五峰山長江特大橋北錨碇超大沉井下沉施工技術(shù)研究

吳 鵬 中國鐵路上海局集團有限公司南京房產(chǎn)建筑段

隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴大和生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，大型沉井的應(yīng)用越來越廣泛。沉井基礎(chǔ)埋深較大，整體性好，穩(wěn)定性好，具有較大的承載面積，能承受較大的垂直和水平荷載。大型設(shè)備基礎(chǔ)、地下沉淀池、水池以及地下油庫等，特別是鐵路和橋梁工程的墩臺基礎(chǔ)都運用沉井下沉施工。前幾年建成的南京長江第四大橋以及目前在建的蕪湖長江公鐵大橋和國內(nèi)最大公鐵兩用斜拉橋滬通長江大橋都采用了超大沉井基礎(chǔ)。

1 工程概況

五峰山長江特大橋北錨碇基礎(chǔ)采用沉井結(jié)構(gòu)。沉井長和寬分別為100.7 m和72.1 m，沉井高56 m，共分十節(jié)，第一節(jié)為鋼殼混凝土沉井，高8 m；第二至第十節(jié)為鋼筋混凝土沉井，其中第二節(jié)高6 m，第三節(jié)至八節(jié)高均為5 m，第九節(jié)高4 m，第十節(jié)高8 m。沉井為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用矩形截面，標(biāo)準(zhǔn)截面壁厚2.0 m，隔墻厚1.3 m，中間共設(shè)置了48個（10.2 m×10.9 m）的矩形井孔，其中后端18個井孔用C20水下混凝土填充，中端18個井孔用砂土填充，前端12個井孔用清水填充。沉井刃腳高1.8 m，刃腳踏面寬0.2 m；為傳遞封底混凝土基底反力和增強封底混凝土與井壁的聯(lián)結(jié)，在第二節(jié)沉井設(shè)置了6 m高的剪力鍵。沉井封底混凝土厚為12 m。沉井頂面標(biāo)高為＋1.0 m，基底標(biāo)高為-55.0 m，基底置于粉細(xì)砂層。

2 工程地質(zhì)及水文特征

2.1 土層特征及分布

沉井位于沖擊平原區(qū)，地形較平坦，地表主要為魚塘及蟹塘，塘埂道路處表層覆蓋層有厚度不等填土，填土以下土層依次為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉砂夾粉土、粉砂、粉細(xì)砂、粉細(xì)砂、粉細(xì)砂、粉細(xì)砂。下伏基巖為石英閃長斑巖，基巖頂面標(biāo)高在-54.6 m～-63.7 m，巖面傾斜角約5°。

2.2 水文特征

工程場區(qū)地表水主要存在于長江及沿線河溝、池塘內(nèi)，長江及北岸人工溝渠水位漲落主要受大氣降水、上游降水，潮水的影響，在汛期、大潮期水位較高，在枯水期水位較低。場區(qū)沿江多有第四系土層覆蓋，丘陵區(qū)部分地段基巖出露，含水層主要為第四系沖洪積砂類土，地下水類型可分為第四系松散巖類孔隙水、基巖裂隙水。

3 沉井施工工藝及流程

3.1 沉井下沉施工邊界條件

3.1.1 “十字槽”開挖法

沉井共分三次下沉施工，第一次采用排水輔助下沉至-8 m，排水輔助下沉開挖為“十字槽”開挖法。沉井內(nèi)外隔墻開挖寬度均為7 m，見圖1。

圖1 沉井“十字槽”開挖示意圖（圖中陰影部分為未開挖）

3.1.2 分8區(qū)（4區(qū)）開挖法

圖2 沉井分8個區(qū)開挖示意圖

圖3 沉井分4個區(qū)開挖示意圖

沉井采用“十字槽”開挖法下沉至-8 m，接高第4～6節(jié)沉井后，擬將沉井分為8個區(qū)（或4個區(qū)）進行開挖下沉。分區(qū)開挖邊界見圖2與圖3。

3.1.3 “大鍋底”開挖法

隨著沉井下沉深度增加，側(cè)阻力隨之增加，沉井需形成“大鍋底”邊界方可保證順利下沉。

3.2 沉井接高與下沉總體思路

沉井分三次接高與三次下沉。第一次接高前三節(jié)，采用排水輔助下沉至標(biāo)高-8.0 m。第二次接高第4、5、6節(jié)，采用不排水下沉至標(biāo)高-30.0 m，第三次接高第 7、8、9、10 節(jié)，采用不排水下沉至標(biāo)高-55.0 m。沉井下沉期間采用信息化施工監(jiān)控手段，確保沉井結(jié)構(gòu)及周邊建筑物安全。

3.3 總體施工工藝流程

3.3.1 沉井第一次排水輔助下沉施工

沉井第一次采用排水、十字槽開挖下沉法，即在每個隔墻（井壁）底部同步掏槽，控制掏槽寬度與深度，確保沉井穩(wěn)步下沉，同時隔墻（井壁）結(jié)點處形成有效支撐，控制鋼殼混凝土拉應(yīng)力，確保結(jié)構(gòu)安全。

隔墻與井壁開挖寬度均控制在2 m-7 m之間。隔墻開挖深度控制在50 cm以內(nèi)（踏面板以下50 cm內(nèi)），井壁刃腳開挖深度控制在110 cm以內(nèi)（保留70 cm入土），不開槽部位保持隔墻（井壁）支撐。

3.3.2 沉井第二次不排水下沉施工

（1）分8個單元進行開挖

沉井每6個艙形成一個吸泥區(qū)域，每個艙內(nèi)布置一臺吸泥機，每個吸泥機的吸泥范圍為艙面積的四分之一或二分之一，吸泥深度為踏面板以下2.0 m之內(nèi)。陰影區(qū)坑底2.0 m時，坑邊坡約30°，井壁刃腳埋深約3.02 m，隔墻踏面埋深約1.23 m，確保預(yù)留支撐有效。

（2）分4個單元進行開挖

沉井每12個艙形成一個吸泥區(qū)域，每個艙內(nèi)布置一臺吸泥機。周邊10個井孔按照下圖5.2-5所示的陰影區(qū)域進行開挖，吸泥深度為踏面板以下2.0 m之內(nèi)。陰影區(qū)坑底2.0 m時，形成約30°坑邊坡，此時井壁刃腳埋深3.12 m，隔墻踏面埋深1.23 m，確保預(yù)留支撐有效。中間兩個倉吸泥深度控制在2.0 m以內(nèi)。

3.3.3 沉井第三次不排水下沉施工

沉井在前6節(jié)基礎(chǔ)上接高第7、8、9、10節(jié)，下沉至標(biāo)高-55.0 m，采用水下吸泥、不排水下沉工藝。根據(jù)下沉系數(shù)及混凝土應(yīng)力制定以下兩種取土方案。

（1）沉井從標(biāo)高-30.0 m下沉至標(biāo)高-55.0 m左右時，分成4個單元同步吸泥，保留每個單元的四周支撐。沉井下沉至-50.0 m時，若沉井下沉困難，由先采用輔助下沉措施，當(dāng)輔助措施使用后沉井任然下沉困難，則考慮大鍋底下沉工況并采用輔助下沉措施。

（2）在上述前提下，沉井從標(biāo)高-50.0 m下沉至標(biāo)高-55.0 m，形成大鍋底吸泥，保留井壁支撐。

4 沉井下沉應(yīng)力分析

4.1 下沉系數(shù)及接高穩(wěn)定系數(shù)計算

（1）下沉系數(shù)計算公式

式中：G為已澆筑沉井的總自重；G'為施工荷載，取2 500 t；Fw為浮力；Fw為刃腳及隔墻底面極限端阻力；R2為沉井極限摩擦力。

（2）接高穩(wěn)定系數(shù)計算公式

式中：G為已澆筑沉井的總自重；G'為施工荷載，取25 00 t；Fw為浮力；Fw為刃腳及隔墻底面極限端阻力；R2為沉井極限摩擦力。

4.2 下沉過程中最大應(yīng)力

采用Midas-GTS有限元軟件，建立空間有限元模型對沉井下沉過程進行分析，得出沉井從前三節(jié)接高下沉至設(shè)計標(biāo)高（-55 m）過程中，混凝土和鋼殼在接高第10節(jié)后出現(xiàn)最大應(yīng)變，故此時混凝土和鋼殼也出現(xiàn)最大拉應(yīng)力，見圖4和圖5。

圖4 沉井下沉至接高第10節(jié)混凝土最大拉應(yīng)力

圖5 沉井下沉至接高第10節(jié)鋼殼最大拉應(yīng)力

5 結(jié)束語

（1）沉井下沉施工中，優(yōu)先考慮采用排水下沉法，因其工藝較簡單、施工直觀、質(zhì)量容易控制，出現(xiàn)問題容易處理。但當(dāng)下沉過程中出現(xiàn)土層不穩(wěn)定、地下水涌水量很大，井內(nèi)排水后極易產(chǎn)生流砂等不利現(xiàn)象，則需要采用不排水下沉。

（2）通過對沉井施工過程的模擬分析，在最大拉應(yīng)力為2.05 MPa，滿足小于C30砼極限抗拉強度2.2 MPa的要求，鋼殼結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力16.35 MPa，滿足小于Q235鋼材抗拉強度設(shè)計值215 MPa的要求。

（3）下沉及接高過程中，實際地質(zhì)參數(shù)與現(xiàn)有地質(zhì)參數(shù)有可能出現(xiàn)較大偏差，需加強過程中跟蹤計算，并根據(jù)計算結(jié)果實時調(diào)整施工方案。

（4）施工中應(yīng)注意開挖，控制沉井平穩(wěn)緩慢下沉。接高過程中沉井有可能下沉，需注意控制。