五峰山长江大桥北锚碇沉井基础首次下沉方法研究

2022-01-08潘桂林李德杰冯龙健

铁道建筑 2021年12期

潘桂林李德杰，2 冯龙健

1.中交第二航务工程局有限公司，武汉 430040；2.河海大学岩土工程科学研究所，南京 210098

在跨江、跨海大型桥梁工程建设中，大型沉井基础因其承载力大、经济性好等优点得到了广泛应用［1-4］。现有规范主要针对小型沉井结构设计及施工开挖下沉方法，对于大型沉井设计及施工则适应性差，导致大型沉井施工过程中面临传统开挖方法不适用、结构开裂等难题。随着沉井尺寸的增加，沉井首次下沉时结构应力和姿态成为整个下沉过程中的关键［5-8］。开挖方法不仅要考虑结构安全、姿态精度，还须考虑实际过程中沉井下沉困难的应对措施以及地基不均匀带来的姿态控制问题等［9-10］。

关于沉井开挖下沉方法，文献［11-12］以南京长江四桥北锚碇沉井为工程背景，通过现场开挖控制以及沉井应力监测方法，发现沉井下沉前期开挖方法对结构安全起控制性作用。文献［13-14］通过有限元分析，发现沉井受力情况与隔墙底部的土体支撑情况密切相关，最不利工况为沉井初始下沉阶段，此时沉井刚度小，所需开挖面积大，沉井易开裂。文献［15-16］依据现场监测控制点实测数据，结合武汉鹦鹉洲长江大桥北锚碇圆形沉井结构与工程地质条件，分析了沉井在下沉与封底过程中结构的应力分布与变化情况。此外，文献［17］根据地质和水文条件，通过确定合理的沉井下沉顺序和下沉工艺，顺利地完成沉井群的下沉施工。然而，上述研究没有给出适用于大型沉井的开挖下沉方法。

本文结合五峰山长江大桥北锚碇特大型沉井工程，提出十字拉槽与预留核心土两种新型开挖方法，并与传统方法进行对比分析，发现十字拉槽法不仅能保证开挖下沉的安全性，且对沉井下沉困难和地基不均匀的适应性强。最终在实际工程中选择十字拉槽法。

1 工程概况

五峰山长江特大桥北锚碇采用重力式沉井基础，基础采用矩形截面，首节沉井尺寸为100.7 m（长）×72.1 m（宽）×56.0 m（高），为目前世界上平面面积最大的沉井基础。沉井标准壁厚2.0 m，隔墙厚1.3 m，中间共设置48个尺寸为10.2 m×10.9 m的矩形井孔。沉井共分十节，第一节为钢壳混凝土沉井，高8 m，刃脚高1.8 m，刃脚踏面宽0.2 m；第二节至第十节为钢筋混凝土沉井，第二节沉井高6 m，并在第二节沉井设置了6 m高的剪力键，第一节与第二节之间设有0.2 m宽的台阶；第三节至第八节高均为5 m；第九节高4 m；第十节高8 m。沉井井身采用C30混凝土，首节钢壳采用Q235。沉井首次下沉3节，高（8+6+5）m，采用排水下沉工艺，下沉至-12.5 m标高位置。北锚碇沉井构造见图1。

图1 北锚碇沉井构造（沉井结构尺寸单位：cm；标高单位：m）

2 沉井开挖下沉分析

在沉井首次下沉过程中，沉井所受荷载包括沉井自重、施工荷载、刃脚及隔墙底面极限端阻力和沉井极限摩擦力。沉井下沉须满足

式中：kst为下沉系数；Gk为沉井自重标准值；Ffw，k为浮力标准值；Ffk为下沉阻力标准值；G为已浇筑沉井的总自重；G′为施工荷载，考虑机械设备的动载及人员重量，取25 MN；Fw为浮力；R1为刃脚及隔墙底面极限端阻力；R2为沉井极限摩擦力。

沉井下沉方法的制定与实施关键是明确沉井刃脚与隔墙底部的开挖面积，而确定开挖面积应先准确获得复合地基的极限承载力。

2.1 现场载荷板试验

沉井接高三节用时长、自重大，因砂桩复合地基排水效果良好，导致上部砂桩加固软弱地基时固结效应明显，地基承载力大幅提升，沉井下沉前须进行原位测试以获得真实地基极限承载力。为获得沉井下沉前的地基极限承载力，任意选取3个点进行浅层载荷板试验（图2），得到地基承载力的荷载-位移曲线，见图3。根据GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》得到沉井区域地基极限承载力为700 kPa，比钢壳安装前未固结时地基极限承载力350 kPa增加了1倍。

图2 载荷板测点布置及现场试验

图3 载荷板荷载-位移曲线

2.2 不同下沉系数对应的开挖面积

为了防止地基极限承载力取值存在偏差，根据式（1），针对沉井首次下沉计算不同下沉系数对应的沉井开挖面积，结果见表1。

表1 沉井开挖面积

3 排水开挖下沉方法对比

3.1 不同开挖方法特点

3.1.1 传统锅底开挖下沉方法

JTG 3363—2019《公路桥涵地基与基础设计规范》要求沉井开挖下沉采用锅底开挖下沉方法进行设计与施工，即从沉井中心位置处向外成锅底对称开挖。根据沉井下沉所需开挖面积，在中心隔舱位置处进行开挖直至沉井下沉（图4）。开挖过程中沉井中心悬空跨度逐渐增加，在自重作用下沉井中心受力逐渐增大，开裂风险也逐渐增加。

图4 锅底开挖下沉方法开挖位置

3.1.2 预留核心土开挖下沉方法

针对传统锅底开挖下沉方法沉井中心无支撑，受力随沉井开挖悬空跨度增加而增加的特点，提出预留核心土开挖方法。该方法保留沉井中心位置纵横向隔墙及井壁位置土体不开挖，开挖位置从沉井边舱隔墙开始，逐渐向内延伸对称开挖直至沉井下沉（图5）。图中阴影部分采用锅底形式开挖。

图5 预留核心土开挖布置

3.1.3 十字拉槽开挖下沉方法

为了控制传统锅底开挖下沉方法沉井易开裂的问题，提出十字拉槽开挖方法（图6）。该方法使得每个舱的隔墙均有土体支撑，可以显著减小开挖下沉时沉井的跨度，控制沉井端部结构应力。

图6 十字拉槽开挖布置

3.2 不同开挖方法沉井结构应力对比

为了确保沉井施工的安全，须验算沉井不同阶段、不同开挖状态结构应力是否满足要求。由于沉井首次下沉初期，沉井位于地表，无周边土体挤压和竖向摩擦作用，故不考虑侧向约束。利用有限元计算软件MIDAS GTS建立沉井模型，采用荷载结构法计算分析不同开挖下沉方法沉井结构应力。考虑钢壳与混凝土共同受力，地基抗力采用地基弹簧模拟，仅在地基弹簧端部进行约束，弹簧刚度设为10 MN/m3，单元数量为25 321。

超大型沉井首次下沉时，由于下沉过程软弱地基固结，沉井井壁或隔墙有一定埋深时地基承载力会进一步增加，使得刃脚与隔舱底部的反力大于下沉前测得的地基极限承载力，出现下沉困难的现象。采用有限元模型计算了不同开挖方法、不同下沉系数下混凝土最大拉应力，结果见表2。

表2 不同开挖方法、下沉系数下混凝土最大拉应力

由表2可知：①采用锅底开挖方法计算得到的混凝土拉应力值均超过了C30混凝土抗拉强度标准值2.01 MPa，沉井开裂风险大。②当下沉系数小于等于1.25时，预留核心土开挖方法计算得到的混凝土最大拉应力小于C30混凝土抗拉强度标准值，沉井无开裂风险；当下沉系数大于等于1.35时，预留核心土开挖方法计算得到的混凝土最大拉应力大于C30混凝土抗拉强度标准值，沉井开裂风险大。③十字拉槽开挖方法计算得到的混凝土最大拉应力始终小于C30混凝土抗拉强度标准值，沉井无开裂风险。

3.3 沉井开挖下沉姿态控制难度对比

沉井首次下沉除需满足结构安全性要求外，还需对沉井下沉姿态进行控制。采用锅底开挖方法，沉井发生扭转、倾斜的风险较小；采用预留核心土开挖方法，沉井较易发生扭转，沉井姿态较难控制；采用十字拉槽开挖方法，沉井姿态控制难度适中。

3.4 地基不均匀适应性对比

由于地势起伏、沉井尺寸大，沉井所处地基地层存在不均匀性，需分析开挖方法对地基不均匀的适应性。将沉井所处地层划分为3个区段，基床系数分别为8、10、12 MN/m3，见图7。为了防止地基极限承载力取值不准，导致根据理论计算沉井下沉系数达到1.05时依旧下沉困难，保守起见对沉井下沉系数取1.15，开挖面积为490 m2的工况进行计算分析，分别采用三种开挖下沉方法分析沉井姿态及结构受力情况。其中，采用十字拉槽开挖下沉方法时，对开挖宽度进行调整，在基床系数为8、10、12 MN/m3时，开挖宽度分别为4、5、6 m。锅底开挖、预留核心土开挖均从沉井中心往四周或从沉井四周往中心开挖，沉井开挖为固定方式，计算时不再对沉井端部土体开挖位置进行调整。

图7 不同基床系数分区布置

不同开挖方法混凝土应力、应力增长率及不均匀沉降增长率见表3。可知，锅底开挖方法均匀地层混凝土最大拉应力为3.65 MPa，不均匀地层混凝土最大拉应力为6.23 MPa，最大拉应力增长率达到70.60%，相应地，预留核心土开挖方法混凝土最大拉应力由均匀地层1.72 MPa增长为2.04 MPa，最大拉应力增长率达到18.80%。在不均匀地层进行沉井下沉，锅底及预留核心土开挖方法在沉井结构应力及不均匀沉降增长率方面明显大于十字拉槽开挖方法。原因是十字拉槽开挖方法可以根据地层不均匀性及沉井姿态，及时调整开挖宽度，减少了不均匀地层对沉井结构安全和姿态控制的影响。

表3 不同开挖方法混凝土应力及不均匀沉降

4 工程应用及效果

综合考虑沉井结构安全、姿态控制、地层适应性等因素，五峰山长江大桥北锚碇沉井首次排水下沉施工过程中采用十字拉槽开挖下沉方法。为了保证沉井施工过程中结构安全及沉井平稳下沉，十字拉槽宽度控制在7 m以内，隔墙脱空高度控制在20 cm，并采用混凝土光纤应力传感器及静力水准仪对沉井结构受力及几何姿态进行监测，见图8。可知，沉井首次排水下沉过程中结构应力最大值为1.9 MPa，沉井结构平面最高点与最低点高差仅为15.5 cm，首次排水下沉仅耗时15 d。沉井下沉速度随着施工进行逐渐增加，沉井单日下沉量可达1 m以上，远高于已建其他大型沉井工程。十字拉槽开挖下沉工艺确保了大型沉井施工过程中的结构安全，解决了大型沉井易开裂和沉井施工过程中姿态难控制的问题，提升了开挖下沉效率。