趙東梁 ，沈立龍 ，李嘉成

（1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，交通運(yùn)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；2.中交公路長大橋建設(shè)國家工程研究中心有限公司，北京 100120）

0 引言

沉井基礎(chǔ)因具有承載能力大、剛度大、協(xié)調(diào)不均勻沉降的能力強(qiáng)、防撞性能好、抗震性能好、適用土質(zhì)廣泛等諸多優(yōu)點(diǎn)[1-3]，被廣泛應(yīng)用在港口、橋梁、礦山及水利水電工程中[4]。隨著我國橋梁建設(shè)向?qū)掗熕?、外海發(fā)展，一座座跨江跨海特大型橋梁應(yīng)運(yùn)而生，沉井基礎(chǔ)逐漸成為橋墩基礎(chǔ)的主要形式之一[5]。到目前為止，國內(nèi)外已建和在建的跨度超過1 000 m的橋梁中，橋墩基礎(chǔ)采用沉井基礎(chǔ)的案例不斷增加，泰州長江大橋中塔基礎(chǔ)[6]、銅陵長江大橋3號(hào)墩基礎(chǔ)、楊泗港長江大橋2號(hào)墩基礎(chǔ)、滬通長江大橋29號(hào)墩基礎(chǔ)[7]以及2019年年底下沉到位的甌江北口大橋中塔基礎(chǔ)[8]均采用沉井基礎(chǔ)。沉井下沉持續(xù)周期長，工況動(dòng)態(tài)變化、影響因素復(fù)雜，為指導(dǎo)沉井下沉全過程合理施工，對(duì)沉井刃腳及隔墻處不同開挖狀態(tài)下地基承載力、側(cè)摩阻力，澆筑夾壁混凝土下沉量及各階段下沉狀態(tài)等進(jìn)行計(jì)算分析，以期為沉井接高方案制定、各階段井內(nèi)取土范圍提供理論指導(dǎo)。

本文以常泰長江大橋?yàn)楸尘?，針?duì)其中塔5號(hào)墩沉井基礎(chǔ)的地質(zhì)條件和沖刷狀態(tài)，計(jì)算分析沉井取土下沉過程中不同階段的狀態(tài)，并針對(duì)沉井基礎(chǔ)下沉過程中普遍存在下沉困難的問題[9]，制定對(duì)應(yīng)助沉措施，以指導(dǎo)現(xiàn)場實(shí)際施工過程，并為類似工程提供參考。

1 工程概況

常泰長江大橋主塔采用沉井基礎(chǔ)，主橋5號(hào)墩沉井基礎(chǔ)平面呈圓端形，立面首次采用臺(tái)階形，沉井底面尺寸95.0 m伊57.8 m，圓端半徑28.9 m；沉井頂面尺寸77.0 m伊39.8 m，圓端半徑19.9 m；臺(tái)階寬度9.0 m。沉井頂高程+7.0 m，底高程-65.0 m，臺(tái)階頂高程-22.0 m，沉井總高72.0 m，基礎(chǔ)持力層為密實(shí)中粗砂；沉井為填充混凝土的鋼殼結(jié)構(gòu)，鋼沉井頂高程-1.0 m，底高程-65.0 m，高64.0 m。沉井外井壁厚1.8 m，內(nèi)井壁厚2.0 m，隔墻厚度為1.4 m。5號(hào)墩沉井基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 5號(hào)墩沉井結(jié)構(gòu)圖（mm）Fig.1 Typical section of the No.5 open caisson(mm)

2 下沉計(jì)算參數(shù)

2.1 地質(zhì)參數(shù)

沉井在施工期間能否安全平穩(wěn)下沉，下沉阻力是關(guān)鍵[3]，地質(zhì)土層特性參數(shù)是沉井下沉計(jì)算過程中決定端阻力和側(cè)阻力大小的主要因素。5號(hào)墩沉井位于主航道區(qū)北側(cè)，高程-13.46~-15.01 m，覆蓋層厚度大于180 m。河床表層為Q4松散狀粉砂，層厚不均，厚1.6~4.8 m，工程性質(zhì)差。其下分布Q3時(shí)代的于大層，整體層厚55耀60 m，依次為厚0.5耀7.6 m的軟塑耀硬塑狀粉質(zhì)黏土，稍密至中密狀的粉砂夾層；標(biāo)高-35耀-50 m間為連續(xù)均勻分布的粉細(xì)砂層，以中密狀態(tài)為主，-50~-75 m主要分布為密實(shí)狀的于5中砂、于6粗砂，有薄層狀于7礫砂和于1-1軟塑狀粉質(zhì)黏土，其中于5中砂和于6粗砂呈層狀連續(xù)分布，厚度較大，工程性能相對(duì)較好。5號(hào)墩沉井土層物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 5號(hào)墩沉井土層物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Soil physico-mechanical index of the No.5 open caisson

2.2 側(cè)阻力

側(cè)壁摩阻力是影響沉井下沉的重要因素，其大小和土體與井壁間的摩擦系數(shù)密切相關(guān)。目前，沉井側(cè)壁土壓力計(jì)算仍主要基于經(jīng)典朗肯和庫倫土壓力理論[10]，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值存在較大差距。常泰5號(hào)沉井地基承載力側(cè)阻的計(jì)算理論主要有琢方法、茁方法，琢方法適用于黏土中不排水條件下摩阻力計(jì)算，茁方法基于有效應(yīng)力的分析方法，主要適合砂土的側(cè)阻力計(jì)算[11]。為驗(yàn)證側(cè)阻計(jì)算理論的合理性，將側(cè)摩阻力理論計(jì)算值與甌江北口大橋沉井和五峰山長江大橋沉井工程實(shí)測(cè)反演值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見表2。由表2可知，理論計(jì)算值與工程實(shí)測(cè)反演值結(jié)果相近，證明側(cè)阻計(jì)算理論的適用性。

表2 側(cè)阻理論計(jì)算與工程反演值對(duì)比結(jié)果Table 2 Comparison of theoretical and engineering inversion value of shaft resistance kPa

經(jīng)五峰山長江大橋沉井側(cè)阻反演及數(shù)值驗(yàn)證，井壁底部刃腳外側(cè)一定范圍存在壓力松弛區(qū)，這與蔣炳楠提出的離刃腳較近處受壓力松弛效應(yīng)的影響較大[3]的觀點(diǎn)一致。考慮應(yīng)力松弛，井壁底部范圍內(nèi)側(cè)阻值約為理論計(jì)算值的0.6~0.64。參考泰州大橋、五峰山大橋等工程沉井極限摩阻力反演及經(jīng)驗(yàn)值，推薦常泰5號(hào)墩沉井終沉階段側(cè)摩阻力如表3所示。

表3 側(cè)摩阻力推薦值Table 3 Recommended value of shaft resistance kPa

2.3 端阻力

沉井端阻力的計(jì)算歸結(jié)為刃腳及隔墻處土體極限破壞問題。在沉井取土下沉?xí)r，通常沿刃腳及隔墻對(duì)井孔進(jìn)行超挖取土，使刃腳及隔墻下方支撐土體形成一定臺(tái)階，以削弱極限地基承載力。通過分析開挖深度對(duì)地基承載力的影響，確定取土控制參數(shù)。埋深1.5 m示意圖如圖2所示。

圖2 埋深1.5 m示意圖Fig.2 Schematic diagram of buried depth 1.5 m

針對(duì)井孔不同開挖深度下平均極限地基承載力，建立二維沉井平均極限地基承載力摩爾—庫倫本構(gòu)模型。模型通過在沉井頂面施加荷載，當(dāng)沉井下沉量隨著頂部施加力的增加達(dá)到破壞時(shí)，該點(diǎn)所施加的力除以支撐面積即為刃腳及隔墻的平均極限地基承載力。依次計(jì)算不同土層埋深1.5 m、1.0 m、0 m和超挖1 m、2 m、3 m的極限地基承載力，得到沉井各土層極限地基承載力隨開挖深度的變化規(guī)律如圖3所示。由圖可知，極限地基承載力隨土體開挖深度的增加逐漸減小，其中埋深0 m到超挖1 m區(qū)間極限地基承載力變化最顯著，但當(dāng)超挖1 m后繼續(xù)超挖取土對(duì)極限地基承載力影響相對(duì)較小。因此，為保證沉井安全可控下沉，同時(shí)滿足設(shè)計(jì)對(duì)超挖深度不超過刃腳底2 m的要求，選取埋深0 m、超挖1 m作為開挖下沉控制深度。

圖3 平均極限地基承載力隨開挖狀態(tài)的變化規(guī)律Fig.3 Variation law of average ultimate foundation bearing capacity with digging range

2.4 沖刷狀態(tài)

根據(jù)沖刷試驗(yàn)研究報(bào)告，在2 m/s流速作用下，最大沖刷位置發(fā)生在開挖基坑的邊坡上，對(duì)沉井影響不大；在沉井兩側(cè)，沉井周邊最大沖深10 m。在1 m/s流速作用下，最大沖刷位置發(fā)生開挖基坑范圍外，沉井周邊基本無沖刷。結(jié)合橋位處每月流速大小和施工計(jì)劃，沉井注水著床和5次取土下沉對(duì)應(yīng)的沖深底標(biāo)高分別為-27.0 m、-31.3 m、-34.1 m、-36.2 m、-36.2 m、-36.2 m。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 下沉計(jì)算結(jié)果

沉井著床前河床開挖至-26.2 m標(biāo)高，采用對(duì)應(yīng)極限地基承載力及推薦側(cè)摩阻力，對(duì)沉井下沉狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 典型工況沉井下沉狀態(tài)Fig.4 The sinking state of open caisson under typicalworking conditions

根據(jù)施工工序和施工進(jìn)度安排，第1次、第2次、第3次、第4次取土下沉的計(jì)劃下沉標(biāo)高分別為-32 m、-40 m、-45 m、-53 m。圖4的計(jì)算結(jié)果顯示，埋深0 m狀態(tài)下計(jì)算得到的第1、2次取土下沉標(biāo)高低于相應(yīng)計(jì)劃下沉標(biāo)高，滿足施工要求；第3次取土下沉標(biāo)高與相應(yīng)計(jì)劃下沉標(biāo)高相當(dāng)，第4次取土下沉標(biāo)高略高于相應(yīng)計(jì)劃下沉標(biāo)高，不滿足施工要求。超挖1 m狀態(tài)下計(jì)算得到的第1、2、3、4次取土下沉標(biāo)高均低于相應(yīng)計(jì)劃下沉標(biāo)高，滿足施工要求。因此，在實(shí)際施工過程中，沉井刃腳取土狀態(tài)介于埋深0 m和超挖1 m時(shí)可以滿足計(jì)算下沉標(biāo)高要求。

從計(jì)算結(jié)果可知，沉井下沉過中，通過取土超挖施工工藝，在不同工況下可以將沉井刃腳底標(biāo)高控制在沖刷線、埋深0 m計(jì)算曲線以下和超挖1 m計(jì)算曲線以上的合理范圍內(nèi)。在既定的下沉工序安排下，沉井能穩(wěn)定地下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

3.2 下沉狀態(tài)分析

沉井下沉深度范圍內(nèi)土層主要為砂層，下沉過程中穿過砂層間夾雜的連續(xù)性粉質(zhì)黏土層，沉井終沉位置土層為密實(shí)粗砂層。通過理論分析和數(shù)值計(jì)算，在開挖點(diǎn)距離井壁0.6 m，超挖深度臆1 m的條件下滿足粉質(zhì)黏土下沉要求，對(duì)應(yīng)開挖范圍如圖5所示。開挖點(diǎn)距離井壁0.6 m，超挖深度臆1 m，滿足砂層下沉條件，開挖范圍如圖6所示，采取此開挖狀態(tài)可實(shí)現(xiàn)終沉。

圖5 粉質(zhì)黏土層超挖1 m示意圖Fig.5 Schematic diagram of over-excavation 1 m for silty clay layer

圖6 砂層超挖1 m示意圖Fig.6 Schematic diagram of over-excavation 1 m for sand layer

3.3 助沉措施分析

1）高壓旋噴預(yù)處理

針對(duì)軟塑黏土層取土困難，采取高壓旋噴預(yù)攪松處理，可降低沉井下沉端阻力。針對(duì)第1、2層軟塑黏土層，在十字井壁節(jié)點(diǎn)、內(nèi)井壁位置進(jìn)行高壓旋噴預(yù)攪松處理施工，預(yù)處理28個(gè)孔位，處理面積198 m2，處理后沉井端阻力降低14%。在第3次澆筑完成后、第2次現(xiàn)場接高前，沉井穩(wěn)定在-40 m標(biāo)高。此時(shí)，針對(duì)第3層軟塑黏土層，在十字井壁節(jié)點(diǎn)、內(nèi)井壁等位置，進(jìn)行高壓旋噴預(yù)攪松處理施工，處理面積410 m2，處理后沉井端阻力降低29%。第2階段高壓旋噴預(yù)處理孔位見圖7。

圖7 第2階段高壓旋噴預(yù)處理孔位Fig.7 Hole positions of high-pressure rotary jet for stage 2

2）空氣幕助沉?xí)r機(jī)分析

隨著沉井入土深度的增加，側(cè)阻占比逐漸增加。沉井下沉前期，側(cè)阻占比相對(duì)較小僅為21%~28%，采用減小側(cè)阻下沉效果有限，此時(shí)沉井下沉策略為削弱端阻、超挖取土；沉井下沉中期，側(cè)阻占比40%，仍以端阻為主，此時(shí)下沉策略為超挖取土削弱端阻；沉井下沉后期，側(cè)阻占比近71%，以側(cè)阻為主，結(jié)合五峰山沉井下沉經(jīng)驗(yàn)，砂層開啟空氣幕可減阻20%，且開啟空氣幕相對(duì)于超挖取土操作方便、快捷易控，因此后期下沉策略為超挖取土的同時(shí)，開啟空氣幕助沉。

4 結(jié)語

1）采用側(cè)阻理論計(jì)算側(cè)摩阻力，同時(shí)參考泰州大橋、五峰山大橋等沉井極限摩阻力反演值，給出常泰5號(hào)墩沉井側(cè)摩阻力。

2）在埋深0 m到超挖1 m區(qū)間極限地基承載力變化最顯著，為保證沉井安全可控下沉，選取埋深0 m、超挖1 m之間作為開挖下沉控制深度。

3）緊靠剪力鍵井孔內(nèi)垂直取土，控制超挖深度在1 m以內(nèi)，沉井能穩(wěn)定下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

4）高壓旋噴預(yù)攪松能有效降低端阻力，第1次高壓旋噴處理總端阻力降低14%，第2次高壓旋噴處理總端阻力降低29%；沉井前期下沉策略為削弱端阻，超挖取土；后期下沉策略為超挖取土的同時(shí)，開啟空氣幕助沉。