大型钢沉井第二次取土下沉施工监控分析
时间：2023-01-17 18:40:08 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
郑建新，孙南昌，黄甘乐
（1.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430040；
2.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北 武汉 430040；
3.交通运输行业交通基础设施智能制造技术研发中心，湖北 武汉 430040；
4.中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司，北京 100032）
沉井基础具有刚度大、承载能力高、环保性能好等优点，在跨江、跨海的大跨斜拉桥和悬索桥的基础中广泛应用，如沪通长江大桥主航道桥（2020年）采用倒圆角矩形沉井基础，平面尺寸86.9 m×58.7 m，高50 m，商合杭铁路芜湖长江公铁两用大桥（2020年）、香港青马大桥（1998年）、日本北备赞公铁两用大桥（1988年）、葡萄牙四月二十五日桥（1966年）均采用了水下沉井基础。随着大跨桥梁的施工，水下沉井基础逐渐向埋深更深、尺寸更大的方向发展，意味着沉井底部地基土体的不均匀性进一步突出，沉井结构安全、沉井姿态调整控制难度更大。
国内外研究学者从现场实践、理论分析、模型试验等方面对沉井进行了相关研究，别业山等[1]认为圆形沉井较于桩基础具有较好的受力性能；
邓友生等[2]对武汉鹦鹉洲长江大桥北锚碇沉井基础的下沉系数和稳定系数进行了深入研究；
刘建波等[3]采用GPS-RTK等技术对沉井下沉过程中的空间几何姿态进行实时监测和动态控制；
罗朝洋等[4]分析了超大沉井基础的承载特性及土体的安全系数；
穆保岗等[5]认为下沉系数和稳定系数是沉井能否顺利下沉的主要控制因素。
对于超大水下台阶形沉井而言，分阶段地连续作业过程中，施工荷载、施工顺序、地质条件、水流及风浪等环境影响因素变化不定，现有的施工控制理论与研究成果不一定与之相匹配，如果直接套用，易产生诸多不适应问题。以常泰长江大桥5号墩沉井基础为例，探讨第2次取土下沉的过程控制，并反演下沉系数。
常泰长江大桥主航道桥采用142+490+1 176+490+142=2 440 m双塔双层钢桁梁公铁两用斜拉桥，主航道桥5号墩基础采用平面圆端形、立面台阶形水下钢沉井，沉井总高72 m（含承台8 m），沉井底面长95.0 m，宽57.8 m，圆端半径28.9 m；
沉井顶面长77.0 m，宽39.8 m，圆端半径19.9 m，沉井钢壳内部填充混凝土，为目前世界上最大的水中沉井[6]，见图1。
图1 5号墩钢沉井基础结构（cm）Fig.1 No.5 pier steel open caisson foundation structure(cm)
沉井区域覆盖土层从上往下依次为松散粉砂、软塑—硬塑状粉质黏土、中密细砂、密实中砂及密实粗砂，砂砾胶结层零星分布在河床-35～-45 m。
5号墩沉井在平面上分为28个隔舱，沉井底面由外向内依次为外刃脚、外隔墙、内井壁、内隔墙、十字节点。沉井施工总体采用“两次接高、三次夹壁混凝土浇筑、四次取土下沉”工艺，终沉到设计位置。
在总结第1次取土下沉及国内外文献调研[7-9]基础上，第2次采用台阶形取土工艺，遵循对称、同步、均匀取土，同时兼顾几何姿态，采取先内井孔、隔墙、十字节点，后外井孔的循环施工方案。施工全过程采用自动化控制，取土结束判断标准以沉井进入黏土层并达到全断面稳定支撑状态为主，预定标高为辅，具体取土原则如下：
1）遵循对称取土原则，先进行中间18个井孔，后外圈18个井孔取土，二者交替作业，其中，外圈18个井孔取土过程中可并行隔墙盲区取土或破土。
2）在黏土层中，外井孔内距离内井壁外侧6.0 m范围内，取土最大深度不超过外井壁刃脚踏面下1.0 m，外刃脚埋深不小于1.0 m，中间井孔取土深度不超过外井壁刃脚踏面下2.0 m。
3）在砂土层中，外井孔内距离内井壁外侧5.0 m范围内，取土最大深度不超过外井壁刃脚踏面下1.0 m，外刃脚埋深不小于1.5 m，中间井孔取土深度不超过外井壁刃脚踏面下1.5 m。
3.1 下沉曲线
第2次取土下沉期间，沉井外刃脚底标高从-32.4～-41.2 m，累计下沉8.8 m，先后经历了缓慢、快速、缓慢调位3个阶段，见图2。第1阶段，砂砾胶结层分布不均，区域土质复杂，沉井不能依靠自重来自行破除刃脚及盲区的土体，通过借助汽水混合冲射设备处理隔墙盲区下的黏土，解除隔墙底部土压力；
利用高压旋喷设备对十字节点盲区下的土层进行预搅松，释放土体压力，实现下沉，期间累计下沉0.55 m；
第2阶段，沉井刃脚贯穿黏土层，进入砂层，沉井长边和短边倾斜姿态敏感多变，通过实时监测几何姿态变化，采取了合理预判和动态调整取土措施，并根据土压力及泥面标高监测数据，通过编制的小程序实时展示底面土压力的分布情况，以制定各作业面的不同施工方法和取土速率，确保了沉井端阻力受力均匀，期间累计下沉7.60 m，单日最大下沉量97 cm；
第3阶段，主要是确保沉井支撑体系转换为全断面支撑状态，同时兼顾预定标高位置，为沉井第2次接高做好支撑准备，累计下沉量0.65 m。在第2次取土下沉期间，日平均下沉量32.6 cm/d，当日取土量在1 000 m3以下时，日下沉量几乎在10 cm以下；
当日取土量超过1 800 m3时，日下沉量几乎均在40 cm以上，在沉井底面支撑体系不断转换过程中，沉井底面中心下沉量与取土量几乎保持一致。
图2 第2次取土下沉曲线Fig.2 Curve of second borrowing and sinking
3.2 几何姿态
在取土过程中，沉井在顺桥向及横桥向的倾斜姿态均受到施工顺序、取土深度的影响，呈现出左右摇摆，姿态敏感多变，通过动态调整取土措施，兼顾沉井长边和短边的几何姿态，动态跟踪和控制，见表1。
表1 动态调整措施Table 1 Dynamic adjustment measures
下沉过程中，底口中心偏位几乎稳定在±15 cm以内（设计要求不大于34 cm），施工结束后，外刃脚入泥平均深度14.33 m，底口嵌入砂层较深，所受的约束力有所增大，对称取土确保了沉井底口受力均衡，未发生较大偏位。沉井倾斜变化曲线如图3所示，控制结果如表2所示。
图3 倾斜变化曲线Fig.3 Change curve of tilt attitude
表2 第2次取土下沉控制结果Table 2 Control results of the second borrowing and sinking
3.3 土压力分布
沉井刃脚土压力分布如图4所示。
图4 沉井底面土压力Fig.4 Earth pressure at the bottom of open caisson
沉井底面刃脚支撑情况，表明下沉结束后，沉井为外井壁、内井壁、外隔墙和内隔墙共同作用的全断面支撑状态。外刃脚及外隔墙底部土压力较大，外井壁次之，内隔墙最小，测点布置见文献[10]。
4.1 端阻力分析
沉井平面尺寸大，各区域刚度不同，同时受沉井下沉姿态的影响，沉井底面反力的分布会有所差异。根据各区域沉井泥面标高推算刃脚有效支撑面积以及区域平均底面反力，反演各部位的端阻力，与端承力总和进行比较，各部位阻力占比如图5所示。
图5 沉井底面反力占比Fig.5 Proportion of reaction force at the bottom of open caisson
由图5可知，外刃脚支撑力均在45%以上，且随着取土下沉，刃脚阻力占比达到60%以上；
外隔墙阻力占比均在16%以上。7月20日—8月6日，沉井内井壁占比逐渐减小，此后略有回升。结合十字节点及内隔墙阻力占比看，在沉井刃脚支撑体系中，内隔墙及十字节点阻力支撑力逐渐转移至外井壁、外隔墙，在7月26日后，内隔墙及十字节点承受较小部分支撑力，沉井逐步逼近小锅底支撑状态；
第3阶段调整沉井受力状态，沉井几乎保持全断面支撑受力状态，达到了接高前良好的稳定支撑体系。
4.2 侧阻力分析
结合自重、浮力及各区域端阻力，反演得到第2次取土下沉期间侧摩阻力曲线，如图6所示。7月20日沉井开始取土下沉，此时沉井自重主要由端阻力承担，随着取土量的增加，端阻力逐渐被削弱，侧摩阻力逐渐增加，即一部分端阻力逐渐转移为侧摩阻力，直到7月29日，侧摩阻力达到最大值约为58 kPa，此后，沉井下沉量开始增加，侧摩阻力减小至48 kPa，即静摩阻力开始转变为动摩阻力。
图6 侧壁摩阻力反演值Fig.6 Inverse value of sidewall friction
4.3 下沉系数与下沉速率
利用反演获取的端阻力和侧摩阻力可以计算出沉井下沉的总阻力，然后结合沉井自重和浮力，按照式（1）～式（4）计算出沉井下沉系数。在取土过程，底面反力随着沉井支撑及姿态变化而相互转移，采用同一时间段的泥面高程和底面反力参数计算下沉系数，建立下沉系数与下沉速率之间的联系，为后续沉井下沉提供参考。
式中：k0为下沉系数；
Gk为井体自重标准值，kN；
Tf为侧壁与土的总摩阻力标准值，kN；
Fw为下沉过程中地下水浮力标准值，kN；
γw为地下水天然容重，kN/m3；
V为沉井在地下水位以下的体积，m3；
R1为刃脚端部极限承载力，kN；
U为沉井侧壁外围周长，m；
b为基础底面宽度，m；
n为刃脚斜面与土壤接触面的水平投影宽度，m；
fu为地基承载力极限值，kPa；
R2为隔墙端部极限承载力，kN；
A1为隔墙支承面积，m2；
Rk为地基极限承载力，kPa。
下沉系数与下沉速率正相关，见图7。当下沉系数小于1时，沉井不会下沉；
当下沉系数为1～1.04，沉井下沉速率约1～2 cm/h；
当下沉系数为1.04～1.06，沉井下沉速率约2～3 cm/h；
当下沉系数为1.06～1.1，沉井下沉速率约为3～4 cm/h；
当下沉系数超过1.1，沉井下沉速率可进一步加快，如8月4日，下沉系数1.14，下沉速率达5 cm/h。根据下沉系数与下沉速率的关系可知，后续取土下沉过程中，为保证沉井持续处于高效下沉状态，需保证下沉系数达到1.1。
图7 下沉系数与下沉速率的关系Fig.7 Relationship between sinking coefficient and sinking rate
1）采用台阶形取土工艺，遵循对称、同步、均匀取土原则，根据不同土质，严格控制外刃脚埋深及取土深度，确保了沉井安全、平稳下沉。
2）通过主动控制与动态调整，沉井顺桥向：向岸侧倾斜1/952，高差6.1 cm；
横桥向：向上游倾斜1/997，高差9.5 cm；
平面扭转角0.023°，沉井姿态良好，取土过程始终可控。
3）在3阶段取土下沉过程中，沉井由全断面支撑到逼近小锅底支撑、最后调整为全断面支撑的良好受力状态，沉井自重仍主要由端阻力承担。
4）下沉系数与下沉速率正相关，当下沉系数小于1时，沉井几乎不会下沉；
随着下沉系数增大，沉井下沉速率随着增大，下沉系数接近于1.1，可确保沉井高效下沉。
