施 洲，鐘美玲，周勇聰，李思陽，馮傳寶

（1.西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031；2.中國鐵路上海局集團有限公司 南京鐵路樞紐工程建設(shè)指揮部，江蘇 南京 200142）

橋梁基礎(chǔ)施工是超大跨徑橋梁建設(shè)的重中之重［1］。一直以來，沉井基礎(chǔ)因承載力強、施工時兼具圍堰結(jié)構(gòu)而成為大跨徑橋梁塔墩及錨碇基礎(chǔ)的重要形式之一。橋梁大型沉井基礎(chǔ)一般由井壁、刃腳、隔墻、井蓋、封底混凝土及填充物共同構(gòu)成［2］。根據(jù)特定的場地及建設(shè)條件，大型沉井基礎(chǔ)可采用不同的平面和立面布置，如圖1所示。

圖1 沉井基礎(chǔ)平面與立面布置形式

矩形沉井是應用最為廣泛的平面形式，具有制作方便、基礎(chǔ)受力有利、與上部結(jié)構(gòu)易配合等特點；平面圓形沉井具有易控制、受力合理的特點；端圓形沉井具有平面布置合理、受力合理，受水流沖刷小等特點。在沉井的立面布置中，豎直式布置最為常用，具有不易傾斜、井壁摩阻力較大的特點，地基條件適應性廣；臺階式立面布置符合底部受力面積大、上部受力面積小的特點，防沖刷性好，但井壁摩阻力小、施工復雜，適用于水流沖刷大等條件；傾斜式立面布置適用于中小型沉井基礎(chǔ)，便于下沉，但井壁摩阻力較小，適用于入土深或土質(zhì)密實等地基情況。大型沉井基礎(chǔ)按建筑材料可分為混凝土（含鋼殼混凝土）、鋼筋混凝土及鋼結(jié)構(gòu)沉井，其中混凝土沉井井壁較厚，適用于覆蓋層較松軟及下沉深度不大的小型沉井；鋼筋混凝土沉井具有下沉深度大、井壁薄、適用性強的特點；鋼沉井具有強度高、質(zhì)量輕、易施工，可浮運等優(yōu)點。

沉井基礎(chǔ)相比擴大基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)、地下連續(xù)墻等具有整體性、剛性、穩(wěn)定性和抗震性均較好的特點，有較大的支承面，能承受較大的垂直和水平荷載。隨著世界范圍內(nèi)跨越大河、峽谷以及海峽的大型橋梁，特別是公鐵兩用橋的不斷發(fā)展，更大跨徑橋梁、更大荷載下的沉井基礎(chǔ)同樣也朝著更大平面面積、更深下沉深度等方向不斷發(fā)展［3］。如滬通鐵路長江大橋、連鎮(zhèn)鐵路五峰山長江大橋的沉井基礎(chǔ)平面面積先后突破5 000 和7 000 m2。隨著沉井基礎(chǔ)的平面尺寸、下沉深度、主體結(jié)構(gòu)自重呈階梯式增長，各種困難應運而生，如施工工藝復雜、下沉控制困難、突沉翻砂等異常工況頻發(fā)，且大型沉井結(jié)構(gòu)受力復雜，表現(xiàn)出與中小型沉井完全不同的施工特點及力學特性［4-5］。

基于橋梁大型沉井基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)與施工特點，系統(tǒng)總結(jié)近年來橋梁大型沉井基礎(chǔ)發(fā)展現(xiàn)狀、建造關(guān)鍵技術(shù)、受力理論研究成果，分析尚存在的不足，闡述大型沉井基礎(chǔ)受力理論、結(jié)構(gòu)形式、施工與控制的發(fā)展及創(chuàng)新方向，為后續(xù)橋梁大型沉井基礎(chǔ)設(shè)計、施工與控制、理論研究提供參考。

1 橋梁大型沉井基礎(chǔ)應用概況

1.1 國外應用概況

大型沉井基礎(chǔ)應用于大跨徑橋梁，可追溯到1936年，美國奧克蘭大橋采用了長60 m、寬28 m的浮運沉井，通過射水、吸泥等工藝使其下沉到位，一年后的金門大橋再次采用了沉井基礎(chǔ)。同期，歐洲國家也開始采用沉井作為大跨度橋梁的基礎(chǔ)，1937年修建的Stors trom 橋、1970年修建的新小海帶橋以及1998年修建的大海帶橋均采用了沉井基礎(chǔ)［6］。1999年 希臘修建的Rion-Antirion 橋，其沉井基礎(chǔ)面積達到了6 358.5 m2，該沉井基礎(chǔ)不僅具有強大的承載能力，還巧妙地結(jié)合橋址地質(zhì)條件利用其龐大的底部面積提升橋梁隔震抗震性能，該沉井基礎(chǔ)也是當時世界上面積最大的沉井基礎(chǔ)，且保持紀錄近10年之久。此外，隨著日本經(jīng)濟的發(fā)展及土木工程技術(shù)的進步，在20 世紀70年代，日本在修建北備贊瀨戶大橋時開始運用大型沉井基礎(chǔ)［7］，其面積達到4 425 m2。之后在1997年修建的明石海峽大橋的沉井基礎(chǔ)面積超過5 000 m2。國外代表性大型沉井基礎(chǔ)的相關(guān)信息見表1。

表1 國外代表性大型沉井基礎(chǔ)信息

相應沉井基礎(chǔ)的實際應用也表明，在深水、大跨、重承載要求等條件下修建橋梁時，大型沉井基礎(chǔ)是常用的基礎(chǔ)形式之一。

1.2 國內(nèi)應用概況

1894年修建的天津灤河大橋是我國最早應用沉井技術(shù)的橋例，此后是20 世紀30年代在錢塘江大橋首次成功采用了氣壓沉箱法掘泥打樁。

大型沉井基礎(chǔ)在我國起步較晚。1968年建設(shè)南京長江大橋時開始運用大型混凝土沉井、浮運鋼筋混凝土沉井和鋼沉井［8］。之后相當長的時間內(nèi)沉井基礎(chǔ)的發(fā)展較為緩慢。20 世紀90年代，隨著國內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的飛速發(fā)展、跨江大橋的不斷修建，大型沉井基礎(chǔ)的建設(shè)數(shù)量和體量也不斷增大，國內(nèi)部分大跨度橋梁沉井基礎(chǔ)的相關(guān)信息見表2。由表2 可知，從1997年開始，國內(nèi)的沉井基礎(chǔ)建設(shè)發(fā)展迅速，最先在江陰、蕪湖長江大橋開始應用，之后在泰州、滬通、楊泗港、五峰山等長江大橋中作為錨碇或橋塔基礎(chǔ)［9-13］，沉井基礎(chǔ)平面面積超過2 000 m2的已多達10 余座，其中五峰山長江大橋北錨碇沉井基礎(chǔ)的平面尺寸達到7 260 m2，躍居世界第1位。

表2 國內(nèi)部分大型沉井基礎(chǔ)信息

1.3 國內(nèi)外發(fā)展對比

國內(nèi)外沉井基礎(chǔ)平面尺寸匯總?cè)鐖D2 所示。由圖2 可知：國內(nèi)大型橋梁沉井基礎(chǔ)在近10年中發(fā)展較快，平面面積在2 000 m2以上沉井數(shù)量占據(jù)多數(shù)；國外的大型沉井基礎(chǔ)有鋼沉井、鋼筋混凝土沉井，而國內(nèi)的大型沉井基礎(chǔ)主要為鋼筋混凝土沉井基礎(chǔ)，相對單一；國外的大型沉井基礎(chǔ)有結(jié)合抗震功能而修建，如希臘的Rion-Antirion 橋沉井基礎(chǔ)、日本的北備贊瀨戶大橋大型沉井基礎(chǔ)，而國內(nèi)的大型沉井基礎(chǔ)仍主要以承載功能為主。因此，抗裂性能強、結(jié)合抗震等多功能的預應力混凝土、鋼混組合沉井等是發(fā)展的方向。

圖2 國內(nèi)外沉井基礎(chǔ)平面尺寸匯總

2 橋梁大型沉井基礎(chǔ)受力與變位理論

2.1 大型沉井基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受力理論

傳統(tǒng)的小平面面積沉井基礎(chǔ)施工全過程中主要以受壓為主，如圖3所示。圖中：G為沉井自重；Fc為施工荷載；FB為水浮力；Fs為側(cè)壁摩阻力；FR1和FR2為刃腳支撐反力；FN為井壁土壓力。

圖3 小平面沉井受力示意圖

大平面面積沉井基礎(chǔ)通常沿高度分多次接高施工，各施工階段的受力特性與安全更值得關(guān)注，特別是初始下沉階段沉井結(jié)構(gòu)受壓的同時還應考慮受彎受剪，如圖4 所示，圖中FR1—FRn為井墻刃腳和中墻基底支撐反力。

圖4 大平面沉井受彎示意圖

可見大型沉井在施工全過程中表現(xiàn)出與中小型沉井基礎(chǔ)完全不同的受力特性。此外，由于沉井基礎(chǔ)的平面尺寸及下沉深度越來越大，下沉過程中受地層不均勻性及阻礙物影響風險加大，大型沉井結(jié)構(gòu)在施工階段的荷載作用、受力狀態(tài)、傳力特性等方面均與使用階段不同，因此施工階段的受力安全性值得深入研究。除整體受力傳力安全外，大型沉井基礎(chǔ)設(shè)計時還需注重結(jié)構(gòu)構(gòu)造細節(jié)，尤其是刃腳及節(jié)點處構(gòu)造處理，確保沉井下沉過程中具有足夠的安全冗余度。

在沉井基礎(chǔ)施工至運營階段的受力理論研究中，主要包括沉井受力、基底土體受力以及兩者的仿真分析等研究工作。

1）沉井受力

沉井受力主要分為下沉力、下沉阻力2 大類，前者包括自重G及施工荷載Fc等，后者包括基底支撐力FRi、側(cè)壁摩阻力Fs及水浮力FB等，如圖3—圖4所示。沉井受力研究是確保沉井結(jié)構(gòu)安全及能否順利下沉的基礎(chǔ)，如Waley等［14］對蘇格蘭的4個陸地沉井進行實測和分析，并詳細研究了沉井施工過程中下沉力、下沉阻力等受力組成。

2）基底土體受力

基底土體受力研究是保證基底土體穩(wěn)定、沉井平穩(wěn)下沉的關(guān)鍵，包括土體極限承載力、變形以及相關(guān)計算參數(shù)等的研究。閆富有等［15］基于Prandtl理論，建立了考慮刃腳切土深度和形狀的近似滑移線場，并得出平面應變和圓形沉井極限承載力計算的理論解，并進一步對承載力與刃腳形狀和切土深度的關(guān)系進行了討論。Zhou等［16］基于淺基礎(chǔ)相關(guān)理論，通過大變形有限元方法模擬沉井在正常固結(jié)黏土中的下沉狀況，并分析了沉井在下沉過程中土體承載力和變形的特點。Chakraborty［17］通過極限分析法，對圓形沉井基礎(chǔ)的土體承載力特性進行了研究，分析了承載力系數(shù)隨著沉井半徑變化的規(guī)律，并進一步通過對深度寬度等的修正計算沉井基礎(chǔ)使用階段的承載能力。在土體承載力的計算中，有研究者針對各類修正系數(shù)、承載系數(shù)等開展研究，如Yoshiteura 等［18］假設(shè)土體為理想剛塑性，采用極限分析的方法探討了土體黏聚力和基礎(chǔ)周邊超載對其形狀修正系數(shù)的影響。Hjiaj 等［19］基于M-C 準則，通過極限分析法，研究了剛性基礎(chǔ)在基底無摩擦和有摩擦時的承載力系數(shù)Nγ的變化規(guī)律，并提出計算Nγ的新方法。Diaz-Segura 等［20］計算對比了已有的60 種計算Nγ的方法，發(fā)現(xiàn)不同方法計算的結(jié)果會存在較大的差異。

3）仿真分析

目前有很多學者進一步對沉井基礎(chǔ)施工至運營階段的受力進行細致的有限元仿真分析研究，計算中不需要對沉井結(jié)構(gòu)及地基土參數(shù)做很大的簡化，提高了計算結(jié)果的可靠性，如楊燦文等［21］對某大型懸索橋沉井基礎(chǔ)分別進行了三維有限元模型及二維平面模型計算，并分析其應力與變形結(jié)果；肖德存等［22］針對泰州長江大橋中塔沉井浮運及刃腳下土體被掏空的最不利工況，利用有限元對刃腳根部以上高度等于該處壁厚的一段井壁進行水平框架分析，得到內(nèi)力分布情況，結(jié)果表明最不利工況滿足設(shè)計內(nèi)力要求；穆保崗等［23］將沉井刃腳及內(nèi)隔墻下方土體支承簡化為Winkler 模型，用電算程序?qū)Τ辆诖箦伒组_挖及分區(qū)開挖工況下的內(nèi)力進行計算，得出分區(qū)開挖可明顯降低內(nèi)隔墻的彎矩等結(jié)論。

綜上所述，目前在沉井施工至運營階段，采用巖土力學理論及有限元分析結(jié)構(gòu)受力，并取得一定成果，但在大型沉井基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受力中，存在不足如下：

（1）施工中分多次接高的沉井結(jié)構(gòu)的受彎、受剪等復雜受力特性及相應承載能力的研究尚少；

（2）施工過程中最不利的控制工況理論研究極少，現(xiàn)有的研究主要基于沉井以理想姿態(tài)下沉，但其與實際狀態(tài)差距較大；

（3）既有沉井基礎(chǔ)受力理論以發(fā)生整體剪切破壞作為達到其極限承載力的標準，這種破壞模式并不適合實際受壓、彎、剪復合受力大型沉井基礎(chǔ)；

（4）有限元仿真計算中最不利工況考慮不足，大型沉井的有限元中沉井結(jié)構(gòu)與地基土的接觸大多基于理想狀態(tài)，而實際沉井下沉施工一直處于不均勻、不平衡受力狀態(tài)，甚至還出現(xiàn)沉井下局部支頂、大面積脫空等非常規(guī)工況，使得施工過程中不利受力工況的準確模擬存在相當大的難度，因而常規(guī)的工況模擬計算難以反映實際沉井施工過程中的復雜受力、甚至結(jié)構(gòu)混凝土被拉裂的情況。

可見，大型沉井基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的受力理論與驗算方法亟須提升。

2.2 大型沉井基礎(chǔ)下沉摩阻力理論

沉井下沉過程中刃腳端阻力和井壁摩阻力是平衡沉井自重等下沉力并保持沉井平緩下沉的支撐力，也是沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工工藝選擇和助沉措施使用的重要依據(jù)，目前通過現(xiàn)場測試及室內(nèi)實驗等方法［24-25］，在端阻力方面的研究已取得一定成果，如下沉初期，刃腳端阻力隨下沉深度的變化規(guī)律；刃腳下土體壓力松弛區(qū)對刃腳端阻力的影響規(guī)律等。在井壁摩阻力方面的研究主要集中在理論分析和室內(nèi)試驗［26］，對現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析還較少，摩阻力的變化模式也未得出相對統(tǒng)一的結(jié)論；同時目前在實際工程中這部分的計算設(shè)計具有較強的經(jīng)驗性，計算結(jié)果往往難以真實反映實際情況。

國內(nèi)外的學者對側(cè)壁摩阻力的研究主要采用現(xiàn)場原位監(jiān)測、室內(nèi)模型試驗、解析計算以及數(shù)值模擬等。如：Potyondy 等［27］對不同土層與不同剛性材料相接觸的摩擦系數(shù)進行了試驗研究，得出各種接觸類型的實測摩擦系數(shù)值，并指出摩擦系數(shù)與土體性質(zhì)等有較大關(guān)系；穆保崗等［28］通過實測得到土壓力及各土層的摩擦系數(shù)，進一步分析得出沉井下沉過程中“兩頭小、中間大”的側(cè)壁摩阻力分布形式，并對現(xiàn)行規(guī)范建議的分布特征與公式進行了修正；Wagner等［29］通過原位試驗，對井壁為直壁和有凹槽的沉井進行側(cè)壁摩阻力研究，得出井壁形式對側(cè)壁摩阻力影響較大等結(jié)論；梁穡稼等［30］基于平面滑裂面和極限平衡狀態(tài)假定，推導出土層為單一非黏土時沉井下沉的土壓力和側(cè)壁摩阻力計算公式，采用內(nèi)摩擦角和自重應力等效的方法將其推廣至成層黏土層中，為沉井摩阻力的計算方法提供了參考。

此外，對于高度大的大平面沉井基礎(chǔ)在下沉中后期面臨側(cè)壁摩阻力過大而引起滯沉等下沉困難的問題，下沉系數(shù)是判斷沉井在下沉過程中能否順利下沉的關(guān)鍵參數(shù)，為下沉力（沉井自重及施工荷載扣除浮力）與阻力（刃腳端阻力及側(cè)壁摩阻力）的比值，一般小于1.05時下沉就十分困難［8］。然而既有下沉系數(shù)計算公式是否適合大型沉井仍需探討。

綜上可知，目前通過室內(nèi)試驗及現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的分析，在刃腳端阻力及側(cè)壁摩阻力方面的研究已取得一定成果；但由于地層條件、測點布置、監(jiān)控手段等諸多因素的影響，目前對刃腳端阻力、側(cè)壁摩阻力相關(guān)機理及準確量化計算方面的細致研究還很局限。較多的研究集中于擬合出摩阻力側(cè)壁分布模式，雖然初步得出的分布模式與測得的土壓力值分布模式符合良好，但少有進一步的理論機理研究與下沉動態(tài)數(shù)值模擬分析，而且摩擦系數(shù)多通過室內(nèi)直剪試驗獲得，得出的結(jié)果經(jīng)常出現(xiàn)與現(xiàn)場實際結(jié)果差異較大的情況，在實際施工中，難以準確指導施工。

2.3 沉井基礎(chǔ)長期變位理論

沉井基礎(chǔ)在竣工后發(fā)生的長期變位主要包括均勻沉降及不均勻沉降、水平位移及轉(zhuǎn)角等，其主要原因有地基沉降、偏心荷載（橋墩偏心、地基反力不均勻等）傳遞、懸索橋大纜的水平力作用等。國內(nèi)外沉井基礎(chǔ)沉降、水平變位及轉(zhuǎn)角的研究相對簡單，相關(guān)研究主要集中于簡化理論及現(xiàn)場實測試驗。國內(nèi)早期沉井基礎(chǔ)大多修建在基巖上防止運營期間沉井基礎(chǔ)產(chǎn)生過大的變位并保證其穩(wěn)定性，而隨著南京長江大橋的修建，沉井基礎(chǔ)開始修建于軟土地基上。沉井基礎(chǔ)的長期變位對大橋運營影響顯著，而長期變位過程與運營階段結(jié)構(gòu)受力、土體特性等眾多因素有關(guān)，通過現(xiàn)有的計算模型——剛體模型和Winkler 彈性地基梁模型分析，其精度相對較低。Gerolymos［31］采用基于廣義Winkler 地基模型的非線性計算方法，計算沉井在水平靜載及循環(huán)荷載下的變位情況，其計算結(jié)果與實驗結(jié)果及有限元計算結(jié)果都能很好地吻合；Suryasentana等［32］進一步研究Winkler 模型在沉井基礎(chǔ)下線彈性土體特性的模擬應用；可見基于Winkler 彈性地基梁模型分析的方法仍是沉井變位計算的主要方法。對于水平荷載下的水平位移計算，Ibsen［33］通過室內(nèi)實驗和數(shù)值分析相結(jié)合的方法，對沉井基礎(chǔ)在波浪沖擊下的水平變位情況進行了研究，其采用考慮部分排水的單屈服面硬化模型計算結(jié)果比Duncan-Chang增量彈性模型更接近實驗結(jié)果；李家平等［34］通過縮尺模型試驗和有限元數(shù)值分析研究了主纜拉力對軟土地基中錨碇基礎(chǔ)變位的影響規(guī)律，得出在主纜拉力下，錨碇沉井基礎(chǔ)不僅有水平位移，還有剛體轉(zhuǎn)動發(fā)生，其變位與主纜拉力呈非線性關(guān)系；反映了2 種主要水平荷載下沉井位移計算方法和特點。此外，趙永輝等［35］通過模擬潤揚長江大橋沉井基礎(chǔ)實際受力，采用巖石雙軸流變試驗機開展了單軸壓縮蠕變試驗，并進行了參數(shù)擬合分析，初步得出軟巖蠕變的基本規(guī)律，為軟巖基礎(chǔ)的沉井變位計算提供參考。

可見，沉井基礎(chǔ)在偏心荷載和巨大的纜索拉力作用下的豎向不均勻變位和水平位移已經(jīng)有良好的研究成果，并實現(xiàn)相應位移的控制，但隨著沉井基礎(chǔ)尺寸變大、土層條件復雜性加劇，沉井基礎(chǔ)在長期荷載下的位移規(guī)律及機理、精確的位移量值等仍需要結(jié)合現(xiàn)場實測資料進一步研究。

3 橋梁大型沉井基礎(chǔ)施工及控制

沉井下沉施工工藝選擇需要考慮的因素眾多，既有結(jié)構(gòu)本身尺寸、重量、構(gòu)造特征等，又有橋址環(huán)境如工程地質(zhì)、水文條件、地形地貌等，并涉及施工控制及助沉措施等，上述因素綜合影響最終施工工藝的結(jié)果，也顯著影響沉井能否順利下沉到預定位置。隨著沉井基礎(chǔ)的規(guī)模不斷增大，傳統(tǒng)的施工工藝因大平面面積下復雜地基土、巖體特性的影響而面臨下沉困難、開挖不均勻、翻砂、突沉等風險，因此，安全、高效的成套施工工藝成為迫切需求。

3.1 沉井基礎(chǔ)下沉施工工藝

國內(nèi)橋梁大型沉井基礎(chǔ)的施工工藝均為結(jié)合實際情況充分優(yōu)化的結(jié)果，如滬通鐵路長江大橋［12］、五峰山長江大橋［3］的沉井基礎(chǔ)下沉均采用“多次接高、多次下沉”，排水與不排水相結(jié)合，分區(qū)開挖的施工工藝；五峰山長江大橋［13］沉井基礎(chǔ)下沉施工中除了采用了傳統(tǒng)的大鍋底開挖、分區(qū)開挖的工藝外，還研制了下沉初期的“角點支撐”均勻開挖及下沉后期環(huán)形開挖的施工工藝［4］。部分開挖方法如圖5所示，圖中填充墻體及陰影部分為土體保留區(qū)，空白部分為吸泥開挖區(qū)。

圖5 部分沉井基礎(chǔ)開挖方法

根據(jù)目前大型沉井基礎(chǔ)實際施工工藝調(diào)研，可以得出其施工工藝特點如下。

（1）在下沉方法上，與中小型沉井有了顯著的差異，中小型沉井常用的整體澆筑單次下沉的方法已不再適用，國內(nèi)外很多在建和已建的大型沉井基礎(chǔ)大多采用分次拼裝或澆筑、多次下沉的施工方法。

（2）下沉過程中應充分考慮基底巖土體的不均勻以及突沉、翻砂、管涌、流土等不利情況對沉井結(jié)構(gòu)造成的影響與下沉控制難度；單一的排水下沉不再適合大型沉井基礎(chǔ)，更多的是初期排水下沉、部分降排水下沉和不排水下沉相結(jié)合的方法。

（3）傳統(tǒng)的“大鍋底”開挖方法具有施工成熟、施工速度快等優(yōu)勢，但對沉井受力要求高，在大型沉井的下沉施工中已越發(fā)局限，由于平面尺寸增大，整個施工下沉過程中，沉井結(jié)構(gòu)受彎效應顯著，尤其是在首次下沉階段，沉井結(jié)構(gòu)底部承受較大拉應力。

（4）針對大型沉井結(jié)構(gòu)受力安全及均勻下沉的要求，沉井全倉室均勻開挖或多分區(qū)開挖、環(huán)形開挖等方式不斷發(fā)展，此類方法在沉井中部有足夠的支撐力，減小沉井受彎以及其他不利情況發(fā)生的概率。多分區(qū)及均勻開挖工藝便于控制沉井姿態(tài)，但施工下沉速度有所降低，并對沉井監(jiān)控要求更高。

（5）在大型沉井基礎(chǔ)下沉的中后期，因下沉深度的增加，沉井端阻力及側(cè)壁摩阻力更加復雜且分布不均勻，沉井結(jié)構(gòu)受力更為復雜，如何調(diào)整施工工藝，控制開挖的均勻性并結(jié)合監(jiān)控措施，避免滯沉及突沉等異常情況同樣非常關(guān)鍵。

3.2 沉井基礎(chǔ)助沉及糾偏等施工輔助措施

在大型沉井基礎(chǔ)全過程下沉中，為了解決沉井首次下沉階段易開裂、傾斜等問題，在下沉中后期易滯沉、翻砂、突沉、傾斜等不利情況，以及水中大噸位鋼殼沉井浮運、定位、著床等難點。一系列的施工輔助方法及助沉措施不斷發(fā)展。

1）沉井糾偏

沉井下沉是一個不斷糾偏的過程；在滬通鐵路、五峰山等長江大橋沉井基礎(chǔ)施工過程中偏吸土為應用較多的糾偏方法，下沉后期，以空氣幕糾偏為主、偏吸泥為輔的措施來保證沉井姿態(tài)［18，31-34］；當?shù)撞客馏w為黏土層時，吸泥設(shè)備難以直接將土體吸出；遇到孤石、局部硬巖則需要特殊處理，在楊泗港大橋沉井下沉時通過局部爆破取土的方式來解決局部下沉困難并防止沉井開挖偏位［31］。

2）沉井助沉措施

在大型沉井下沉中后期，隨著側(cè)壁阻力增大，易發(fā)生滯沉；降低沉井端阻力可以通過加強井孔內(nèi)吸泥實現(xiàn)；減小側(cè)壁摩阻力可采用高壓射水、砂套、觸變泥漿套等。另外一方面，避免沉井突沉的發(fā)生同樣十分重要，在軟土地基中，采用水泥攪拌樁加固地基，可以較好地控制沉井突沉、不均勻沉降；還可以在沉井井壁外側(cè)布置止水帷幕，阻止或減少基坑側(cè)壁及基坑底地下水涌入基坑，降低翻砂、涌土等風險。在沉井下沉中后期，主要通過有效井內(nèi)泥面標高監(jiān)控措施及數(shù)據(jù)分析來控制開挖量并盡量保證均勻開挖，避免滯沉及突沉。

3）深水沉井基礎(chǔ)施工

深水區(qū)沉井基礎(chǔ)通常采取底節(jié)鋼沉井或沉井鋼殼浮運到位，通過布置在井底及周圍的氣囊等來調(diào)整沉井角度并結(jié)合纜索等控制措施實現(xiàn)精確定位下沉著床，之后再進行井內(nèi)吸泥下沉。沉井定位過程中主要考慮風、水流和波浪等作用力的影響［2］。在滬通鐵路等長江大橋鋼沉井施工時，其底節(jié)采用鋼殼混凝土，通過整體出塢浮運使大噸位鋼沉井就位，布置在井底的氣囊調(diào)整角度進而實現(xiàn)沉井精確定位［11-12］。深水沉井基礎(chǔ)一般都位于大江或海洋中［36］，有效預防河床局部波流力對于沉井著床定位的影響［37］，以及沉井基礎(chǔ)就位至下沉至設(shè)計標高的全過程中風浪波流力作用對沉井結(jié)構(gòu)的不利影響是重要研究課題。

3.3 沉井施工監(jiān)測與控制

在超大型沉井基礎(chǔ)的下沉施工過程中，由于地基土、巖體的復雜性與不均勻性，沉井難以一直保持均勻下沉，甚至面臨翻砂、突沉等異常工況，因此及時發(fā)現(xiàn)沉井偏位、及時糾偏及異常工況控制措施必不可少。相應的智能化監(jiān)控系統(tǒng)、助沉措施以及糾偏、滯沉、翻砂控制措施顯得非常關(guān)鍵。五峰山、滬通鐵路長江大橋的沉井基礎(chǔ)在下沉施工中均通過信息化監(jiān)控系統(tǒng)對整個下沉過程結(jié)構(gòu)的應力應變、側(cè)壁土壓力等進行監(jiān)控，并對監(jiān)控數(shù)據(jù)進行實時分析，從而保證了沉井的順利下沉［4，12］。在大型沉井基礎(chǔ)施工過程中，為準確、及時獲取沉井下沉過程中關(guān)鍵部位的受力情況及整體位移情況，需要對沉井各施工狀態(tài)的重要參數(shù)進行實時監(jiān)測，還需對周圍相鄰建筑物的影響進行監(jiān)測。目前主要監(jiān)測內(nèi)容包括沉井幾何姿態(tài)監(jiān)測、受力狀態(tài)監(jiān)測和環(huán)境監(jiān)測；其中幾何姿態(tài)監(jiān)測包括平面位置偏差、傾斜度、扭轉(zhuǎn)角和下沉量，受力狀態(tài)監(jiān)測主要包括刃腳及井壁土壓力、沉井結(jié)構(gòu)應力等，環(huán)境監(jiān)測主要包括降水井水位監(jiān)測、泥面標高監(jiān)測、周圍主要構(gòu)筑物基礎(chǔ)沉降監(jiān)測等。大型沉井基礎(chǔ)下沉過程中監(jiān)測內(nèi)容及對應儀器等見表3。

表3 大型沉井基礎(chǔ)監(jiān)測內(nèi)容

傳統(tǒng)的人工監(jiān)測因測量周期長、數(shù)據(jù)處理慢、無法實時直觀地展現(xiàn)監(jiān)測結(jié)果等缺點，不適合大型沉井基礎(chǔ)的監(jiān)控。因此，大型沉井基礎(chǔ)在施工前通常研建一套適合于該項目的實時監(jiān)測系統(tǒng)，提供直觀的監(jiān)測界面，對沉井施工過程重要部位監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實時展示，并可對監(jiān)測數(shù)據(jù)超限情況進行預警。實時監(jiān)測系統(tǒng)應滿足實用、實時、同步、準確、統(tǒng)一的要求。信息化監(jiān)控系統(tǒng)采用前期分析、過程中受控、后期處理等一系列措施。圖6為五峰山長江大橋沉井基礎(chǔ)的實時監(jiān)控界面［4，12］。實時監(jiān)控準確可靠是建立在各監(jiān)控元件正常工作的基礎(chǔ)上，因此對各監(jiān)控元件都應有很好的保護。

圖6 監(jiān)控系統(tǒng)界面

4 橋梁大型沉井基礎(chǔ)研究的總結(jié)與展望

4.1 大型沉井基礎(chǔ)研究有待解決的課題

目前，盡管大型沉井基礎(chǔ)已經(jīng)不斷應用于實橋，相應研究工作也取得眾多成果，但在沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工等諸多方面仍存在有待進一步解決的課題。

（1）在沉井結(jié)構(gòu)受力安全方面，大型沉井結(jié)構(gòu)在施工下沉全過程中的靜動態(tài)受力特性并未探明，尚未形成沉井基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)荷載、施工控制工況、結(jié)構(gòu)與施工安全性等的設(shè)計理論。

（2）在下沉摩阻力方面，刃腳支反力及側(cè)壁摩阻力是沉井下沉過程中的最主要抗力，但目前在下沉摩阻力方面的理論研究仍較為缺乏，尚未厘清復雜土、巖體與沉井作用機理，更無行之有效的刃腳支反力、側(cè)壁摩阻力計算理論與公式；此外，由于現(xiàn)場監(jiān)測條件限制，使得實測結(jié)果存在很大波動，導致相關(guān)研究止步于土壓力和側(cè)壁摩阻力的簡化分布，未能進行更深入系統(tǒng)的機理研究。

（3）在深水沉井基礎(chǔ)波流力作用方面，深水沉井在施工階段的波流力直接影響下沉工藝及沉井定位精度，相關(guān)計算分析理論研究工作有待進一步發(fā)展；而沉井在長期運營中在波流水作用力及沖刷下的性能演化等相關(guān)研究工作才剛剛起步。

（4）在施工工藝及控制方面，主要是開挖或吸泥下沉并通過實時監(jiān)控及不斷糾偏來進行調(diào)整；在線監(jiān)測方法與手段雖有顯著進展，但在提前預警和數(shù)據(jù)快速處理方面仍有待提升；大型沉井下沉過程中異常工況如滯沉、偏位、突沉翻砂等的有效預防及控制對策尚不完善。

4.2 大型沉井基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受力和位移新理論

1）基于施工控制工況的沉井設(shè)計理論

下沉施工過程中，沉井會發(fā)生很多受力遠大于其就位后受力的情況，如初始下沉、不同步下沉、糾偏、翻砂、突沉等。深水沉井基礎(chǔ)還會面臨風浪波流力等［38］。對于大型沉井基礎(chǔ)首次下沉時沉井高度有限但平面尺寸很大，其底部受力普遍表現(xiàn)出大跨度梁、板的受力特點，沉井結(jié)構(gòu)的最不利應力很大可能出現(xiàn)在首次下沉階段。隨著下沉深度的增加，各種突發(fā)工況均有可能出現(xiàn)，因此研究沉井施工階段的控制工況，并通過沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足施工工況受力安全性要求以及地基承載力要求等沉井基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)新理論非常迫切。

2）下沉摩阻力理論

目前越來越多的理論研究聚焦于沉井下沉期間摩阻力變化情況及理論模型的推導；除現(xiàn)場測試、室內(nèi)試驗外，通過有限元模擬并結(jié)合全過程實時監(jiān)控獲得的數(shù)據(jù)進行分析提高了結(jié)果的可靠性，但其理論性及與現(xiàn)場偏差問題仍有待改進。在沉井實際下沉施工中，開挖下沉、穩(wěn)定、調(diào)整糾偏等工況交替進行，沉井結(jié)構(gòu)與周圍土體之間的動摩擦力與靜摩擦力相應地交替變化，相應靜、動摩擦力的量值與機理差異較大。在大型沉井下沉中后期，沉井滯沉、突沉易發(fā)，故對于將側(cè)壁摩阻力按照靜摩擦力、動摩擦力分開考慮非常必要，相關(guān)力學機理均需進一步深入研究。此外，土體的應力狀態(tài)受土層、施工荷載、開挖擾動的影響很大，土壓力在垂直方向并不呈線性變化規(guī)律，而且，土中地下水的分布區(qū)域和范圍對其同樣有影響，如何考慮眾多影響參數(shù)對土壓力和側(cè)壁摩阻力的影響也需深入研究。

3）長期位移理論

隨著國內(nèi)大跨徑橋梁的建設(shè)，越來越多的沉井基礎(chǔ)位于軟巖甚至軟土地基上，此時應充分考慮軟土地基的蠕變特性，通過有限元進行分析可以取得一定的效果，但精確模型的構(gòu)建及周邊土體參數(shù)的模擬較為復雜，因此有必要在此方面加強研究。此外，沉井基礎(chǔ)在偏心荷載、水平力、基底不均勻沉降等作用下的位移發(fā)生機理，以及由變位引起沉井基礎(chǔ)上的橋墩、錨碇發(fā)生水平位移及轉(zhuǎn)動量值，進而影響主橋及引橋的受力特性及橋面線形情況，特別是鐵路橋梁軌道的平順性及行車安全性，均需要進一步研究；因此在對沉井基礎(chǔ)變位方面，需要更為準確的施工直至運營階段全壽命周期計算理論與算法研究，為沉井基礎(chǔ)變位控制、確保橋梁運營階段的受力合理性及適用性能提供保障。

4.3 大型沉井基礎(chǔ)新結(jié)構(gòu)

由于平面尺寸的不斷增大，沉井結(jié)構(gòu)由傳統(tǒng)的抗壓、抗剪為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐钥箯?、抗扭、抗壓綜合受力。而目前國內(nèi)的沉井基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主要為鋼筋/鋼殼混凝土結(jié)構(gòu)，不利于施工階段的受力且限制了沉井尺寸的進一步發(fā)展。沉井設(shè)計方面，可以通過適當增加底部配筋率或加強混凝土與鋼殼的黏結(jié)性提高結(jié)構(gòu)的抗裂性；當沉井平面尺寸不小于4 000 m2時，可以考慮在底節(jié)沉井四周及中部布置預應力鋼束提高結(jié)構(gòu)的承載能力及抗裂性能，如圖7所示。

對于超大型沉井基礎(chǔ)，應結(jié)合施工方案進行施工階段受力特性分析，可以考慮高標號混凝土、部分預應力、預應力結(jié)構(gòu)、鋼混組合結(jié)構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)沉井的應用等。此外，沉井結(jié)構(gòu)構(gòu)造連接的改進，如裝配式井壁刃腳和隔墻刃腳，裝配式的刃腳與沉井井身之間連接為鉸接，在井身受彎時可適應沉井變形，避免參與整體受力。通過沉井基礎(chǔ)新結(jié)構(gòu)的引入及構(gòu)件的不斷優(yōu)化，大平面沉井基礎(chǔ)可靠性及施工便捷性將不斷提高，如采用鋼結(jié)構(gòu)、預應力混凝土結(jié)構(gòu)提升沉井的抗彎、抗扭、抗裂性能及傳統(tǒng)下沉施工工藝適用性，沉井平面面積可繼續(xù)發(fā)展；采用高標號混凝土預應力沉井結(jié)構(gòu)或鋼混組合沉井，沉井平面面積理論上可達到1萬m2以上。

4.4 沉井基礎(chǔ)施工控制新技術(shù)

計算機仿真、實時監(jiān)測新技術(shù)等的飛速發(fā)展推動了沉井基礎(chǔ)施工控制技術(shù)的發(fā)展，從前期的施工可行性研究、施工工藝設(shè)計、仿真分析等，到施工中的運輸拼裝、精確下沉、實時監(jiān)測與分析等，施工控制技術(shù)，已經(jīng)成為影響沉井下沉施工順利的關(guān)鍵。

在沉井施工監(jiān)控技術(shù)方面除了目前工程中大量應用的實時在線監(jiān)測系統(tǒng)外，一些新技術(shù)也逐漸在沉井的施工監(jiān)控中發(fā)生重要作用，如三維聲吶可在沉井不排水下沉到一定深度后對井內(nèi)土體標高進行測量及水下成像，能夠清晰準確判斷倉室泥面及井壁的狀態(tài)，還可以判斷刃腳埋深及刃腳是否處于懸空狀態(tài)，水下混凝土是否填充到位等，為進一步吸泥施工做出準確指導；監(jiān)測去噪技術(shù)利用小波去噪等降噪方法對沉井監(jiān)測系統(tǒng)中三維運動姿態(tài)自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理，降低多路徑效應等隨機誤差的影響，進而保證監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準確性；通過水下機器人攜帶的高清光學攝像頭對各井孔進行水下探摸及攝像，判斷井壁和刃腳是否脫空，從而確認水下土體開挖均勻性，并保證封底混凝土與井壁及刃腳之間的良好黏結(jié)。

此外，開展沉井基礎(chǔ)施工風險評估，辨識出施工各階段可能存在的風險因素，通過系統(tǒng)化的風險指標量化評選出中、高風險源，對其采取有針對性的控制措施及預案，從而將風險因素控制在可接受的范圍內(nèi)，同樣有助于沉井的順利施工?？茖W合理的風險評估能夠有效降低工程出險的可能性和事故造成的損失影響，對保證工程安全性、提高工程質(zhì)量、獲得最佳經(jīng)濟效益和社會效益具有重大意義。

5 結(jié) 語

近十多年來，國內(nèi)橋梁大型沉井基礎(chǔ)發(fā)展迅猛，平面面積已超過7 000 m2，但目前相關(guān)大型沉井結(jié)構(gòu)理論、下沉施工工藝與控制、下沉摩阻力、突沉翻砂異常工況機理等理論方面尚缺乏系統(tǒng)研究。大型沉井下沉施工控制工況、施工過程中沉井受力與變形等理論同樣尚待發(fā)展；下沉施工過程中的沉井摩阻力理論有一定研究成果，但相關(guān)刃腳端阻力、側(cè)壁摩阻力等力學機理及隨下沉過程的變化規(guī)律有待于進一步研究；沉井施工工藝與監(jiān)控技術(shù)正快速發(fā)展，但異常工況如突沉、翻砂、滯沉等的發(fā)生機理與預防、解決機制有待進一步發(fā)展。

大型沉井基礎(chǔ)的施工工藝和施工控制，因其平面尺寸、自重等的增大發(fā)生根本性變化，分區(qū)開挖、倉室均勻開挖等細化施工工藝取代傳統(tǒng)的“大鍋底”開挖以利于沉井結(jié)構(gòu)受力。同時，更高效、安全的助沉措施如空氣幕、射水等也不斷發(fā)展并綜合應用。信息化的實時在線施工監(jiān)控技術(shù)發(fā)揮著越來越重要的作用，即時反饋沉井受力、幾何參數(shù)、水位、泥面標高、周圍構(gòu)筑物的實時情況并實施提前、及時的決策，避免及減小施工風險損失。以聲吶技術(shù)、水下機器人等為代表的下沉監(jiān)測技術(shù)，可提高沉井的下沉效率和安全性，是沉井基礎(chǔ)安全施工進一步發(fā)展的重要支撐。

當前，沉井基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主要為鋼筋、鋼殼混凝土結(jié)構(gòu)，不利于施工階段受力且限制了沉井尺寸的發(fā)展；發(fā)展預應力混凝土、鋼混組合、鋼結(jié)構(gòu)沉井等新結(jié)構(gòu)代替常規(guī)的鋼筋混凝土沉井，大幅提升沉井結(jié)構(gòu)抗彎、抗裂性能；并在既有設(shè)計施工經(jīng)驗積累、信息化等技術(shù)的支撐下，沉井平面面積可繼續(xù)發(fā)展，有望達到1萬m2以上。