潘亞洲 王 琛，* 梁發(fā)云

（1.同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092；2.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海200092）

0 引 言

我國(guó)深水大跨度橋梁建設(shè)如火如荼，沉井基礎(chǔ)因承載能力強(qiáng)、整體性好、剛度大、沉降小等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用［1-2］。目前，沉井的設(shè)計(jì)和施工所依據(jù)的規(guī)范主要針對(duì)中小型沉井，然而，隨著沉井基礎(chǔ)往超大超深的方向發(fā)展，其計(jì)算理論和施工方法已不再完全適用［3］。同時(shí)，工程中對(duì)大型沉井的認(rèn)識(shí)也在不斷更新，20 世紀(jì)末，尺寸達(dá)到40 m 級(jí)即被認(rèn)為是大型沉井［4］，但近幾年工程中采用的沉井基礎(chǔ)尺寸已達(dá)到百米級(jí)，如圖1 所示的五峰山長(zhǎng)江大橋北錨碇沉井，其長(zhǎng)100.7 m，寬72.1 m，已達(dá)20 世紀(jì)沉井基礎(chǔ)尺寸的數(shù)倍以上。表1 列出了近年來(lái)部分代表性大型沉井基礎(chǔ)的相關(guān)參數(shù)。

圖1 五峰山長(zhǎng)江大橋北錨碇沉井［5］Fig.1 North caisson of Wufengshan Yangtze River Bridge

表1 大型沉井平面尺寸及下沉深度統(tǒng)計(jì)Table 1 Geometric size and sinking depth of large open caisson m

在工程建設(shè)期間，由于體型尺寸超大、下沉深度極深、地質(zhì)條件復(fù)雜，大型沉井基礎(chǔ)在接高下沉期間普遍存在突沉、滯沉和偏沉等工程問(wèn)題［6］。這不僅威脅到現(xiàn)場(chǎng)施工單位和工程技術(shù)人員的生命財(cái)產(chǎn)安全，還可能引起沉井結(jié)構(gòu)的變形或開裂，易對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重影響。此外，發(fā)生上述工程問(wèn)題后急需開展的糾偏、助沉和修繕等工作也將耗費(fèi)大量人力物力，導(dǎo)致工期延長(zhǎng)甚至停工。因此，確保其安全平穩(wěn)下沉，減少此類工程問(wèn)題的發(fā)生，降低其所帶來(lái)的危害，是大型沉井基礎(chǔ)施工的關(guān)鍵。

上述大型沉井施工中的各類工程問(wèn)題與其下沉阻力的分布及變化規(guī)律關(guān)系密切。土層的軟硬程度、土體分布的均勻性和沉井下沉深度、施工方法等因素都將影響沉井下沉阻力的分布特性，進(jìn)一步引發(fā)各類工程問(wèn)題。此外，隨著下沉深度的增大，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備受到一定限制，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可用性降低（如傳感器存活率低、數(shù)據(jù)離散性大），也不利于沉井下沉施工技術(shù)和災(zāi)變機(jī)理的研究。圖2梳理了沉井施工期間常見的部分工程問(wèn)題及其影響因素。

圖2 沉井施工期間常見的部分工程問(wèn)題及其影響因素Fig.2 Some typical engineering problems and influencing factors during open caisson construction

針對(duì)大型沉井下沉施工中的常見工程問(wèn)題，本文梳理了沉井下沉阻力分布特征的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展，進(jìn)一步分析了由此引發(fā)的突沉、滯沉及偏沉等工程問(wèn)題的內(nèi)在機(jī)理，并探討了大型沉井施工對(duì)周邊環(huán)境的影響，為大型沉井基礎(chǔ)施工技術(shù)及工程災(zāi)變機(jī)理研究提供參考。

1 大型沉井下沉阻力的分布特征

沉井的下沉阻力主要包括側(cè)壁摩阻力、端部阻力和浮力三部分，如圖3 所示，端部阻力由刃腳端阻力和隔墻端阻力組成。實(shí)際上，深埋大截面沉井在下沉過(guò)程中，底部往往開挖形成大鍋底，使隔墻端部脫空，因此，刃腳端阻力提供主要的端部阻力。

圖3 沉井受力示意圖（側(cè)剖圖）Fig.3 Force diagram of the open caisson（lateral cutaway view）

自20世紀(jì)70年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外已有學(xué)者開始研究沉井下沉阻力的分布特性［7-8］，但當(dāng)時(shí)主要圍繞小型沉井，借助室內(nèi)模型試驗(yàn)手段展開研究，實(shí)測(cè)資料尚少，有些現(xiàn)象還難以解釋。進(jìn)入21 世紀(jì)以來(lái)，沉井基礎(chǔ)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，相關(guān)研究逐漸增加［9-10］。然而，由于沉井尺寸大，受土體各向異性、非線性和不確定性等因素的影響，一般也只能依靠常規(guī)測(cè)量方法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)或室內(nèi)模型試驗(yàn)，尚無(wú)成熟的理論方法和數(shù)值模型可供現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。目前的研究成果主要集中于沉井側(cè)壁摩阻力和刃腳端阻力的分布特征及下沉期間的變化規(guī)律。

1.1 側(cè)壁摩阻力（或土壓力）的分布特征

現(xiàn)階段工程中通常使用間接測(cè)量方法得到大型沉井基礎(chǔ)的摩阻力分布，在井壁豎向結(jié)構(gòu)鋼筋上布置應(yīng)力計(jì)，通過(guò)測(cè)量結(jié)構(gòu)鋼筋的應(yīng)力估算井壁表面的摩阻力，某沉井鋼筋應(yīng)力計(jì)布置如圖4所示；或在側(cè)面埋設(shè)土壓力盒測(cè)量側(cè)向土壓力，再乘以摩擦系數(shù)換算成摩阻力。

圖4 某沉井基礎(chǔ)鋼筋應(yīng)力計(jì)布置圖（單位：mm）Fig.4 Layout of reinforcement stress meter for a caisson（Unit：mm）

早期的沉井尺寸較小，通常認(rèn)為其側(cè)壁摩阻力成梯形分布，即從地表到5 m 深度范圍內(nèi)，井壁摩阻力線性地由零增長(zhǎng)至最大值，深度達(dá)5 m 后趨于常數(shù)。目前，沉井的設(shè)計(jì)和施工規(guī)范［11］仍建議采用類似的計(jì)算理念。

近年來(lái)沉井規(guī)模增大，針對(duì)這方面的研究有了新的認(rèn)識(shí)。陳曉平等［12］實(shí)測(cè)資料發(fā)現(xiàn)，沉井側(cè)壁摩阻力在下沉初期呈線性分布，而在下沉中后期呈現(xiàn)上下小、中間大的拋物線分布形式，并通過(guò)“壓力松弛區(qū)”理論進(jìn)行了解釋，認(rèn)為在沉井下沉中后期，井壁內(nèi)外土壓力差較大，外側(cè)土體向井內(nèi)流動(dòng)，出現(xiàn)“翻砂”現(xiàn)象，導(dǎo)致井外土體松弛，摩阻力降低，如圖5 所示。對(duì)于此類摩阻力分布形式，王建等［13］的摩阻力儀開展了沉井側(cè)阻力的室內(nèi)試驗(yàn)研究，穆保崗等［14］模型試驗(yàn)和離散元模擬，均發(fā)現(xiàn)了類似的規(guī)律。

基于上述側(cè)壁摩阻力（或土壓力）分布特征的研究可知，在工程建設(shè)中根據(jù)實(shí)際情況選用合理的側(cè)阻分布模型、采用可靠的計(jì)算方法對(duì)解決沉井下沉過(guò)程中出現(xiàn)的相關(guān)工程問(wèn)題至關(guān)重要。周和祥等［15］通過(guò)長(zhǎng)江大橋主墩沉井的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，擬合了沉井下沉期間側(cè)阻力的三段式計(jì)算模型；張凱等［16］通過(guò)離心模型試驗(yàn)研究，建立了拋物線型計(jì)算模型。上述沉井側(cè)壁摩阻力分布如圖6所示。

也有學(xué)者對(duì)異型沉井和階梯式沉井進(jìn)行了研究。Hogervorst［17］首次通過(guò)模型試驗(yàn)開展吸力式沉井基礎(chǔ)下沉施工過(guò)程的研究。近些年，穆保崗等［18］監(jiān)測(cè)了南京長(zhǎng)江四橋北錨碇沉井下沉過(guò)程，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)井壁凹槽和凸起對(duì)側(cè)壓力分布有顯著影響；褚晶磊等［19］通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)研究了階梯型沉井下沉過(guò)程，發(fā)現(xiàn)設(shè)置側(cè)壁臺(tái)階可減小沉井總側(cè)阻力，其中臺(tái)階上方直壁段阻力減小最為明顯。

圖6 大型沉井側(cè)壁摩阻力分布圖Fig.6 Distribution of side wall friction of large open caisson

1.2 刃腳端阻力的概念及分布特征

沉井刃腳由踏面和斜面組成，常采用鋼板或角鋼保護(hù)，以穿越堅(jiān)硬土層。為利于切土下沉，刃腳斜面傾角應(yīng)大于45°。在刃腳端阻力的相關(guān)研究中，部分文獻(xiàn)中采用“刃腳承載力”一詞，易使讀者混淆兩個(gè)概念：“刃腳端阻力”和“地基承載力”。事實(shí)上，兩者含義并不相同，但在沉井下沉施工過(guò)程中密切相關(guān)。若不考慮刃腳形狀，為保證接高過(guò)程中沉井的穩(wěn)定性，刃腳端阻力應(yīng)小于地基承載力；當(dāng)沉井處于下沉階段時(shí)，此時(shí)由于刃腳處土體處于極限狀態(tài)，刃腳端阻力與地基承載力相近。

在沉井首次接高階段，刃腳下一般墊有混凝土墊層或木墊層，通過(guò)增加與地面接觸面積提高地基承載力［20］。此時(shí)，端阻力分布較為均勻，接近于沉井自身的重力且小于地基承載力，已有學(xué)者對(duì)這一階段的承載力估算提出不同方法。王紅霞等［21］忽略刃腳斜面反力，推導(dǎo)了刃腳踏面處土體極限承載力的計(jì)算方法；Yea 等［22］監(jiān)測(cè)了氣動(dòng)沉箱的下沉過(guò)程，忽略刃腳踏面反力，得到了刃腳斜面的空間應(yīng)力分布；閏富有等［23］建立了考慮刃腳形狀的近似滑移線場(chǎng)，提出了相應(yīng)的地基土極限承載力系數(shù)計(jì)算公式。

沉井下沉階段，刃腳端阻力分布形式主要與其自身的空間位置有關(guān)。蔣炳楠等［24］通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)了下沉期間刃腳踏面和斜面反力的空間分布規(guī)律，即角點(diǎn)反力最大，長(zhǎng)邊中點(diǎn)反力最小，短邊平均反力大于長(zhǎng)邊，如圖7 所示；周和祥等［25］基于柱孔擴(kuò)張理論，提出了刃腳極限土阻力的理論解答；此外，陳曉平等［12］研究發(fā)現(xiàn)，沉井下沉期間刃腳端阻力值主要取決于土層特性，因此，當(dāng)在均質(zhì)土中下沉?xí)r，端阻力值緩慢增加，最終趨于常數(shù)；當(dāng)刃腳穿過(guò)軟硬土層交界面時(shí)，端阻力值波動(dòng)較大。

圖7 大型沉井刃腳端阻力空間分布圖［24］Fig.7 Spatial distribution of resistance beneath the cutting edge of large open caisson

1.3 側(cè)阻和端阻的比例關(guān)系

施洲等［26］研究發(fā)現(xiàn)，沉井下沉期間，側(cè)阻力隨埋深增加而增長(zhǎng)，且占總阻力的比例為70%以上；陳曉平等［12］也有類似的結(jié)論。而穆保崗等［14］發(fā)現(xiàn)，隨著下沉深度的增加，刃腳端阻力會(huì)先增高后降低，主要由于下沉前期井內(nèi)土體開挖尚未充分，刃腳迅速擠壓底部土體而導(dǎo)致端阻力測(cè)量值偏高。

目前，沉井下沉阻力分布形式方面的研究已形成許多成果，但現(xiàn)有研究仍以討論沉井在砂土中的側(cè)阻力分布形式為主，對(duì)黏土及分層土中的側(cè)阻分布不足，相關(guān)理論方法和數(shù)值模擬研究較少，尚需進(jìn)一步研究。

2 大型沉井下沉常見工程問(wèn)題分析

大型沉井基礎(chǔ)接高下沉施工的各個(gè)階段，時(shí)常發(fā)生突沉、滯沉和偏沉等工程問(wèn)題。下沉施工初期，沉井入土深度小，幾何姿態(tài)和下沉行為易受到外界因素的影響；施工中后期，復(fù)雜的地質(zhì)條件和下沉阻力的急劇變化是影響沉井下沉穩(wěn)定性，使其產(chǎn)生上述工程問(wèn)題的重要因素。與此同時(shí)，突沉、滯沉和偏沉三類工程問(wèn)題之間的相互影響也不容忽視。

2.1 突沉與滯沉

突沉和滯沉是大型沉井基礎(chǔ)下沉施工過(guò)程中最常見且難以避免的問(wèn)題。滬通長(zhǎng)江大橋主塔沉井整個(gè)終沉期間，由突沉引起的下沉量達(dá)到10.5 m，占沉井終沉期間下沉總量的46%，在施工中帶來(lái)了較大的安全隱患［27］。與突沉帶來(lái)的直接影響相比，滯沉雖然不會(huì)直接引起工程事故，卻需要花費(fèi)較大精力研究其發(fā)生原因，并針對(duì)性地實(shí)施各種助沉措施，由此導(dǎo)致的工期延長(zhǎng)和附加成本不容忽視。

沉井施工前，需對(duì)地表的軟弱土層進(jìn)行砂墊層+砂樁加固處理，以控制沉井首次接高的穩(wěn)定性和初期下沉速率。下沉施工初期，刃腳端阻力占下沉阻力的主要部分，地基承載力是影響下沉穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素：若地基加固不足，則沉井存在突沉的風(fēng)險(xiǎn)；若地基加固過(guò)度或首次接高期間地基固結(jié)引起承載力增長(zhǎng)［28］，則可能導(dǎo)致沉井滯沉。

施工中后期，存在很多影響沉井突沉與滯沉的因素。施洲等［26］研究發(fā)現(xiàn)，側(cè)阻力隨下沉深度增加而增大是沉井下沉中后期易發(fā)生滯沉的主導(dǎo)因素，進(jìn)一步研究認(rèn)為在沉井接高完成、啟動(dòng)下沉期間，靜摩阻力轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?duì)較小的動(dòng)摩阻力是引起突沉的關(guān)鍵原因；馬遠(yuǎn)剛等［29］研究現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果時(shí)發(fā)現(xiàn)，淤泥土應(yīng)變軟化特性使沉井井壁與外部土體間的剪應(yīng)力急劇衰減，是造成沉井在淤泥土中發(fā)生突沉的主要原因。此外，施工過(guò)程中，井內(nèi)水位難以保持穩(wěn)定，井壁內(nèi)外過(guò)大的土壓力差致使翻砂現(xiàn)象頻繁發(fā)生，由此產(chǎn)生的“壓力松弛區(qū)”使沉井側(cè)壁土壓力（或摩阻力）降低，也是沉井在砂土中發(fā)生突沉的重要原因之一。大型沉井下沉穿越土層類型復(fù)雜，從硬質(zhì)土層下沉至軟弱地層時(shí)，刃腳端阻力和側(cè)壁摩阻力均可能大幅減小，進(jìn)而導(dǎo)致突沉，并且軟弱土層越厚，危害越大。

當(dāng)前預(yù)防突沉的措施主要分為地基加固和現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警兩種。譚斌［30］認(rèn)為，沉井下沉至軟弱土層前，深灌水泥漿加固可控制下沉速度和深度。馬遠(yuǎn)剛等［29］提出，可以將沉井下沉深度、刃腳端阻力和刃腳結(jié)構(gòu)的應(yīng)力作為預(yù)警突沉的3 項(xiàng)指標(biāo)。在預(yù)測(cè)突沉即將發(fā)生時(shí)，應(yīng)及時(shí)向沉井內(nèi)部填土以快速增加內(nèi)壁摩阻力，或向井內(nèi)補(bǔ)水以增加沉井浮力。

滯沉發(fā)生后應(yīng)首先分析其原因，并選用針對(duì)性的措施進(jìn)行助沉，常見措施包括空氣幕、排水減浮和鉆孔松土等。荊剛毅等［31］采用空氣幕助沉處理了南京長(zhǎng)江第四大橋北錨碇沉井后期滯沉的問(wèn)題，助沉效果明顯，圖8 為空氣幕氣龕示意圖；王理想［32］提出，在沉井滯沉?xí)r可采用樁基反壓法和壓重法配合沉井下沉。

圖8 空氣幕氣龕示意圖［32］Fig.8 Sketch map of air pockets of air curtain

2.2 偏沉

根據(jù)規(guī)范［33］要求，沉井下沉階段，任兩角高差應(yīng)不超過(guò)該其間距離的2%，且不超過(guò)0.5 m；終沉后，偏差應(yīng)小于1%，且不超過(guò)0.3 m。某大橋南錨碇沉井第三次不排水下沉期間發(fā)生偏沉后，四角最大高差達(dá)4.8 m，給施工安全帶來(lái)不利影響。

沉井下沉初期，尚未形成固定的下沉通道，取土不均或局部超挖導(dǎo)致的刃腳脫空均會(huì)引起刃腳端阻力分布不均，進(jìn)而導(dǎo)致偏沉且沉井澆筑過(guò)程中存在一定偏心，若未能及時(shí)測(cè)量偏差并糾正，將進(jìn)一步加劇偏沉。下沉中后期，沉井內(nèi)挖土深度大，井外臨時(shí)棄土或堆重將對(duì)沉井一側(cè)形成偏壓，也會(huì)導(dǎo)致偏沉［34］。此外，硬質(zhì)、軟弱地基土層交界面往往呈傾斜或凹凸不平的空間形式，當(dāng)沉井一側(cè)先接觸到硬質(zhì)土層時(shí)，此處刃腳被制動(dòng)，而另一側(cè)繼續(xù)下沉，致使沉井偏斜，這也是導(dǎo)致偏沉發(fā)生的原因之一。

沉井發(fā)生偏沉后需及時(shí)采取糾偏措施，目前已有不少成功沉井糾偏和預(yù)防偏沉的工程經(jīng)驗(yàn)。楊齊海等［35］通過(guò)纜索施加水平力并結(jié)合定向吸泥，完成了沅江大橋主墩沉井首次下沉期間的糾偏；譚斌［30］采取單邊加載，輔以型鋼頂撐的辦法，糾正了某旋流沉淀池沉井第3 次下沉過(guò)程中的偏斜。

2.3 突沉、滯沉與偏沉的力學(xué)機(jī)制及相互影響

上述工程問(wèn)題和現(xiàn)象的發(fā)生存在特定的力學(xué)機(jī)制。下沉阻力過(guò)小或急劇衰減，將可能引起突沉，反之，下沉阻力過(guò)大或急劇增大可能會(huì)導(dǎo)致滯沉。而偏沉則是由于沉井所受外力空間分布不均，其外力包括側(cè)壁土壓力、側(cè)壁摩阻力、端阻力、浮力和施工荷載等?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，大型沉井下沉過(guò)程中，突沉和偏沉往往是伴隨發(fā)生且相互影響的［27］。圖9為某大橋中塔沉井第10節(jié)鋼沉井接高后的四次突沉的情況，可以發(fā)現(xiàn)每次突沉均伴隨著偏沉的發(fā)生。

圖9 某大橋沉井的突沉（單位：m）Fig.9 Sudden sinking of open caisson of a bridge（Unit：m）

沉井發(fā)生滯沉后，若過(guò)度采取助沉措施，則可能大幅度降低下沉阻力，進(jìn)而引起突沉。同時(shí)，受不均勻取土和土層分布不均等因素影響，沉井結(jié)構(gòu)無(wú)法保持豎直姿態(tài)下沉，導(dǎo)致突沉結(jié)束后沉井發(fā)生傾斜。此時(shí)沉井埋深較大的一側(cè)土體擠壓密實(shí)且浮力更大，而后續(xù)取土施工常優(yōu)先取埋深較小側(cè)土體，使得沉井埋深較小側(cè)易進(jìn)一步發(fā)生突沉。

當(dāng)前對(duì)沉井突沉、滯沉和偏沉等工程問(wèn)題的研究主要依靠現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)或模型試驗(yàn)，停留在現(xiàn)象分析和預(yù)警補(bǔ)救的層面，尚缺乏理論方法的深入探索，未能提出合理的沉井整體運(yùn)動(dòng)模式。

3 大型沉井施工對(duì)周邊環(huán)境的影響

大型沉井取土下沉施工過(guò)程中，尤其是在軟弱地基上進(jìn)行沉井施工時(shí)，將不可避免地對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生影響，包括地下水變化、周邊地表沉降和建（構(gòu)）筑物變形等。若不采取合適的防護(hù)措施，輕則影響工程施工質(zhì)量，造成工期延誤；重則導(dǎo)致人員傷亡或建（構(gòu)）筑物損壞［36］。因此，在沉井施工期間，特別是市政沉井工程中，應(yīng)充分考慮周圍地層沉降及鄰近建（構(gòu)）筑物的變形［37-38］。

3.1 地下水變化

大型沉井在施工初期一般為排水下沉，有利于控制下沉精度并形成正確的下沉導(dǎo)向；當(dāng)下沉深度超過(guò)20 m 后，管井降排水能力不足，沉井內(nèi)外水頭差過(guò)大，易發(fā)生管涌、流砂等現(xiàn)象，采用不排水下沉［3］。此時(shí)，為保持沉井內(nèi)外的水頭差，需從外界抽水補(bǔ)充至沉井內(nèi)部，使井內(nèi)水頭略高于地下水位。

沉井排水下沉期間必然對(duì)地下水產(chǎn)生影響，尤其是軟土地區(qū)沉井施工，其下地基一般采用砂樁加固，地基整體滲透系數(shù)增大，排水速度明顯加快。穆保崗等［39］監(jiān)測(cè)了南京長(zhǎng)江4 橋北錨碇沉井施工的降排水過(guò)程，發(fā)現(xiàn)沉井排水下沉方案會(huì)引起承壓水含水層明顯壓縮，而對(duì)潛水含水層的影響較??；劉毅等［40］通過(guò)有限元分析，發(fā)現(xiàn)沉井排水下沉?xí)l(fā)地下水滲流，導(dǎo)致滲流水面線以上土體重度發(fā)生變化，使周邊土體進(jìn)一步固結(jié)。

3.2 周邊地表沉降

沉井下沉施工過(guò)程中，與周邊土體的相互作用關(guān)系十分復(fù)雜，常常引起周邊地表沉降。如圖10 所示，某大橋南錨碇沉井突沉前后周邊地表發(fā)生沉降。關(guān)于沉井施工引起地表沉降的原因，存在不同的觀點(diǎn)。宋甲奇［41］提出，沉井下沉期間，井壁摩擦力下拉鄰近土體，引起土層失穩(wěn)，導(dǎo)致周邊地表沉降；劉毅等［40］研究認(rèn)為，沉井取土下沉導(dǎo)致周邊土體應(yīng)力場(chǎng)改變，加之排水施工使土層固結(jié)加快，引發(fā)周邊地表沉陷；穆保崗等［39］認(rèn)為，承壓水含水層壓縮是導(dǎo)致沉降周邊土層沉降的主要原因。

數(shù)值模擬也是分析沉井對(duì)周邊環(huán)境影響的有效手段。鄧友生等［42］通過(guò)有限元分析發(fā)現(xiàn)，沉井周邊地表沉降量隨沉井埋深增大而增加；李溪源［43］建立了沉井周邊地表沉降估算式，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值及數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合。沉降控制措施方面，王理想［32］提出，采用觸變泥漿套輔助沉井下沉，可有效緩解地表沉降。

圖10 某大橋南錨碇沉井周邊地表沉降Fig.10 Surface subsidence around south caisson of a bridge

3.3 建（構(gòu)）筑物變形

沉井周邊土層沉降進(jìn)一步還可能引起鄰近建（構(gòu)）筑物的變形甚至垮塌。黃迪［44］通過(guò)數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，沉井下沉期間，周邊鐵路在設(shè)置與不設(shè)置防護(hù)樁條件下的沉降變形相差55%以上。若不采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施，勢(shì)必將威脅到人民生命財(cái)產(chǎn)安全。羅實(shí)瀚等［45］研究發(fā)現(xiàn)，地錨式沉井下沉施工速度較快，對(duì)鄰近建（構(gòu)）筑物影響較小，可應(yīng)用于市政沉井工程。周小毛［46］提出，沉井施工前，可在沉井四周布設(shè)鉆孔灌注樁，對(duì)周邊鐵路路基進(jìn)行防護(hù)。

4 結(jié)論與展望

隨著近些年我國(guó)大跨橋梁工程的迅速發(fā)展，大型沉井工程施工的研究成果和技術(shù)積累取得了很大進(jìn)步，本文梳理了沉井下沉阻力分布特征的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展，對(duì)沉井下沉期間由此引發(fā)的突沉、滯沉及偏沉等工程問(wèn)題的內(nèi)在機(jī)理展開了分析。沉井下沉阻力分布特征及相關(guān)工程問(wèn)題的研究進(jìn)展概括如下：

（1）沉井側(cè)壁摩阻力在下沉初期為線性分布，中后期為上下小、中間大的近似拋物線分布，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程條件采用合適的計(jì)算模式；沉井刃腳端阻力與自身空間位置有關(guān)，其中，角點(diǎn)反力最大，長(zhǎng)邊中點(diǎn)反力最小，短邊平均反力大于長(zhǎng)邊；且占總下沉阻力比例一般為30%左右。

（2）大型沉井基礎(chǔ)接高下沉施工的各個(gè)階段，時(shí)常發(fā)生突沉、滯沉和偏沉等工程問(wèn)題。下沉阻力過(guò)小或急劇衰減將可能引起突沉，反之下沉阻力過(guò)大或急劇增大可能會(huì)導(dǎo)致滯沉；而沉井所受外力空間分布不均，則可能發(fā)生偏沉。這三類工程問(wèn)題關(guān)系密切，外界條件發(fā)生變化時(shí)可能相互影響和轉(zhuǎn)化。

（3）大型沉井取土下沉施工過(guò)程中，尤其是在軟弱地基上進(jìn)行沉井施工時(shí)，將不可避免地對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生影響，包括地下水變化、周邊地表沉降和鄰近建（構(gòu)）筑物變形等。因此，在設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中，不僅要采用合適的方式緩解突沉、滯沉和偏沉帶來(lái)的問(wèn)題，還應(yīng)充分考慮并減小沉井對(duì)周邊環(huán)境的影響。

基于上述已有研究成果，結(jié)合筆者正在開展的相關(guān)研究，認(rèn)為如下幾方面的工作亟需開展，以便為沉井施工中突沉、滯沉和偏沉問(wèn)題的預(yù)測(cè)和防控提供更全面理論依據(jù)：

（1）沉井接高期間，地基土孔隙水壓力和固結(jié)度變化將引起地基承載力發(fā)生改變，需要針對(duì)上述條件變化對(duì)沉井下沉行為產(chǎn)生的影響展開研究；

（2）目前，沉井側(cè)阻力分布特征的研究仍以討論砂土中的側(cè)阻力分布形式為主，對(duì)黏土及分層土中的側(cè)阻分布尚需探索；

（3）當(dāng)前針對(duì)突沉、滯沉和偏沉等工程問(wèn)題的研究中，尚停留在現(xiàn)象分析和預(yù)警補(bǔ)救的層面，缺乏理論方法的深入探索，應(yīng)進(jìn)一步對(duì)沉井下沉期間遇到的工程問(wèn)題開展全過(guò)程、全方位、全類別的研究。