武漢鸚鵡洲長江大橋北錨碇下沉期防護方案數值分析

王艷麗，何 波，饒錫保，陳 云，徐 晗

（1.長江科學院水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010；2.武漢天興洲道橋投資開發有限公司，武漢 430011）

武漢鸚鵡洲長江大橋北錨碇下沉期防護方案數值分析

王艷麗1，何 波2，饒錫保1，陳 云1，徐 晗1

（1.長江科學院水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010；2.武漢天興洲道橋投資開發有限公司，武漢 430011）

采用大型有限差分軟件FLAC3D，建立了武漢鸚鵡洲長江大橋北錨碇沉井基礎的整體三維有限差分計算模型。對無地下防護墻（方案1）、地下防護墻入土深度50 m（方案2）及入土深度55 m（方案3）3種不同防護措施下沉井的下沉過程進行了數值仿真研究。分析了3種方案下沉井動態施工過程中沉井結構和周圍地基土體的應力和變形特征，評價了不同防護措施的防護效果，為確定合適的地下防護墻入土深度提供了依據，并對設計方案的合理性進行論證。研究結果表明：3種方案下，沉井結構和周圍地基土體的應力變形隨開挖步驟的變化規律基本相似，入土深度越深，沉井及周圍土體的變形相對減小而應力變化不大，但程度有限。防護墻的主要作用在于防治沉井下沉過程中出現的翻砂等不利情況，因此地下防護墻的入土深度需穿過砂層，沉井下沉翻砂時切斷砂源，減少防護墻外地面變形。

武漢鸚鵡洲長江大橋；北錨碇；沉井基礎；地下防護墻；FLAC3D

1 研究背景

隨著國內大跨度橋梁不斷的涌現，沉井由于其剛度大、經濟性好的特點，越來越多地應用于橋梁深水基礎和懸索橋錨碇基礎，如1999年建成的江陰長江公路大橋北錨碇采用矩形沉井基礎［1］，目前在建的泰州長江公路大橋中塔采用水中沉井基礎［2－3］，擬建的武漢鸚鵡洲長江大橋北錨碇采用圓形沉井基礎。在過去的一段時間內，國內外相關學者在沉井基礎的計算方法及下沉工藝等方面也開展了相關的研究，取得了大量的研究成果。張志勇、陳曉平等［4］（2001）對海口世紀大橋沉井基礎下沉阻力的現場監測資料進行了全面的整理與分析，得出了大型沉井基礎下沉過程中側摩阻力呈上下小、中間大的拋物線型的分布規律，并據此提出了不同于現行規范的沉井下沉側摩阻力的分布模式。穆保崗、朱建民等［5］（2010）結合南京長江4橋北錨碇沉井的施工特點，在現場抽水試驗基礎上，綜合確定了沉井排水下沉期間的滲透系數，由此理論計算單井出水量、總涌水量等并進行排水設計，對沉井下沉過程進行了排水分析。夏國星、杜洪池［6］（2010）以泰州大橋北錨碇沉井基礎為例，介紹了超大型沉井降排水施工的降排水下沉施工工藝。楊燦文、黃民水［7］（2010）采用Midas Civil軟件建立了沉井基礎的平面和空間實體有限元計算模型，對某錨碇沉井基礎施工關鍵技術進行平面和空間受力分析，得到沉井的隔墻與井壁在施工階段的受力特征。然而以往對于復雜受力條件下大型沉井基礎的驗算工作大多局限于沉井下沉期間結構受力狀態和施工控制［8］，對于沉井的本身結構受力一般采取平面的簡化計算，計算方法偏于保守，往往造成設計的浪費，并且未能反應沉井的實際受力狀況。同時在整個施工過程中地基基礎的應力應變分布規律及變形控制措施方面，尚未見相關研究。

武漢市鸚鵡洲長江大橋位于武漢市中心城區，北接漢陽的馬鸚路，南連武昌的復興路。橋址距下游長江大橋2.0 km，是武漢市首座雙向8車道長江大橋。主梁跨徑為（200＋2×850＋200）m；主纜分跨布置為（225＋2×850＋225）m。該橋的結構造型不僅在長江上獨無僅有，也是世界上跨度最大的三塔四跨懸索橋［9］。主塔墩基礎形式采用鉆孔灌注樁基礎，北錨碇采用沉井基礎，南錨碇采用地下連續墻基礎。鸚鵡洲大橋北錨錠位于漢陽中心城區，沉井基礎中心距長江大堤僅108 m，距已建54層高樓為138 m，基底位于地面以下約50 m，由于受到周圍環境的限制，其施工風險較一般懸索橋大。擬采用不排水下沉方案，并在基礎外圍設置防護帷幕以保護周圍土體不被破壞，從而避免周邊建筑物出現不均勻沉降破壞。武漢鸚鵡洲大橋北錨碇基礎工程是全橋難度最高的施工項目之一，也是全橋工程的關鍵點。北錨沉井基礎施工中技術要求之高、方法之新、開挖之深在國內外均處于領先地位。同時大型基礎結構及大深度臨江基坑施工過程中，其自身的穩定及可能引起周邊建筑物的變形及控制等問題是設計施工中的關鍵技術問題。

針對鸚鵡洲長江大橋北錨碇沉井基礎結構及大深度臨江基坑施工過程的復雜性及動態不確定性等特點，本文主要采用數值仿真計算的方法對基礎的動態施工過程進行分析，評估其施工期安全性能和施工引起的環境效應等，比較初步選定的各種防護措施的防護效果，通過研究對設計方案的合理性進行論證，為工程的設計和施工提供有益的借鑒和參考。

2 工程概況

2.1 場地工程地質條件

北錨碇位于漢陽江灘北側（錨碇中心里程CK9＋787），地處一級階地前沿，錦繡長江住宅樓基坑開挖時堆土于此，形成較大堆土區，地表高低起伏不平，地面高程25.1～31.2 m。錨碇處覆蓋層厚77.8～81.8 m，表部為堆填土，厚度5～8m，堆土中存在巨塊石，直徑3～4 m。第四系覆蓋層上部為②1層軟塑狀粉質黏土（厚度3.6～4.4 m）；中部為②4層中密狀細砂（厚度20.7～22.0 m）、②5層密實狀中砂（厚度11.0～12.1 m）；下部為③1層密實狀礫砂（厚度7.6～11.2 m）、③2層圓礫土（厚度15.0～16.0 m）及③3層可塑狀黏土（厚度7.5～10.7 m）。礫砂及圓礫土中含少量卵石，粒徑以2～5 cm為主，最大粒徑10 cm左右，卵石成份主要為石英巖、石英砂巖。下伏基巖為志留系中統墳頭組（S2f）泥巖，巖面高程－56.55～－52.75 m。受斷裂構造影響，巖石破碎，裂隙極發育，巖石多呈碎塊狀，質軟，手可掰斷。

2.2 北錨碇沉井基礎結構形式

沉井基礎選擇圓形截面，結合梁懸索橋方案沉井基礎結構圖見圖1所示。沉井外輪廓直徑66.0 m，高為41.5 m，共為8節，底節厚6.0 m，為鋼殼混凝土；其余各節為鋼筋混凝土。基底以密實的礫砂為持力層。沉井截面為環形，中間設置直徑41.4 m的空心圓；環形壁厚12.3 m，內部沿圓周均勻布置16個直徑8.7 m的空心圓。考慮錨固系統進入井內約9.5 m，沉井第7節將后端井壁厚度設置為1.4 m，中間設置為空心。沉井井蓋前端厚6.0 m，后端厚9.5 m。封底采用水下C30混凝土，厚10 m。井內空腔后端填入C20的素混凝土，前端充水，以平衡基底前后端應力，采用不排水下沉方案。為了降低沉井施工對錨碇周圍建筑物和大堤的影響，擬在距沉井外輪廓10m處設計厚度為0.8 m的圓形鋼筋混凝土防護墻。

圖1 沉井基礎結構圖Fig.1 Draw ing of the open caisson foundation structure

3 計算模型

3.1 模型范圍及土層組

按照工程經驗和前人已有的成果，對于模型范圍的選取，擬定為：x方向（即順橋方向）取值為－200 m至200 m；y方向（即順河流方向）取值為－150 m至150 m）；考慮到建模的方便，將模型中z＝0的位置選取在地表，z方向另一邊界取地面以下80 m位置處。對土層走向有較小高差傾斜的取與橋墩中心線相交的水平面為分界面，土層參數延深度變化不大且土層厚度較小的兩層或多層土可并為一層，概化后的土層共有6層：①填筑土層，層厚2.7 m；②粉質黏土層，層厚3.6 m；③細砂層，層厚36.2 m；④圓礫土層，層厚22.6 m；⑤黏土層，層厚10.65 m；⑥破碎泥巖，4.25 m。其中上部邊界為自由邊界，下部邊界為固定邊界，四周邊界取為截斷邊界。圖2為沉井周圍土體計算分層示意圖。

圖2 北錨沉井周圍土體計算分層示意圖Fig.2 Schematic of soil layers around the north anchorage open caisson for calculation

3.2 計算參數

根據設計部門提供的《武漢鸚鵡洲長江大橋初勘工程地質勘察報告》［10］中提供的土體物理力學指標成果表確定出部分土層的基本計算參數，對于勘察報告沒有給出的土層，其參數則根據《工程地質手冊（第四版）》［11］類比確定。本項研究中，土的塑性模型選取Mohr-coulomb模型，沉井基礎混凝土結構和地下防護墻均視為線彈性材料采用彈性模型。最終確定的計算參數如表1所示。

表1 模型計算參數Table 1 Calculation parameters of themodel

3.3 網格劃分

采用FLAC3D有限差分軟件［12］進行沉井施工過程的模擬，沉井與土體之間建立接觸面以考慮兩者之間的相互作用，采用移來移去法建立接觸面。計算中對沉井、土體以及地下防護墻均采用了三維實體單元模擬，單元為8節點六面體單元，根據前面的計算范圍及土層分布建立三維實體分析模型，共劃分實體單元96 471個，網格節點103 779個，模型的初始網格見圖3所示，沉井網格見圖4所示，沉井典型施工階段模型的網格圖（取局部范圍）見圖5。其中第1、第2節沉井一起下沉，第7節至第8節沉井結構發生變化。

圖3 模型初始網格Fig.3 Initialmeshes of themodel

圖4 沉井網格Fig.4 M eshes of the open caisson

圖5 第8節下沉后沉井模型網格Fig.5 M eshes of the open caisson model after the sinking of the eighth section

3.4 計算方案

為確定合理的沉井外圍防護墻深度，比較不同防護墻深度方案對沉井變形及環境影響的控制效果，在以上所建立的數值仿真模型的基礎上，考慮無地下防護墻、地下防護墻2種不同的入土深度（50 m，55 m），進一步分析3種防護墻深度方案下沉井下沉過程中沉井基礎的應力應變狀態及地基土的變形分布規律。

4 計算結果分析

4.1 沉井結構的應力變形

沉井下沉過程中，第1節到第8節下沉后，沉井結構的最大主應力主要表現為拉應力，最大拉應力發生在沉井中間和周圍小空心圓內壁的上部；最小主應力主要表現為壓應力，最大壓應力發生的部位出現在沉井中間和周圍小空心圓內壁的中下部。在土體開挖沉井下沉的過程中，沉井結構作為土體變形的防護結構，則重點分析其側向變形。圖6給出了方案3中沉井典型施工階段的水平位移云圖。沉井下沉過程中，3種方案下沉井結構的水平位移變化規律基本相似。

從第1節到第6節，沉井結構的水平位移沿x＝0面呈對稱分布的狀態，最大水平位移出現在沉井結構的頂部和底部，使沉井結構頂部有向外“張開”，底部有向內“收緊”的趨勢；從第7節到第8節，由于沉井前后結構不同，導致沉井結構的變形與前幾節下沉后的變形狀態明顯不同，最大水平位移出現在沉井結構的底部，使沉井結構底部有向內“收緊”的趨勢，且最大位移隨著下沉節數的增加而增大。3種方案下，沉井分節下沉過程中，沉井結構的應力變形特征值見表2所示。

圖6 沉井典型施工階段的水平位移云圖Fig.6 Horizontal displacement of the open caisson model in typical construction stage

由表2可知，3種方案下，地下防護墻入土深度越深，沉井的應力變化不大而變形相對減小，但減少的程度十分有限，這可能是由于沉井剛度較大的緣故。考慮到錨碇基礎持力層上面為礫砂層，如沉井下沉過程出現翻砂等不利情況，則防護墻的入土深度至少要穿過砂層，沉井下沉出現翻砂情況時可及時切斷砂源，減少防護墻外地面變形。

4.2 沉井周圍土體的應力變形

沉井分節下沉和不斷接高的過程中，沉井周圍土體的最大、最小主應力均表現為壓應力，壓應力隨著土層深度的逐漸增加而增大。3種方案下，沉井分節下沉過程中，沉井周圍土體的應力變形特征值見表3所示。

由表3可知，3種方案下，沉井分節下沉和不斷接高的過程中，其周圍土體的最大、最小主應力極值基本不變，最大主應力極值（壓應力）為0.945 MPa，最小主應力極值（壓應力）為1.567 MPa。

表2 沉井結構應力變形特征值Table 2 Characteristic values of the deformation and stress of open caisson

表3 沉井周圍土體應力變形特征值Table 3 Characteristic values of the deform ation and stress of soils around the open caisson

沉井分節下沉和不斷接高的過程中，由于土體的開挖卸荷回彈，導致基坑底部土體不同程度的向上隆起。坑底的隆起量隨著下沉節數的增加而呈逐漸增大的趨勢。方案1，坑底各下沉節數最大隆起范圍為11.211～27.664 cm；方案2，坑底各下沉節數最大隆起范圍為10.927～27.347 cm；方案3，坑底各下沉節數最大隆起范圍為10.927～27.210 cm。由此可知，地下防護墻的存在使坑底隆起量相對減小，且入土越深，坑底的隆起量相對越小，但減小程度十分有限，僅從受力角度分析，沉井結構的維護起了主要作用，防護墻的作用相比較小，防護墻的主要作用在于防治沉井下沉過程中出現的翻砂等不利情況。

5 結 論

（1）沉井分節下沉和不斷接高的過程中，最大拉應力發生在沉井中間和周圍小空心圓內壁的上部，最大壓應力發生的部位出現在沉井中間和周圍小空心圓內壁的中下部。第8節下沉后，在沉井內壁的中部出現拉應力，同時由于沉井前后結構不同，導致沉井結構的變形與前幾節下沉后的變形狀態明顯不同，最大水平位移出現在沉井結構的底部，使沉井結構底部有向內“收緊”的趨勢，且最大位移隨著下沉節數的增加而增大。

（2）沉井分節下沉和不斷接高的過程中，其周圍土體的最大、最小主應力極值基本不變；同時由于土體的開挖卸荷回彈，導致基坑底部土體不同程度的向上隆起。坑底的隆起量隨著下沉節數的增加而呈逐漸增大的趨勢。

（3）3種方案計算成果對比分析可知，沉井結構和周圍地基土體的應力變形隨開挖步驟的變化規律基本相似，入土深度越深，沉井及周圍土體的應力變化不大而變形相對減小，但程度有限。因此，防護墻的主要作用在于防治沉井下沉過程中出現的翻砂等不利情況，因此地下防護墻的入土深度需穿過砂層沉井下沉翻砂時切斷砂源，減少防護墻外地面變形。

［1］ 吉 林，馮兆祥，周世忠.江陰大橋北錨沉井基礎變位過程實測研究［J］.公路交通科技，2001，18（3）：33－35.（JI Lin，FENG Zhao-xiang，ZHOU Shi-zhong.Study on Jiangyin Bridge North Anchoring Sunk Shaft Foundation Displacement Process［J］.Journal of Highway and Transportation Research and Development，2001，18（3）：33－35.（in Chinese））

［2］ 陶建山.泰州大橋南錨碇巨型沉井排水下沉施工技術［J］.鐵道工程學報，2009，（1）：63－66.（TAO Jianshan.Construction Technology for Draining-Sinkage for South Caisson Anchorage to Taizhou Yangtze River Highway Bridge with Large-Size Sunk Well［J］.Journal of Railway Engineering Society，2009，（1）：63－66.（in Chinese））

［3］ 王衛忠.沉井下沉技術在泰州長江公路大橋北錨碇中的應用［J］.交通科技，2009，233（2）：21－24.（WANG Wei-zhong.Application of Caisson Sinking Technology at North Anchorage to Taizhou Yangtze River Highway Bridge［J］.Transportation Science＆Technology，2009，233（2）：21－24.（in Chinese））

［4］ 張志勇，陳曉平，茜平一.大型沉井基礎下沉阻力的現場監測及結果分析［J］.巖石力學與工程學報，2001，20（增l）：1000－1005.（ZHANG Zhi-yong，CHEN Xiao-ping，QIAN Ping-yi.In-situ Testing Study on Side Friction of Large Scale Open Caisson in Sinking［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics，2001，20（Sup.1）：1000－1005.（in Chinese））

［5］ 穆保崗，朱建民，龔維明，等.南京長江4橋北錨碇沉井的排水下沉分析［J］.土木建筑與環境工程，2010，32（5）：135－141.（MU Bao-gang，ZHU Jian-min，GONG Wei-ming，et al.Dewater Sinking Analysis of North Anchorage Caisson for the Fourth Nanjing Yangtze River Bridge［J］.Journal of Civil Architectural＆Environmental Engineering，2010，32（5）：135－141.（in Chinese））

［6］ 夏國星，杜洪池.超大型沉井降排水下沉施工［J］.中國工程科學，2010，12（4）：25－27.（XIA Guo-xing，DUHong-chi.Water Dredging Construction Method of the Super Scale Caisson［J］.Chinese Engineering Science，2010，12（4）：25－27.（in Chinese））

［7］ 楊燦文，黃民水.某大型沉井基礎關鍵施工過程受力分析［J］，華中科技大學學報（城市科學版），2010，27（1）：17－21.（YANG Can-wen，HUANG Min-shui.Mechanical Analysis on Key Construction Stages of a Large Open Caisson Foundation［J］.Journal of Huazhong University of Science and Technology（Urban Science E-dition），2010，27（1）：17－21.（in Chinese））

［8］ 李宗哲，朱 婧，居炎飛，等.大型沉井群的沉井下沉阻力監測技術［J］.華中科技大學學報（城市科學版），2009，26（2）：43－46.（LIZong-zhe，ZHU Jing，JU Yan-fei，et al.Monitoring Technique for Sinking Resistance of Large Caisson Group［J］.Journal of Huazhong University of Science and Technology（Urban Science E-dition），2009，26（2）：43－46.（in Chinese））

［9］ 李明華，劉海亮，王忠彬.武漢市鸚鵡洲長江大橋散索鞍座新型結構設計［J］.鐵道工程學報，2011，（7）：64－67.（LIMing-hua，LIU Hai-liang，WANG Zhongbin.Innovative Structural Design of Splay Saddle of Yingwuzhou Yangtze River Bridge［J］.Journal of Railway Engineering Society［J］.2011，（7）：64－67.（in Chinese））

［10］中鐵大橋勘測設計院有限公司.武漢鸚鵡洲長江大橋初勘工程地質勘察報告［R］.武漢：中鐵大橋勘測設計院有限公司，2009.（China Railway Major Bridge Reconnaissance＆Design Institute Co.，Ltd..Report of Geological Investigation of the Preliminary Engineering Survey ofWuhan Yingwuzhou Yangtze River Bridge［R］.Wuhan：China Railway Major Bridge Reconnaissance＆Design Institute Co.，Ltd.，2009.（in Chinese））

［11］常士驃，張蘇民.工程地質手冊（第四版）［M］.北京：中國建筑工業出版社，2008.（CHANG Shi-biao，ZHANG Su-min.Engineering Geology Manual（The Fourth Edition）［M］.Beijing：China Architecture＆Building Press，2008.（in Chinese））

［12］Itasca Consulting Group，Inc.FLAC3D-Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3-Dimensions［R］.Minneapolis，Minnesota：Itasca Consulting Group，Inc.，2000.

（編輯：曾小漢）

Numerical Analysis on the Protection Scheme During the Sinking of North Anchorage Open Caisson of W uhan Yingwuzhou Yangtze River Bridge

WANG Yan-li1，HE Bo2，RAO Xi-bao1，CHEN Yun1，XU Han1
（1.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the MWR，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2.Wuhan Tianxingzhou Highway＆Bridge Investment Development Co.，Ltd.，Wuhan 430011，China）

The present research is to investigate the protection schemes for the open caisson foundation of bridges.The north anchorage open caisson of Yingwuzhou Yangtze River bridge in Wuhan is taken as a case study.Finite difference software FLAC3Dwas employed to establish a holistic 3-D finite difference computationmodel of the caisson.Three protection schemeswere selected：open caisson with no underground protectivewall（case 1），with the underground protectivewall of50m depth（case 2），and underground protectivewall of55m depth（case 3）.The dynamic undrained sinking process of the north anchorage caisson were simulated，and the stress and deformation characters of the structure and the surrounding soil during the sinking processwere analyzed.Moreover，the effect of the protection measures were evaluated，which provided basis for the determination of appropriate depth of the underground protectivewall.And the rationality of the design scheme was verified aswell.Results showed that the laws of deformation and stress variation of the caisson and its surrounding soil in the three caseswere generally similar：deformation of the caisson and its surrounding soil decreased slightlywith the increase of buried depth of underground protective wall，while the stress remained constant.Since the protectivewall is to prevent quicksand in the process of sinking，it should penetrate through the sand layer to cut off the sand source in order to reduce ground deformation.

Wuhan Yingwuzhou Yangtze River bridge；north anchorage；open caisson foundation；underground protective wall；FLAC3D

P 642

A

1001－5485（2012）11－0062－06

10.3969／j.issn.1001－5485.2012.11.014

2012－01－05；

2012－03－21

國家自然科學基金資助項目（51109013）；長江科學院中央級公益科研院所基本科研業務費項目（CKSF2010002，CKSF2012054）；巖土力學與工程國家重點實驗室資助課題（Z012009）

王艷麗（1981－），女，河南平頂山人，工程師，博士，主要從事土動力學及土工抗震領域的研究，（電話）027－82829743（電子信箱）wyldhh＠126.com。