大型陸地錨碇沉井下沉結構受力分析及關鍵技術

魏湛力

（中交二航局第四工程有限公司，安徽 蕪湖 241000）

0 引言

中交第二航務工程局有限公司根據超大型截面陸地沉井結構特性，研發了“沉井不排水核心土預留滯后開挖下沉法”新的下沉工藝，成功實施了陸地最大規模橋梁錨碇沉井下沉施工，現以沉井第3次不排水下沉為例，對“核心土預留”滯后開挖下沉法進行分析。

1 工程概況

連鎮鐵路五峰山長江大橋北錨錠沉井基礎長100．7 m、寬 72．1 m、高 56 m。沉井接高總計分10節，第1次接高1～3節，采用排水輔助下沉至標高-8．0 m；第2次接高第4～6節，采用不排水下沉至標高-30．0 m；第3次接高第7～10節，采用不排水下沉至標高-55．0 m。沉井頂面標高設計為+1．0 m，基底設計標高為-55．0 m，基底置于砂層中。

沉井采用矩形截面，標準壁厚2．0 m，隔墻厚1．3 m，中間共設置 48 個 10．2 m × 10．9 m 的矩形井孔。沉井構造見圖1。

圖1 北錨碇沉井構造圖（cm）Fig.1 Structure diagram of north anchorage caisson(cm)

2 “核心土預留”滯后開挖法可行性分析

2.1 常規開挖方式

圖2 沉井底部拉應力增量Fig.2 Tensile stress increment at bottom of caisson

參考文獻[1-7]的研究成果，并且對國內已施工的大型沉井進行調研，結果表明：由于沉井下沉時下沉阻力較大，基本采用“大鍋底”方式開挖，以減少沉井下土體的支撐面積。但對于該平面尺寸遠超以往的沉井，若采用“大鍋底”開挖方式，通過計算分析，標高-30 m和-40 m時開挖引起的沉井底部拉應力增量超過混凝土最大抗拉強度2．2 MPa，如圖2所示，故常規方法存在開裂風險，并且對超大平面尺寸沉井姿態難以控制，故不可行。

鑒于上述實際情況，為了保證超大型沉井下沉時的結構安全和姿態控制（姿態由四周支撐轉換為中心加四周控制，操控性強）?，F對沉井進行第3次不排水下沉的工況分析計算（表1），按照圖3所示“核心土預留8個艙”、“核心土預留4個艙”、常規“大鍋底”支撐工況進行演算，進而分析確定“核心土預留”滯后開挖方式的可行性。

2.2 計算模型及邊界

1）計算模型

沉井下沉模擬計算采用MIDAS FEA有限元軟件進行，對沉井下沉過程中的工況進行模擬計算分析。模型中混凝土結構采用三維實體單元，鋼殼結構采用板單元，計算中鋼殼內加筋結構及混凝土內鋼筋結構未考慮，忽略其對結構的影響。

表1 主要計算工況表Table 1 Main calculation conditions table

圖3 沉井開挖支撐工況Fig.3 Excavation support condition of caisson

2）邊界條件

模擬分析中計算邊界條件包含井壁及隔墻底部豎向支撐、沉井進入土體后井壁側向水平支撐兩種。沉井進入土體前僅考慮井壁及隔墻底部豎向支撐作用。沉井進入土體后考慮土體對沉井基礎的側向水平支撐作用，因沉井第1節及第2節交界位置處有一向內側20 cm寬的臺階，考慮臺階以上部分土體因沉井下沉可能造成的松散效果，側向支撐作用僅考慮施加于第1節鋼殼混凝土沉井上，第2節及以上部分沉井進入土體后按主動土壓力考慮其側向作用。

豎向支撐采用只受壓彈簧單元模擬，基床系數取值10 000 kN/m3。

2.3 計算荷載

模擬計算主要考慮的荷載為沉井結構自重，井壁外側土壓力，井壁外側摩阻力，水對沉井的浮托力作用。

1）沉井結構自重

結構自重取鋼筋混凝土重度25 kN/m3。

2）井壁外側土壓力

井壁外側土壓力按照主動土壓力計算，實際土層未有變化，土壓力數值按照設計值取值，見圖4。

圖4 主動土壓力隨土層深度變化曲線Fig.4 Active soil pressure changes with soil depth

3）井壁外側側摩阻力

根據沉井第1次排水下沉及第2次不排水下沉過程反演計算+3～-30 m標高范圍內土層側摩阻力值，對于已經反演分析得到的地層側摩阻力及地基極限承載力按照反演分析數值進行取值，未進行反演分析地層參照地勘進行取值，相應計算取值參數如表2所示。

表2 反演計算參數取值匯總Table 2 Summary of inversion calculation parameters

4）水的浮力

水的浮力按照實測刃腳標高及沉井內外水頭進行計算。

2.4 下沉分析計算

按照擬定計算條件，通過對沉井第3次下沉施工過程的模擬分析，可以得到沉井后續施工過程中混凝土結構各工況的最大拉應力和相對目前工況的應力增量情況，變化趨勢見圖5。

圖5 第3次接高及下沉各工況應力趨勢圖Fig.5 Stress trend map of the third connecting height and sinking conditions

由圖5可見，沉井下沉過程中，開始下沉階段拉應力較?。?．98 MPa），而后逐步增大，下沉至-40 m時達到峰值2．19 MPa，隨后逐步減小，在下沉至-55 m時減小為2．03 MPa。整個施工過程中沉井混凝土結構最大拉應力為2．19 MPa＜2．2 MPa，滿足C30混凝土極限抗拉強度要求。

2.5 空氣幕助沉

隨著沉井下沉深度增加，側摩阻力逐漸增大，下沉系數減小，空氣幕能有效降低側摩阻力，增大下沉系數。

1）空氣幕布置

在施工第2、3、4、5節沉井時，在沉井井壁內布置空氣幕?？諝饽凰脚艢夤苡忙?0 PP-R管，共設置8層，層距2．0 m，在沉井井壁每個面設置2～3段，單段長度約30 m。氣龕上設置φ3 mm排氣孔，間距2．0 m。沉井第2～5節井壁空氣幕布置圖如圖6所示。

圖6 沉井第2~5節井壁空氣幕布置圖Fig.6 Air screen layout of the second to fifth sections of the caisson wall

2）下沉系數計算

下沉及接高系數計算公式：

kst=（Gk-Ffw，k）/Ffk=（G+G′-Fw）/（R1+R2）

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；R1為刃腳及隔墻底面極限端阻力；R2為沉井極限摩擦力。

根據反演參數計算，結果表明沉井在下沉后期存在下沉困難的情況，需采取助沉措施。當采用空氣幕助沉時，查閱相關資料，開啟空氣幕后，土體側摩阻力可按照原側摩阻力的80%進行計算。在具體計算時，假定空氣幕2～5層全部打開，存在空氣幕的2～5層與土體接觸側摩阻力按照原側摩阻力的80%進行計算，非接觸部位按照原側摩阻力值計算，計算得到下沉系數。計算工況及計算結果如下：

根據地勘值計算，大鍋底開挖至-55 m時對應的下沉系數為1．07；

根據地層反演參數計算，無端部支撐開挖至-45 m時對應的下沉系數為1．01；

根據地層反演參數+空氣幕計算，無端部支撐開挖至-50 m時對應的下沉系數為1．09；

根據地勘值+空氣幕計算，大鍋底開挖至-55 m時對應的下沉系數為1．14；

根據地勘值+空氣幕+井內降水至-12 m標高計算，大鍋底開挖至-55 m時對應的下沉系數為1．31。

2.6 計算結果及分析

1）按照擬定計算條件，通過對沉井施工過程的模擬分析，沉井后續施工過程中混凝土結構最大拉應力為 2．19 MPa＜2．2 MPa，滿足 C30 混凝土極限抗拉強度要求。

2）沉井接高后，開始下沉時，中心艙開挖滯后于其余隔墻可明顯降低結構應力，拉應力從2．08 MPa 減小至 1．98 MPa。

3）計算中側阻力按照前兩次下沉反演數值進行模擬，側阻力取值遠大于地勘值。根據反演計算側阻力，在達到-45 m后沉井下沉困難，需采用措施降低側阻力方可順利下沉。

自2017年10月26日，沉井開啟空氣幕輔助開挖下沉，對開啟空氣幕效果進行統計計算，得到每天開啟空氣幕沉井側摩阻力折減系數曲線如圖7所示，從圖中可以看出開啟空氣幕后，沉井側摩阻力變為原側摩阻力的62%～85%，達到預期的效果。

圖7 空氣幕側摩阻力折減系數Fig.7 Side friction reduction factor of air screen

3 “核心土預留”滯后開挖方式下沉

3.1 下沉情況

沉井第3次下沉采用“核心土預留”滯后開挖下沉法，歷時45 d，共下沉24．5 m，平均每日下沉0．54 m。沉井下沉至標高-44 m時開始逐步取消核心土，下沉至標高-45．5 m，沉井下沉系數偏小，下沉緩慢，井壁刃腳埋深在1．0 m左右，此時開始空氣幕輔助下沉。在沉井下沉期間姿態與應力變化平穩，始終處于可控狀態。

3.2 下沉應力監測結果及分析

五峰山長江大橋北錨地沉井首次采用了全新的核心土預留滯后開挖下沉方法，并應用了實時應力監測系統對沉井的關鍵部位進行監測。鋼殼應力狀態采用鋼板應變計監測，混凝土應力狀態采用混凝土應變計監測。

監測結果表明，下沉過程中鋼殼始終處于受壓狀態，最大應力為75 MPa，混凝土最大拉應力為 2．2 MPa，混凝土最大壓應力為 16．8 MPa，與反演分析計算結果吻合，沉井部分應力監測點的布置如圖8所示。

圖8 沉井應力監測測點布置圖Fig.8 Distribution of stress monitoring points in caisson

在沉井第3次下沉期間，為掌握沉井在此期間的應力，重點對第1層混凝土順橋向進行監測，第1層混凝土應力曲線變化如圖9所示。

圖9 第1層順橋向混凝土應力測試結果Fig.9 Results of stress test for the first layer concrete of straight bridge

沉井第3次下沉過程中，第1節混凝土應力值隨結構變形變化明顯，在應力出現較大拉應力時，通過及時調整，應力結果有明顯改善，到下沉結束，第1層混凝土應力仍為合理值，始終處于可控狀態。

沉井終沉到位后各項指標優異、均滿足設計及規范要求，各項監測數據見表3。

表3 沉井終沉到位時監測數據表Table 3 Monitoring data tables for final sinking of the caisson in place

4 結語

五峰長江特大橋北錨碇沉井由于平面尺寸大，按照常規下沉方式結構應力及姿態不可控，存在較大的開裂風險，經過分析驗算，創新性的提出沉井中心區域核心土預留滯后開挖法、保持沉井四周與核心土支撐的下沉理念，通過合理控制核心土井艙數量，同時控制開挖量，結合實時撓度及應力監測，及時對各區開挖量進行調整，并充分利用空氣幕等輔助下沉措施，對沉井應力及姿態進行了有效控制，并成功精確下沉到位。該項目的施工經驗可為其他類似項目提供參考和借鑒。