大型沉井下沉阻力分布特征及相關工程問題

潘亞洲 王 琛，* 梁發云

（1.同濟大學巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海200092；2.同濟大學地下建筑與工程系，上海200092）

0 引 言

我國深水大跨度橋梁建設如火如荼，沉井基礎因承載能力強、整體性好、剛度大、沉降小等優點得到廣泛應用［1-2］。目前，沉井的設計和施工所依據的規范主要針對中小型沉井，然而，隨著沉井基礎往超大超深的方向發展，其計算理論和施工方法已不再完全適用［3］。同時，工程中對大型沉井的認識也在不斷更新，20 世紀末，尺寸達到40 m 級即被認為是大型沉井［4］，但近幾年工程中采用的沉井基礎尺寸已達到百米級，如圖1 所示的五峰山長江大橋北錨碇沉井，其長100.7 m，寬72.1 m，已達20 世紀沉井基礎尺寸的數倍以上。表1 列出了近年來部分代表性大型沉井基礎的相關參數。

圖1 五峰山長江大橋北錨碇沉井［5］Fig.1 North caisson of Wufengshan Yangtze River Bridge

表1 大型沉井平面尺寸及下沉深度統計Table 1 Geometric size and sinking depth of large open caisson m

在工程建設期間，由于體型尺寸超大、下沉深度極深、地質條件復雜，大型沉井基礎在接高下沉期間普遍存在突沉、滯沉和偏沉等工程問題［6］。這不僅威脅到現場施工單位和工程技術人員的生命財產安全，還可能引起沉井結構的變形或開裂，易對周邊環境產生嚴重影響。此外，發生上述工程問題后急需開展的糾偏、助沉和修繕等工作也將耗費大量人力物力，導致工期延長甚至停工。因此，確保其安全平穩下沉，減少此類工程問題的發生，降低其所帶來的危害，是大型沉井基礎施工的關鍵。

上述大型沉井施工中的各類工程問題與其下沉阻力的分布及變化規律關系密切。土層的軟硬程度、土體分布的均勻性和沉井下沉深度、施工方法等因素都將影響沉井下沉阻力的分布特性，進一步引發各類工程問題。此外，隨著下沉深度的增大，現場監測設備受到一定限制，監測數據可用性降低（如傳感器存活率低、數據離散性大），也不利于沉井下沉施工技術和災變機理的研究。圖2梳理了沉井施工期間常見的部分工程問題及其影響因素。

圖2 沉井施工期間常見的部分工程問題及其影響因素Fig.2 Some typical engineering problems and influencing factors during open caisson construction

針對大型沉井下沉施工中的常見工程問題，本文梳理了沉井下沉阻力分布特征的研究現狀和進展，進一步分析了由此引發的突沉、滯沉及偏沉等工程問題的內在機理，并探討了大型沉井施工對周邊環境的影響，為大型沉井基礎施工技術及工程災變機理研究提供參考。

1 大型沉井下沉阻力的分布特征

沉井的下沉阻力主要包括側壁摩阻力、端部阻力和浮力三部分，如圖3 所示，端部阻力由刃腳端阻力和隔墻端阻力組成。實際上，深埋大截面沉井在下沉過程中，底部往往開挖形成大鍋底，使隔墻端部脫空，因此，刃腳端阻力提供主要的端部阻力。

圖3 沉井受力示意圖（側剖圖）Fig.3 Force diagram of the open caisson（lateral cutaway view）

自20世紀70年代以來，國內外已有學者開始研究沉井下沉阻力的分布特性［7-8］，但當時主要圍繞小型沉井，借助室內模型試驗手段展開研究，實測資料尚少，有些現象還難以解釋。進入21 世紀以來，沉井基礎的應用越來越廣泛，相關研究逐漸增加［9-10］。然而，由于沉井尺寸大，受土體各向異性、非線性和不確定性等因素的影響，一般也只能依靠常規測量方法進行現場監測或室內模型試驗，尚無成熟的理論方法和數值模型可供現場應用。目前的研究成果主要集中于沉井側壁摩阻力和刃腳端阻力的分布特征及下沉期間的變化規律。

1.1 側壁摩阻力（或土壓力）的分布特征

現階段工程中通常使用間接測量方法得到大型沉井基礎的摩阻力分布，在井壁豎向結構鋼筋上布置應力計，通過測量結構鋼筋的應力估算井壁表面的摩阻力，某沉井鋼筋應力計布置如圖4所示；或在側面埋設土壓力盒測量側向土壓力，再乘以摩擦系數換算成摩阻力。

圖4 某沉井基礎鋼筋應力計布置圖（單位：mm）Fig.4 Layout of reinforcement stress meter for a caisson（Unit：mm）

早期的沉井尺寸較小，通常認為其側壁摩阻力成梯形分布，即從地表到5 m 深度范圍內，井壁摩阻力線性地由零增長至最大值，深度達5 m 后趨于常數。目前，沉井的設計和施工規范［11］仍建議采用類似的計算理念。

近年來沉井規模增大，針對這方面的研究有了新的認識。陳曉平等［12］實測資料發現，沉井側壁摩阻力在下沉初期呈線性分布，而在下沉中后期呈現上下小、中間大的拋物線分布形式，并通過“壓力松弛區”理論進行了解釋，認為在沉井下沉中后期，井壁內外土壓力差較大，外側土體向井內流動，出現“翻砂”現象，導致井外土體松弛，摩阻力降低，如圖5 所示。對于此類摩阻力分布形式，王建等［13］的摩阻力儀開展了沉井側阻力的室內試驗研究，穆保崗等［14］模型試驗和離散元模擬，均發現了類似的規律。

基于上述側壁摩阻力（或土壓力）分布特征的研究可知，在工程建設中根據實際情況選用合理的側阻分布模型、采用可靠的計算方法對解決沉井下沉過程中出現的相關工程問題至關重要。周和祥等［15］通過長江大橋主墩沉井的現場監測數據，擬合了沉井下沉期間側阻力的三段式計算模型；張凱等［16］通過離心模型試驗研究，建立了拋物線型計算模型。上述沉井側壁摩阻力分布如圖6所示。

也有學者對異型沉井和階梯式沉井進行了研究。Hogervorst［17］首次通過模型試驗開展吸力式沉井基礎下沉施工過程的研究。近些年，穆保崗等［18］監測了南京長江四橋北錨碇沉井下沉過程，結合實踐經驗，發現井壁凹槽和凸起對側壓力分布有顯著影響；褚晶磊等［19］通過室內模型試驗研究了階梯型沉井下沉過程，發現設置側壁臺階可減小沉井總側阻力，其中臺階上方直壁段阻力減小最為明顯。

圖6 大型沉井側壁摩阻力分布圖Fig.6 Distribution of side wall friction of large open caisson

1.2 刃腳端阻力的概念及分布特征

沉井刃腳由踏面和斜面組成，常采用鋼板或角鋼保護，以穿越堅硬土層。為利于切土下沉，刃腳斜面傾角應大于45°。在刃腳端阻力的相關研究中，部分文獻中采用“刃腳承載力”一詞，易使讀者混淆兩個概念：“刃腳端阻力”和“地基承載力”。事實上，兩者含義并不相同，但在沉井下沉施工過程中密切相關。若不考慮刃腳形狀，為保證接高過程中沉井的穩定性，刃腳端阻力應小于地基承載力；當沉井處于下沉階段時，此時由于刃腳處土體處于極限狀態，刃腳端阻力與地基承載力相近。

在沉井首次接高階段，刃腳下一般墊有混凝土墊層或木墊層，通過增加與地面接觸面積提高地基承載力［20］。此時，端阻力分布較為均勻，接近于沉井自身的重力且小于地基承載力，已有學者對這一階段的承載力估算提出不同方法。王紅霞等［21］忽略刃腳斜面反力，推導了刃腳踏面處土體極限承載力的計算方法；Yea 等［22］監測了氣動沉箱的下沉過程，忽略刃腳踏面反力，得到了刃腳斜面的空間應力分布；閏富有等［23］建立了考慮刃腳形狀的近似滑移線場，提出了相應的地基土極限承載力系數計算公式。

沉井下沉階段，刃腳端阻力分布形式主要與其自身的空間位置有關。蔣炳楠等［24］通過室內試驗研究，發現了下沉期間刃腳踏面和斜面反力的空間分布規律，即角點反力最大，長邊中點反力最小，短邊平均反力大于長邊，如圖7 所示；周和祥等［25］基于柱孔擴張理論，提出了刃腳極限土阻力的理論解答；此外，陳曉平等［12］研究發現，沉井下沉期間刃腳端阻力值主要取決于土層特性，因此，當在均質土中下沉時，端阻力值緩慢增加，最終趨于常數；當刃腳穿過軟硬土層交界面時，端阻力值波動較大。

圖7 大型沉井刃腳端阻力空間分布圖［24］Fig.7 Spatial distribution of resistance beneath the cutting edge of large open caisson

1.3 側阻和端阻的比例關系

施洲等［26］研究發現，沉井下沉期間，側阻力隨埋深增加而增長，且占總阻力的比例為70%以上；陳曉平等［12］也有類似的結論。而穆保崗等［14］發現，隨著下沉深度的增加，刃腳端阻力會先增高后降低，主要由于下沉前期井內土體開挖尚未充分，刃腳迅速擠壓底部土體而導致端阻力測量值偏高。

目前，沉井下沉阻力分布形式方面的研究已形成許多成果，但現有研究仍以討論沉井在砂土中的側阻力分布形式為主，對黏土及分層土中的側阻分布不足，相關理論方法和數值模擬研究較少，尚需進一步研究。

2 大型沉井下沉常見工程問題分析

大型沉井基礎接高下沉施工的各個階段，時常發生突沉、滯沉和偏沉等工程問題。下沉施工初期，沉井入土深度小，幾何姿態和下沉行為易受到外界因素的影響；施工中后期，復雜的地質條件和下沉阻力的急劇變化是影響沉井下沉穩定性，使其產生上述工程問題的重要因素。與此同時，突沉、滯沉和偏沉三類工程問題之間的相互影響也不容忽視。

2.1 突沉與滯沉

突沉和滯沉是大型沉井基礎下沉施工過程中最常見且難以避免的問題。滬通長江大橋主塔沉井整個終沉期間，由突沉引起的下沉量達到10.5 m，占沉井終沉期間下沉總量的46%，在施工中帶來了較大的安全隱患［27］。與突沉帶來的直接影響相比，滯沉雖然不會直接引起工程事故，卻需要花費較大精力研究其發生原因，并針對性地實施各種助沉措施，由此導致的工期延長和附加成本不容忽視。

沉井施工前，需對地表的軟弱土層進行砂墊層+砂樁加固處理，以控制沉井首次接高的穩定性和初期下沉速率。下沉施工初期，刃腳端阻力占下沉阻力的主要部分，地基承載力是影響下沉穩定性的關鍵因素：若地基加固不足，則沉井存在突沉的風險；若地基加固過度或首次接高期間地基固結引起承載力增長［28］，則可能導致沉井滯沉。

施工中后期，存在很多影響沉井突沉與滯沉的因素。施洲等［26］研究發現，側阻力隨下沉深度增加而增大是沉井下沉中后期易發生滯沉的主導因素，進一步研究認為在沉井接高完成、啟動下沉期間，靜摩阻力轉變為相對較小的動摩阻力是引起突沉的關鍵原因；馬遠剛等［29］研究現場監測結果時發現，淤泥土應變軟化特性使沉井井壁與外部土體間的剪應力急劇衰減，是造成沉井在淤泥土中發生突沉的主要原因。此外，施工過程中，井內水位難以保持穩定，井壁內外過大的土壓力差致使翻砂現象頻繁發生，由此產生的“壓力松弛區”使沉井側壁土壓力（或摩阻力）降低，也是沉井在砂土中發生突沉的重要原因之一。大型沉井下沉穿越土層類型復雜，從硬質土層下沉至軟弱地層時，刃腳端阻力和側壁摩阻力均可能大幅減小，進而導致突沉，并且軟弱土層越厚，危害越大。

當前預防突沉的措施主要分為地基加固和現場預警兩種。譚斌［30］認為，沉井下沉至軟弱土層前，深灌水泥漿加固可控制下沉速度和深度。馬遠剛等［29］提出，可以將沉井下沉深度、刃腳端阻力和刃腳結構的應力作為預警突沉的3 項指標。在預測突沉即將發生時，應及時向沉井內部填土以快速增加內壁摩阻力，或向井內補水以增加沉井浮力。

滯沉發生后應首先分析其原因，并選用針對性的措施進行助沉，常見措施包括空氣幕、排水減浮和鉆孔松土等。荊剛毅等［31］采用空氣幕助沉處理了南京長江第四大橋北錨碇沉井后期滯沉的問題，助沉效果明顯，圖8 為空氣幕氣龕示意圖；王理想［32］提出，在沉井滯沉時可采用樁基反壓法和壓重法配合沉井下沉。

圖8 空氣幕氣龕示意圖［32］Fig.8 Sketch map of air pockets of air curtain

2.2 偏沉

根據規范［33］要求，沉井下沉階段，任兩角高差應不超過該其間距離的2%，且不超過0.5 m；終沉后，偏差應小于1%，且不超過0.3 m。某大橋南錨碇沉井第三次不排水下沉期間發生偏沉后，四角最大高差達4.8 m，給施工安全帶來不利影響。

沉井下沉初期，尚未形成固定的下沉通道，取土不均或局部超挖導致的刃腳脫空均會引起刃腳端阻力分布不均，進而導致偏沉且沉井澆筑過程中存在一定偏心，若未能及時測量偏差并糾正，將進一步加劇偏沉。下沉中后期，沉井內挖土深度大，井外臨時棄土或堆重將對沉井一側形成偏壓，也會導致偏沉［34］。此外，硬質、軟弱地基土層交界面往往呈傾斜或凹凸不平的空間形式，當沉井一側先接觸到硬質土層時，此處刃腳被制動，而另一側繼續下沉，致使沉井偏斜，這也是導致偏沉發生的原因之一。

沉井發生偏沉后需及時采取糾偏措施，目前已有不少成功沉井糾偏和預防偏沉的工程經驗。楊齊海等［35］通過纜索施加水平力并結合定向吸泥，完成了沅江大橋主墩沉井首次下沉期間的糾偏；譚斌［30］采取單邊加載，輔以型鋼頂撐的辦法，糾正了某旋流沉淀池沉井第3 次下沉過程中的偏斜。

2.3 突沉、滯沉與偏沉的力學機制及相互影響

上述工程問題和現象的發生存在特定的力學機制。下沉阻力過小或急劇衰減，將可能引起突沉，反之，下沉阻力過大或急劇增大可能會導致滯沉。而偏沉則是由于沉井所受外力空間分布不均，其外力包括側壁土壓力、側壁摩阻力、端阻力、浮力和施工荷載等。現場監測發現，大型沉井下沉過程中，突沉和偏沉往往是伴隨發生且相互影響的［27］。圖9為某大橋中塔沉井第10節鋼沉井接高后的四次突沉的情況，可以發現每次突沉均伴隨著偏沉的發生。

圖9 某大橋沉井的突沉（單位：m）Fig.9 Sudden sinking of open caisson of a bridge（Unit：m）

沉井發生滯沉后，若過度采取助沉措施，則可能大幅度降低下沉阻力，進而引起突沉。同時，受不均勻取土和土層分布不均等因素影響，沉井結構無法保持豎直姿態下沉，導致突沉結束后沉井發生傾斜。此時沉井埋深較大的一側土體擠壓密實且浮力更大，而后續取土施工常優先取埋深較小側土體，使得沉井埋深較小側易進一步發生突沉。

當前對沉井突沉、滯沉和偏沉等工程問題的研究主要依靠現場監測或模型試驗，停留在現象分析和預警補救的層面，尚缺乏理論方法的深入探索，未能提出合理的沉井整體運動模式。

3 大型沉井施工對周邊環境的影響

大型沉井取土下沉施工過程中，尤其是在軟弱地基上進行沉井施工時，將不可避免地對周邊環境產生影響，包括地下水變化、周邊地表沉降和建（構）筑物變形等。若不采取合適的防護措施，輕則影響工程施工質量，造成工期延誤；重則導致人員傷亡或建（構）筑物損壞［36］。因此，在沉井施工期間，特別是市政沉井工程中，應充分考慮周圍地層沉降及鄰近建（構）筑物的變形［37-38］。

3.1 地下水變化

大型沉井在施工初期一般為排水下沉，有利于控制下沉精度并形成正確的下沉導向；當下沉深度超過20 m 后，管井降排水能力不足，沉井內外水頭差過大，易發生管涌、流砂等現象，采用不排水下沉［3］。此時，為保持沉井內外的水頭差，需從外界抽水補充至沉井內部，使井內水頭略高于地下水位。

沉井排水下沉期間必然對地下水產生影響，尤其是軟土地區沉井施工，其下地基一般采用砂樁加固，地基整體滲透系數增大，排水速度明顯加快。穆保崗等［39］監測了南京長江4 橋北錨碇沉井施工的降排水過程，發現沉井排水下沉方案會引起承壓水含水層明顯壓縮，而對潛水含水層的影響較小；劉毅等［40］通過有限元分析，發現沉井排水下沉會引發地下水滲流，導致滲流水面線以上土體重度發生變化，使周邊土體進一步固結。

3.2 周邊地表沉降

沉井下沉施工過程中，與周邊土體的相互作用關系十分復雜，常常引起周邊地表沉降。如圖10 所示，某大橋南錨碇沉井突沉前后周邊地表發生沉降。關于沉井施工引起地表沉降的原因，存在不同的觀點。宋甲奇［41］提出，沉井下沉期間，井壁摩擦力下拉鄰近土體，引起土層失穩，導致周邊地表沉降；劉毅等［40］研究認為，沉井取土下沉導致周邊土體應力場改變，加之排水施工使土層固結加快，引發周邊地表沉陷；穆保崗等［39］認為，承壓水含水層壓縮是導致沉降周邊土層沉降的主要原因。

數值模擬也是分析沉井對周邊環境影響的有效手段。鄧友生等［42］通過有限元分析發現，沉井周邊地表沉降量隨沉井埋深增大而增加；李溪源［43］建立了沉井周邊地表沉降估算式，其計算結果與實測值及數值模擬結果基本吻合。沉降控制措施方面，王理想［32］提出，采用觸變泥漿套輔助沉井下沉，可有效緩解地表沉降。

圖10 某大橋南錨碇沉井周邊地表沉降Fig.10 Surface subsidence around south caisson of a bridge

3.3 建（構）筑物變形

沉井周邊土層沉降進一步還可能引起鄰近建（構）筑物的變形甚至垮塌。黃迪［44］通過數值模擬研究發現，沉井下沉期間，周邊鐵路在設置與不設置防護樁條件下的沉降變形相差55%以上。若不采取適當的防護措施，勢必將威脅到人民生命財產安全。羅實瀚等［45］研究發現，地錨式沉井下沉施工速度較快，對鄰近建（構）筑物影響較小，可應用于市政沉井工程。周小毛［46］提出，沉井施工前，可在沉井四周布設鉆孔灌注樁，對周邊鐵路路基進行防護。

4 結論與展望

隨著近些年我國大跨橋梁工程的迅速發展，大型沉井工程施工的研究成果和技術積累取得了很大進步，本文梳理了沉井下沉阻力分布特征的研究現狀和進展，對沉井下沉期間由此引發的突沉、滯沉及偏沉等工程問題的內在機理展開了分析。沉井下沉阻力分布特征及相關工程問題的研究進展概括如下：

（1）沉井側壁摩阻力在下沉初期為線性分布，中后期為上下小、中間大的近似拋物線分布，應根據實際工程條件采用合適的計算模式；沉井刃腳端阻力與自身空間位置有關，其中，角點反力最大，長邊中點反力最小，短邊平均反力大于長邊；且占總下沉阻力比例一般為30%左右。

（2）大型沉井基礎接高下沉施工的各個階段，時常發生突沉、滯沉和偏沉等工程問題。下沉阻力過小或急劇衰減將可能引起突沉，反之下沉阻力過大或急劇增大可能會導致滯沉；而沉井所受外力空間分布不均，則可能發生偏沉。這三類工程問題關系密切，外界條件發生變化時可能相互影響和轉化。

（3）大型沉井取土下沉施工過程中，尤其是在軟弱地基上進行沉井施工時，將不可避免地對周邊環境產生影響，包括地下水變化、周邊地表沉降和鄰近建（構）筑物變形等。因此，在設計和施工過程中，不僅要采用合適的方式緩解突沉、滯沉和偏沉帶來的問題，還應充分考慮并減小沉井對周邊環境的影響。

基于上述已有研究成果，結合筆者正在開展的相關研究，認為如下幾方面的工作亟需開展，以便為沉井施工中突沉、滯沉和偏沉問題的預測和防控提供更全面理論依據：

（1）沉井接高期間，地基土孔隙水壓力和固結度變化將引起地基承載力發生改變，需要針對上述條件變化對沉井下沉行為產生的影響展開研究；

（2）目前，沉井側阻力分布特征的研究仍以討論砂土中的側阻力分布形式為主，對黏土及分層土中的側阻分布尚需探索；

（3）當前針對突沉、滯沉和偏沉等工程問題的研究中，尚停留在現象分析和預警補救的層面，缺乏理論方法的深入探索，應進一步對沉井下沉期間遇到的工程問題開展全過程、全方位、全類別的研究。