五峰山長(zhǎng)江大橋北錨碇沉井基礎(chǔ)首次下沉方法研究

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］。現(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)致大型沉井施工過程中面臨傳統(tǒng)開挖方法不適用、結(jié)構(gòu)開裂等難題。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)下沉過程中的關(guān)鍵［5-8］。開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)際過程中沉井下沉困難的應(yīng)對(duì)措施以及地基不均勻帶來的姿態(tài)控制問題等［9-10］。

關(guān)于沉井開挖下沉方法，文獻(xiàn)［11-12］以南京長(zhǎng)江四橋北錨碇沉井為工程背景，通過現(xiàn)場(chǎng)開挖控制以及沉井應(yīng)力監(jiān)測(cè)方法，發(fā)現(xiàn)沉井下沉前期開挖方法對(duì)結(jié)構(gòu)安全起控制性作用。文獻(xiàn)［13-14］通過有限元分析，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，所需開挖面積大，沉井易開裂。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，上述研究沒有給出適用于大型沉井的開挖下沉方法。

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 沉井開挖下沉分析

在沉井首次下沉過程中，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挖面積，而確定開挖面積應(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，見圖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

2.2 不同下沉系數(shù)對(duì)應(yīng)的開挖面積

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)的沉井開挖面積，結(jié)果見表1。

表1 沉井開挖面積

3 排水開挖下沉方法對(duì)比

3.1 不同開挖方法特點(diǎn)

3.1.1 傳統(tǒng)鍋底開挖下沉方法

JTG 3363—2019《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求沉井開挖下沉采用鍋底開挖下沉方法進(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)稱開挖。根據(jù)沉井下沉所需開挖面積，在中心隔艙位置處進(jìn)行開挖直至沉井下沉（圖4）。開挖過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，開裂風(fēng)險(xiǎn)也逐漸增加。

圖4 鍋底開挖下沉方法開挖位置

3.1.2 預(yù)留核心土開挖下沉方法

針對(duì)傳統(tǒng)鍋底開挖下沉方法沉井中心無支撐，受力隨沉井開挖懸空跨度增加而增加的特點(diǎn)，提出預(yù)留核心土開挖方法。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挖，開挖位置從沉井邊艙隔墻開始，逐漸向內(nèi)延伸對(duì)稱開挖直至沉井下沉（圖5）。圖中陰影部分采用鍋底形式開挖。

圖5 預(yù)留核心土開挖布置

3.1.3 十字拉槽開挖下沉方法

為了控制傳統(tǒng)鍋底開挖下沉方法沉井易開裂的問題，提出十字拉槽開挖方法（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 十字拉槽開挖布置

3.2 不同開挖方法沉井結(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、不同開挖狀態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力是否滿足要求。由于沉井首次下沉初期，沉井位于地表，無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)算分析不同開挖下沉方法沉井結(jié)構(gòu)應(yīng)力。考慮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)算了不同開挖方法、不同下沉系數(shù)下混凝土最大拉應(yīng)力，結(jié)果見表2。

表2 不同開挖方法、下沉系數(shù)下混凝土最大拉應(yīng)力

由表2可知：①采用鍋底開挖方法計(jì)算得到的混凝土拉應(yīng)力值均超過了C30混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.01 MPa，沉井開裂風(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，沉井無開裂風(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，沉井開裂風(fēng)險(xiǎn)大。③十字拉槽開挖方法計(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，沉井無開裂風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 沉井開挖下沉姿態(tài)控制難度對(duì)比

沉井首次下沉除需滿足結(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，保守起見對(duì)沉井下沉系數(shù)取1.15，開挖面積為490 m2的工況進(jìn)行計(jì)算分析，分別采用三種開挖下沉方法分析沉井姿態(tài)及結(jié)構(gòu)受力情況。其中，采用十字拉槽開挖下沉方法時(shí)，對(duì)開挖寬度進(jìn)行調(diào)整，在基床系數(shù)為8、10、12 MN/m3時(shí)，開挖寬度分別為4、5、6 m。鍋底開挖、預(yù)留核心土開挖均從沉井中心往四周或從沉井四周往中心開挖，沉井開挖為固定方式，計(jì)算時(shí)不再對(duì)沉井端部土體開挖位置進(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)率見表3。可知，鍋底開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挖方法。原因是十字拉槽開挖方法可以根據(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程中采用十字拉槽開挖下沉方法。為了保證沉井施工過程中結(jié)構(gòu)安全及沉井平穩(wěn)下沉，十字拉槽寬度控制在7 m以內(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)，見圖8。可知，沉井首次排水下沉過程中結(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。十字拉槽開挖下沉工藝確保了大型沉井施工過程中的結(jié)構(gòu)安全，解決了大型沉井易開裂和沉井施工過程中姿態(tài)難控制的問題，提升了開挖下沉效率。

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

5 結(jié)論

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

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

3）與預(yù)留核心土和鍋底開挖下沉方法相比，十字拉槽開挖法對(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挖方法，保證了沉井順利安全、快速下沉。