連鎮(zhèn)鐵路五峰山長江大橋北錨碇沉井下沉對周邊環(huán)境的影響

高昊

（中國鐵路上海局集團有限公司南京鐵路樞紐工程建設指揮部，南京 210042）

大跨度懸索橋錨碇沉井基礎已有眾多工程案例。針對沉井施工對周邊環(huán)境的影響已經(jīng)取得了不少研究成果。李德［1]介紹了洞庭湖大橋組合式沉井施工關鍵技術。羅實瀚等［2]提出地錨式沉井壓入施工方案，并對壓沉過程中現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，探討了地錨式沉井施工對周邊環(huán)境的影響。穆保崗等［3]認為沉井下沉過程中井內(nèi)掏土會引起井外原狀土體位移，不同深度處土層位移不一致。米長江等［4]對馬鞍山長江公路大橋南錨碇沉井下沉過程進行了監(jiān)測和分析，發(fā)現(xiàn)采取3 次接高、3 次下沉方案時對稱開挖、啟動空氣幕助沉有助于沉井平穩(wěn)安全下沉。劉毅等［5]研究發(fā)現(xiàn)沉井降水會引起地下水滲流形成滲流場，新水面線上部的土體由浮重度變化為飽和重度會增大周邊土體固結值，從而引起周邊地表沉降。鄧友生等［6-7]結合現(xiàn)場沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，對沉井結構及其周圍的地下連續(xù)墻進行了有限元分析，探索了沉井下沉對周邊鄰近高層建筑與堤岸構筑物的影響。朱建民、穆保崗等［8-9]認為根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測和有限元分析結果準確、及時地調(diào)整開挖方案能夠保證沉井安全下沉。鐘永新［10]分析指出，采用預留核心土滯后開挖和空氣幕輔助下沉能有效控制沉井底部拉應力，確保沉井安全下沉。

以往沉井平面尺寸一般較小，沉井施工對周邊建（構）筑物影響相對較小。連云港—鎮(zhèn)江鐵路五峰山長江大橋北錨碇沉井平面尺寸超過7200 m2，且沉井臨近一座1965年建成的百米高混凝土高壓電塔、長江大堤及多處民房。為確保沉井結構及周邊建（構）筑物的安全，本文通過模擬計算和現(xiàn)場監(jiān)測分析沉井下沉對周邊環(huán)境的影響規(guī)律，以便提前預警，制定相應措施。

1 工程概況

圖1 五峰山長江大橋北錨碇沉井基礎平面布置（單位：m）

五峰山長江大橋主橋為跨度（84+84+1092+84+84）m 的鋼桁梁懸索橋。大橋北錨碇沉井基礎（圖1）尺寸為100.7 m（長）×72.1 m（寬）×56.0 m（高）。沉井共分10節(jié)，第1節(jié)為鋼殼混凝土沉井，高8 m，第2至第10 節(jié)為鋼筋混凝土沉井，其中第2 節(jié)高6 m，第3 節(jié)至第8 節(jié)高均為5 m，第9 節(jié)高4 m，第10 節(jié)高8 m。沉井封底混凝土厚12 m。沉井頂面設計標高為+1.0 m，基底設計標高為-55.0 m。

根據(jù)五峰山長江大橋工程地質(zhì)勘查報告，土層主要參數(shù)見表1。

表1 土層主要參數(shù)

2 沉井下沉施工數(shù)值模擬分析

2.1 計算模型

采用有限元計算軟件，根據(jù)沉井實際尺寸構建數(shù)值計算模型，模型尺寸為700 m（長）×700 m（寬）×90 m（高），如圖2 所示。土體采用實體單元，頂面為自由面，對模型底面水平方向和垂直方向、側面水平方向進行約束。

圖2 數(shù)值計算模型

2.2 計算工況

五峰山長江大橋北錨碇沉井下沉分三個階段。第一階段采用高壓射水和十字開槽法下沉至標高-15 m處，下沉過程中通過不斷從倉內(nèi)吸泥使沉井下沉，且不給井倉內(nèi)補水，即該階段既取土，又排水。第二、三階段采用預留核心土法開挖，分別下沉至標高-30，-55 m 處。因沉井下沉越深摩阻力越大，為降低摩阻力在吸泥的同時不斷給井倉內(nèi)補水，確保倉內(nèi)水位恒定。可認為第二、三階段只取土。

為便于模擬分析沉井施工對周邊建（構）筑物的影響，分三步進行計算：①沉井下沉取土產(chǎn)生的影響；②沉井下沉第一階段排水產(chǎn)生的影響；③第一階段既取土又排水，第二、三階段只取土產(chǎn)生的影響。

2.3 計算結果與分析

1）沉井下沉各階段取土

通過有限元計算，按照周邊建（構）筑物位置，分別提取距離沉井中心100，150，200，270 m 處的地表沉降，見表2。可知，距沉井中心越遠地表沉降越小。只取土不考慮排水，沉井下沉對周邊地表沉降幾乎無影響。

表2 各階段只取土下沉結束時地表沉降

2）沉井下沉第一階段排水

①對地下水位的影響

通過數(shù)值模擬計算周邊土體中地下水位降水深度Δz。根據(jù)沉井下沉第一階段施工要求，將井外地下水位降至標高-14 m 處，此時距沉井中心100，150，200，270 m處Δz分別為8.4，5.0，3.2，1.0 m。

②對周邊地表沉降的影響

根據(jù)沉井周邊土體Δz分布，按照JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規(guī)程》中公式（式（1））計算土層沉降量S。

式中：ψw為沉降計算經(jīng)驗系數(shù)，根據(jù)地區(qū)工程經(jīng)驗取值，無經(jīng)驗值時取1；Δσ′zi為排水引起的第i層土的平均附加有效應力，kPa；Δhi為第i層土的厚度，m；Esi為第i層土的壓縮模量，kPa；γw為水的重度，取9.8 kN/m3。

根據(jù)地質(zhì)勘查報告中地層厚度及其分布，將Esi和Δz值代入式（1）和式（2）得到距沉井中心100，150，200，270 m 處地表最終沉降分別為70.741，31.984，13.101，1.279 mm。

3）第一階段既取土又排水，第二、三階段只取土

將以上兩步的計算結果累加得到既取土又排水各階段下沉結束時的地表沉降，見表3。可知：距沉井中心越遠地表沉降越小。

表3 既取土又排水各階段下沉結束時地表沉降

3 沉井下沉現(xiàn)場監(jiān)測與分析

五峰山長江大橋北錨碇沉井于2016年11月29日首次下沉，至2017年11月10日下沉結束，累計下沉57m。

北錨碇沉井距離長江大堤約180 m，沉井排水下沉引起土中水體流失和土體有效應力增加，易導致沉井周邊地基土開裂和塌陷。若控制不當，易導致長江大堤因不均勻沉降而開裂。此外，距沉井邊界144 m 還有一座百米高混凝土電塔，也需對電塔的基礎進行沉降監(jiān)測。

3.1 土體沉降測點布置和監(jiān)測方法

沉井施工過程中對周圍土體、大堤、東南側混凝土電塔等構筑物進行了監(jiān)測。

1）長江大堤位移監(jiān)測。測點布置于距離橋梁中線左右各100 m 范圍內(nèi)，靠近橋梁中線（30 m 范圍）測點間距10 m，遠離橋梁中線測點間距25 m，如圖3 所示。堤頂測點DS1—DS13 是在大堤堤面道路北側混凝土路面鉆孔埋釘；堤腳測點DX1—DX13 是在大堤北側堤腳處開挖0.3 m×0.3 m×0.3 m 的土坑，打入長2 m鋼筋后用混凝土澆筑至地表；DQ13-1，DQ14-1為設計院交樁控制點。

圖3 長江大堤沉降測點布置示意

大堤堤頂沉降監(jiān)測使用電子水準儀進行附合水準測量，觀測精度按照二等水準要求執(zhí)行，觀測路線為DQ14-1—（DS13—DS1）—DQ13-1；堤腳采用全站儀三角高程法監(jiān)測，觀測路線為DS1—（DX1—DX13）—DS13。

2）混凝土電塔位移監(jiān)測。測點DT1—DT2 布置于電塔與沉井中心連線兩側距塔身5 m 基礎表面上，測點DT3—DT6 布置于電塔與沉井之間的隔離墻附近，如圖4 所示。測點DT1—DT6 均先在基礎混凝土面上鑿毛后澆筑0.3 m×0.3 m×0.2 m 混凝土，然后埋入長0.1 m觀測標。

圖4 電塔監(jiān)測點布置示意

塔身沉降及傾斜監(jiān)測利用DT1，DT2 及塔身上已有的監(jiān)測點進行，塔身原有監(jiān)測點按照方位分別編號為NP，SP，EP和WP。

電塔傾斜采用傾斜儀實時監(jiān)測并定期采用水準儀人工校核；電塔基礎和隔離墻的沉降觀測采用電子水準儀測定相鄰點高差。

3.2 監(jiān)測結果與分析

1）沉井施工對長江大堤的影響

長江大堤距離沉井中心約180 m。沉井下沉第一階段大堤最大沉降的實測值（14.5 mm）與計算值（13.1 mm）較為一致。第二次、第三次下沉完大堤累計沉降實測值分別為32.5，39.0 mm，模擬計算值均為13.2 mm。實測值與計算值相差大。原因可能是：沉井下沉第一階段結束后，因施工需要變動施工材料運輸路線及存放區(qū)域，施工材料又堆放于大堤附近，在車輛荷載、長期堆載與沉井下沉相互影響下大堤發(fā)生沉降。

2）沉井施工對附近電塔的影響

電塔距離沉井邊界約144 m，電塔處最大沉降實測值為23.0 mm，較接近模擬計算值32.4 mm。電塔為樁基礎結構，一定程度上會影響其對沉井下沉的敏感性。

4 結論與建議

1）不論是否排水，沉井下沉時周邊地表沉降均隨距沉井中心距離增大而減小。

2）不排水時沉井下沉取土對周邊地表沉降幾乎無影響，而沉井排水施工對周邊環(huán)境影響大。下沉第一階段結束時距沉井中心100，150，200，270 m 處最終地表沉降分別為71.2，32.1，13.1，1.3 mm。

3）下沉第一階段，距離沉井中心180 m 長江大堤最大沉降實測值14.5 mm，與理論計算值（13.1 mm）接近。

4）沉井下沉施工前應對周邊建（構）筑物的基礎結構進行充分調(diào)查。基礎結構較差時，可提前進行加固處理并加強監(jiān)測，避免沉井下沉、車輛動載、額外堆載等因素造成較大影響。