水中巨型臺階形沉井取土下沉計算分析

趙東梁 ，沈立龍 ，李嘉成

（1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，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；2.中交公路長大橋建設(shè)國家工程研究中心有限公司，北京 100120）

0 引言

沉井基礎(chǔ)因具有承載能力大、剛度大、協(xié)調(diào)不均勻沉降的能力強、防撞性能好、抗震性能好、適用土質(zhì)廣泛等諸多優(yōu)點[1-3]，被廣泛應(yīng)用在港口、橋梁、礦山及水利水電工程中[4]。隨著我國橋梁建設(shè)向?qū)掗熕?、外海發(fā)展，一座座跨江跨海特大型橋梁應(yīng)運而生，沉井基礎(chǔ)逐漸成為橋墩基礎(chǔ)的主要形式之一[5]。到目前為止，國內(nèi)外已建和在建的跨度超過1 000 m的橋梁中，橋墩基礎(chǔ)采用沉井基礎(chǔ)的案例不斷增加，泰州長江大橋中塔基礎(chǔ)[6]、銅陵長江大橋3號墩基礎(chǔ)、楊泗港長江大橋2號墩基礎(chǔ)、滬通長江大橋29號墩基礎(chǔ)[7]以及2019年年底下沉到位的甌江北口大橋中塔基礎(chǔ)[8]均采用沉井基礎(chǔ)。沉井下沉持續(xù)周期長，工況動態(tài)變化、影響因素復(fù)雜，為指導(dǎo)沉井下沉全過程合理施工，對沉井刃腳及隔墻處不同開挖狀態(tài)下地基承載力、側(cè)摩阻力，澆筑夾壁混凝土下沉量及各階段下沉狀態(tài)等進行計算分析，以期為沉井接高方案制定、各階段井內(nèi)取土范圍提供理論指導(dǎo)。

本文以常泰長江大橋為背景，針對其中塔5號墩沉井基礎(chǔ)的地質(zhì)條件和沖刷狀態(tài)，計算分析沉井取土下沉過程中不同階段的狀態(tài)，并針對沉井基礎(chǔ)下沉過程中普遍存在下沉困難的問題[9]，制定對應(yīng)助沉措施，以指導(dǎo)現(xiàn)場實際施工過程，并為類似工程提供參考。

1 工程概況

常泰長江大橋主塔采用沉井基礎(chǔ)，主橋5號墩沉井基礎(chǔ)平面呈圓端形，立面首次采用臺階形，沉井底面尺寸95.0 m伊57.8 m，圓端半徑28.9 m；沉井頂面尺寸77.0 m伊39.8 m，圓端半徑19.9 m；臺階寬度9.0 m。沉井頂高程+7.0 m，底高程-65.0 m，臺階頂高程-22.0 m，沉井總高72.0 m，基礎(chǔ)持力層為密實中粗砂；沉井為填充混凝土的鋼殼結(jié)構(gòu)，鋼沉井頂高程-1.0 m，底高程-65.0 m，高64.0 m。沉井外井壁厚1.8 m，內(nèi)井壁厚2.0 m，隔墻厚度為1.4 m。5號墩沉井基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 5號墩沉井結(jié)構(gòu)圖（mm）Fig.1 Typical section of the No.5 open caisson(mm)

2 下沉計算參數(shù)

2.1 地質(zhì)參數(shù)

沉井在施工期間能否安全平穩(wěn)下沉，下沉阻力是關(guān)鍵[3]，地質(zhì)土層特性參數(shù)是沉井下沉計算過程中決定端阻力和側(cè)阻力大小的主要因素。5號墩沉井位于主航道區(qū)北側(cè)，高程-13.46~-15.01 m，覆蓋層厚度大于180 m。河床表層為Q4松散狀粉砂，層厚不均，厚1.6~4.8 m，工程性質(zhì)差。其下分布Q3時代的于大層，整體層厚55耀60 m，依次為厚0.5耀7.6 m的軟塑耀硬塑狀粉質(zhì)黏土，稍密至中密狀的粉砂夾層；標高-35耀-50 m間為連續(xù)均勻分布的粉細砂層，以中密狀態(tài)為主，-50~-75 m主要分布為密實狀的于5中砂、于6粗砂，有薄層狀于7礫砂和于1-1軟塑狀粉質(zhì)黏土，其中于5中砂和于6粗砂呈層狀連續(xù)分布，厚度較大，工程性能相對較好。5號墩沉井土層物理力學(xué)指標見表1。

表1 5號墩沉井土層物理力學(xué)指標Table 1 Soil physico-mechanical index of the No.5 open caisson

2.2 側(cè)阻力

側(cè)壁摩阻力是影響沉井下沉的重要因素，其大小和土體與井壁間的摩擦系數(shù)密切相關(guān)。目前，沉井側(cè)壁土壓力計算仍主要基于經(jīng)典朗肯和庫倫土壓力理論[10]，計算值與實測值存在較大差距。常泰5號沉井地基承載力側(cè)阻的計算理論主要有琢方法、茁方法，琢方法適用于黏土中不排水條件下摩阻力計算，茁方法基于有效應(yīng)力的分析方法，主要適合砂土的側(cè)阻力計算[11]。為驗證側(cè)阻計算理論的合理性，將側(cè)摩阻力理論計算值與甌江北口大橋沉井和五峰山長江大橋沉井工程實測反演值進行對比，對比結(jié)果見表2。由表2可知，理論計算值與工程實測反演值結(jié)果相近，證明側(cè)阻計算理論的適用性。

表2 側(cè)阻理論計算與工程反演值對比結(jié)果Table 2 Comparison of theoretical and engineering inversion value of shaft resistance kPa

經(jīng)五峰山長江大橋沉井側(cè)阻反演及數(shù)值驗證，井壁底部刃腳外側(cè)一定范圍存在壓力松弛區(qū)，這與蔣炳楠提出的離刃腳較近處受壓力松弛效應(yīng)的影響較大[3]的觀點一致?？紤]應(yīng)力松弛，井壁底部范圍內(nèi)側(cè)阻值約為理論計算值的0.6~0.64。參考泰州大橋、五峰山大橋等工程沉井極限摩阻力反演及經(jīng)驗值，推薦常泰5號墩沉井終沉階段側(cè)摩阻力如表3所示。

表3 側(cè)摩阻力推薦值Table 3 Recommended value of shaft resistance kPa

2.3 端阻力

沉井端阻力的計算歸結(jié)為刃腳及隔墻處土體極限破壞問題。在沉井取土下沉?xí)r，通常沿刃腳及隔墻對井孔進行超挖取土，使刃腳及隔墻下方支撐土體形成一定臺階，以削弱極限地基承載力。通過分析開挖深度對地基承載力的影響，確定取土控制參數(shù)。埋深1.5 m示意圖如圖2所示。

圖2 埋深1.5 m示意圖Fig.2 Schematic diagram of buried depth 1.5 m

針對井孔不同開挖深度下平均極限地基承載力，建立二維沉井平均極限地基承載力摩爾—庫倫本構(gòu)模型。模型通過在沉井頂面施加荷載，當沉井下沉量隨著頂部施加力的增加達到破壞時，該點所施加的力除以支撐面積即為刃腳及隔墻的平均極限地基承載力。依次計算不同土層埋深1.5 m、1.0 m、0 m和超挖1 m、2 m、3 m的極限地基承載力，得到沉井各土層極限地基承載力隨開挖深度的變化規(guī)律如圖3所示。由圖可知，極限地基承載力隨土體開挖深度的增加逐漸減小，其中埋深0 m到超挖1 m區(qū)間極限地基承載力變化最顯著，但當超挖1 m后繼續(xù)超挖取土對極限地基承載力影響相對較小。因此，為保證沉井安全可控下沉，同時滿足設(shè)計對超挖深度不超過刃腳底2 m的要求，選取埋深0 m、超挖1 m作為開挖下沉控制深度。

圖3 平均極限地基承載力隨開挖狀態(tài)的變化規(guī)律Fig.3 Variation law of average ultimate foundation bearing capacity with digging range

2.4 沖刷狀態(tài)

根據(jù)沖刷試驗研究報告，在2 m/s流速作用下，最大沖刷位置發(fā)生在開挖基坑的邊坡上，對沉井影響不大；在沉井兩側(cè)，沉井周邊最大沖深10 m。在1 m/s流速作用下，最大沖刷位置發(fā)生開挖基坑范圍外，沉井周邊基本無沖刷。結(jié)合橋位處每月流速大小和施工計劃，沉井注水著床和5次取土下沉對應(yīng)的沖深底標高分別為-27.0 m、-31.3 m、-34.1 m、-36.2 m、-36.2 m、-36.2 m。

3 計算結(jié)果分析

3.1 下沉計算結(jié)果

沉井著床前河床開挖至-26.2 m標高，采用對應(yīng)極限地基承載力及推薦側(cè)摩阻力，對沉井下沉狀態(tài)進行計算，計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 典型工況沉井下沉狀態(tài)Fig.4 The sinking state of open caisson under typicalworking conditions

根據(jù)施工工序和施工進度安排，第1次、第2次、第3次、第4次取土下沉的計劃下沉標高分別為-32 m、-40 m、-45 m、-53 m。圖4的計算結(jié)果顯示，埋深0 m狀態(tài)下計算得到的第1、2次取土下沉標高低于相應(yīng)計劃下沉標高，滿足施工要求；第3次取土下沉標高與相應(yīng)計劃下沉標高相當，第4次取土下沉標高略高于相應(yīng)計劃下沉標高，不滿足施工要求。超挖1 m狀態(tài)下計算得到的第1、2、3、4次取土下沉標高均低于相應(yīng)計劃下沉標高，滿足施工要求。因此，在實際施工過程中，沉井刃腳取土狀態(tài)介于埋深0 m和超挖1 m時可以滿足計算下沉標高要求。

從計算結(jié)果可知，沉井下沉過中，通過取土超挖施工工藝，在不同工況下可以將沉井刃腳底標高控制在沖刷線、埋深0 m計算曲線以下和超挖1 m計算曲線以上的合理范圍內(nèi)。在既定的下沉工序安排下，沉井能穩(wěn)定地下沉至設(shè)計標高。

3.2 下沉狀態(tài)分析

沉井下沉深度范圍內(nèi)土層主要為砂層，下沉過程中穿過砂層間夾雜的連續(xù)性粉質(zhì)黏土層，沉井終沉位置土層為密實粗砂層。通過理論分析和數(shù)值計算，在開挖點距離井壁0.6 m，超挖深度臆1 m的條件下滿足粉質(zhì)黏土下沉要求，對應(yīng)開挖范圍如圖5所示。開挖點距離井壁0.6 m，超挖深度臆1 m，滿足砂層下沉條件，開挖范圍如圖6所示，采取此開挖狀態(tài)可實現(xiàn)終沉。

圖5 粉質(zhì)黏土層超挖1 m示意圖Fig.5 Schematic diagram of over-excavation 1 m for silty clay layer

圖6 砂層超挖1 m示意圖Fig.6 Schematic diagram of over-excavation 1 m for sand layer

3.3 助沉措施分析

1）高壓旋噴預(yù)處理

針對軟塑黏土層取土困難，采取高壓旋噴預(yù)攪松處理，可降低沉井下沉端阻力。針對第1、2層軟塑黏土層，在十字井壁節(jié)點、內(nèi)井壁位置進行高壓旋噴預(yù)攪松處理施工，預(yù)處理28個孔位，處理面積198 m2，處理后沉井端阻力降低14%。在第3次澆筑完成后、第2次現(xiàn)場接高前，沉井穩(wěn)定在-40 m標高。此時，針對第3層軟塑黏土層，在十字井壁節(jié)點、內(nèi)井壁等位置，進行高壓旋噴預(yù)攪松處理施工，處理面積410 m2，處理后沉井端阻力降低29%。第2階段高壓旋噴預(yù)處理孔位見圖7。

圖7 第2階段高壓旋噴預(yù)處理孔位Fig.7 Hole positions of high-pressure rotary jet for stage 2

2）空氣幕助沉?xí)r機分析

隨著沉井入土深度的增加，側(cè)阻占比逐漸增加。沉井下沉前期，側(cè)阻占比相對較小僅為21%~28%，采用減小側(cè)阻下沉效果有限，此時沉井下沉策略為削弱端阻、超挖取土；沉井下沉中期，側(cè)阻占比40%，仍以端阻為主，此時下沉策略為超挖取土削弱端阻；沉井下沉后期，側(cè)阻占比近71%，以側(cè)阻為主，結(jié)合五峰山沉井下沉經(jīng)驗，砂層開啟空氣幕可減阻20%，且開啟空氣幕相對于超挖取土操作方便、快捷易控，因此后期下沉策略為超挖取土的同時，開啟空氣幕助沉。

4 結(jié)語

1）采用側(cè)阻理論計算側(cè)摩阻力，同時參考泰州大橋、五峰山大橋等沉井極限摩阻力反演值，給出常泰5號墩沉井側(cè)摩阻力。

2）在埋深0 m到超挖1 m區(qū)間極限地基承載力變化最顯著，為保證沉井安全可控下沉，選取埋深0 m、超挖1 m之間作為開挖下沉控制深度。

3）緊靠剪力鍵井孔內(nèi)垂直取土，控制超挖深度在1 m以內(nèi)，沉井能穩(wěn)定下沉至設(shè)計標高。

4）高壓旋噴預(yù)攪松能有效降低端阻力，第1次高壓旋噴處理總端阻力降低14%，第2次高壓旋噴處理總端阻力降低29%；沉井前期下沉策略為削弱端阻，超挖取土；后期下沉策略為超挖取土的同時，開啟空氣幕助沉。