大型調(diào)壓井沉井受力特性探討及施工方法改進(jìn)

潘　峰，黨發(fā)寧,陸　亮，段　彬，楊小妹

(1. 西安理工大學(xué)巖土工程研究所，陜西西安　710048； 2. 甘肅省建筑設(shè)計研究院，甘肅蘭州　730030； 3. 中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西西安　710065)

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大型調(diào)壓井沉井受力特性探討及施工方法改進(jìn)

潘峰1，黨發(fā)寧1,陸亮2，段彬3，楊小妹3

(1. 西安理工大學(xué)巖土工程研究所，陜西西安710048； 2. 甘肅省建筑設(shè)計研究院，甘肅蘭州730030； 3. 中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西西安710065)

摘要：針對某工程砂卵礫石覆蓋層中大型調(diào)壓井沉井規(guī)模大、所處地層均勻性差、大體積孤石數(shù)量多、受地層性質(zhì)及施工因素影響大等特點，以及施工面臨的井身偏移傾斜、刃腳被孤石破壞及井壁與地層脫空等問題，首先進(jìn)行了成因分析，解析比較了施工過程中沉井井壁土壓力的變化；最后通過數(shù)值方法對沉井下沉過程中地層含有孤石時的施工方法進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明：當(dāng)土壓力由先前的靜止土壓力轉(zhuǎn)變?yōu)楸粍油翂毫r，井壁偏于不安全；沉井下沉過程中地層含有孤石時，應(yīng)將前期先開挖土體再破除孤石的下沉開挖方法調(diào)整為先破除孤石再開挖土體，調(diào)整后可大幅降低沉井井壁和刃腳的應(yīng)力，避免了井壁和刃腳出現(xiàn)破壞。

關(guān)鍵詞：沉井； 偏移傾斜； 孤石； 井壁脫空

沉井作為一種深基礎(chǔ)形式，廣泛應(yīng)用于橋梁、港口及水利水電工程建設(shè)中[1-4]。在一些水利水電工程中，調(diào)壓井的布置往往受場地狹窄以及地形條件限制而不適宜大開挖施工，采用沉井施工方案不失為一種合理選擇。隨著沉井規(guī)模尺寸逐漸加大，加之地質(zhì)條件復(fù)雜，施工中頻發(fā)如拒沉、超沉、突沉等質(zhì)量事故，嚴(yán)重影響了施工安全和工程進(jìn)度。

對于大型沉井工程，現(xiàn)有研究多為關(guān)于沉井受力機(jī)理[5-8]、下沉阻力[9-12]和施工技術(shù)[13-15]等方面的探討，其中S. Saran等[5]對沉井刃腳基礎(chǔ)反力進(jìn)行了研究，并用試驗方法確定了環(huán)形刃腳作用下的地基極限承載力。王紅霞等[6]對大型沉井結(jié)構(gòu)施工力學(xué)模型進(jìn)行了研究，通過解析方法建立了能夠反映一定開挖量和下沉量關(guān)系的沉井施工過程動態(tài)力學(xué)模型。W. D. Hong等[9]對大尺寸氣壓式沉箱下沉過程中的單位摩阻力進(jìn)行了計算，結(jié)果與實測值符合較好。陳曉平等[10]現(xiàn)場監(jiān)測了沉井下沉全過程，對下沉機(jī)理和下沉阻力分布特征進(jìn)行了理論分析，給出了最大側(cè)壁摩阻力的計算公式和分布特征。陶建山[13]采用深井降水和泵吸挖土的排水下沉方案，達(dá)到安全快速施工大型沉井基礎(chǔ)的目的。這些研究成果有助于指導(dǎo)沉井的實際施工，但對于特殊地質(zhì)條件下，如在含大塊卵石礫石覆蓋層中施工的沉井工程則有一定局限性?，F(xiàn)階段關(guān)于此類砂卵礫石覆蓋層中沉井施工的研究成果并不多，可借鑒的工程經(jīng)驗較少，尤其在一些開挖尺寸大、下沉深度深的大型調(diào)壓井沉井工程中，能否保證井身及刃腳結(jié)構(gòu)的安全顯得尤為重要。就目前的研究方法而言，對于地質(zhì)條件復(fù)雜的大型沉井，整個動態(tài)施工過程中存在許多不確定性因素，很難通過解析方法建立合適的力學(xué)模型，而模型試驗也難以準(zhǔn)確反映現(xiàn)場地質(zhì)條件及施工過程，試驗結(jié)果偏差較大，且試驗費用昂貴。數(shù)值試驗則具有可重復(fù)性，試驗成本低等優(yōu)點，根據(jù)相關(guān)研究[16-18]，數(shù)值模擬方法可較好模擬土與結(jié)構(gòu)相互作用，能夠分析沉井內(nèi)部的受力狀態(tài)，計算結(jié)果的可靠性在工程應(yīng)用中已得到有效驗證。因此，采用數(shù)值模擬方法研究特殊地質(zhì)條件下大型調(diào)壓井沉井施工過程是可行的。

某水電站調(diào)壓井沉井處于砂卵礫石覆蓋層中，其下沉施工中出現(xiàn)如下嚴(yán)重影響施工安全的問題：沉井井身整體出現(xiàn)偏移傾斜，施工中的軸線與設(shè)計軸線不重合，井壁多處開裂；沉井下沉中刃腳踏面處孤石較多，處理難度大，刃腳局部鋼板發(fā)生鼓脹變形，內(nèi)部混凝土被拉壞；沉井四周井壁與砂礫石層部分脫空，受阻面積減小，井壁受力不均。本文通過理論分析研究了所遇到的問題及成因，采用解析法研究了沉井由于傾斜而存在的風(fēng)險，用有限元模擬了沉井下沉過程中遇到孤石時刃腳及井壁的受力情況，最后提出后續(xù)施工應(yīng)采取的技術(shù)措施，終于使得該沉井順利就位。

1工程概況和地質(zhì)條件

圖1　沉井結(jié)構(gòu)及地質(zhì)剖面(單位： m)Fig.1　Diagram of caisson’s structural and geological 　section (unit: m)

該水電站位于甘肅省舟曲縣的白龍江干流，是一座引水式電站，樞紐主要建筑物包括：首部混凝土閘壩、發(fā)電引水隧洞、調(diào)壓井及壓力鋼管、電站廠房及開關(guān)站等。水電站調(diào)壓井布置在廠房背后山坡上，上接引水隧洞，下接壓力管道，調(diào)壓井為阻抗式，頂部為敞開式，頂部高程1 590.2 m，底部高程1 516.00 m，高程1 524.0 m以上采用沉井方法開挖。調(diào)壓井井筒下部直徑18.0 m，高9.5 m，上部沉井直徑22.0 m，高65.0 m，總高度74.5 m，其中沉井共分10節(jié)，底節(jié)高度3.5 m，2至4節(jié)為9 m，第5節(jié)為5.5 m，第6至9節(jié)為6 m，第10節(jié)為5 m，依次接高下沉，沉井結(jié)構(gòu)及地質(zhì)剖面詳見圖1。

如圖1所示，調(diào)壓井1 524.0 m高程以下為基巖，以上為覆蓋層，覆蓋層厚約98.2 m，上半部為淡黃色粉土和塊碎石土，厚33.4 m；下半部為沖洪積含漂石砂卵礫石層，厚64.8 m，漂石約占5%～8%，粒徑一般0.4～0.6 m，最大可達(dá)1.5 m，在1 565～1 575 m的高程段含有一孤石層，孤石含量較高體積較大，最大直徑可達(dá)4～5 m，密實。下部巖石巖性為絹英千枚巖夾花崗閃長巖沿脈組成。

水電站調(diào)壓井沉井布置有以下特點：沉井規(guī)模大，沉井外直徑達(dá)25.2 m，高度達(dá)65.0 m，受地層性質(zhì)及施工因素影響大，容易發(fā)生偏移傾斜；地質(zhì)條件差，上部為深厚覆蓋層，覆蓋層里的孤石數(shù)量多、體積大，沉井下沉過程中遇到大體積孤石后，存在刃腳變形、井壁開裂和難沉等一系列風(fēng)險。下部巖石為絹英千枚巖，圍巖破碎，完整性較差，施工中井壁易產(chǎn)生坍塌破壞。加之沒有類似工程經(jīng)驗可借鑒，如何確保該調(diào)壓井沉井在復(fù)雜地質(zhì)條件下安全順利的下沉至設(shè)計深度，是本工程的一大技術(shù)特點與難點。

2調(diào)壓井沉井施工中遇到的問題及成因分析

沉井下沉初期較為順利，當(dāng)沉井第2節(jié)制作完成并下沉至孤石層時，井身出現(xiàn)了0.17 m的中心偏移以及0°32′42″的傾斜，傾斜側(cè)井壁多處開裂。這是由于基土均勻性較差，其中孤石量占沉井開挖量的70%～80%，刃腳踏面下方多處出現(xiàn)大體積孤石，沉井下沉過程被孤石所擱置，開挖時大體積孤石難以處理，影響了下沉的均勻性。另一方面，沉井上下游方向處于一個山坡的邊緣，上游一側(cè)地勢高于下游一側(cè)，即上游土壓力比下游大，加劇了沉井的不均勻下沉。

由于砂卵礫石地層的承載能力較高，沉井刃腳不是切取而是局部承壓，并且砂卵礫石層中孤石巖性為灰?guī)r且質(zhì)地較硬，加之施工中采取了先軟后硬的開挖順序，當(dāng)刃腳踏面下方易于開挖的土體被掏空后，一些位置出現(xiàn)了孤石單獨支撐刃腳的情況，部分刃腳因局部承壓過大而導(dǎo)致鋼板發(fā)生鼓脹變形，使得刃腳鋼板鼓脹處內(nèi)部混凝土也因受力集中被破壞，如圖2和3所示。

圖2　沉井被刃腳下方孤石擱置Fig.2　Caisson supported by boulders below 　cutting curb

圖4　沉井井壁與地層出現(xiàn)脫空Fig.4　Well bore disengaging from formation

沉井所處地層為砂卵礫石層，該地層彈性模量較大，不易發(fā)生側(cè)向變形，砂卵礫石層黏聚力小且分布不均勻，在井壁摩擦力作用下易脫落掉塊，在開挖刃腳內(nèi)土體時會順著外壁流入井內(nèi)，造成部分井壁與外側(cè)砂礫石層脫開，如圖4。脫空最嚴(yán)重的地方甚至出現(xiàn)從底部貫通至頂部的情況，脫空面積越大受阻面積越小，井壁受力越不均勻。摩阻力較小的一側(cè)可產(chǎn)生少量的超前沉降，使該側(cè)井壁傾斜，并局部擠壓地層，井壁趨于不安全，同時，地層摩阻力又直接影響刃腳承壓荷載的大小，過小的摩阻力使得刃腳處應(yīng)力集中作用更明顯，刃腳趨于不安全。

因此，針對以上出現(xiàn)的問題，為確保沉井后續(xù)施工及沉井安全，應(yīng)對不同情況下沉井施工過程中井壁以及刃腳的受力進(jìn)行分析，并確定合理的開挖方案及后續(xù)施工措施，使其安全順利地下沉至設(shè)計標(biāo)高處。

3沉井傾斜時井壁強(qiáng)度解析法復(fù)核

由于沉井在下沉過程中出現(xiàn)了偏移傾斜，部分井壁出現(xiàn)了開裂情況，為分析沉井下沉狀態(tài)由豎直變?yōu)閮A斜時井壁的受力情況，本節(jié)按照彈性力學(xué)厚壁圓筒受均布壓力作用下的解析公式計算沉井的內(nèi)力分布，對沉井出現(xiàn)傾斜時的強(qiáng)度進(jìn)行復(fù)核。

3.1厚壁圓筒受均布壓力作用下的解析解

沉井內(nèi)半徑r=11 m，外半徑R=12.6 m，施工中所受內(nèi)壓力q1=0，所受外壓力q2即為土對沉井的側(cè)向土壓力。根據(jù)彈性力學(xué)厚壁圓筒受均布壓力作用下的拉梅解答得其徑向應(yīng)力σρ和周向應(yīng)力σφ[19]：

(1)

當(dāng)ρ=R時，σρ取最大值，σφ取最小值；ρ=r時，σρ取最小值，σφ取最大值。

根據(jù)相關(guān)設(shè)計規(guī)程[19]，以朗肯土壓力理論對沉井的側(cè)向土壓力進(jìn)行計算。根據(jù)沉井施工時的下沉狀態(tài)，將沉井所受側(cè)向土壓力分別按靜止土壓力和被動土壓力考慮，當(dāng)沉井正常施工下沉，中心線保持豎直時，井壁側(cè)向土壓力接近靜止土壓力；當(dāng)井壁出現(xiàn)傾斜時，井壁局部擠壓地層，井壁側(cè)向土壓力接近被動土壓力。對于無黏性土，距離地表h深度處的靜止土壓力q0和被動土壓力qp分別為：

(2)

式中:γ為土重度；μ為泊松比；φ為內(nèi)摩擦角，均按表1中下部砂卵石層參數(shù)建議值取值。

表1　計算材料物理力學(xué)參數(shù)建議值

3.2沉井應(yīng)力解析解計算結(jié)果

按以上方法，將式(2)代入式(1)，可以計算出沉井下沉至不同深度時井壁徑向和周向應(yīng)力最大值，結(jié)果如圖5所示。

圖5　不同下沉深度井壁徑向和周向壓應(yīng)力最大值Fig.5　Maximum radial and circumferential compressive stress of well bore at different depths

由圖5可見，采用解析方法計算出的井壁徑向壓應(yīng)力和周向壓應(yīng)力最大值均隨下沉深度的增加而線性增大。當(dāng)沉井正常施工下沉，井身中心線保持豎直時，井壁側(cè)向土壓力接近靜止土壓力，井壁徑向最大壓應(yīng)力為0.97 MPa，周向最大壓應(yīng)力為8.6 MPa，整個施工過程沉井井壁壓應(yīng)力均在C25混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計值11.9 MPa范圍內(nèi)，此時沉井結(jié)構(gòu)安全。當(dāng)沉井下沉施工過程中出現(xiàn)井身偏移傾斜時，井壁局部擠壓地層，井壁側(cè)向土壓力接近以被動形式作用于沉井，井壁徑向最大壓應(yīng)力為3.99 MPa，井壁周向最大壓應(yīng)力為33.51 MPa。當(dāng)下沉深度超過23 m后，井壁周向最大壓應(yīng)力均超過C25混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計值，沉井結(jié)構(gòu)偏于危險，定義此深度為沉井承受被動土壓力時的界限深度。以上計算結(jié)果可以反映出，在施工時要注意平衡開挖下沉，及時對沉井糾偏，防止沉井偏移量和傾斜角度過大。

4有孤石出現(xiàn)時井壁及刃腳強(qiáng)度數(shù)值法復(fù)核

由第2節(jié)分析可知，大體積孤石對沉井施工極為不利，不光給沉井均勻下沉帶來困難，更為嚴(yán)重的是，部分井壁及刃腳應(yīng)力因超過混凝土強(qiáng)度設(shè)計值而發(fā)生破壞。因此，需要對下沉?xí)r刃腳下方出現(xiàn)孤石的情況進(jìn)行強(qiáng)度復(fù)核，由于解析解只能給出相對簡化力學(xué)模型的解答，對于孤石存在的情況，很難進(jìn)行計算，故本節(jié)采用有限元數(shù)值計算方法對沉井下沉過程中出現(xiàn)孤石的情況進(jìn)行分析。從地質(zhì)條件可知，孤石層所處高程大概為1 565～1 575 m，沉井下沉24 m便可穿過孤石層，所以計算中只考慮前5節(jié)沉井(共36 m)下沉過程中孤石對井壁及刃腳的影響。

4.1計算模型

圖6　模型網(wǎng)格劃分Fig.6　Model meshing

采用Ansys有限元程序進(jìn)行建模計算，為了消除邊界效應(yīng)，三維計算模型中，上下游方向和左右岸方向各取200 m，按所提供地質(zhì)資料建模。計算域上部取至地表，下部取至標(biāo)高1 430 m處。采用笛卡兒直角坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點定在0 m標(biāo)高平面與調(diào)壓井中軸線交點處。以垂直引水隧洞軸線的水平方向為x軸，指向左岸為正；以引水隧洞軸線方向為y軸，指向上游為正；以垂直方向為z軸，垂直向上為正。采用solid45實體單元對地層以及沉井調(diào)壓井模型進(jìn)行剖分，在地層和沉井之間添加面-面接觸單元，整體模型和調(diào)壓井沉井模型網(wǎng)格劃分如圖6。

4.2邊界條件及計算參數(shù)

在沉井施工模擬前先對模型在自重荷載作用下進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡，以獲得調(diào)壓井沉井施工前地基中的應(yīng)力狀態(tài)，并消除地基中的初始位移場。模型側(cè)面施加水平法向約束，底面施加3個方向約束，計算中僅考慮自重荷載。利用生死單元方法來模擬覆蓋層的開挖以及沉井的下沉過程。本次計算中共涉及到6種材料，其中覆蓋層采用理想彈塑性D-P模型，調(diào)壓井沉井采用線彈性模型，覆蓋層的材料參數(shù)以及襯砌混凝土物理力學(xué)參數(shù)詳見表1。

4.3施工過程數(shù)值模擬結(jié)果

分別考慮前5節(jié)沉井每節(jié)下沉到位后，刃腳由土體共同承擔(dān)；每節(jié)沉井下沉到位后，先開挖土體后破除孤石；每節(jié)沉井下沉到位后，先破除孤石后開挖土體的情況。3塊孤石的位置布置在沉井下游一側(cè)，如圖7所示。前5節(jié)沉井高度分別為底節(jié)3.5 m，第2至4節(jié)均為9 m，第5節(jié)5.5 m，總高度為36 m。下沉至不同深度時，井壁和刃腳應(yīng)力計算結(jié)果如圖8和9所示。

圖7　刃腳的支撐形式Fig.7　Supporting form of the cutting curb

圖8　Z向壓應(yīng)力隨下沉深度變化曲線Fig.8　Changing curves of Z-axis compressive stress with sinking depths

圖9　第5節(jié)井壁Z方向壓應(yīng)力等值線(單位：Pa)Fig.9　Compressive stress contour of Z-axis of 5th section of well bore (unit: Pa)

由圖8和 9可見，整個施工過程中，無論何種工況，井壁和刃腳的Z向壓應(yīng)力均隨深度增加而單調(diào)遞增。沉井每節(jié)下沉到位后，沉井由刃腳下方孤石和土體共同支撐時，井壁和刃腳垂向壓應(yīng)力增幅較小，下沉至第5節(jié)時出現(xiàn)最大值，分別為3.98和5.00 MPa，均在C25混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計值范圍內(nèi)。從井壁的應(yīng)力等值線圖也可以看出，井壁受力規(guī)律性較好，說明即使沉井下沉到位后遇到孤石，但由于刃腳能夠完全和土體及孤石接觸，刃腳受力點分布均勻，因此在井壁及刃腳處沒有出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，此時沉井結(jié)構(gòu)安全。

但沉井若進(jìn)一步下沉，需開挖井內(nèi)土體，如果先開挖土體，部分刃腳便僅由孤石單點支撐，此時井壁和刃腳孤石支撐處出現(xiàn)應(yīng)力集中，垂向壓應(yīng)力會大幅增大。當(dāng)沉井下沉超過界限深度17.2 m時，沉井刃腳出現(xiàn)破壞；超過26.4 m時，沉井井壁也出現(xiàn)破壞，下沉過程中井壁和刃腳處最大壓應(yīng)力分別為27和48.1 MPa，均遠(yuǎn)超C25混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計值，沉井結(jié)構(gòu)偏于危險。從井壁的應(yīng)力等值線圖中也可以看出，由于孤石的影響，應(yīng)力等值線集中在井壁下方和刃腳接觸處，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯。若先破除孤石再開挖土體，井壁和刃腳處的最大應(yīng)力值隨深度增加而小幅增加，雖然土體開挖會造成應(yīng)力重分布，但由于此時孤石已被破除，所以沒有出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中，井壁和刃腳應(yīng)力值均在C25混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計值之內(nèi)。說明整個施工過程中，刃腳下方出現(xiàn)孤石時，為避免井壁和刃腳進(jìn)一步開挖下沉?xí)r出現(xiàn)損壞，應(yīng)采取先破除孤石后開挖下沉的施工方法。

5處理措施

沉井施工應(yīng)結(jié)合特定的地質(zhì)條件和自身的結(jié)構(gòu)特征，采用因地制宜的施工方案。針對前期施工中出現(xiàn)的問題，結(jié)合井壁及刃腳應(yīng)力的計算結(jié)果，后續(xù)施工中應(yīng)采取下列幾點措施。

沉井在砂卵礫石地層下沉過程中，應(yīng)及時糾偏，由第3節(jié)計算結(jié)果可知，若沉井偏移傾斜嚴(yán)重時，井壁擠壓土層，一側(cè)的土壓力由靜止土壓力轉(zhuǎn)變?yōu)楸粍油翂毫Γ咕谑芰Υ蠓龃?，另一?cè)由靜止土壓力轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃油翂毫?，井壁外?cè)荷載不均勻性加劇，一旦超過界限深度，井壁會發(fā)生開裂，不利于沉井施工的安全。當(dāng)出現(xiàn)偏移傾斜情況時，可通過在沉井滯后沉降的部位或超前沉降的部位施加或減小水平分力和豎直分力，形成和傾斜方向相反的力矩進(jìn)行糾偏，待其正位后，再均勻分層取土下沉。如：井內(nèi)取土偏挖，在刃腳較高一側(cè)加大開挖量，較低一側(cè)適當(dāng)回填砂石；采用千斤頂在傾斜一側(cè)施加水平力，在另一側(cè)井壁頂部施加壓載；可在沉井傾斜一側(cè)地表填土并夯實以增加反向傾斜土壓力。

由含孤石地層沉井下沉施工方法數(shù)值模擬對比結(jié)果看出，應(yīng)將前期先開挖土體再破除孤石的下沉開挖方法調(diào)整為先破除孤石再開挖土體，調(diào)整后可大幅降低沉井井壁和刃腳應(yīng)力，應(yīng)力值均在C25混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計值之內(nèi)，避免了井壁和刃腳出現(xiàn)破壞。當(dāng)沉井刃腳踏面下方出現(xiàn)孤石，沉井難以下沉?xí)r，對于體積較小的孤石，可直接進(jìn)行掏挖或液壓油錘破碎后掏挖，對于體積較大的孤石，可先鉆探測孔，以確定孤石位置以及粒徑大小，再利用手風(fēng)鉆分層造孔進(jìn)行小藥量弱爆破，以減輕爆破對刃腳內(nèi)混凝土的影響，并保證每次爆破孤石的高度在0.3 m以下，這樣便于控制沉井單次下沉高度和下沉速度，孤石分層依次清理完畢后，盡量確保沉井刃腳踏面與土體接觸良好，受力點分布均勻。接下來對已變形的刃腳鋼板進(jìn)行切割，將刃腳內(nèi)部已破碎的混凝土全部掏空，重新焊接好鋼板后從預(yù)留孔中灌入混凝土，待混凝土達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，同時保證焊接加固后刃腳底部的整體剛度，方可繼續(xù)開挖下沉，這是刃腳不被損壞，順利下沉的前提。

沉井井壁與周圍地層出現(xiàn)脫空情況時，可向空隙中回填黏性土或顆粒較小的砂礫石封堵空隙，這樣能增大側(cè)壁摩阻力，使井壁受力更均勻并防止沉井偏移和傾斜的加劇，同時能防止基坑側(cè)向坍塌?；靥钸^程中，應(yīng)先將刃腳處脫空部分封堵密實，再向井壁內(nèi)回填土石料，以免出現(xiàn)回填料沿刃腳空隙處流回井內(nèi)。

采用以上施工處理措施，對前期施工中出現(xiàn)的問題以及不當(dāng)?shù)氖┕し椒ㄟM(jìn)行了修正和調(diào)整，保證了沉井安全順利地下沉到設(shè)計標(biāo)高。

6結(jié)語

(1)針對該沉井前期施工中出現(xiàn)的井身整體偏移傾斜、刃腳出現(xiàn)鼓脹變形及井壁與砂礫石層部分脫空等問題進(jìn)行了成因分析。

(2)根據(jù)沉井施工時的下沉狀態(tài)，分別按靜止土壓力和被動土壓力考慮井壁所受側(cè)向土壓力，對井壁進(jìn)行了應(yīng)力解析分析，分析表明，施工時要及時糾偏，若沉井偏移傾斜嚴(yán)重，井壁擠壓土層一側(cè)土壓力由靜止土壓力轉(zhuǎn)變?yōu)楸粍油翂毫Γ沟镁谑芰Υ蠓龃?，并超過C25混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計值范圍，不利于沉井施工安全。

(3)通過有限元數(shù)值方法對有孤石存在時井壁及刃腳的強(qiáng)度進(jìn)行了復(fù)核，結(jié)果表明，當(dāng)沉井下沉過程中，刃腳下方出現(xiàn)孤石后，只要后續(xù)施工方法合理，即選擇先破除孤石再開挖土體的下沉施工方法，可大幅降低井壁及刃腳的應(yīng)力值，避免因刃腳下方土體被掏空，部分刃腳處于孤石單點支撐，應(yīng)力集中過大而造成井壁和刃腳破壞的情況。

(4)對前期不當(dāng)?shù)氖┕し椒ㄟM(jìn)行了調(diào)整，采用改進(jìn)的先破除孤石再開挖土體的下沉開挖方法后，保證了沉井安全順利下沉到設(shè)計標(biāo)高。

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Mechanical characteristics of large caisson for surge shaft and its improvement of construction methods

PAN Feng1， DANG Fa-ning1， LU Liang2， DUAN Bin3， YANG Xiao-mei3

(1.InstituteofGeotechnicalEngineering,Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an710048,China; 2.GansuInsituteofArchitecturalDesignandResearch,Lanzhou730030,China; 3.NorthwestEngineeringCorporationLimitedofPowerChina,Xi’an710065,China)

Abstract：In view of the special problems encountered in large caisson for the surge shaft construction in sand gravel overburden, a hydropower project is taken as an example. Considering large scale of the caisson, the poor uniformity of formation, the quantity of boulders and it was greatly effected by the formation property and construction factors, and the well wall being deviation and inclination, failure of the cutting edge and the well edge disengagement from formation during prophase construction which had seriously affected the construction safety, firstly, the problems of construction and their genesis were both analyzed. After then the change law of caisson wall earth pressure during construction is compared by an analytic method, the analysis results show that the earth pressure changed from static earth pressure to passive earth pressure when the deviation of the caisson appeared, and the well wall was not reliable in this case. Finally, the construction method for the caisson in the formation which contained boulders was compared by a numerical method during the sinking process, the analysis results show that adjusting the prophase sinking excavation method for the caisson to breaking boulders at first, then excavating soil, it can remarkally reduce the stress values of the caisson, effectively avoid the destruction of well wall and the cutting edge. Thus the improvement construction method for a large caisson of the surge shaft was proposed, which can be applied to same hydropower works under the special geological conditions.

Key words：caisson; deviation and inclination; boulders; well wall disengagement

中圖分類號：TV732+.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-640X(2016)01-0078-09

作者簡介：潘峰(1984—)， 男， 陜西西安人， 博士研究生， 主要從事巖土計算力學(xué)研究。E-mail：Joy840629@163.com

基金項目：水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目專題(201501034-04)；陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程重點實驗室項目(2014SZS15-Z01)；西安理工大學(xué)博士基金資助項目(106-211104)

收稿日期：2015-06-23

DOI:10.16198/j.cnki.1009-640X.2016.01.012

潘峰， 黨發(fā)寧， 陸亮， 等. 大型調(diào)壓井沉井受力特性探討及施工方法改進(jìn)[J]. 水利水運工程學(xué)報, 2016(1): 78-86. (PAN Feng, DANG Fa-ning, LU Liang, et al. Mechanical characteristics of large caisson for surge shaft and its improvement of construction methods[J]. Hydro-Science and Engineering, 2016(1): 78-86.)