連鎮(zhèn)鐵路五峰山長(zhǎng)江大橋北錨碇沉井下沉對(duì)周邊環(huán)境的影響

高昊

（中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司南京鐵路樞紐工程建設(shè)指揮部，南京 210042）

大跨度懸索橋錨碇沉井基礎(chǔ)已有眾多工程案例。針對(duì)沉井施工對(duì)周邊環(huán)境的影響已經(jīng)取得了不少研究成果。李德［1]介紹了洞庭湖大橋組合式沉井施工關(guān)鍵技術(shù)。羅實(shí)瀚等［2]提出地錨式沉井壓入施工方案，并對(duì)壓沉過程中現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，探討了地錨式沉井施工對(duì)周邊環(huán)境的影響。穆保崗等［3]認(rèn)為沉井下沉過程中井內(nèi)掏土?xí)鹁庠瓲钔馏w位移，不同深度處土層位移不一致。米長(zhǎng)江等［4]對(duì)馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋南錨碇沉井下沉過程進(jìn)行了監(jiān)測(cè)和分析，發(fā)現(xiàn)采取3 次接高、3 次下沉方案時(shí)對(duì)稱開挖、啟動(dòng)空氣幕助沉有助于沉井平穩(wěn)安全下沉。劉毅等［5]研究發(fā)現(xiàn)沉井降水會(huì)引起地下水滲流形成滲流場(chǎng)，新水面線上部的土體由浮重度變化為飽和重度會(huì)增大周邊土體固結(jié)值，從而引起周邊地表沉降。鄧友生等［6-7]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)沉井結(jié)構(gòu)及其周圍的地下連續(xù)墻進(jìn)行了有限元分析，探索了沉井下沉對(duì)周邊鄰近高層建筑與堤岸構(gòu)筑物的影響。朱建民、穆保崗等［8-9]認(rèn)為根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和有限元分析結(jié)果準(zhǔn)確、及時(shí)地調(diào)整開挖方案能夠保證沉井安全下沉。鐘永新［10]分析指出，采用預(yù)留核心土滯后開挖和空氣幕輔助下沉能有效控制沉井底部拉應(yīng)力，確保沉井安全下沉。

以往沉井平面尺寸一般較小，沉井施工對(duì)周邊建（構(gòu)）筑物影響相對(duì)較小。連云港—鎮(zhèn)江鐵路五峰山長(zhǎng)江大橋北錨碇沉井平面尺寸超過7200 m2，且沉井臨近一座1965年建成的百米高混凝土高壓電塔、長(zhǎng)江大堤及多處民房。為確保沉井結(jié)構(gòu)及周邊建（構(gòu)）筑物的安全，本文通過模擬計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析沉井下沉對(duì)周邊環(huán)境的影響規(guī)律，以便提前預(yù)警，制定相應(yīng)措施。

1 工程概況

圖1 五峰山長(zhǎng)江大橋北錨碇沉井基礎(chǔ)平面布置（單位：m）

五峰山長(zhǎng)江大橋主橋?yàn)榭缍龋?4+84+1092+84+84）m 的鋼桁梁懸索橋。大橋北錨碇沉井基礎(chǔ)（圖1）尺寸為100.7 m（長(zhǎng)）×72.1 m（寬）×56.0 m（高）。沉井共分10節(jié)，第1節(jié)為鋼殼混凝土沉井，高8 m，第2至第10 節(jié)為鋼筋混凝土沉井，其中第2 節(jié)高6 m，第3 節(jié)至第8 節(jié)高均為5 m，第9 節(jié)高4 m，第10 節(jié)高8 m。沉井封底混凝土厚12 m。沉井頂面設(shè)計(jì)標(biāo)高為+1.0 m，基底設(shè)計(jì)標(biāo)高為-55.0 m。

根據(jù)五峰山長(zhǎng)江大橋工程地質(zhì)勘查報(bào)告，土層主要參數(shù)見表1。

表1 土層主要參數(shù)

2 沉井下沉施工數(shù)值模擬分析

2.1 計(jì)算模型

采用有限元計(jì)算軟件，根據(jù)沉井實(shí)際尺寸構(gòu)建數(shù)值計(jì)算模型，模型尺寸為700 m（長(zhǎng)）×700 m（寬）×90 m（高），如圖2 所示。土體采用實(shí)體單元，頂面為自由面，對(duì)模型底面水平方向和垂直方向、側(cè)面水平方向進(jìn)行約束。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

2.2 計(jì)算工況

五峰山長(zhǎng)江大橋北錨碇沉井下沉分三個(gè)階段。第一階段采用高壓射水和十字開槽法下沉至標(biāo)高-15 m處，下沉過程中通過不斷從倉內(nèi)吸泥使沉井下沉，且不給井倉內(nèi)補(bǔ)水，即該階段既取土，又排水。第二、三階段采用預(yù)留核心土法開挖，分別下沉至標(biāo)高-30，-55 m 處。因沉井下沉越深摩阻力越大，為降低摩阻力在吸泥的同時(shí)不斷給井倉內(nèi)補(bǔ)水，確保倉內(nèi)水位恒定。可認(rèn)為第二、三階段只取土。

為便于模擬分析沉井施工對(duì)周邊建（構(gòu)）筑物的影響，分三步進(jìn)行計(jì)算：①沉井下沉取土產(chǎn)生的影響；②沉井下沉第一階段排水產(chǎn)生的影響；③第一階段既取土又排水，第二、三階段只取土產(chǎn)生的影響。

2.3 計(jì)算結(jié)果與分析

1）沉井下沉各階段取土

通過有限元計(jì)算，按照周邊建（構(gòu)）筑物位置，分別提取距離沉井中心100，150，200，270 m 處的地表沉降，見表2。可知，距沉井中心越遠(yuǎn)地表沉降越小。只取土不考慮排水，沉井下沉對(duì)周邊地表沉降幾乎無影響。

表2 各階段只取土下沉結(jié)束時(shí)地表沉降

2）沉井下沉第一階段排水

①對(duì)地下水位的影響

通過數(shù)值模擬計(jì)算周邊土體中地下水位降水深度Δz。根據(jù)沉井下沉第一階段施工要求，將井外地下水位降至標(biāo)高-14 m 處，此時(shí)距沉井中心100，150，200，270 m處Δz分別為8.4，5.0，3.2，1.0 m。

②對(duì)周邊地表沉降的影響

根據(jù)沉井周邊土體Δz分布，按照J(rèn)GJ 120—2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》中公式（式（1））計(jì)算土層沉降量S。

式中：ψw為沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，根據(jù)地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)取值，無經(jīng)驗(yàn)值時(shí)取1；Δσ′zi為排水引起的第i層土的平均附加有效應(yīng)力，kPa；Δhi為第i層土的厚度，m；Esi為第i層土的壓縮模量，kPa；γw為水的重度，取9.8 kN/m3。

根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告中地層厚度及其分布，將Esi和Δz值代入式（1）和式（2）得到距沉井中心100，150，200，270 m 處地表最終沉降分別為70.741，31.984，13.101，1.279 mm。

3）第一階段既取土又排水，第二、三階段只取土

將以上兩步的計(jì)算結(jié)果累加得到既取土又排水各階段下沉結(jié)束時(shí)的地表沉降，見表3。可知：距沉井中心越遠(yuǎn)地表沉降越小。

表3 既取土又排水各階段下沉結(jié)束時(shí)地表沉降

3 沉井下沉現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與分析

五峰山長(zhǎng)江大橋北錨碇沉井于2016年11月29日首次下沉，至2017年11月10日下沉結(jié)束，累計(jì)下沉57m。

北錨碇沉井距離長(zhǎng)江大堤約180 m，沉井排水下沉引起土中水體流失和土體有效應(yīng)力增加，易導(dǎo)致沉井周邊地基土開裂和塌陷。若控制不當(dāng)，易導(dǎo)致長(zhǎng)江大堤因不均勻沉降而開裂。此外，距沉井邊界144 m 還有一座百米高混凝土電塔，也需對(duì)電塔的基礎(chǔ)進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)。

3.1 土體沉降測(cè)點(diǎn)布置和監(jiān)測(cè)方法

沉井施工過程中對(duì)周圍土體、大堤、東南側(cè)混凝土電塔等構(gòu)筑物進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。

1）長(zhǎng)江大堤位移監(jiān)測(cè)。測(cè)點(diǎn)布置于距離橋梁中線左右各100 m 范圍內(nèi)，靠近橋梁中線（30 m 范圍）測(cè)點(diǎn)間距10 m，遠(yuǎn)離橋梁中線測(cè)點(diǎn)間距25 m，如圖3 所示。堤頂測(cè)點(diǎn)DS1—DS13 是在大堤堤面道路北側(cè)混凝土路面鉆孔埋釘；堤腳測(cè)點(diǎn)DX1—DX13 是在大堤北側(cè)堤腳處開挖0.3 m×0.3 m×0.3 m 的土坑，打入長(zhǎng)2 m鋼筋后用混凝土澆筑至地表；DQ13-1，DQ14-1為設(shè)計(jì)院交樁控制點(diǎn)。

圖3 長(zhǎng)江大堤沉降測(cè)點(diǎn)布置示意

大堤堤頂沉降監(jiān)測(cè)使用電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行附合水準(zhǔn)測(cè)量，觀測(cè)精度按照二等水準(zhǔn)要求執(zhí)行，觀測(cè)路線為DQ14-1—（DS13—DS1）—DQ13-1；堤腳采用全站儀三角高程法監(jiān)測(cè)，觀測(cè)路線為DS1—（DX1—DX13）—DS13。

2）混凝土電塔位移監(jiān)測(cè)。測(cè)點(diǎn)DT1—DT2 布置于電塔與沉井中心連線兩側(cè)距塔身5 m 基礎(chǔ)表面上，測(cè)點(diǎn)DT3—DT6 布置于電塔與沉井之間的隔離墻附近，如圖4 所示。測(cè)點(diǎn)DT1—DT6 均先在基礎(chǔ)混凝土面上鑿毛后澆筑0.3 m×0.3 m×0.2 m 混凝土，然后埋入長(zhǎng)0.1 m觀測(cè)標(biāo)。

圖4 電塔監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意

塔身沉降及傾斜監(jiān)測(cè)利用DT1，DT2 及塔身上已有的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行，塔身原有監(jiān)測(cè)點(diǎn)按照方位分別編號(hào)為NP，SP，EP和WP。

電塔傾斜采用傾斜儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并定期采用水準(zhǔn)儀人工校核；電塔基礎(chǔ)和隔離墻的沉降觀測(cè)采用電子水準(zhǔn)儀測(cè)定相鄰點(diǎn)高差。

3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

1）沉井施工對(duì)長(zhǎng)江大堤的影響

長(zhǎng)江大堤距離沉井中心約180 m。沉井下沉第一階段大堤最大沉降的實(shí)測(cè)值（14.5 mm）與計(jì)算值（13.1 mm）較為一致。第二次、第三次下沉完大堤累計(jì)沉降實(shí)測(cè)值分別為32.5，39.0 mm，模擬計(jì)算值均為13.2 mm。實(shí)測(cè)值與計(jì)算值相差大。原因可能是：沉井下沉第一階段結(jié)束后，因施工需要變動(dòng)施工材料運(yùn)輸路線及存放區(qū)域，施工材料又堆放于大堤附近，在車輛荷載、長(zhǎng)期堆載與沉井下沉相互影響下大堤發(fā)生沉降。

2）沉井施工對(duì)附近電塔的影響

電塔距離沉井邊界約144 m，電塔處最大沉降實(shí)測(cè)值為23.0 mm，較接近模擬計(jì)算值32.4 mm。電塔為樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，一定程度上會(huì)影響其對(duì)沉井下沉的敏感性。

4 結(jié)論與建議

1）不論是否排水，沉井下沉?xí)r周邊地表沉降均隨距沉井中心距離增大而減小。

2）不排水時(shí)沉井下沉取土對(duì)周邊地表沉降幾乎無影響，而沉井排水施工對(duì)周邊環(huán)境影響大。下沉第一階段結(jié)束時(shí)距沉井中心100，150，200，270 m 處最終地表沉降分別為71.2，32.1，13.1，1.3 mm。

3）下沉第一階段，距離沉井中心180 m 長(zhǎng)江大堤最大沉降實(shí)測(cè)值14.5 mm，與理論計(jì)算值（13.1 mm）接近。

4）沉井下沉施工前應(yīng)對(duì)周邊建（構(gòu)）筑物的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行充分調(diào)查?；A(chǔ)結(jié)構(gòu)較差時(shí)，可提前進(jìn)行加固處理并加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，避免沉井下沉、車輛動(dòng)載、額外堆載等因素造成較大影響。