黏性土地區懸索橋錨碇沉井基礎關鍵技術研究

鄒永偉，徐升橋，金 令

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 概述

懷來官廳水庫特大橋是一座市政特大型橋梁，位于張家口市懷來縣，連接南北兩岸新城，道路標準為城市主干路，設計行車速度60 km/h。該橋為官廳水庫上的第三座橋梁，與既有京包鐵路并行跨越官廳水庫。官廳水庫為北京市一級水源保護區，主橋為720 m單跨懸索橋，主纜分跨布置(210+720+210) m，見圖1。加勁梁采用免涂裝耐候鋼-混凝土組合梁，索塔采用混凝土門式索塔，兩岸錨碇采用重力式結構，錨碇基礎采用混凝土沉井基礎[1-2]。

圖1 懷來官廳水庫大橋主橋布置(單位：m)

2 建設條件

橋址區域屬于懷來盆地，地勢較平坦。年平均氣溫10.5 ℃，最冷一月平均氣溫-6.7 ℃；極端最高氣溫40.3 ℃，極端最低氣溫-21.7 ℃。全年平均風速約2.6 m/s，最大風速24.0 m/s。

官廳水庫總庫容41.6億m3，勘測水位471.60 m，規劃蓄水位474.62 m，正常蓄水位477.62 m，設計水位484.56 m，以上水位均為國家85高程基準。冬季結冰，根據相關資料，水庫建成蓄水后，橋址處冰層厚度按0.61 m考慮。

橋址區土層覆蓋層較厚，勘測時未見基巖。地層主要包括粉土、細砂、粉質黏土，局部夾層圓礫土、粗砂，以硬塑粉質黏土為主。地震基本烈度為8度，設計地震加速度值為0.20g，地震動反應譜特征周期為0.45 s[3]。

3 技術特點

橋址處環保要求高，常年風速大，冬季氣溫低，抗震設防等級高，官廳水庫特大橋主橋一跨跨越水源保護區水面。南北岸錨碇，地面高程分別為475.60，478.20 m，沉井均為陸地沉井。

國內大型沉井主要位于長江中下游地區，北方黏性土地區沉井建造的最大難題是井壁側摩阻大，沉井下沉困難。井壁與土體之間的摩阻力，公路規范、鐵路規范均給出了參考值，黏性土的側摩阻25～50 kPa，砂土的側摩阻12～25 kPa[4-5]。

沉井基礎的整體受力特點，屬于深埋擴大基礎[6]。沉井基礎設計施工的關鍵點，是將沉井順利下沉就位。為滿足下沉要求，可采取的方法包括增加沉井自重和設置助沉措施等[7]。作為懸索橋的錨碇基礎，承擔主纜拉力，為滿足下沉要求、豎向抗拔要求和水平抗滑移要求，可適當增加沉井自重。

針對錨碇沉井基礎受力需要和北方黏性土地區的下沉難題，研究采取了以下技術措施。

(1)增加沉井重率，采取空氣幕助沉措施，解決了黏性土地區的下沉難題。

(2)全高采用鋼筋混凝土沉井，刃腳外包鋼板，滿足下沉要求的同時，提高了經濟性。

(3)考慮施工過程中的最不利水頭差，加強底節隔墻與井壁連接構造，優化頂節隔墻布置，提高了下沉過程沉井底節、頂節的安全性。

(4)底節施工采用土模法，降低底節高度，采取夯實表層土代替砂樁加固方案，降低了工程造價。

4 設計方案研究

4.1 沉井結構形式

圓形沉井承受水平土壓力的性能好，下沉過程中易于控制。考慮錨體平面為梯形布置，散索點位置主纜橫向間距37.8 m，采用圓形沉井體量大，且井孔布置不均勻，不利于取土設備布置。矩形沉井抗彎剛度大，結構布置緊湊，井孔布置均勻，便于井孔內取土。

國內大跨度橋梁沉井基礎主要以鋼筋混凝土和鋼殼混凝土為主[8-14]，見表1。浮運沉井，下段采用鋼殼混凝土，鋼殼浮運至墩位，落床后灌注混凝土，上段采用鋼筋混凝土。陸地沉井，底節6～8 m采用鋼殼混凝土解決底節受力復雜的問題，但工程造價高。

表1 國內橋梁沉井基礎統計

通過綜合比選，采取倒圓角的矩形沉井。全高采用鋼筋混凝土沉井，井壁刃腳2 m高范圍外包12 mm厚鋼板，隔墻刃腳1.5 m高范圍外包12 mm厚鋼板，代替傳統的鋼殼混凝土底節。

4.2 沉井持力層

地表以下30 m范圍主要為中密粉土、可塑粉質黏土，承載能力低，不宜作為基礎持力層。30 m以下主要為硬塑粉質黏土、密實粉砂、密實粗砂等。北岸沉井持力層選擇密實粗砂，埋深30 m左右，層厚8～12 m，基本承載力500 kPa。南岸沉井持力層選擇密實卵石土，埋深31 m左右，層厚5～7 m，基本承載力600 kPa。

4.3 沉井結構布置

北岸沉井、南岸沉井頂面高程均為475.3 m，北岸沉井高32 m，南岸沉井高33 m。沉井平面形狀為倒圓角的矩形，縱向長50 m、橫向寬56 m，倒圓角半徑7.5 m，平面分為16個井孔，見圖2。井壁厚2.5 m，底節向外設置20 cm臺階，隔墻厚1.5 m，隔墻與隔墻之間的倒角0.6 m×0.6 m，隔墻與井壁之間的倒角1.5 m×1.5 m。井壁刃腳高2.8 m，踏面寬0.3 m。隔墻刃腳高2 m，踏面寬0.25 m。頂蓋板厚6～10 m，封底混凝土厚6 m。為滿足壓重需要，沉井下沉就位后，靠近主橋側8個井孔填土，靠近引橋側8個井孔填C20混凝土。

圖2 沉井構造(單位：m)

4.4 沉井細部構造

為布置型鋼錨固系統，靠近引橋側的蓋板一般需加厚，頂蓋板高度范圍內不設置隔墻，見圖3。為增強井壁剛度，頂蓋板加高范圍內，增設1道隔墻，隔墻水平鋼筋伸入井壁勾住井壁外側的豎向鋼筋，見圖4。

圖3 蓋板范圍立面(單位：m)

圖4 增設隔墻平面

根據國內沉井建造經驗，下沉過程中，沉井底節隔墻與井壁交接部位、隔墻間交接部位容易開裂。考慮施工安全，將底節隔墻橫向鋼筋伸入至相交處的井壁、隔墻刃腳內，鋼筋在刃腳鋼板對應位置處打孔穿過，并留有錨固長度。

4.5 沉井結構計算

沉井計算包括下沉計算、整體基礎計算和結構配筋計算。根據全橋計算，每個沉井承受的主纜拉力為3.5×105kN。

沉井下沉自重扣除浮力后，應大于下沉時土對井壁的摩阻力。沉井接高、沉井下沉就位時，沉井下沉自重扣除浮力后，應小于井壁摩阻力、刃腳及隔墻正面阻力之和。黏性土地區的陸地沉井，下沉系數控制設計。本橋計算時，可塑粉質黏土、可塑-硬塑粉質黏土的摩阻力取40 kPa，最小下沉系數1.3，滿足下沉要求。根據工程經驗，規范給出的摩阻力參考值偏小，為保證順利下沉，設置空氣幕助沉措施。

重率是判斷沉井能否順利下沉的重要指標，重率的意義是沉井下沉階段自重可以克服的單位摩擦力。不排水下沉，沉井的自重扣除浮力作為沉井的下沉重力，除以沉井井壁的周邊面積，即為重率。懸索橋錨碇沉井抵抗主纜拉力，除沉井重力，錨體還設有壓重塊，壓重塊是沉井就位后施工的。因此，適當增加沉井自重，可以保證順利下沉，且不增加工程造價。本橋沉井的重率為69.5 kPa。

整體基礎計算，主要包括基底土的承載力計算、基礎抗滑動計算、抗傾覆計算和沉降計算。懸索橋重力式錨碇承受較大的水平力和上拔力，規范要求抗滑動穩定系數、抗傾覆穩定系數不小于2.0[15]。本橋沉井基礎，基底土經寬深修正后，承載力滿足要求；抗滑動穩定系數2.1，抗傾覆穩定系數4.2。工后沉降量32 mm，主橋總體計算考慮錨碇沉降的影響。

結構配筋計算，主要包括刃腳水平抗彎計算、底節沉井豎向抗彎計算、井壁豎向抗拉計算、井壁水平抗彎計算，根據計算結果配置普通鋼筋。井壁水平抗彎計算，除考慮土壓力，還應考慮施工過程中可能出現的井內外最大水頭差，按最不利工況計算。單個井孔的封底混凝土簡化為四周簡支板驗算其強度。

4.6 京包鐵路防護措施

錨碇位于京包鐵路下游約50 m，為保證施工期間京包鐵路安全，沉井施工之前在沉井外側設置直徑1.5 m的防護樁，防護樁頂部設置冠梁，對京包鐵路路基進行防護。防護樁距沉井邊緣10 m，防護樁樁底高程比沉井底高程低10 m。采用PLAXIS 3D軟件計算分析沉井下沉對既有京包鐵路的影響，京包鐵路最大沉降量2.5 mm。

5 施工方案研究

5.1 沉井下沉技術

采用干挖取土下沉、不排水吸泥下沉兩種方式[16-19]。下沉初期采取干挖取土下沉，利用挖機進行挖土，用高壓水槍將土體沖洗成泥漿，用泥漿泵抽排至井外的沉淀池。進入地下水5 m后，采用空氣吸泥機進行不排水下沉，下沉期間同時向井內補水。下沉過程按“小鍋底”取土方式，控制鍋底最大高度不超過1 m。沉井四角位置輔助取土，始終保持土體高于刃腳。

設置空氣幕助沉措施，空氣幕布置在沉井外側，沉井底部6 m和頂部6 m范圍內不布置。氣龕按梅花形布置，平均間距1.5 m。空氣幕開啟時，按從上至下逐層開啟的原則。

5.2 底節施工技術

底節施工前，清理地表土，挖填平整。對沉井范圍地表土進行換填、夯實，使地基承載力滿足底節施工要求。保證地基承載力均勻一致，避免底節施工時不均勻沉降導致的開裂。底節采用土模法施工，根據刃腳位置及形狀開挖溝槽，溝槽內布置刃腳鋼板，混凝土分層澆筑。和常規的支墊、抽墊工藝相比，采用土模法避免了底節“四點支撐”的不利工況，降低了施工難度，提高了安全性。

2016年完成南岸錨碇沉井下沉，2017年完成北岸錨碇沉井下沉，在下沉最后4 m時，下沉困難，開啟了空氣幕，見圖5。根據施工監控數據，京包鐵路未發生沉降和位移，防護樁效果明顯。沉井頂面最大高差8 cm，平面扭轉角度3′，終沉姿態平穩[20]。

圖5 北岸沉井下沉就位

6 結語

懷來官廳水庫特大橋錨碇沉井基礎為北方黏性土地區的大型鋼筋混凝土沉井，鄰近既有鐵路，下沉難度大，施工條件復雜。結合建設條件開展關鍵技術研究，主要成果如下。

(1)采取倒圓角矩形沉井，增加沉井重率，設置空氣幕助沉措施，解決了黏性土地區懸索橋錨碇沉井基礎的下沉難題。

(2)全高采用鋼筋混凝土沉井，刃腳外包鋼板，優化底節隔墻與井壁、隔墻與隔墻的連接，頂節蓋板加厚范圍增設隔墻，提高了鋼筋混凝土沉井底節、頂節的施工安全性。

(3)底節施工采用原地面開挖溝槽的新型土模法，采用干挖和不排水吸泥下沉的施工工藝，降低了黏性土地區的施工難度和施工成本。

懷來官廳水庫特大橋錨碇沉井基礎，實現了平穩、均勻下沉，姿態控制良好，為黏性土地區大跨度懸索橋錨碇沉井基礎建造提供了一定的經驗和借鑒。