大型沉井下沉阻力分布特征及相关工程问题

2021-01-25潘亚洲梁发云

结构工程师 2020年6期

潘亚洲王琛，* 梁发云

（1.同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海200092；2.同济大学地下建筑与工程系，上海200092）

0 引言

我国深水大跨度桥梁建设如火如荼，沉井基础因承载能力强、整体性好、刚度大、沉降小等优点得到广泛应用［1-2］。目前，沉井的设计和施工所依据的规范主要针对中小型沉井，然而，随着沉井基础往超大超深的方向发展，其计算理论和施工方法已不再完全适用［3］。同时，工程中对大型沉井的认识也在不断更新，20 世纪末，尺寸达到40 m 级即被认为是大型沉井［4］，但近几年工程中采用的沉井基础尺寸已达到百米级，如图1 所示的五峰山长江大桥北锚碇沉井，其长100.7 m，宽72.1 m，已达20 世纪沉井基础尺寸的数倍以上。表1 列出了近年来部分代表性大型沉井基础的相关参数。

图1 五峰山长江大桥北锚碇沉井［5］Fig.1 North caisson of Wufengshan Yangtze River Bridge

表1 大型沉井平面尺寸及下沉深度统计Table 1 Geometric size and sinking depth of large open caisson m

在工程建设期间，由于体型尺寸超大、下沉深度极深、地质条件复杂，大型沉井基础在接高下沉期间普遍存在突沉、滞沉和偏沉等工程问题［6］。这不仅威胁到现场施工单位和工程技术人员的生命财产安全，还可能引起沉井结构的变形或开裂，易对周边环境产生严重影响。此外，发生上述工程问题后急需开展的纠偏、助沉和修缮等工作也将耗费大量人力物力，导致工期延长甚至停工。因此，确保其安全平稳下沉，减少此类工程问题的发生，降低其所带来的危害，是大型沉井基础施工的关键。

上述大型沉井施工中的各类工程问题与其下沉阻力的分布及变化规律关系密切。土层的软硬程度、土体分布的均匀性和沉井下沉深度、施工方法等因素都将影响沉井下沉阻力的分布特性，进一步引发各类工程问题。此外，随着下沉深度的增大，现场监测设备受到一定限制，监测数据可用性降低（如传感器存活率低、数据离散性大），也不利于沉井下沉施工技术和灾变机理的研究。图2梳理了沉井施工期间常见的部分工程问题及其影响因素。

图2 沉井施工期间常见的部分工程问题及其影响因素Fig.2 Some typical engineering problems and influencing factors during open caisson construction

针对大型沉井下沉施工中的常见工程问题，本文梳理了沉井下沉阻力分布特征的研究现状和进展，进一步分析了由此引发的突沉、滞沉及偏沉等工程问题的内在机理，并探讨了大型沉井施工对周边环境的影响，为大型沉井基础施工技术及工程灾变机理研究提供参考。

1 大型沉井下沉阻力的分布特征

沉井的下沉阻力主要包括侧壁摩阻力、端部阻力和浮力三部分，如图3 所示，端部阻力由刃脚端阻力和隔墙端阻力组成。实际上，深埋大截面沉井在下沉过程中，底部往往开挖形成大锅底，使隔墙端部脱空，因此，刃脚端阻力提供主要的端部阻力。

图3 沉井受力示意图（侧剖图）Fig.3 Force diagram of the open caisson（lateral cutaway view）

自20世纪70年代以来，国内外已有学者开始研究沉井下沉阻力的分布特性［7-8］，但当时主要围绕小型沉井，借助室内模型试验手段展开研究，实测资料尚少，有些现象还难以解释。进入21 世纪以来，沉井基础的应用越来越广泛，相关研究逐渐增加［9-10］。然而，由于沉井尺寸大，受土体各向异性、非线性和不确定性等因素的影响，一般也只能依靠常规测量方法进行现场监测或室内模型试验，尚无成熟的理论方法和数值模型可供现场应用。目前的研究成果主要集中于沉井侧壁摩阻力和刃脚端阻力的分布特征及下沉期间的变化规律。

1.1 侧壁摩阻力（或土压力）的分布特征

现阶段工程中通常使用间接测量方法得到大型沉井基础的摩阻力分布，在井壁竖向结构钢筋上布置应力计，通过测量结构钢筋的应力估算井壁表面的摩阻力，某沉井钢筋应力计布置如图4所示；或在侧面埋设土压力盒测量侧向土压力，再乘以摩擦系数换算成摩阻力。

图4 某沉井基础钢筋应力计布置图（单位：mm）Fig.4 Layout of reinforcement stress meter for a caisson（Unit：mm）

早期的沉井尺寸较小，通常认为其侧壁摩阻力成梯形分布，即从地表到5 m 深度范围内，井壁摩阻力线性地由零增长至最大值，深度达5 m 后趋于常数。目前，沉井的设计和施工规范［11］仍建议采用类似的计算理念。

近年来沉井规模增大，针对这方面的研究有了新的认识。陈晓平等［12］实测资料发现，沉井侧壁摩阻力在下沉初期呈线性分布，而在下沉中后期呈现上下小、中间大的抛物线分布形式，并通过“压力松弛区”理论进行了解释，认为在沉井下沉中后期，井壁内外土压力差较大，外侧土体向井内流动，出现“翻砂”现象，导致井外土体松弛，摩阻力降低，如图5 所示。对于此类摩阻力分布形式，王建等［13］的摩阻力仪开展了沉井侧阻力的室内试验研究，穆保岗等［14］模型试验和离散元模拟，均发现了类似的规律。

基于上述侧壁摩阻力（或土压力）分布特征的研究可知，在工程建设中根据实际情况选用合理的侧阻分布模型、采用可靠的计算方法对解决沉井下沉过程中出现的相关工程问题至关重要。周和祥等［15］通过长江大桥主墩沉井的现场监测数据，拟合了沉井下沉期间侧阻力的三段式计算模型；张凯等［16］通过离心模型试验研究，建立了抛物线型计算模型。上述沉井侧壁摩阻力分布如图6所示。

也有学者对异型沉井和阶梯式沉井进行了研究。Hogervorst［17］首次通过模型试验开展吸力式沉井基础下沉施工过程的研究。近些年，穆保岗等［18］监测了南京长江四桥北锚碇沉井下沉过程，结合实践经验，发现井壁凹槽和凸起对侧压力分布有显著影响；褚晶磊等［19］通过室内模型试验研究了阶梯型沉井下沉过程，发现设置侧壁台阶可减小沉井总侧阻力，其中台阶上方直壁段阻力减小最为明显。

图6 大型沉井侧壁摩阻力分布图Fig.6 Distribution of side wall friction of large open caisson

1.2 刃脚端阻力的概念及分布特征

沉井刃脚由踏面和斜面组成，常采用钢板或角钢保护，以穿越坚硬土层。为利于切土下沉，刃脚斜面倾角应大于45°。在刃脚端阻力的相关研究中，部分文献中采用“刃脚承载力”一词，易使读者混淆两个概念：“刃脚端阻力”和“地基承载力”。事实上，两者含义并不相同，但在沉井下沉施工过程中密切相关。若不考虑刃脚形状，为保证接高过程中沉井的稳定性，刃脚端阻力应小于地基承载力；当沉井处于下沉阶段时，此时由于刃脚处土体处于极限状态，刃脚端阻力与地基承载力相近。

在沉井首次接高阶段，刃脚下一般垫有混凝土垫层或木垫层，通过增加与地面接触面积提高地基承载力［20］。此时，端阻力分布较为均匀，接近于沉井自身的重力且小于地基承载力，已有学者对这一阶段的承载力估算提出不同方法。王红霞等［21］忽略刃脚斜面反力，推导了刃脚踏面处土体极限承载力的计算方法；Yea 等［22］监测了气动沉箱的下沉过程，忽略刃脚踏面反力，得到了刃脚斜面的空间应力分布；闰富有等［23］建立了考虑刃脚形状的近似滑移线场，提出了相应的地基土极限承载力系数计算公式。

沉井下沉阶段，刃脚端阻力分布形式主要与其自身的空间位置有关。蒋炳楠等［24］通过室内试验研究，发现了下沉期间刃脚踏面和斜面反力的空间分布规律，即角点反力最大，长边中点反力最小，短边平均反力大于长边，如图7 所示；周和祥等［25］基于柱孔扩张理论，提出了刃脚极限土阻力的理论解答；此外，陈晓平等［12］研究发现，沉井下沉期间刃脚端阻力值主要取决于土层特性，因此，当在均质土中下沉时，端阻力值缓慢增加，最终趋于常数；当刃脚穿过软硬土层交界面时，端阻力值波动较大。

图7 大型沉井刃脚端阻力空间分布图［24］Fig.7 Spatial distribution of resistance beneath the cutting edge of large open caisson

1.3 侧阻和端阻的比例关系

施洲等［26］研究发现，沉井下沉期间，侧阻力随埋深增加而增长，且占总阻力的比例为70%以上；陈晓平等［12］也有类似的结论。而穆保岗等［14］发现，随着下沉深度的增加，刃脚端阻力会先增高后降低，主要由于下沉前期井内土体开挖尚未充分，刃脚迅速挤压底部土体而导致端阻力测量值偏高。

目前，沉井下沉阻力分布形式方面的研究已形成许多成果，但现有研究仍以讨论沉井在砂土中的侧阻力分布形式为主，对黏土及分层土中的侧阻分布不足，相关理论方法和数值模拟研究较少，尚需进一步研究。

2 大型沉井下沉常见工程问题分析

大型沉井基础接高下沉施工的各个阶段，时常发生突沉、滞沉和偏沉等工程问题。下沉施工初期，沉井入土深度小，几何姿态和下沉行为易受到外界因素的影响；施工中后期，复杂的地质条件和下沉阻力的急剧变化是影响沉井下沉稳定性，使其产生上述工程问题的重要因素。与此同时，突沉、滞沉和偏沉三类工程问题之间的相互影响也不容忽视。

2.1 突沉与滞沉

突沉和滞沉是大型沉井基础下沉施工过程中最常见且难以避免的问题。沪通长江大桥主塔沉井整个终沉期间，由突沉引起的下沉量达到10.5 m，占沉井终沉期间下沉总量的46%，在施工中带来了较大的安全隐患［27］。与突沉带来的直接影响相比，滞沉虽然不会直接引起工程事故，却需要花费较大精力研究其发生原因，并针对性地实施各种助沉措施，由此导致的工期延长和附加成本不容忽视。

沉井施工前，需对地表的软弱土层进行砂垫层+砂桩加固处理，以控制沉井首次接高的稳定性和初期下沉速率。下沉施工初期，刃脚端阻力占下沉阻力的主要部分，地基承载力是影响下沉稳定性的关键因素：若地基加固不足，则沉井存在突沉的风险；若地基加固过度或首次接高期间地基固结引起承载力增长［28］，则可能导致沉井滞沉。

施工中后期，存在很多影响沉井突沉与滞沉的因素。施洲等［26］研究发现，侧阻力随下沉深度增加而增大是沉井下沉中后期易发生滞沉的主导因素，进一步研究认为在沉井接高完成、启动下沉期间，静摩阻力转变为相对较小的动摩阻力是引起突沉的关键原因；马远刚等［29］研究现场监测结果时发现，淤泥土应变软化特性使沉井井壁与外部土体间的剪应力急剧衰减，是造成沉井在淤泥土中发生突沉的主要原因。此外，施工过程中，井内水位难以保持稳定，井壁内外过大的土压力差致使翻砂现象频繁发生，由此产生的“压力松弛区”使沉井侧壁土压力（或摩阻力）降低，也是沉井在砂土中发生突沉的重要原因之一。大型沉井下沉穿越土层类型复杂，从硬质土层下沉至软弱地层时，刃脚端阻力和侧壁摩阻力均可能大幅减小，进而导致突沉，并且软弱土层越厚，危害越大。

当前预防突沉的措施主要分为地基加固和现场预警两种。谭斌［30］认为，沉井下沉至软弱土层前，深灌水泥浆加固可控制下沉速度和深度。马远刚等［29］提出，可以将沉井下沉深度、刃脚端阻力和刃脚结构的应力作为预警突沉的3 项指标。在预测突沉即将发生时，应及时向沉井内部填土以快速增加内壁摩阻力，或向井内补水以增加沉井浮力。

滞沉发生后应首先分析其原因，并选用针对性的措施进行助沉，常见措施包括空气幕、排水减浮和钻孔松土等。荆刚毅等［31］采用空气幕助沉处理了南京长江第四大桥北锚碇沉井后期滞沉的问题，助沉效果明显，图8 为空气幕气龛示意图；王理想［32］提出，在沉井滞沉时可采用桩基反压法和压重法配合沉井下沉。

图8 空气幕气龛示意图［32］Fig.8 Sketch map of air pockets of air curtain

2.2 偏沉

根据规范［33］要求，沉井下沉阶段，任两角高差应不超过该其间距离的2%，且不超过0.5 m；终沉后，偏差应小于1%，且不超过0.3 m。某大桥南锚碇沉井第三次不排水下沉期间发生偏沉后，四角最大高差达4.8 m，给施工安全带来不利影响。

沉井下沉初期，尚未形成固定的下沉通道，取土不均或局部超挖导致的刃脚脱空均会引起刃脚端阻力分布不均，进而导致偏沉且沉井浇筑过程中存在一定偏心，若未能及时测量偏差并纠正，将进一步加剧偏沉。下沉中后期，沉井内挖土深度大，井外临时弃土或堆重将对沉井一侧形成偏压，也会导致偏沉［34］。此外，硬质、软弱地基土层交界面往往呈倾斜或凹凸不平的空间形式，当沉井一侧先接触到硬质土层时，此处刃脚被制动，而另一侧继续下沉，致使沉井偏斜，这也是导致偏沉发生的原因之一。

沉井发生偏沉后需及时采取纠偏措施，目前已有不少成功沉井纠偏和预防偏沉的工程经验。杨齐海等［35］通过缆索施加水平力并结合定向吸泥，完成了沅江大桥主墩沉井首次下沉期间的纠偏；谭斌［30］采取单边加载，辅以型钢顶撑的办法，纠正了某旋流沉淀池沉井第3 次下沉过程中的偏斜。

2.3 突沉、滞沉与偏沉的力学机制及相互影响

上述工程问题和现象的发生存在特定的力学机制。下沉阻力过小或急剧衰减，将可能引起突沉，反之，下沉阻力过大或急剧增大可能会导致滞沉。而偏沉则是由于沉井所受外力空间分布不均，其外力包括侧壁土压力、侧壁摩阻力、端阻力、浮力和施工荷载等。现场监测发现，大型沉井下沉过程中，突沉和偏沉往往是伴随发生且相互影响的［27］。图9为某大桥中塔沉井第10节钢沉井接高后的四次突沉的情况，可以发现每次突沉均伴随着偏沉的发生。

图9 某大桥沉井的突沉（单位：m）Fig.9 Sudden sinking of open caisson of a bridge（Unit：m）

沉井发生滞沉后，若过度采取助沉措施，则可能大幅度降低下沉阻力，进而引起突沉。同时，受不均匀取土和土层分布不均等因素影响，沉井结构无法保持竖直姿态下沉，导致突沉结束后沉井发生倾斜。此时沉井埋深较大的一侧土体挤压密实且浮力更大，而后续取土施工常优先取埋深较小侧土体，使得沉井埋深较小侧易进一步发生突沉。

当前对沉井突沉、滞沉和偏沉等工程问题的研究主要依靠现场监测或模型试验，停留在现象分析和预警补救的层面，尚缺乏理论方法的深入探索，未能提出合理的沉井整体运动模式。

3 大型沉井施工对周边环境的影响

大型沉井取土下沉施工过程中，尤其是在软弱地基上进行沉井施工时，将不可避免地对周边环境产生影响，包括地下水变化、周边地表沉降和建（构）筑物变形等。若不采取合适的防护措施，轻则影响工程施工质量，造成工期延误；重则导致人员伤亡或建（构）筑物损坏［36］。因此，在沉井施工期间，特别是市政沉井工程中，应充分考虑周围地层沉降及邻近建（构）筑物的变形［37-38］。

3.1 地下水变化

大型沉井在施工初期一般为排水下沉，有利于控制下沉精度并形成正确的下沉导向；当下沉深度超过20 m 后，管井降排水能力不足，沉井内外水头差过大，易发生管涌、流砂等现象，采用不排水下沉［3］。此时，为保持沉井内外的水头差，需从外界抽水补充至沉井内部，使井内水头略高于地下水位。

沉井排水下沉期间必然对地下水产生影响，尤其是软土地区沉井施工，其下地基一般采用砂桩加固，地基整体渗透系数增大，排水速度明显加快。穆保岗等［39］监测了南京长江4 桥北锚碇沉井施工的降排水过程，发现沉井排水下沉方案会引起承压水含水层明显压缩，而对潜水含水层的影响较小；刘毅等［40］通过有限元分析，发现沉井排水下沉会引发地下水渗流，导致渗流水面线以上土体重度发生变化，使周边土体进一步固结。

3.2 周边地表沉降

沉井下沉施工过程中，与周边土体的相互作用关系十分复杂，常常引起周边地表沉降。如图10 所示，某大桥南锚碇沉井突沉前后周边地表发生沉降。关于沉井施工引起地表沉降的原因，存在不同的观点。宋甲奇［41］提出，沉井下沉期间，井壁摩擦力下拉邻近土体，引起土层失稳，导致周边地表沉降；刘毅等［40］研究认为，沉井取土下沉导致周边土体应力场改变，加之排水施工使土层固结加快，引发周边地表沉陷；穆保岗等［39］认为，承压水含水层压缩是导致沉降周边土层沉降的主要原因。

数值模拟也是分析沉井对周边环境影响的有效手段。邓友生等［42］通过有限元分析发现，沉井周边地表沉降量随沉井埋深增大而增加；李溪源［43］建立了沉井周边地表沉降估算式，其计算结果与实测值及数值模拟结果基本吻合。沉降控制措施方面，王理想［32］提出，采用触变泥浆套辅助沉井下沉，可有效缓解地表沉降。

图10 某大桥南锚碇沉井周边地表沉降Fig.10 Surface subsidence around south caisson of a bridge

3.3 建（构）筑物变形

沉井周边土层沉降进一步还可能引起邻近建（构）筑物的变形甚至垮塌。黄迪［44］通过数值模拟研究发现，沉井下沉期间，周边铁路在设置与不设置防护桩条件下的沉降变形相差55%以上。若不采取适当的防护措施，势必将威胁到人民生命财产安全。罗实瀚等［45］研究发现，地锚式沉井下沉施工速度较快，对邻近建（构）筑物影响较小，可应用于市政沉井工程。周小毛［46］提出，沉井施工前，可在沉井四周布设钻孔灌注桩，对周边铁路路基进行防护。