴力出现在第2断面，桥面铺装完成时，轴力最大，为24.6 MN。

图7 桩身轴力分布图Fig.7 Axial load curves of piles

图8 钢护筒轴力分布图Fig.8 Axial load curves of steel casing

将钢护筒轴力与桩身轴力叠加所得到的总轴力如图9所示。可以看出，对于由钢护筒和桩身混凝土组成的这个整体结构而言，其桩身轴力随深度分布就与一般的超长钻孔灌注桩相似。属于摩擦桩，但摩阻力的发挥主要集中在钢护筒以下的部位，钢护筒与周边土体的摩阻力相对较小。

图9 总轴力分布图Fig.9 Whole axial load force curves

总而言之，上部荷载被分成两部分，一部分作用在桩顶，另一部分作用在钢护筒，钢护筒和桩身之间存在荷载相互传递，同时有一小部分荷载通过钢护筒传递给周边土体，大部分荷载是在桩的中下部通过摩阻力传递到周边土体。钢护筒与桩作为一个整体是属于摩擦桩，但其摩阻力的发挥有别于一般的摩擦桩，一般摩擦桩的最大摩阻力出现在靠近桩底位置，而实测的最大摩阻力出现在桩身中下段。

4.2 群桩基础不均匀沉降规律分析

为了研究超大型群桩的沉降规律，利用微压传感器、剖面沉降和静力水准建立了沉降与不均匀沉降监测系统，详见文献[7]。索塔浇注过程中，主4#墩承台纵、横桥向剖面沉降的观测结果如图10、11所示。

4.2.1 剖面沉降实测结果

观测结果表明，在纵桥向上，主4#墩承台在纵桥向中间部位存在的最大沉降差约3 mm。但就剖面沉降仪的观测精度而言，该沉降差小于累计误差。故可以认为，在索塔浇注过程中，主4#墩承台在纵桥向不产生挠曲变形。在横桥向上，系梁区的沉降较上、下游承台处的大，在2005年11月9日到2006年2月19日期间沉降差是逐渐增加的，最大可达14 mm左右，承台呈现向下的挠曲变形，承台的变形特征取决于上部结构荷载的作用形式。由于苏通大桥主桥索塔呈倒“Y”字型，下塔柱和中塔柱的上、下游塔肢与水平面的夹角均为约82.81°，中下部设置下横梁。所以，在下塔柱和中塔柱浇注过程中，承台处于复杂的受力状态。总体规律是：下横梁强度形成之前，随着索塔高度的增长，承台的挠曲变形逐渐加剧，与之对应，上游承台上游侧和下游承台下游侧的基桩轴力普遍减小（8～12 MN）；当下横梁混凝土（第1次的浇注时间为2005年11月7日10∶30至8日3∶30，第2次的浇注时间为2005年11月22日9∶05至23日2∶30）强度和刚度形成后，尤其是交汇段混凝土强度形成后，承台的受力状态得到较大的改善。2006年4月16日之后，承台横桥向的不均匀沉降已逐渐减小。这主要是由于下横梁的强度形成后，索塔根部不再承受弯矩，后续荷载主要作用在上下游承台，因此，不均匀沉降逐步变小。

4.2.2 静力水准实测结果

以上游承台西北角测点为参照点，各测点实测数据如图 12所示。上游承台上游侧中轴线点和上游承台西南角测点与参照点间的沉降差曲线表明，在索塔浇注过程中，主4#墩承台在纵桥向上几乎不产生不均匀沉降。系梁区测点与参照点间的沉降差曲线表明，横桥向上存在不均匀沉降，2006年3月10日之前，系梁区与上、下游承台间的沉降差是逐渐增加的，最大沉降差约 8 mm；随着下横梁强度和刚度的形成，4月15日之后，此沉降差逐渐减小，至索塔浇注基本完成时，沉降差约为 2 mm。静力水准实测规律与剖面沉降基本一致。

图10 北主墩承台纵桥向不均匀沉降（相对于承台北侧）Fig.10 Uneven settlements of the north pile cap in longitudinal direction

图11 北主墩承台横桥向不均匀沉降（相对于上游承台上游侧中点）Fig.11 Uneven settlement of the north pile cap in the direction across bridge

图12 静力水准实测曲线Fig.12 Monitoring curves of hydrostatic level

5 结 语

（1）在探讨了超大型深水群桩基础传感器系统保护技术要求的基础之上，结合现场试验提出了多项传感器保护技术，包括：混凝土应变计、钢护筒表面应变计、静力水准系统和河床冲刷传感器保护技术。

（2）各项传感器保护技术的实施，使得传感器安装埋设的成活率得到保证，整个系统的传感器成活率超过96%，为大桥的安全运营奠定了基础，也为其他工程提供了参考。

（3）利用实测数据分析了超长钻孔灌注桩的荷载传递规律和不均匀沉降规律。结果表明：超长钻孔灌注桩的荷载传递规律有别于一般的桩基础；群桩基础的不均匀沉降主要表现在横桥向，纵桥向的不均匀沉降可以忽略。

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