超大平面沉井結構受力特性模擬及施工監控分析

楊膨銘，黃躍

（中交二航局市政建設有限公司，遼寧 大連 116023）

0 引言

我國大跨徑懸索橋的建設規模在世界范圍內位居前列。懸索橋基礎形式常采用圓形或矩形的重力式錨碇，我國已建橋梁中有相關案例，如江陰大橋（1995）北錨碇沉井平面尺寸69 m×51 m，下沉深度58 m；馬鞍山大橋（2008）南北錨碇沉井平面尺寸60.2 m×55.4 m，下沉深度48 m 等。國際上也有類似的案例，如日本明石海峽大橋（1988）北錨碇采用沉箱基礎、丹麥大貝爾特橋（1987）錨碇采用沉井基礎等。

沉井基礎以其承載能力強、整體性能好、兼具施工圍堰等特性，在大型橋梁等建筑物中得到廣泛應用。隨著沉井基礎向更大平面尺寸、更深埋深方向迅速發展，現有的沉井設計和施工都遇到了前所未有的挑戰。目前，國內外學者從現場監測、室內模型試驗、理論分析、數值模擬等多方面對沉井基礎開展了大量的研究。

對于巨型沉井基礎，由于其自身體積龐大導致自重及空間力學性能與其它中小型基礎有著顯著區別。文獻[1-2]從結構受力、施工、經濟性等方面比選了圓環形沉井基礎、鉆孔樁基礎等不同基礎形式的優劣。文獻[3-4]以五峰山長江大橋北錨碇沉井基礎為研究對象，詳細計算和分析了超大平面面積沉井結構下沉期間的受力特性。

隨著沉井尺寸的不斷增大，沉井底部地基土體不均勻性進一步突出，沉井結構安全、沉降控制、沉井狀態調整均面臨顯著的困難。文獻[5-7]采用GPS-RTK、邊墩+輔助墩定位技術等解決復雜條件下沉井基礎定位下沉與控制難題，并采用實時監測技術控制沉井下沉過程中的空間幾何姿態。文獻[8-9]著重論述了大型沉井下沉過程中相關的關鍵性施工技術。文獻[10]采用數值模擬和現場實測，分析了超大沉井基礎的承載特性及基底土體的強度儲備安全系數。

對于巨型沉井基礎，如果將中小型基礎的施工控制理論與研究成果簡單套用，可能會引發諸多適用性問題。本文基于五峰山大橋北錨碇沉井基礎項目，首先，通過數值模擬分析了沉井下沉到位后結構的受力和變形特性及沉井周邊土體的變形情況；然后，根據現場監測數據分析了沉井第3 次下沉過程的不均勻沉降變化情況和后續施工工況對沉井前期變形的影響。相關研究可為超大型沉井現場施工、下沉過程不均勻沉降控制、沉井前期變形分析等提供一定的參考。

1 五峰山大橋北錨碇沉井施工概況

1.1 工程概況

五峰山長江特大橋北錨碇基礎采用重力式沉井基礎。基礎采用矩形截面，長100.7 m，寬72.1 m，高56 m，重達24.8 萬t。沉井頂面標高為+1.0 m，基底標高為-55.0 m。

錨碇位于沖擊平原區，地形較平坦，地表主要為填土，填土以下土層分別為②2淤泥質粉質黏土、②2-1粉砂夾粉土、②3粉砂、②3粉細砂、②4粉細砂、③1粉細砂、③2粉細砂。下伏基巖為石英閃長斑巖，巖面傾斜角約5°。沉井土層地質分布情況及土層力學參數見表1。

表1 土層參數匯總表Table 1 The parameters for the different layers of soil

1.2 沉井結構

沉井基礎共分10 節，第1 節為鋼殼混凝土沉井，高8 m。第2節—第10 節為鋼筋混凝土沉井，其中第2 節高6 m，第3 節—第8 節高均為5 m，第9 節高4 m，第10 節高8 m。沉井結構中間共設置48 個10.2 m×10.9 m 的矩形井孔，其中后端18 個井孔用C20 水下混凝土填充，前端12 個井孔用清水填充，剩下的18 個井孔用砂填充。沉井封底混凝土厚為12 m，基底置于粉細砂層。沉井詳細的平面構造尺寸見圖1。

圖1 北錨碇沉井平面構造圖（cm）Fig.1 Plane diagram of the north anchorage caisson(cm)

1.3 施工工序

沉井經歷3 次接高、3 次下沉后刃腳到達設計深度，完成沉井下沉作業。具體施工工序為：1）鋼殼沉井拼裝完成后進行后續混凝土節段的接高作業，先在首節基礎上接高第2、3 節，然后采取降排水、十字槽開挖工藝使沉井下沉；2）向沉井隔倉內灌水后，繼續接高沉井第4、5、6 節，采取不排水、8 個區或4 個區開挖工藝使沉井下沉；3）繼續接高沉井第7、8、9、10 節，采取不排水、4 個區開挖工藝使沉井下沉。沉井接高與下沉具體組合如表2 所示，沉井開挖下沉方式見圖2。

表2 沉井接高及下沉組合表Table 2 Combination table of height connection and sinking of open caisson

圖2 沉井開挖方式示意圖Fig.2 The schematic diagram for the excavation of caisson

2 沉井結構靜力分析

2.1 數值模型

為盡可能真實模擬沉井結構及周邊土體，采用Abaqus 軟件建立三維有限元模型。模型中，土體長400 m，寬400 m，高80 m。土體和沉井結構均采用實體單元。土體采用摩爾庫侖本構模型，土層參數見表1。混凝土及鋼材采用彈性本構，鋼材重度為78.50 kN/m3，彈性模量取值為209 GPa，泊松比為0.3；混凝土為C30，重度為25 kN/m3，彈性模量為30 GPa，泊松比為0.3。考慮沉井結構-土體的相互作用，結構與周圍土體接觸設置為摩擦，摩擦系數為0.3。

2.2 模擬結果

1）沉井變形

沉井下沉到位后，沉井結構沿x 和y 方向的變形情況見圖3。

狼獾看起來有點像個頭小一些的棕熊，它們是生活在北極邊緣及亞北極地區叢林里的鼬類動物。為了儲備過冬的食物，狼獾表現得十分兇殘，一旦發現馴鹿的蹤跡就窮追不舍，大開殺戒。狼獾的短腿和大腳爪在厚厚的積雪上奔跑起來十分得力，相比起來，馴鹿的奔跑速度則遜色得多。狼獾捕到馴鹿后，會先吃掉一部分，然后再把剩下的馴鹿肉分別埋藏在不同的地方，這樣一來，在找不到食物的冬日里就不會挨餓了。要知道，“冰天雪地”可是大自然中的天然冰箱！

圖3 沉井下沉到位后變形圖Fig.3 The deformation of caisson after the completion of the sinking

由圖3（a）可知，沉井結構沿x 方向最大位移為1.58 mm；由圖3（b）可知，沉井結構沿y 方向最大位移為0.94 mm，方向均指向井外。

2）沉井應力

模擬結果表明，沉井下沉到位后，沉井結構內部應力出現下壓上拉的情況。沉井結構沿x 方向最大壓應力為5.84 MPa，最大拉應力為1.27 MPa，分別位于沉井底部和頂部的橫隔板處；沿y方向最大壓應力為6.59 MPa，最大拉應力為1.09 MPa，同樣位于沉井底部和頂部的橫隔板處。

3）周邊土體變形

模擬結果表明，沉井下沉到位后，周邊土體沿x 方向最大的位移為6.25 mm，沿y 方向最大位移為6.34 mm，方向均指向井內。周邊土體沿x和y 方向的變形較小，主要是由于沉井結構對周邊土體的強約束作用。由于沉井外壁與土體的材料差異造成周邊土體沿沉井外壁發生豎向相對滑移，靠近基坑一側的地表最大豎向沉降約為25 mm，見圖4。

圖4 沉井下沉到位后地表豎向沉降曲線圖Fig.4 The vertical settlement curve of the ground after the completion of caisson sinking

3 沉井施工過程監控分析

3.1 沉井監測點布設

根據沉井的平面構造，共布設9 個高程監測點。其中，監測點0 位于沉井平面的中心；監測點1～4 分別布設于沉井長邊和短邊的中心位置；監測點5～8 分別布設于沉井的4 個角點，見圖1。

3.2 第3 次下沉監測分析

由圖5 可知，沉井第3 次下沉過程可分為2個階段，階段1 為2017-09-27—2017-10-22，階段2 為2017-10-23 至施工結束。沉井第3 次下沉開始，結構出現不均勻沉降且豎向高差值不斷增大。階段1 沉井中部（監測點2 和監測點4）不均勻沉降較小；沿鎮江方向位置（監測點5 和監測點6），沉井相對于中部出現下沉，最大豎向下沉高差可達600 mm；沿揚州方向位置（監測點7 和監測點8），沉井相對于中部出現上抬，最大豎向上抬高差可達600 mm。對比監測點1 和監測點3數據，同樣可知沉井沿鎮江方向位置下沉較大。沉井下沉過程出現較大的不均勻沉降，主要是由超大平面下復雜的不均勻地層情況引起。考慮階段1 沉井結構的不均勻沉降較大，后續施工對沉井下沉采取相應的控制措施。進入階段2，最大的不均勻沉降量已控制在±300 mm 左右。之后，隨著后續施工的開展，沉井結構的不均勻沉降緩慢增長。直至沉井下沉到位后，最大不均勻沉降約為±500 mm 左右。

圖5 沉井第3 次下沉過程監測結果Fig.5 The on-site monitoring results for the third sinking process of caisson

3.3 沉井前期變形監測分析

沉井下沉到位后，現場封底、填倉、井蓋澆筑及錨體澆筑等各施工工況均會對沉井前期變形造成影響。沉井前期變形的監測結果見圖6。

圖6 沉井前期變形監測結果Fig.6 Early deformation monitoring results of caisson

由圖6 可知，沉井終沉后，隨著沉井整體總重逐漸增大，沉井前期變形逐漸增大，最大的整體平均累積沉降量可達60 mm 左右。在封底施工期（2017-11-09—2017-12-28），監測點 5～8 的沉降較為一致，約為20 mm；隨著后續施工開展，沉井4 個角點開始出現不均勻沉降且不均勻沉降量呈增大趨勢，最大不均勻沉降量達30 mm。沉井前期不均勻沉降主要是由于分區施工引起。為此，建議后續施工中仍應控制沉井的前期變形。

4 結語

本文基于五峰山大橋北錨碇沉井基礎項目，通過數值模擬和現場監測，分析了下沉到位后沉井結構的受力和變形特性、周邊土體的變形情況，并分析了大型沉井下沉過程的不均勻沉降情況及沉井的前期變形，得到以下結論：

1）下沉到位后，沉井結構沿x 方向最大位移為1.58 mm，沿y 方向最大位移為0.94 mm；沉井結構沿x 方向最大壓應力為5.84 MPa，沿y 方向最大壓應力為6.59 MPa，均位于沉井底部的橫隔板處；周邊土體沿x 方向最大的位移為6.25 mm，沿y 方向最大位移為6.34 mm，最大豎向沉降約為25 mm。

2）由于復雜的地質情況，超大平面沉井下沉過程中容易出現沿短邊或長邊方向的不均勻沉降，由此影響沉井結構的整體受力特性。為此，建議設計超大型平面沉井時應考慮較大不均勻沉降的不利工況對沉井結構承載能力的影響。

3）沉井下沉到位后，后續的施工工況會對沉井的前期變形造成影響。隨著沉井整體總重逐漸增大，會導致沉井下沉且出現一定的不均勻沉降。為此，建議合理控制后續施工對沉井前期變形的影響，并對沉井前期的不均勻沉降應采取一定的控制措施。