王紫超， 楊切， 陳建榮， 孫南昌

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司， 湖北 武漢 430040; 2.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430040; 3.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； 4.中交公路長(zhǎng)大橋建設(shè)國(guó)家工程研究中心有限公司， 北京市 100032)

沉井基礎(chǔ)具有剛度大、整體性好、穩(wěn)定性高以及抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用十分廣泛[1-4]，20世紀(jì)以來(lái)，中國(guó)陸續(xù)修建了泰州長(zhǎng)江大橋、南京長(zhǎng)江四橋、滬通鐵路長(zhǎng)江大橋以及五峰山長(zhǎng)江大橋等，均采用了沉井基礎(chǔ)。

目前，中國(guó)對(duì)沉井的受力研究主要集中在沉井施工過(guò)程中的下沉系數(shù)、端阻力及側(cè)摩阻力等方面。陳曉平[5]系統(tǒng)分析了沉井基礎(chǔ)的下沉機(jī)理和下沉過(guò)程中的受力特性；穆保崗[6-7]對(duì)沉井結(jié)構(gòu)進(jìn)行了監(jiān)控，驗(yàn)證了不同地基極限承載力公式在沉井工程中的適用性；朱建民[8]發(fā)現(xiàn)超大型沉井兼有條形基礎(chǔ)的特點(diǎn)和整體工作性能，能夠承受較大的豎向變形，沉井首節(jié)混凝土澆筑就已決定了隔墻底板的應(yīng)力大小和分布情況；周和祥[9]分析刃腳土阻力與側(cè)壁摩阻力的大小和變化規(guī)律，考慮了土層前期固結(jié)壓力對(duì)刃腳土阻力的影響，并且提出了側(cè)壁摩阻力分布簡(jiǎn)化模型；朱勁松[10]系統(tǒng)研究大型沉井基礎(chǔ)下沉過(guò)程中側(cè)摩阻力、阻力峰值位置分布、松弛高度與下沉系數(shù)的變化規(guī)律；鄧友生[11]系統(tǒng)地闡述了大圓形錨碇沉井下沉施工中下沉系數(shù)和穩(wěn)定系數(shù)變化規(guī)律；劉彥峰[12]研究了深厚淤泥土層中大型沉井基礎(chǔ)下沉阻力的分布特征，側(cè)壁壓力沿深度方向近似線性增長(zhǎng)，與砂土層受力有明顯不同。

國(guó)外沉井研究與中國(guó)研究有細(xì)微差別，Jeong[13]發(fā)現(xiàn)空氣幕助沉措施可以有效減少側(cè)摩阻力，加速沉井下沉，側(cè)阻力可以減小到預(yù)期值的一半以下；Jitesh[14]發(fā)現(xiàn)刃腳的承載力和土壤流動(dòng)機(jī)理取決于刃腳的形狀、下沉深度和土壤類型；Riccardo[15]以及Gaudio[16]用樁基礎(chǔ)抗震理論來(lái)研究沉井抗震機(jī)理，考慮了沉井遠(yuǎn)大于地基土的質(zhì)量和剛度，并且進(jìn)行了有限元分析，結(jié)果與計(jì)算實(shí)例吻合良好。

綜上所述，沉井主要依靠自重下沉，期間要克服側(cè)壁摩阻力、刃腳端阻力以及浮力?，F(xiàn)行的沉井規(guī)范主要基于大直徑樁的下沉機(jī)理分析，或者針對(duì)中小沉井得出的。是否適用于地質(zhì)復(fù)雜、尺寸及開(kāi)挖深度越來(lái)越大的沉井有待考證。同時(shí)絕大多數(shù)文獻(xiàn)忽略了刃腳踏面土壓力對(duì)端阻力的影響，而且側(cè)摩阻力也只考慮側(cè)摩阻力的縱向分布，忽略了側(cè)摩阻力的橫向分布研究。常泰長(zhǎng)江大橋5#墩沉井為世界最大尺寸圓端形水中鋼沉井，很有必要對(duì)其下沉施工進(jìn)行研究，為以后的水中沉井建造提供參考意見(jiàn)。

1 工程概況

常泰長(zhǎng)江大橋主航道橋采用雙層斜拉橋，橋梁上層為高速公路，下層為城際鐵路和普通公路[17]。主航道橋兩橋塔均采用大型鋼沉井基礎(chǔ)，主橋5#墩沉井基礎(chǔ)平面呈圓端形，立面為臺(tái)階形，臺(tái)階寬度9.0 m(圖1)。

圖1 5#墩鋼沉井結(jié)構(gòu)(單位：cm)

沉井底面尺寸長(zhǎng)95.0 m、寬57.8 m，圓端半徑28.9 m；沉井頂面尺寸長(zhǎng)77.0 m、寬39.8 m，圓端半徑19.9 m；沉井外井壁厚1.8 m，高43 m，內(nèi)井壁厚2.0 m，高64 m，內(nèi)、外圈隔墻厚度均為1.4 m，外圈隔墻高64 m，內(nèi)圈隔墻高39 m。內(nèi)井孔標(biāo)準(zhǔn)尺寸為長(zhǎng)11 m、寬11 m，隔墻、內(nèi)井壁間倒長(zhǎng)1.5 m、寬1.5 m直角，隔墻外井壁間倒長(zhǎng)1.2 m、寬1.2直角，沉井為填充混凝土的鋼殼結(jié)構(gòu)，共28個(gè)隔艙。

鋼沉井所處河段屬長(zhǎng)江下游感潮河段，潮位受長(zhǎng)江徑流與潮汐雙重影響，20年一遇橋位斷面垂線平均最大流速為1.93～2.1 m/s，枯水期垂線平均最大流速低于1.05 m/s。鋼沉井位于主航道區(qū)北側(cè)，墩位處地形較平穩(wěn)，河床表層為松散狀粉砂，層厚不均，1.6～4.8 m，工程性質(zhì)差。5#墩大部分鉆孔的砂類土地層中均揭示有砂礫膠結(jié)層，為非層狀構(gòu)造，零星分布，揭示深度主要在河床下-35～-45 m，其他深度零星分布。具體特點(diǎn)及施工難點(diǎn)如下：

(1) 水文地質(zhì)條件復(fù)雜，汛期流速大，河床易沖刷、地層不均勻，表層存在硬塑粉質(zhì)黏土層，沉井初期下沉安全風(fēng)險(xiǎn)及姿態(tài)控制難度大。

(2) 沉井結(jié)構(gòu)新穎，采用圓端形臺(tái)階形結(jié)構(gòu)，影響設(shè)備布置，存在異形隔倉(cāng)，容易產(chǎn)生取土盲區(qū)，臨時(shí)外壁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可拆臨時(shí)外壁施工難度大。

2 施工監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

2.1 下沉曲線

沉井總共經(jīng)歷了4次取土下沉、3次混凝土澆筑、2次接高，該文研究重點(diǎn)為4次取土下沉期間的沉井姿態(tài)及土壓力。具體結(jié)果如表1、圖2所示。

表1 沉井下沉數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖2 沉井下沉?xí)r間歷程曲線

第1次取土開(kāi)挖之前，為了清淤以及減少土層對(duì)井壁的側(cè)摩阻力，對(duì)河床進(jìn)行了開(kāi)挖，沉井外刃腳底標(biāo)高初始值為-27.2 m。從表1及圖2可以看出:在第1次取土初期，沉井下沉較慢，原因在于取土初期，取土高度控制在0.5 m以內(nèi)，施工過(guò)程較保守，平均下沉速度為14.3 cm/d。

經(jīng)過(guò)數(shù)值計(jì)算[18]，將第2次及第3次取土階段取土高度均控制在1 m以內(nèi)，下沉速度加快，其平均下沉速度分別為32.2、34.3 cm/d，下沉速度最大值為1.1 m/d?？偨Y(jié)前3次取土經(jīng)驗(yàn)，第4次取土期間，取土高度控制在1.5 m以內(nèi)，下沉加快，下沉速度最大值為0.9 m/d，其平均下沉速度為48.7 cm/d。

沉井下沉速度逐漸加快，原因在于加大取土高度可以有效地減少沉井端阻力，提高下沉系數(shù)，增加取土量，使沉井可以在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下平穩(wěn)下沉。并且第4次取土期間沉井主要穿過(guò)密實(shí)中粗砂層以及密實(shí)粗砂層，軟塑粉質(zhì)黏土層不存在，具體土層地質(zhì)情況見(jiàn)表2。

表2 沉井土層地質(zhì)情況

2.2 沉井幾何姿態(tài)

(1) 測(cè)試方法與測(cè)點(diǎn)布置

為了監(jiān)測(cè)沉井下沉姿態(tài)，確保及時(shí)調(diào)整沉井姿態(tài)，在沉井頂面布置了4個(gè)北斗坐標(biāo)測(cè)點(diǎn)，分別布置在沉井頂面的上游、下游、江側(cè)和岸側(cè)，根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)計(jì)算沉井高程、傾斜、偏位和平面扭角等幾何信息。

(2) 測(cè)試結(jié)果與分析——傾斜值

傾斜是沉井幾何姿態(tài)監(jiān)控的重要指標(biāo)之一，其代表了沉井下沉過(guò)程中的垂直度，其中順橋向傾斜與橫橋向傾斜的控制值均為1/150。從圖3可以看出：第1次取土期間以及第4次取土期間其順橋向傾斜與橫橋向傾斜值均控制在1/150以內(nèi)，然而第2次以及第3次取土過(guò)程中，橫橋向傾斜值存在部分點(diǎn)超過(guò)1/150的情況，但是經(jīng)過(guò)及時(shí)糾偏，橫橋向傾斜值回歸正常，沉井幾何姿態(tài)總體可控。

圖3 沉井傾斜曲線

(3) 測(cè)試結(jié)果與分析——平面扭角

平面扭角是沉井幾何姿態(tài)監(jiān)控的重要指標(biāo)之一，代表了沉井下沉過(guò)程中沉井底面及頂面的扭轉(zhuǎn)程度，其控制值為1°。從圖4可以看出：4次取土期間其平面扭角均控制在0.01°以內(nèi)，沉井扭轉(zhuǎn)姿態(tài)良好。

圖4 沉井平面扭角曲線

2.3 隔墻底部應(yīng)力監(jiān)測(cè)

(1) 測(cè)試方法與測(cè)點(diǎn)布置

隔墻底部的結(jié)構(gòu)應(yīng)力用于監(jiān)測(cè)隔墻底部的鋼板結(jié)構(gòu)應(yīng)力，是沉井基礎(chǔ)定位著床及終沉等階段的控制結(jié)構(gòu)安全性的重要指標(biāo)，使用振弦式應(yīng)變計(jì)測(cè)得，測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。

圖5 隔墻底部應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

(2) 測(cè)試結(jié)果與分析

隔墻底部應(yīng)力測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6 隔墻底部應(yīng)力曲線

從圖6(a)、(b)可以看出：在第1次取土階段，應(yīng)力值均為8 MPa左右，說(shuō)明整個(gè)沉井中部區(qū)域整體工作性能良好。在經(jīng)歷了2個(gè)月的沉井接高以后，即第2次取土初期，其應(yīng)力值在幾天之內(nèi)迅速達(dá)到60 MPa左右，原因在于此時(shí)沉井入土較淺，沉井自重增大，同時(shí)沉井中部區(qū)域底部完全被掏空，因此中部區(qū)域應(yīng)力增大。但是第2次取土之后，其值約為60 MPa，遠(yuǎn)小于鋼板屈服應(yīng)力，原因可能為此時(shí)沉井入土較深，周圍土體對(duì)沉井底板約束力增強(qiáng)，限制了沉井底板變形，這種限制對(duì)沉井受力是有利的。在第2次取土期間，GDY-1，GDY-6以及GDY-7應(yīng)力曲線有些許不同，原因在于，其隔墻底部較其他隔墻底部未完全被掏空，仍有部分土體支撐，鋼板局部應(yīng)力降低。

圖6(c)為外隔墻-內(nèi)隔墻底部應(yīng)力曲線圖，在4次取土過(guò)程中，LJY-4、LJY-13測(cè)點(diǎn)處應(yīng)力。始終保持在60 MPa左右，說(shuō)明沉井首節(jié)混凝土澆筑完成后，已經(jīng)決定了外隔墻底板的應(yīng)力大小和分布情況，這與文獻(xiàn)[8]中關(guān)于隔墻應(yīng)力的描述類似。

2.4 刃腳踏面及斜面土壓力監(jiān)測(cè)

許多大型沉井外刃腳踏面寬度為20 cm左右，例如五峰山長(zhǎng)江大橋、馬鞍山長(zhǎng)江大橋以及該文的常泰長(zhǎng)江大橋等，相較于整個(gè)外刃腳200 cm寬度，占比量為1/10，較少有文獻(xiàn)研究，文獻(xiàn)[5-10]未曾提及，但是該文通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)其影響較大。

(1) 測(cè)試方法與測(cè)點(diǎn)布置

底面土壓力用于監(jiān)測(cè)沉井基礎(chǔ)下沉過(guò)程中的端面阻力大小及其分布規(guī)律，是確定下沉阻力的關(guān)鍵指標(biāo)。使用土壓力盒測(cè)得，測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖7。其中RF-5、RF-78以及RF-88為斜面監(jiān)測(cè)點(diǎn)，與它們對(duì)應(yīng)的踏面監(jiān)測(cè)點(diǎn)為RF-125、RF-124以及RF-121。

圖7 土壓力傳感器監(jiān)測(cè)點(diǎn)

(2) 測(cè)試結(jié)果與分析

刃腳踏面及斜面土壓力測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖8。

由圖8可知：踏面土壓力值遠(yuǎn)高于斜面土壓力值，踏面平均土壓力值約為4 MPa，原因在于隨著施工過(guò)程推進(jìn)，沉井入土深度加大，原本處于刃腳周圍的固結(jié)土及石塊被進(jìn)一步堆積，外刃腳踏面土層進(jìn)入了超固結(jié)的狀態(tài)[19]，甚至外刃腳踏面部位極有可能一直存在石塊，隨外刃腳一起下沉，因?yàn)槔碚撋厦軐?shí)粗砂的極限承載力不會(huì)超過(guò)2 MPa；斜面平均土壓力約為1 MPa，處于正常范圍內(nèi)。同時(shí)在沉井中后期施工過(guò)程中，研究發(fā)現(xiàn)外刃腳踏面端阻力占了整個(gè)外刃腳端阻力的35%～55%，占整個(gè)沉井端阻力的25%～40%，對(duì)沉井下沉影響較大。

由于外刃腳踏面土壓力數(shù)值較大，沉井下沉啟動(dòng)時(shí)，理論上數(shù)值變化較大，容易被系統(tǒng)監(jiān)測(cè)。在沉井終沉階段，由于需要控制下沉量，取土效率降低，而且沉井屬于非連續(xù)下沉。在沉井啟動(dòng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)快速下沉現(xiàn)象，時(shí)間很短。究其原因在于沉井側(cè)摩阻力由靜摩阻力變成了動(dòng)摩阻力，并且隨著下沉深度增加，兩者差異越來(lái)越大，根據(jù)實(shí)測(cè)刃腳底面土壓力數(shù)值可以反算側(cè)摩阻力，得出在沉井初沉階段，靜摩阻力約為動(dòng)摩阻力的1.1倍，沉井終沉階段，靜摩阻力約為動(dòng)摩阻力的1.6倍，這與文獻(xiàn)[20]規(guī)律相似。

(3) 沉井下沉啟動(dòng)分析

沉井下沉啟動(dòng)前后踏面土壓力曲線如圖9所示。

圖9 下沉啟動(dòng)前后踏面土壓力曲線變化圖

沉井下沉啟動(dòng)從開(kāi)始到結(jié)束，時(shí)間約為8 s，5#沉井于2020年12月的20號(hào)、22號(hào)以及25號(hào)均發(fā)生過(guò)下沉啟動(dòng)，下沉量分別為12、7以及5 cm。研究了20號(hào)下午16：02—16：03外刃腳踏面土壓力曲線，如圖9所示，在下沉啟動(dòng)前30～40 s，RF-122土壓力曲線會(huì)產(chǎn)生規(guī)律性的上下波動(dòng)，波動(dòng)幅度為2 MPa，變化較大，其他曲線較平緩，這可能與下沉啟動(dòng)最先開(kāi)始的位置有關(guān)。下沉啟動(dòng)過(guò)程中RF-122曲線發(fā)生了突變，先迅速上升，再迅速下降，曲線最大值為6.5 MPa，最小值為1.5 MPa，其他曲線也會(huì)出現(xiàn)小范圍上升或者下降，其余幾次下沉啟動(dòng)也有類似規(guī)律。

2.5 沉井側(cè)壁土壓力監(jiān)測(cè)

(1) 測(cè)試方法與測(cè)點(diǎn)布置

沉井側(cè)壁土壓力監(jiān)測(cè)可反映沉井周邊土體應(yīng)力狀態(tài)，為翻砂提供預(yù)警。使用土壓力盒測(cè)得，測(cè)點(diǎn)布置如圖7，編號(hào)為CT-1-1～CT-1-4。

(2) 測(cè)試結(jié)果與分析

文獻(xiàn)[5-10]得出縱向側(cè)摩阻力兩端小、中間大的規(guī)律，并且簡(jiǎn)化側(cè)摩阻力計(jì)算模型，但是忽略了側(cè)壁摩阻力的橫向分布。

該文首先根據(jù)表2以及《土力學(xué)與地基基礎(chǔ)》[21]分別計(jì)算了每層土的頂面及底面的主動(dòng)土壓力與被動(dòng)土壓力，并且考慮水自重應(yīng)力。如圖10所示，側(cè)壁土壓力均處于主動(dòng)總壓力與被動(dòng)總壓力之間，而且隨著入土深度加大，側(cè)壁土壓力更接近于主動(dòng)總壓力。同時(shí)側(cè)壁土壓力均為先增大后平穩(wěn)再減小的趨勢(shì)，但是減少趨勢(shì)不明顯，說(shuō)明刃腳處土壓力松弛效應(yīng)影響隨著入土深度加大逐漸增大，這也可能與該文2.4小節(jié)說(shuō)明的原因有關(guān)。

圖10 側(cè)壁水土總壓力圖

如圖10所示，對(duì)于橫向分布不同的CT-1-1、CT-1-2以及CT-1-4，同一土層同一標(biāo)高處的側(cè)壁壓力值逐漸減小，并且差值最大可達(dá)0.4 MPa，說(shuō)明側(cè)壁摩阻力的橫向分布存在較大差異，原因在于沉井圓端處容易應(yīng)力集中，而且各處土層不均勻，為了較準(zhǔn)確地計(jì)算側(cè)摩阻力，應(yīng)分段計(jì)算。同時(shí)該文對(duì)側(cè)壁摩阻力的橫向分布討論較淺，需要進(jìn)一步研究。

2.6 土壓力占比分析

該文分析了施工期間，總阻力中端阻力與側(cè)摩阻力各自占比量，這對(duì)沉井中后期施工具有重要的指導(dǎo)意義，施工階段前期，沉井入土深度較淺，總阻力主要占比為端阻力，施工階段中后期，沉井入土深度加大，達(dá)30多米，側(cè)摩阻力成為影響沉井下沉的主要因素?？v觀施工全過(guò)程，端阻力從100%變化到40%，側(cè)摩阻力從0%變化到60%。

同理，由于沉井平面尺寸較大，端阻力分布也較復(fù)雜，有必要對(duì)其研究。該文中沉井的支撐狀態(tài)主要有3種：全斷面支撐、小鍋底支撐、大鍋底支撐[22]。刃腳各部分土壓力占比如表3。

表3 端阻力占比量

3 結(jié)論

(1) 施工過(guò)程監(jiān)測(cè)與控制結(jié)果表明：整個(gè)沉井下沉過(guò)程中，下沉速度最大值為1.1 m/d，通過(guò)及時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整，沉井整體姿態(tài)控制較好。

(2) 沉井首節(jié)混凝土澆筑完成后，已經(jīng)決定了外隔墻底板的應(yīng)力大小和分布情況，但是中部?jī)?nèi)隔墻應(yīng)力在施工前期由于入土較淺、底部土體被掏空等因素會(huì)大幅提升，中后期由于沉井周圍土體對(duì)沉井底板約束力增強(qiáng)，限制了沉井底板變形，對(duì)結(jié)構(gòu)受力有利，中部?jī)?nèi)隔墻應(yīng)力保持穩(wěn)定，為60 MPa左右。

(3) 通過(guò)沉井中后期的施工研究，發(fā)現(xiàn)外刃腳踏面端阻力占整個(gè)外刃腳端阻力的35%～55%，占整個(gè)沉井端阻力的25%～40%，對(duì)沉井下沉影響較大。沉井下沉啟動(dòng)前，外刃腳踏面土壓力會(huì)發(fā)生明顯變化，且沉井初沉階段，靜摩阻力約為動(dòng)摩阻力的1.1倍，沉井終沉階段，靜摩阻力約為動(dòng)摩阻力的1.6倍。

(4) 側(cè)壁土壓力處于主動(dòng)總壓力與被動(dòng)總壓力之間，而且隨著入土深度加大，側(cè)壁土壓力更接近于主動(dòng)總壓力。同時(shí)側(cè)壁土壓力均為先增大后平穩(wěn)再減小的趨勢(shì)，但是減小趨勢(shì)不明顯，說(shuō)明刃腳處土體壓力松弛效應(yīng)隨著入土深度加大對(duì)沉井影響逐漸增大。

(5) 側(cè)壁摩阻力的橫向分布存在較大差異，原因在于沉井圓端處容易應(yīng)力集中，而且土層不均勻，為了較準(zhǔn)確地計(jì)算側(cè)摩阻力，應(yīng)分段計(jì)算。