潘桂林 李德杰，2 馮龍健

1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，武漢 430040；2.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所，南京 210098

在跨江、跨海大型橋梁工程建設(shè)中，大型沉井基礎(chǔ)因其承載力大、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用［1-4］?，F(xiàn)有規(guī)范主要針對(duì)小型沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工開(kāi)挖下沉方法，對(duì)于大型沉井設(shè)計(jì)及施工則適應(yīng)性差，導(dǎo)致大型沉井施工過(guò)程中面臨傳統(tǒng)開(kāi)挖方法不適用、結(jié)構(gòu)開(kāi)裂等難題。隨著沉井尺寸的增加，沉井首次下沉?xí)r結(jié)構(gòu)應(yīng)力和姿態(tài)成為整個(gè)下沉過(guò)程中的關(guān)鍵［5-8］。開(kāi)挖方法不僅要考慮結(jié)構(gòu)安全、姿態(tài)精度，還須考慮實(shí)際過(guò)程中沉井下沉困難的應(yīng)對(duì)措施以及地基不均勻帶來(lái)的姿態(tài)控制問(wèn)題等［9-10］。

關(guān)于沉井開(kāi)挖下沉方法，文獻(xiàn)［11-12］以南京長(zhǎng)江四橋北錨碇沉井為工程背景，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖控制以及沉井應(yīng)力監(jiān)測(cè)方法，發(fā)現(xiàn)沉井下沉前期開(kāi)挖方法對(duì)結(jié)構(gòu)安全起控制性作用。文獻(xiàn)［13-14］通過(guò)有限元分析，發(fā)現(xiàn)沉井受力情況與隔墻底部的土體支撐情況密切相關(guān)，最不利工況為沉井初始下沉階段，此時(shí)沉井剛度小，所需開(kāi)挖面積大，沉井易開(kāi)裂。文獻(xiàn)［15-16］依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋北錨碇圓形沉井結(jié)構(gòu)與工程地質(zhì)條件，分析了沉井在下沉與封底過(guò)程中結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布與變化情況。此外，文獻(xiàn)［17］根據(jù)地質(zhì)和水文條件，通過(guò)確定合理的沉井下沉順序和下沉工藝，順利地完成沉井群的下沉施工。然而，上述研究沒(méi)有給出適用于大型沉井的開(kāi)挖下沉方法。

本文結(jié)合五峰山長(zhǎng)江大橋北錨碇特大型沉井工程，提出十字拉槽與預(yù)留核心土兩種新型開(kāi)挖方法，并與傳統(tǒng)方法進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)十字拉槽法不僅能保證開(kāi)挖下沉的安全性，且對(duì)沉井下沉困難和地基不均勻的適應(yīng)性強(qiáng)。最終在實(shí)際工程中選擇十字拉槽法。

1 工程概況

五峰山長(zhǎng)江特大橋北錨碇采用重力式沉井基礎(chǔ)，基礎(chǔ)采用矩形截面，首節(jié)沉井尺寸為100.7 m（長(zhǎng)）×72.1 m（寬）×56.0 m（高），為目前世界上平面面積最大的沉井基礎(chǔ)。沉井標(biāo)準(zhǔn)壁厚2.0 m，隔墻厚1.3 m，中間共設(shè)置48個(gè)尺寸為10.2 m×10.9 m的矩形井孔。沉井共分十節(jié)，第一節(jié)為鋼殼混凝土沉井，高8 m，刃腳高1.8 m，刃腳踏面寬0.2 m；第二節(jié)至第十節(jié)為鋼筋混凝土沉井，第二節(jié)沉井高6 m，并在第二節(jié)沉井設(shè)置了6 m高的剪力鍵，第一節(jié)與第二節(jié)之間設(shè)有0.2 m寬的臺(tái)階；第三節(jié)至第八節(jié)高均為5 m；第九節(jié)高4 m；第十節(jié)高8 m。沉井井身采用C30混凝土，首節(jié)鋼殼采用Q235。沉井首次下沉3節(jié)，高（8+6+5）m，采用排水下沉工藝，下沉至-12.5 m標(biāo)高位置。北錨碇沉井構(gòu)造見(jiàn)圖1。

圖1 北錨碇沉井構(gòu)造（沉井結(jié)構(gòu)尺寸單位：cm；標(biāo)高單位：m）

2 沉井開(kāi)挖下沉分析

在沉井首次下沉過(guò)程中，沉井所受荷載包括沉井自重、施工荷載、刃腳及隔墻底面極限端阻力和沉井極限摩擦力。沉井下沉須滿(mǎn)足

式中：kst為下沉系數(shù)；Gk為沉井自重標(biāo)準(zhǔn)值；Ffw，k為浮力標(biāo)準(zhǔn)值；Ffk為下沉阻力標(biāo)準(zhǔn)值；G為已澆筑沉井的總自重；G′為施工荷載，考慮機(jī)械設(shè)備的動(dòng)載及人員重量，取25 MN；Fw為浮力；R1為刃腳及隔墻底面極限端阻力；R2為沉井極限摩擦力。

沉井下沉方法的制定與實(shí)施關(guān)鍵是明確沉井刃腳與隔墻底部的開(kāi)挖面積，而確定開(kāi)挖面積應(yīng)先準(zhǔn)確獲得復(fù)合地基的極限承載力。

2.1 現(xiàn)場(chǎng)載荷板試驗(yàn)

沉井接高三節(jié)用時(shí)長(zhǎng)、自重大，因砂樁復(fù)合地基排水效果良好，導(dǎo)致上部砂樁加固軟弱地基時(shí)固結(jié)效應(yīng)明顯，地基承載力大幅提升，沉井下沉前須進(jìn)行原位測(cè)試以獲得真實(shí)地基極限承載力。為獲得沉井下沉前的地基極限承載力，任意選取3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行淺層載荷板試驗(yàn)（圖2），得到地基承載力的荷載-位移曲線(xiàn)，見(jiàn)圖3。根據(jù)GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》得到沉井區(qū)域地基極限承載力為700 kPa，比鋼殼安裝前未固結(jié)時(shí)地基極限承載力350 kPa增加了1倍。

圖2 載荷板測(cè)點(diǎn)布置及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

圖3 載荷板荷載-位移曲線(xiàn)

2.2 不同下沉系數(shù)對(duì)應(yīng)的開(kāi)挖面積

為了防止地基極限承載力取值存在偏差，根據(jù)式（1），針對(duì)沉井首次下沉計(jì)算不同下沉系數(shù)對(duì)應(yīng)的沉井開(kāi)挖面積，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 沉井開(kāi)挖面積

3 排水開(kāi)挖下沉方法對(duì)比

3.1 不同開(kāi)挖方法特點(diǎn)

3.1.1 傳統(tǒng)鍋底開(kāi)挖下沉方法

JTG 3363—2019《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求沉井開(kāi)挖下沉采用鍋底開(kāi)挖下沉方法進(jìn)行設(shè)計(jì)與施工，即從沉井中心位置處向外成鍋底對(duì)稱(chēng)開(kāi)挖。根據(jù)沉井下沉所需開(kāi)挖面積，在中心隔艙位置處進(jìn)行開(kāi)挖直至沉井下沉（圖4）。開(kāi)挖過(guò)程中沉井中心懸空跨度逐漸增加，在自重作用下沉井中心受力逐漸增大，開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)也逐漸增加。

圖4 鍋底開(kāi)挖下沉方法開(kāi)挖位置

3.1.2 預(yù)留核心土開(kāi)挖下沉方法

針對(duì)傳統(tǒng)鍋底開(kāi)挖下沉方法沉井中心無(wú)支撐，受力隨沉井開(kāi)挖懸空跨度增加而增加的特點(diǎn)，提出預(yù)留核心土開(kāi)挖方法。該方法保留沉井中心位置縱橫向隔墻及井壁位置土體不開(kāi)挖，開(kāi)挖位置從沉井邊艙隔墻開(kāi)始，逐漸向內(nèi)延伸對(duì)稱(chēng)開(kāi)挖直至沉井下沉（圖5）。圖中陰影部分采用鍋底形式開(kāi)挖。

圖5 預(yù)留核心土開(kāi)挖布置

3.1.3 十字拉槽開(kāi)挖下沉方法

為了控制傳統(tǒng)鍋底開(kāi)挖下沉方法沉井易開(kāi)裂的問(wèn)題，提出十字拉槽開(kāi)挖方法（圖6）。該方法使得每個(gè)艙的隔墻均有土體支撐，可以顯著減小開(kāi)挖下沉?xí)r沉井的跨度，控制沉井端部結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

圖6 十字拉槽開(kāi)挖布置

3.2 不同開(kāi)挖方法沉井結(jié)構(gòu)應(yīng)力對(duì)比

為了確保沉井施工的安全，須驗(yàn)算沉井不同階段、不同開(kāi)挖狀態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力是否滿(mǎn)足要求。由于沉井首次下沉初期，沉井位于地表，無(wú)周邊土體擠壓和豎向摩擦作用，故不考慮側(cè)向約束。利用有限元計(jì)算軟件MIDAS GTS建立沉井模型，采用荷載結(jié)構(gòu)法計(jì)算分析不同開(kāi)挖下沉方法沉井結(jié)構(gòu)應(yīng)力?？紤]鋼殼與混凝土共同受力，地基抗力采用地基彈簧模擬，僅在地基彈簧端部進(jìn)行約束，彈簧剛度設(shè)為10 MN/m3，單元數(shù)量為25 321。

超大型沉井首次下沉?xí)r，由于下沉過(guò)程軟弱地基固結(jié)，沉井井壁或隔墻有一定埋深時(shí)地基承載力會(huì)進(jìn)一步增加，使得刃腳與隔艙底部的反力大于下沉前測(cè)得的地基極限承載力，出現(xiàn)下沉困難的現(xiàn)象。采用有限元模型計(jì)算了不同開(kāi)挖方法、不同下沉系數(shù)下混凝土最大拉應(yīng)力，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同開(kāi)挖方法、下沉系數(shù)下混凝土最大拉應(yīng)力

由表2可知：①采用鍋底開(kāi)挖方法計(jì)算得到的混凝土拉應(yīng)力值均超過(guò)了C30混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.01 MPa，沉井開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)大。②當(dāng)下沉系數(shù)小于等于1.25時(shí)，預(yù)留核心土開(kāi)挖方法計(jì)算得到的混凝土最大拉應(yīng)力小于C30混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，沉井無(wú)開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)下沉系數(shù)大于等于1.35時(shí)，預(yù)留核心土開(kāi)挖方法計(jì)算得到的混凝土最大拉應(yīng)力大于C30混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，沉井開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)大。③十字拉槽開(kāi)挖方法計(jì)算得到的混凝土最大拉應(yīng)力始終小于C30混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，沉井無(wú)開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 沉井開(kāi)挖下沉姿態(tài)控制難度對(duì)比

沉井首次下沉除需滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)安全性要求外，還需對(duì)沉井下沉姿態(tài)進(jìn)行控制。采用鍋底開(kāi)挖方法，沉井發(fā)生扭轉(zhuǎn)、傾斜的風(fēng)險(xiǎn)較小；采用預(yù)留核心土開(kāi)挖方法，沉井較易發(fā)生扭轉(zhuǎn)，沉井姿態(tài)較難控制；采用十字拉槽開(kāi)挖方法，沉井姿態(tài)控制難度適中。

3.4 地基不均勻適應(yīng)性對(duì)比

由于地勢(shì)起伏、沉井尺寸大，沉井所處地基地層存在不均勻性，需分析開(kāi)挖方法對(duì)地基不均勻的適應(yīng)性。將沉井所處地層劃分為3個(gè)區(qū)段，基床系數(shù)分別為8、10、12 MN/m3，見(jiàn)圖7。為了防止地基極限承載力取值不準(zhǔn)，導(dǎo)致根據(jù)理論計(jì)算沉井下沉系數(shù)達(dá)到1.05時(shí)依舊下沉困難，保守起見(jiàn)對(duì)沉井下沉系數(shù)取1.15，開(kāi)挖面積為490 m2的工況進(jìn)行計(jì)算分析，分別采用三種開(kāi)挖下沉方法分析沉井姿態(tài)及結(jié)構(gòu)受力情況。其中，采用十字拉槽開(kāi)挖下沉方法時(shí)，對(duì)開(kāi)挖寬度進(jìn)行調(diào)整，在基床系數(shù)為8、10、12 MN/m3時(shí)，開(kāi)挖寬度分別為4、5、6 m。鍋底開(kāi)挖、預(yù)留核心土開(kāi)挖均從沉井中心往四周或從沉井四周往中心開(kāi)挖，沉井開(kāi)挖為固定方式，計(jì)算時(shí)不再對(duì)沉井端部土體開(kāi)挖位置進(jìn)行調(diào)整。

圖7 不同基床系數(shù)分區(qū)布置

不同開(kāi)挖方法混凝土應(yīng)力、應(yīng)力增長(zhǎng)率及不均勻沉降增長(zhǎng)率見(jiàn)表3?？芍?，鍋底開(kāi)挖方法均勻地層混凝土最大拉應(yīng)力為3.65 MPa，不均勻地層混凝土最大拉應(yīng)力為6.23 MPa，最大拉應(yīng)力增長(zhǎng)率達(dá)到70.60%，相應(yīng)地，預(yù)留核心土開(kāi)挖方法混凝土最大拉應(yīng)力由均勻地層1.72 MPa增長(zhǎng)為2.04 MPa，最大拉應(yīng)力增長(zhǎng)率達(dá)到18.80%。在不均勻地層進(jìn)行沉井下沉，鍋底及預(yù)留核心土開(kāi)挖方法在沉井結(jié)構(gòu)應(yīng)力及不均勻沉降增長(zhǎng)率方面明顯大于十字拉槽開(kāi)挖方法。原因是十字拉槽開(kāi)挖方法可以根據(jù)地層不均勻性及沉井姿態(tài)，及時(shí)調(diào)整開(kāi)挖寬度，減少了不均勻地層對(duì)沉井結(jié)構(gòu)安全和姿態(tài)控制的影響。

表3 不同開(kāi)挖方法混凝土應(yīng)力及不均勻沉降

4 工程應(yīng)用及效果

綜合考慮沉井結(jié)構(gòu)安全、姿態(tài)控制、地層適應(yīng)性等因素，五峰山長(zhǎng)江大橋北錨碇沉井首次排水下沉施工過(guò)程中采用十字拉槽開(kāi)挖下沉方法。為了保證沉井施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)安全及沉井平穩(wěn)下沉，十字拉槽寬度控制在7 m以?xún)?nèi)，隔墻脫空高度控制在20 cm，并采用混凝土光纖應(yīng)力傳感器及靜力水準(zhǔn)儀對(duì)沉井結(jié)構(gòu)受力及幾何姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，見(jiàn)圖8。可知，沉井首次排水下沉過(guò)程中結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值為1.9 MPa，沉井結(jié)構(gòu)平面最高點(diǎn)與最低點(diǎn)高差僅為15.5 cm，首次排水下沉僅耗時(shí)15 d。沉井下沉速度隨著施工進(jìn)行逐漸增加，沉井單日下沉量可達(dá)1 m以上，遠(yuǎn)高于已建其他大型沉井工程。十字拉槽開(kāi)挖下沉工藝確保了大型沉井施工過(guò)程中的結(jié)構(gòu)安全，解決了大型沉井易開(kāi)裂和沉井施工過(guò)程中姿態(tài)難控制的問(wèn)題，提升了開(kāi)挖下沉效率。

圖8 沉井結(jié)構(gòu)應(yīng)力及沉降監(jiān)測(cè)

5 結(jié)論

1）在沉井開(kāi)挖下沉過(guò)程須考慮沉井接高過(guò)程中復(fù)合地基的固結(jié)效應(yīng)，獲得真實(shí)地基極限承載力。

2）采用鍋底開(kāi)挖下沉方法沉井開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)大，采用十字拉槽及預(yù)留核心土開(kāi)挖新工藝，沉井無(wú)開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

3）與預(yù)留核心土和鍋底開(kāi)挖下沉方法相比，十字拉槽開(kāi)挖法對(duì)下沉困難和不均勻地層的適應(yīng)性更優(yōu)。

綜合考慮沉井結(jié)構(gòu)安全、姿態(tài)控制以及地層適應(yīng)性等因素，十字拉槽開(kāi)挖法是一種適用于大型沉井首次下沉的方法。五峰山長(zhǎng)江大橋北錨碇特大型沉井首次下沉采用了十字拉槽開(kāi)挖方法，保證了沉井順利安全、快速下沉。