超大水下鋼沉井施工監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

王紫超， 楊切， 陳建榮， 孫南昌

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司， 湖北 武漢 430040; 2.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室， 湖北 武漢 430040; 3.交通運輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心， 湖北 武漢 430040； 4.中交公路長大橋建設(shè)國家工程研究中心有限公司， 北京市 100032)

沉井基礎(chǔ)具有剛度大、整體性好、穩(wěn)定性高以及抗震性能好等優(yōu)點，國內(nèi)外應(yīng)用十分廣泛[1-4]，20世紀(jì)以來，中國陸續(xù)修建了泰州長江大橋、南京長江四橋、滬通鐵路長江大橋以及五峰山長江大橋等，均采用了沉井基礎(chǔ)。

目前，中國對沉井的受力研究主要集中在沉井施工過程中的下沉系數(shù)、端阻力及側(cè)摩阻力等方面。陳曉平[5]系統(tǒng)分析了沉井基礎(chǔ)的下沉機理和下沉過程中的受力特性；穆保崗[6-7]對沉井結(jié)構(gòu)進行了監(jiān)控，驗證了不同地基極限承載力公式在沉井工程中的適用性；朱建民[8]發(fā)現(xiàn)超大型沉井兼有條形基礎(chǔ)的特點和整體工作性能，能夠承受較大的豎向變形，沉井首節(jié)混凝土澆筑就已決定了隔墻底板的應(yīng)力大小和分布情況；周和祥[9]分析刃腳土阻力與側(cè)壁摩阻力的大小和變化規(guī)律，考慮了土層前期固結(jié)壓力對刃腳土阻力的影響，并且提出了側(cè)壁摩阻力分布簡化模型；朱勁松[10]系統(tǒng)研究大型沉井基礎(chǔ)下沉過程中側(cè)摩阻力、阻力峰值位置分布、松弛高度與下沉系數(shù)的變化規(guī)律；鄧友生[11]系統(tǒng)地闡述了大圓形錨碇沉井下沉施工中下沉系數(shù)和穩(wěn)定系數(shù)變化規(guī)律；劉彥峰[12]研究了深厚淤泥土層中大型沉井基礎(chǔ)下沉阻力的分布特征，側(cè)壁壓力沿深度方向近似線性增長，與砂土層受力有明顯不同。

國外沉井研究與中國研究有細(xì)微差別，Jeong[13]發(fā)現(xiàn)空氣幕助沉措施可以有效減少側(cè)摩阻力，加速沉井下沉，側(cè)阻力可以減小到預(yù)期值的一半以下；Jitesh[14]發(fā)現(xiàn)刃腳的承載力和土壤流動機理取決于刃腳的形狀、下沉深度和土壤類型；Riccardo[15]以及Gaudio[16]用樁基礎(chǔ)抗震理論來研究沉井抗震機理，考慮了沉井遠(yuǎn)大于地基土的質(zhì)量和剛度，并且進行了有限元分析，結(jié)果與計算實例吻合良好。

綜上所述，沉井主要依靠自重下沉，期間要克服側(cè)壁摩阻力、刃腳端阻力以及浮力?，F(xiàn)行的沉井規(guī)范主要基于大直徑樁的下沉機理分析，或者針對中小沉井得出的。是否適用于地質(zhì)復(fù)雜、尺寸及開挖深度越來越大的沉井有待考證。同時絕大多數(shù)文獻忽略了刃腳踏面土壓力對端阻力的影響，而且側(cè)摩阻力也只考慮側(cè)摩阻力的縱向分布，忽略了側(cè)摩阻力的橫向分布研究。常泰長江大橋5#墩沉井為世界最大尺寸圓端形水中鋼沉井，很有必要對其下沉施工進行研究，為以后的水中沉井建造提供參考意見。

1 工程概況

常泰長江大橋主航道橋采用雙層斜拉橋，橋梁上層為高速公路，下層為城際鐵路和普通公路[17]。主航道橋兩橋塔均采用大型鋼沉井基礎(chǔ)，主橋5#墩沉井基礎(chǔ)平面呈圓端形，立面為臺階形，臺階寬度9.0 m(圖1)。

圖1 5#墩鋼沉井結(jié)構(gòu)(單位：cm)

沉井底面尺寸長95.0 m、寬57.8 m，圓端半徑28.9 m；沉井頂面尺寸長77.0 m、寬39.8 m，圓端半徑19.9 m；沉井外井壁厚1.8 m，高43 m，內(nèi)井壁厚2.0 m，高64 m，內(nèi)、外圈隔墻厚度均為1.4 m，外圈隔墻高64 m，內(nèi)圈隔墻高39 m。內(nèi)井孔標(biāo)準(zhǔn)尺寸為長11 m、寬11 m，隔墻、內(nèi)井壁間倒長1.5 m、寬1.5 m直角，隔墻外井壁間倒長1.2 m、寬1.2直角，沉井為填充混凝土的鋼殼結(jié)構(gòu)，共28個隔艙。

鋼沉井所處河段屬長江下游感潮河段，潮位受長江徑流與潮汐雙重影響，20年一遇橋位斷面垂線平均最大流速為1.93～2.1 m/s，枯水期垂線平均最大流速低于1.05 m/s。鋼沉井位于主航道區(qū)北側(cè)，墩位處地形較平穩(wěn)，河床表層為松散狀粉砂，層厚不均，1.6～4.8 m，工程性質(zhì)差。5#墩大部分鉆孔的砂類土地層中均揭示有砂礫膠結(jié)層，為非層狀構(gòu)造，零星分布，揭示深度主要在河床下-35～-45 m，其他深度零星分布。具體特點及施工難點如下：

(1) 水文地質(zhì)條件復(fù)雜，汛期流速大，河床易沖刷、地層不均勻，表層存在硬塑粉質(zhì)黏土層，沉井初期下沉安全風(fēng)險及姿態(tài)控制難度大。

(2) 沉井結(jié)構(gòu)新穎，采用圓端形臺階形結(jié)構(gòu)，影響設(shè)備布置，存在異形隔倉，容易產(chǎn)生取土盲區(qū)，臨時外壁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可拆臨時外壁施工難度大。

2 施工監(jiān)測結(jié)果與分析

2.1 下沉曲線

沉井總共經(jīng)歷了4次取土下沉、3次混凝土澆筑、2次接高，該文研究重點為4次取土下沉期間的沉井姿態(tài)及土壓力。具體結(jié)果如表1、圖2所示。

表1 沉井下沉數(shù)據(jù)統(tǒng)計

圖2 沉井下沉?xí)r間歷程曲線

第1次取土開挖之前，為了清淤以及減少土層對井壁的側(cè)摩阻力，對河床進行了開挖，沉井外刃腳底標(biāo)高初始值為-27.2 m。從表1及圖2可以看出:在第1次取土初期，沉井下沉較慢，原因在于取土初期，取土高度控制在0.5 m以內(nèi)，施工過程較保守，平均下沉速度為14.3 cm/d。

經(jīng)過數(shù)值計算[18]，將第2次及第3次取土階段取土高度均控制在1 m以內(nèi)，下沉速度加快，其平均下沉速度分別為32.2、34.3 cm/d，下沉速度最大值為1.1 m/d?？偨Y(jié)前3次取土經(jīng)驗，第4次取土期間，取土高度控制在1.5 m以內(nèi)，下沉加快，下沉速度最大值為0.9 m/d，其平均下沉速度為48.7 cm/d。

沉井下沉速度逐漸加快，原因在于加大取土高度可以有效地減少沉井端阻力，提高下沉系數(shù)，增加取土量，使沉井可以在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下平穩(wěn)下沉。并且第4次取土期間沉井主要穿過密實中粗砂層以及密實粗砂層，軟塑粉質(zhì)黏土層不存在，具體土層地質(zhì)情況見表2。

表2 沉井土層地質(zhì)情況

2.2 沉井幾何姿態(tài)

(1) 測試方法與測點布置

為了監(jiān)測沉井下沉姿態(tài)，確保及時調(diào)整沉井姿態(tài)，在沉井頂面布置了4個北斗坐標(biāo)測點，分別布置在沉井頂面的上游、下游、江側(cè)和岸側(cè)，根據(jù)實時測量數(shù)據(jù)動態(tài)計算沉井高程、傾斜、偏位和平面扭角等幾何信息。

(2) 測試結(jié)果與分析——傾斜值

傾斜是沉井幾何姿態(tài)監(jiān)控的重要指標(biāo)之一，其代表了沉井下沉過程中的垂直度，其中順橋向傾斜與橫橋向傾斜的控制值均為1/150。從圖3可以看出：第1次取土期間以及第4次取土期間其順橋向傾斜與橫橋向傾斜值均控制在1/150以內(nèi)，然而第2次以及第3次取土過程中，橫橋向傾斜值存在部分點超過1/150的情況，但是經(jīng)過及時糾偏，橫橋向傾斜值回歸正常，沉井幾何姿態(tài)總體可控。

圖3 沉井傾斜曲線

(3) 測試結(jié)果與分析——平面扭角

平面扭角是沉井幾何姿態(tài)監(jiān)控的重要指標(biāo)之一，代表了沉井下沉過程中沉井底面及頂面的扭轉(zhuǎn)程度，其控制值為1°。從圖4可以看出：4次取土期間其平面扭角均控制在0.01°以內(nèi)，沉井扭轉(zhuǎn)姿態(tài)良好。

圖4 沉井平面扭角曲線

2.3 隔墻底部應(yīng)力監(jiān)測

(1) 測試方法與測點布置

隔墻底部的結(jié)構(gòu)應(yīng)力用于監(jiān)測隔墻底部的鋼板結(jié)構(gòu)應(yīng)力，是沉井基礎(chǔ)定位著床及終沉等階段的控制結(jié)構(gòu)安全性的重要指標(biāo)，使用振弦式應(yīng)變計測得，測點布置如圖5所示。

圖5 隔墻底部應(yīng)力監(jiān)測點布置圖

(2) 測試結(jié)果與分析

隔墻底部應(yīng)力測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 隔墻底部應(yīng)力曲線

從圖6(a)、(b)可以看出：在第1次取土階段，應(yīng)力值均為8 MPa左右，說明整個沉井中部區(qū)域整體工作性能良好。在經(jīng)歷了2個月的沉井接高以后，即第2次取土初期，其應(yīng)力值在幾天之內(nèi)迅速達到60 MPa左右，原因在于此時沉井入土較淺，沉井自重增大，同時沉井中部區(qū)域底部完全被掏空，因此中部區(qū)域應(yīng)力增大。但是第2次取土之后，其值約為60 MPa，遠(yuǎn)小于鋼板屈服應(yīng)力，原因可能為此時沉井入土較深，周圍土體對沉井底板約束力增強，限制了沉井底板變形，這種限制對沉井受力是有利的。在第2次取土期間，GDY-1，GDY-6以及GDY-7應(yīng)力曲線有些許不同，原因在于，其隔墻底部較其他隔墻底部未完全被掏空，仍有部分土體支撐，鋼板局部應(yīng)力降低。

圖6(c)為外隔墻-內(nèi)隔墻底部應(yīng)力曲線圖，在4次取土過程中，LJY-4、LJY-13測點處應(yīng)力。始終保持在60 MPa左右，說明沉井首節(jié)混凝土澆筑完成后，已經(jīng)決定了外隔墻底板的應(yīng)力大小和分布情況，這與文獻[8]中關(guān)于隔墻應(yīng)力的描述類似。

2.4 刃腳踏面及斜面土壓力監(jiān)測

許多大型沉井外刃腳踏面寬度為20 cm左右，例如五峰山長江大橋、馬鞍山長江大橋以及該文的常泰長江大橋等，相較于整個外刃腳200 cm寬度，占比量為1/10，較少有文獻研究，文獻[5-10]未曾提及，但是該文通過研究發(fā)現(xiàn)其影響較大。

(1) 測試方法與測點布置

底面土壓力用于監(jiān)測沉井基礎(chǔ)下沉過程中的端面阻力大小及其分布規(guī)律，是確定下沉阻力的關(guān)鍵指標(biāo)。使用土壓力盒測得，測點布置見圖7。其中RF-5、RF-78以及RF-88為斜面監(jiān)測點，與它們對應(yīng)的踏面監(jiān)測點為RF-125、RF-124以及RF-121。

圖7 土壓力傳感器監(jiān)測點

(2) 測試結(jié)果與分析

刃腳踏面及斜面土壓力測試結(jié)果見圖8。

由圖8可知：踏面土壓力值遠(yuǎn)高于斜面土壓力值，踏面平均土壓力值約為4 MPa，原因在于隨著施工過程推進，沉井入土深度加大，原本處于刃腳周圍的固結(jié)土及石塊被進一步堆積，外刃腳踏面土層進入了超固結(jié)的狀態(tài)[19]，甚至外刃腳踏面部位極有可能一直存在石塊，隨外刃腳一起下沉，因為理論上密實粗砂的極限承載力不會超過2 MPa；斜面平均土壓力約為1 MPa，處于正常范圍內(nèi)。同時在沉井中后期施工過程中，研究發(fā)現(xiàn)外刃腳踏面端阻力占了整個外刃腳端阻力的35%～55%，占整個沉井端阻力的25%～40%，對沉井下沉影響較大。

由于外刃腳踏面土壓力數(shù)值較大，沉井下沉啟動時，理論上數(shù)值變化較大，容易被系統(tǒng)監(jiān)測。在沉井終沉階段，由于需要控制下沉量，取土效率降低，而且沉井屬于非連續(xù)下沉。在沉井啟動時，會出現(xiàn)快速下沉現(xiàn)象，時間很短。究其原因在于沉井側(cè)摩阻力由靜摩阻力變成了動摩阻力，并且隨著下沉深度增加，兩者差異越來越大，根據(jù)實測刃腳底面土壓力數(shù)值可以反算側(cè)摩阻力，得出在沉井初沉階段，靜摩阻力約為動摩阻力的1.1倍，沉井終沉階段，靜摩阻力約為動摩阻力的1.6倍，這與文獻[20]規(guī)律相似。

(3) 沉井下沉啟動分析

沉井下沉啟動前后踏面土壓力曲線如圖9所示。

圖9 下沉啟動前后踏面土壓力曲線變化圖

沉井下沉啟動從開始到結(jié)束，時間約為8 s，5#沉井于2020年12月的20號、22號以及25號均發(fā)生過下沉啟動，下沉量分別為12、7以及5 cm。研究了20號下午16：02—16：03外刃腳踏面土壓力曲線，如圖9所示，在下沉啟動前30～40 s，RF-122土壓力曲線會產(chǎn)生規(guī)律性的上下波動，波動幅度為2 MPa，變化較大，其他曲線較平緩，這可能與下沉啟動最先開始的位置有關(guān)。下沉啟動過程中RF-122曲線發(fā)生了突變，先迅速上升，再迅速下降，曲線最大值為6.5 MPa，最小值為1.5 MPa，其他曲線也會出現(xiàn)小范圍上升或者下降，其余幾次下沉啟動也有類似規(guī)律。

2.5 沉井側(cè)壁土壓力監(jiān)測

(1) 測試方法與測點布置

沉井側(cè)壁土壓力監(jiān)測可反映沉井周邊土體應(yīng)力狀態(tài)，為翻砂提供預(yù)警。使用土壓力盒測得，測點布置如圖7，編號為CT-1-1～CT-1-4。

(2) 測試結(jié)果與分析

文獻[5-10]得出縱向側(cè)摩阻力兩端小、中間大的規(guī)律，并且簡化側(cè)摩阻力計算模型，但是忽略了側(cè)壁摩阻力的橫向分布。

該文首先根據(jù)表2以及《土力學(xué)與地基基礎(chǔ)》[21]分別計算了每層土的頂面及底面的主動土壓力與被動土壓力，并且考慮水自重應(yīng)力。如圖10所示，側(cè)壁土壓力均處于主動總壓力與被動總壓力之間，而且隨著入土深度加大，側(cè)壁土壓力更接近于主動總壓力。同時側(cè)壁土壓力均為先增大后平穩(wěn)再減小的趨勢，但是減少趨勢不明顯，說明刃腳處土壓力松弛效應(yīng)影響隨著入土深度加大逐漸增大，這也可能與該文2.4小節(jié)說明的原因有關(guān)。

圖10 側(cè)壁水土總壓力圖

如圖10所示，對于橫向分布不同的CT-1-1、CT-1-2以及CT-1-4，同一土層同一標(biāo)高處的側(cè)壁壓力值逐漸減小，并且差值最大可達0.4 MPa，說明側(cè)壁摩阻力的橫向分布存在較大差異，原因在于沉井圓端處容易應(yīng)力集中，而且各處土層不均勻，為了較準(zhǔn)確地計算側(cè)摩阻力，應(yīng)分段計算。同時該文對側(cè)壁摩阻力的橫向分布討論較淺，需要進一步研究。

2.6 土壓力占比分析

該文分析了施工期間，總阻力中端阻力與側(cè)摩阻力各自占比量，這對沉井中后期施工具有重要的指導(dǎo)意義，施工階段前期，沉井入土深度較淺，總阻力主要占比為端阻力，施工階段中后期，沉井入土深度加大，達30多米，側(cè)摩阻力成為影響沉井下沉的主要因素?？v觀施工全過程，端阻力從100%變化到40%，側(cè)摩阻力從0%變化到60%。

同理，由于沉井平面尺寸較大，端阻力分布也較復(fù)雜，有必要對其研究。該文中沉井的支撐狀態(tài)主要有3種：全斷面支撐、小鍋底支撐、大鍋底支撐[22]。刃腳各部分土壓力占比如表3。

表3 端阻力占比量

3 結(jié)論

(1) 施工過程監(jiān)測與控制結(jié)果表明：整個沉井下沉過程中，下沉速度最大值為1.1 m/d，通過及時動態(tài)調(diào)整，沉井整體姿態(tài)控制較好。

(2) 沉井首節(jié)混凝土澆筑完成后，已經(jīng)決定了外隔墻底板的應(yīng)力大小和分布情況，但是中部內(nèi)隔墻應(yīng)力在施工前期由于入土較淺、底部土體被掏空等因素會大幅提升，中后期由于沉井周圍土體對沉井底板約束力增強，限制了沉井底板變形，對結(jié)構(gòu)受力有利，中部內(nèi)隔墻應(yīng)力保持穩(wěn)定，為60 MPa左右。

(3) 通過沉井中后期的施工研究，發(fā)現(xiàn)外刃腳踏面端阻力占整個外刃腳端阻力的35%～55%，占整個沉井端阻力的25%～40%，對沉井下沉影響較大。沉井下沉啟動前，外刃腳踏面土壓力會發(fā)生明顯變化，且沉井初沉階段，靜摩阻力約為動摩阻力的1.1倍，沉井終沉階段，靜摩阻力約為動摩阻力的1.6倍。

(4) 側(cè)壁土壓力處于主動總壓力與被動總壓力之間，而且隨著入土深度加大，側(cè)壁土壓力更接近于主動總壓力。同時側(cè)壁土壓力均為先增大后平穩(wěn)再減小的趨勢，但是減小趨勢不明顯，說明刃腳處土體壓力松弛效應(yīng)隨著入土深度加大對沉井影響逐漸增大。

(5) 側(cè)壁摩阻力的橫向分布存在較大差異，原因在于沉井圓端處容易應(yīng)力集中，而且土層不均勻，為了較準(zhǔn)確地計算側(cè)摩阻力，應(yīng)分段計算。