常泰長江大橋超大水下鋼沉井終沉及封底關(guān)鍵技術(shù)

朱浩 楊切

1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，武漢 430040；2.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430040；3.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，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 100032

沉井基礎(chǔ)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于大型橋梁建設(shè)，具備整體性能好、抗震性能強(qiáng)、施工速度快以及剛度大等優(yōu)點(diǎn)［1-2］。21 世紀(jì)以來，我國大型橋梁如滬通鐵路長江大橋、南京長江四橋、五峰山長江大橋以及泰州長江大橋等采用了沉井基礎(chǔ)［3-4］。

國內(nèi)對(duì)沉井的研究主要集中在沉井受力機(jī)理、施工技術(shù)以及施工方案等方面。嚴(yán)愛國等［5］對(duì)多種橋梁基礎(chǔ)方案進(jìn)行了比選，表明圓形沉井基礎(chǔ)在結(jié)構(gòu)受力特性、經(jīng)濟(jì)性等方面均優(yōu)于其他基礎(chǔ)形式。李鵬［6］分析了滬通長江大橋沉井施工關(guān)鍵技術(shù)，總結(jié)了技術(shù)應(yīng)用過程中的合理性。秦順全等［7］通過技術(shù)方案比選，選定常泰長江大橋的主塔基礎(chǔ)采用圓端形沉井并闡明了超大型沉井的下沉機(jī)理。朱建民等［8］研究發(fā)現(xiàn)隔墻底板的應(yīng)力分布情況和大小在沉井的首節(jié)混凝土澆筑完成后基本固定。施洲等［9］對(duì)沉井下沉過程中的側(cè)摩阻力、端阻力進(jìn)行了研究，提出了計(jì)算動(dòng)、靜摩阻系數(shù)的計(jì)算公式。

Mehta 等［10］簡要地介紹了采用水下技術(shù)建造的沉井，討論了澆筑混凝土的導(dǎo)管法，詳細(xì)介紹了沉井的概況、技術(shù)特點(diǎn)、新技術(shù)的改進(jìn)及優(yōu)缺點(diǎn)。Chavda等［11］通過試驗(yàn)研究圓形沉井刃腳切割砂土的荷載-貫入響應(yīng)和土壤流動(dòng)機(jī)理，并且采用基于圖像的變形測(cè)量技術(shù)對(duì)土壤流動(dòng)機(jī)理進(jìn)行了評(píng)價(jià)。Templeman 等［12］運(yùn)用有限元探討了刃腳幾何形狀對(duì)砂土中刃腳阻力的影響。結(jié)果表明，刃腳幾何形狀的影響高度依賴于沉井切面粗糙度和土體摩擦角。

綜上所述，現(xiàn)行的沉井規(guī)范主要針對(duì)中小沉井，中小沉井終沉階段總阻力以側(cè)摩阻力為主，由于沉井平面尺寸越來越大，超大型沉井終沉階段的受力機(jī)理有待研究。本文以目前世界最大尺寸圓端臺(tái)階形水中鋼沉井常泰長江大橋5#墩沉井基礎(chǔ)為研究對(duì)象，運(yùn)用相關(guān)理論方法對(duì)5#墩沉井終沉以及封底過程進(jìn)行了分析，對(duì)兩圓端支撐下的沉井、沉井封底過程進(jìn)行了有限元模擬。

1 工程概況

常泰長江大橋?yàn)殡p層斜拉橋，集普通公路、高速公路以及城際鐵路三位一體［13］。沉井立面為臺(tái)階型，臺(tái)階寬度9.0 m，底面高程為-65 m，頂面高程為7 m。沉井平面為圓端形，頂部尺寸為77.0 m × 39.8 m，底部尺寸為95.0 m × 57.8 m。5#墩鋼沉井結(jié)構(gòu)見圖1。沉井下部為鋼殼混凝土，上部為鋼筋混凝土，鋼殼混凝土高64 m，鋼筋混凝土高8 m。沉井下沉到位后刃腳持力層為密實(shí)粗砂，封底混凝土厚11.5 m。

圖1 5#墩鋼沉井結(jié)構(gòu)（單位：cm）

2 施工監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

2.1 下沉曲線

常泰長江大橋5#墩沉井終沉?xí)r間為2020年12月16—29日，沉井下沉曲線見圖2。沉井外刃腳底標(biāo)高為-64.75 ～-57.98 m（沉井設(shè)計(jì)底標(biāo)高為-65.00 m），累計(jì)下沉6.77 m，平均下沉速率48.4 cm/d，終沉過程中持力土層為密實(shí)粗砂。

圖2 沉井下沉曲線

沉井終沉（第4次取土）日下沉量見圖3?？梢?，終沉大致可以分為兩個(gè)階段：第一階段為平穩(wěn)快速下沉階段（12月16—22日），沉井為“大鍋底”支撐狀態(tài)，沉井外刃腳底標(biāo)高為-62.84 ～-57.98 m，累計(jì)下沉4.86 m，平均下沉量速率69.4 cm/d，單日最大下沉量為1.00 m，最小為0.22 m；第二階段為下沉減緩階段（12月23—29日），沉井為“兩圓端”支撐狀態(tài)，沉井外刃腳底標(biāo)高為-64.75 ～-62.84 m，累計(jì)下沉1.91 m，日平均下沉速率27.3 cm/d，單日最大下沉量為0.62 m，最小為0.09 m。

圖3 沉井終沉日下沉量

2.2 沉井幾何姿態(tài)

在沉井頂部的上游、下游、江側(cè)和岸側(cè)布置4個(gè)北斗傳感器以及在隔墻底部布置若干傳感器，北斗測(cè)點(diǎn)布置見圖4。通過上游、下游、江側(cè)和岸側(cè)的標(biāo)高H1—H4推算及監(jiān)測(cè)沉井偏位、傾斜和平面扭角等幾何信息。同時(shí)通過沉井“哪邊高取哪邊”的原則，即放慢沉井刃腳較低一側(cè)的取土速率，加快沉井刃腳高側(cè)取土，使得沉井刃腳高側(cè)下沉速度大于低側(cè)，讓標(biāo)高H1—H4基本趨于一致，對(duì)沉井及時(shí)動(dòng)態(tài)糾偏調(diào)整，保證沉井幾何姿態(tài)。

圖4 北斗、隔墻底部應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置

沉井偏位變化曲線見圖5。可見，在沉井終沉過程中，底口中心X向偏位在10 cm 左右，底口中心Y向偏位在-10 cm 左右，滿足GB/T 51130—2016《沉井與氣壓沉箱施工規(guī)范》設(shè)計(jì)要求（設(shè)計(jì)值為±15 cm）。

圖5 沉井偏位變化曲線

沉井傾斜姿態(tài)變化曲線見圖6?？梢?，沉井橫橋向、順橋向傾斜值均控制在±0.003 以內(nèi)，滿足GB/T 51130—2016設(shè)計(jì)要求（設(shè)計(jì)值為±1/150）。

圖6 沉井傾斜姿態(tài)變化曲線

沉井平面扭轉(zhuǎn)角變化曲線見圖7?？梢?，沉井平面扭角控制在±0.1°以內(nèi)，滿足GB/T 51130—2016 設(shè)計(jì)要求（設(shè)計(jì)值為±1°）。

圖7 沉井平面扭轉(zhuǎn)角變化曲線

2.3 隔墻底部應(yīng)力監(jiān)測(cè)

隔墻底部的傳感器用于監(jiān)測(cè)隔墻底部的鋼板結(jié)構(gòu)應(yīng)力，是沉井終沉控制結(jié)構(gòu)安全性的重要指標(biāo)，測(cè)點(diǎn)布置參見圖4。隔墻底部應(yīng)力曲線見圖8?？梢?，外隔墻以及內(nèi)隔墻底部鋼板應(yīng)力在57 ～72 MPa，均值為65 MPa 左右，說明隔墻底板的應(yīng)力和大小隨著沉井最后一次夾壁混凝土澆筑完成后基本固定。原因?yàn)楫?dāng)沉井處于最后的下沉階段時(shí)，5#墩沉井進(jìn)入土體比較深，最深處超過30 m，沉井周邊的土體阻礙了沉井隔墻底板的變形，對(duì)沉井隔墻底板的受力有利。

圖8 隔墻底部應(yīng)力曲線

2.4 側(cè)摩阻力監(jiān)測(cè)

通過對(duì)沉井側(cè)壁土壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以定性地獲得沉井周圍的土體應(yīng)力狀態(tài)。測(cè)點(diǎn)布置6 層，共12列，一共72個(gè)測(cè)點(diǎn)，沿著沉井周圍均勻布置，分別布置在沉井長邊直線段兩端及中間點(diǎn)位置，圓弧段布置在四等分點(diǎn)。傳感器距沉井刃腳底部分別為2、7、12、18、24、30 m。

5#墩沉井在 2020年12月 20、22、25日均發(fā)生過突沉，下沉量分別為12、7、5 cm。沉井突沉從開始到結(jié)束，時(shí)間為5 ～8 s，為了預(yù)警沉井突沉，對(duì)突沉過程中的側(cè)壁土壓力進(jìn)行了研究。由于下沉量較小，突沉全過程中同一位置處的側(cè)壁土壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化值可忽略，根據(jù)沉井突沉前后基底土壓力、下沉量、下沉?xí)r間實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以及各地基土土層特性等參數(shù)，可以定量地研究動(dòng)摩阻力與靜摩阻力之間的關(guān)系。根據(jù)文獻(xiàn)［9］的計(jì)算方法，沉井終沉階段，動(dòng)摩阻力系數(shù)與靜摩阻力系數(shù)之比為0.63。

2.5 兩圓端支撐下沉法

對(duì)于絕大部分沉井，當(dāng)沉井處于終沉階段時(shí)，隨著沉井入土深度加深，沉井側(cè)摩阻力增加，占整個(gè)沉井阻力的60%～70%［14］。一般情況下需要采取助沉措施，如空氣幕助沉、泥漿潤滑套助沉等，通過減少側(cè)摩阻力使沉井下沉，如五峰山大橋沉井［15］、南京長江第四大橋北錨沉井［16］。

文獻(xiàn)［7］研究表明，隨著沉井尺寸增大，側(cè)摩阻力占沉井總阻力之比會(huì)逐漸降低，從早期的86%降小到37%，端阻力占沉井總阻力之比會(huì)逐漸增加，從早期的14%增加到63%。因此，中小沉井的施工方法不適用于大型沉井，如果沒有解除沉井端阻力的可靠方法，超大型沉井安全下沉也難以實(shí)現(xiàn)?？紤]到終沉階段沉井持力層為密實(shí)粗砂，安全性較高，對(duì)于水中鋼沉井，提出了兩圓端支撐以及四點(diǎn)支撐狀態(tài)下沉法，見圖9。本文首次在沉井終沉階段減少沉井端阻力而不是側(cè)摩阻力，使沉井順利下沉，并采用MIDAS FEA NX軟件進(jìn)行有限元模擬對(duì)比分析。

圖9 兩圓端、四點(diǎn)支撐

具體建模過程如下：混凝土本構(gòu)、鋼殼本構(gòu)分別見GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，混凝土采用C30，鋼殼采用Q355B。土層采用庫倫-摩爾本構(gòu)，模擬土層的長、寬、高分別為250、170、80 m，土層參數(shù)參照文獻(xiàn)［16］表1，并且使用析取功能使混凝土與鋼殼共節(jié)點(diǎn)。鋼殼與土層之間設(shè)置接觸面，接觸面采用界面單元模擬，土層與混凝土均采用四面體單元，并且采用整體水位模擬水位。沉井的邊界條件為：土層底面采用固結(jié)約束，土層頂面無約束，土層四周采用截?cái)噙吔纾?7］。

兩圓端、四點(diǎn)支撐模擬結(jié)果見表1。可見，鋼殼應(yīng)力、混凝土主拉應(yīng)力在兩圓端支撐狀態(tài)下均比四點(diǎn)支撐狀態(tài)應(yīng)力小，因此選擇兩圓端支撐下沉法。

表1 兩圓端、四點(diǎn)支撐模擬結(jié)果 MPa

2.6 兩圓端支撐反演計(jì)算

選定了兩圓端支撐狀態(tài)后，對(duì)沉井下沉過程中的吸泥區(qū)域進(jìn)行反演計(jì)算，以確定兩圓端支撐最佳狀態(tài)。沉井下沉分3 情況：可以下沉（工況1）、容易下沉（工況2）、下沉較快（工況3）。終沉吸泥反演計(jì)算圖見圖10、下沉系數(shù)見表2。可見，工況1 下沉系數(shù)為1.06，端阻力、側(cè)摩阻力分別占總阻力的55%、45%；工況2下沉系數(shù)為1.09，端阻力、側(cè)摩阻力分別占總阻力的53%、47%；工況3 下沉系數(shù)為1.12，端阻力、側(cè)摩阻力分別占總阻力的52%、48%。因此，本文推薦工況2，既可以保證下沉，又可以滿足沉井支撐條件。

圖10 終沉吸泥反演計(jì)算

表2 終沉吸泥反演計(jì)算下沉系數(shù)

沉井終沉到位后沉井刃腳土壓力主要分布在兩圓端處，最大應(yīng)力3.8 MPa。沉井在終沉過程中，端阻力、側(cè)摩阻力分別占總阻力的55%、45%，兩圓端支撐下沉法通過減少端阻力而不是側(cè)摩阻力，實(shí)現(xiàn)了大型水中鋼沉井沒有任何助沉措施及保證沉井結(jié)構(gòu)安全的前提下順利快速下沉，對(duì)以后大型水中鋼沉井施工具有指導(dǎo)意義。

3 水下混凝土封底

水下混凝土澆筑前，需要對(duì)沉井進(jìn)行清基，清基的主要內(nèi)容是把基底過高的土面吸掉、清除基底表面松散泥沙和各類雜物，使沉井坐落在較緊密的基底上，并使基底平整、尺寸滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)清除沉井壁上的泥沙和雜物，使封底混凝土與沉井間結(jié)合緊密，傳力良好。

沉井終沉階段，關(guān)閉氣舉取土設(shè)備的射水管，只吸不沖，盡量減少吸泥取土作業(yè)對(duì)基底土層的擾動(dòng)影響。根據(jù)沉井下沉施工指令，開啟指定數(shù)量的取土設(shè)備，對(duì)稱、均勻取土，嚴(yán)格控制井孔內(nèi)的吸泥深度，嚴(yán)禁擾動(dòng)基底土層。

距設(shè)計(jì)標(biāo)高1 ～2 m 時(shí)，沉井吸泥與清基同步進(jìn)行，先清理中間井孔再清理周邊井孔，至目標(biāo)平鍋底形狀。然后隔墻刃腳位置回填碎石，再澆筑分區(qū)混凝土，將井孔進(jìn)行分區(qū)，防止封底混凝土串孔。

由于缺少較好的設(shè)備檢測(cè)清基泥面落渣厚度，并且由于管壁可能有遺留鐵板障礙物，深潛作業(yè)時(shí)間有限，有極大的風(fēng)險(xiǎn)。只能利用BV5000 三維聲吶來檢測(cè)清基質(zhì)量，它能清晰地觀察到清基后泥面情況及一、二期拋填砂石情況，既能量化內(nèi)圈隔墻脫空高度，也能量化外圈刃腳埋深。

K1-3、K3-3（編號(hào)參見圖10）外井孔三維聲吶掃測(cè)云圖見圖11。由圖11（a）可見，內(nèi)側(cè)井壁完全脫空，外側(cè)刃腳仍有埋深，T形節(jié)點(diǎn)部位有土，上下游隔墻底部約有2/3 脫空，井內(nèi)泥面成斜坡式分布，外高內(nèi)底；由圖11（b）可見，井壁完全脫空，脫空平均高度約為1 548 mm，井內(nèi)泥面較為平整。

圖11 K1-3、K3-3 三維聲吶掃測(cè)云圖

由于封底混凝土澆筑高度為11.5 m，澆筑混凝土方量為4.2 萬m3，澆筑量巨大，需要考慮現(xiàn)場施工環(huán)境、混凝土供應(yīng)量及混凝土澆筑順序?qū)Τ辆Y(jié)構(gòu)受力影響，因此對(duì)澆筑方案用MIDAS FEA NX 進(jìn)行了模擬比選。

沉井封底澆筑順序見圖12。方案1：先澆筑分區(qū)1-1、分區(qū)1-2、分區(qū)1-3，然后澆筑分區(qū)2、分區(qū)3，最后澆筑分區(qū)4、分區(qū)5；方案2：先澆筑分區(qū)1-1、分區(qū)2、分區(qū)3，然后澆筑分區(qū)1-2、分區(qū)1-3，最后澆筑分區(qū)4、分區(qū)5。最后根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況和專家論證，方案2較方案1經(jīng)濟(jì)效益性好，施工更加合理方便，因此選擇了方案2，為以后沉井工程提供參考。

圖12 沉井封底澆筑順序

封底混凝土澆筑完成后，沉井下沉量對(duì)比結(jié)果見表3?？梢姡瑵仓昂蟪辆傮w有限元模擬下沉量為9.75 cm，沉井實(shí)際下沉量為10.20 cm，二者吻合較好。

表3 沉井封底混凝土澆筑下沉量對(duì)比

封底混凝土澆筑完成后，鋼殼應(yīng)力最大值為98 MPa，鋼殼未屈服，上部鋼殼應(yīng)力較小，應(yīng)力主要集中在下部鋼殼刃腳處。

封底混凝土澆筑完成后，混凝土最大主拉應(yīng)力為2.76 MPa，部分混凝土受拉屈服，但是由于鋼殼包裹混凝土，混凝土處于三向受力狀態(tài)，沉井結(jié)構(gòu)仍然處于安全可控范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

1）沉井終沉過程中，下沉速度最大值為1 m/d，通過對(duì)沉井及時(shí)動(dòng)態(tài)糾偏調(diào)整，可以保證沉井良好的姿態(tài)，并且沉井整體姿態(tài)控制較好。

2）隔墻底板的應(yīng)力和大小隨著沉井的最后一次夾壁混凝土澆筑完成后基本固定，底板應(yīng)力始終保持在65 MPa 左右。原因?yàn)楫?dāng)沉井處于終沉階段時(shí)，5#墩沉井進(jìn)入土體比較深，超過30 m，沉井周邊的土體阻礙了沉井隔墻底板的變形，對(duì)沉井隔墻底板的受力有利。

3）沉井在終沉過程中，端阻力、側(cè)摩阻力分別占總阻力的55%、45%，動(dòng)摩阻力系數(shù)與靜摩阻力系數(shù)之比為0.63。兩圓端支撐下沉法通過減少端阻力而不是側(cè)摩阻力，實(shí)現(xiàn)了大型水中鋼沉井沒有任何助沉措施及保證沉井結(jié)構(gòu)安全的前提下，順利快速下沉。

4）沉井封底施工過程中，BV5000 三維聲吶可以有效檢測(cè)清基質(zhì)量，同時(shí)通過合理的澆筑順序可以保證沉井鋼殼以及混凝土均在可控的安全范圍內(nèi)。