常泰長江大橋超大水下鋼沉井終沉及封底關鍵技術

朱浩 楊切

1.中交第二航務工程局有限公司，武漢 430040；2.長大橋梁建設施工技術交通行業重點實驗室，武漢 430040；3.交通運輸行業交通基礎設施智能制造技術研發中心，武漢 430040；4.中交公路長大橋建設國家工程研究中心有限公司，北京 100032

沉井基礎已經廣泛應用于大型橋梁建設，具備整體性能好、抗震性能強、施工速度快以及剛度大等優點［1-2］。21 世紀以來，我國大型橋梁如滬通鐵路長江大橋、南京長江四橋、五峰山長江大橋以及泰州長江大橋等采用了沉井基礎［3-4］。

國內對沉井的研究主要集中在沉井受力機理、施工技術以及施工方案等方面。嚴愛國等［5］對多種橋梁基礎方案進行了比選，表明圓形沉井基礎在結構受力特性、經濟性等方面均優于其他基礎形式。李鵬［6］分析了滬通長江大橋沉井施工關鍵技術，總結了技術應用過程中的合理性。秦順全等［7］通過技術方案比選，選定常泰長江大橋的主塔基礎采用圓端形沉井并闡明了超大型沉井的下沉機理。朱建民等［8］研究發現隔墻底板的應力分布情況和大小在沉井的首節混凝土澆筑完成后基本固定。施洲等［9］對沉井下沉過程中的側摩阻力、端阻力進行了研究，提出了計算動、靜摩阻系數的計算公式。

Mehta 等［10］簡要地介紹了采用水下技術建造的沉井，討論了澆筑混凝土的導管法，詳細介紹了沉井的概況、技術特點、新技術的改進及優缺點。Chavda等［11］通過試驗研究圓形沉井刃腳切割砂土的荷載-貫入響應和土壤流動機理，并且采用基于圖像的變形測量技術對土壤流動機理進行了評價。Templeman 等［12］運用有限元探討了刃腳幾何形狀對砂土中刃腳阻力的影響。結果表明，刃腳幾何形狀的影響高度依賴于沉井切面粗糙度和土體摩擦角。

綜上所述，現行的沉井規范主要針對中小沉井，中小沉井終沉階段總阻力以側摩阻力為主，由于沉井平面尺寸越來越大，超大型沉井終沉階段的受力機理有待研究。本文以目前世界最大尺寸圓端臺階形水中鋼沉井常泰長江大橋5#墩沉井基礎為研究對象，運用相關理論方法對5#墩沉井終沉以及封底過程進行了分析，對兩圓端支撐下的沉井、沉井封底過程進行了有限元模擬。

1 工程概況

常泰長江大橋為雙層斜拉橋，集普通公路、高速公路以及城際鐵路三位一體［13］。沉井立面為臺階型，臺階寬度9.0 m，底面高程為-65 m，頂面高程為7 m。沉井平面為圓端形，頂部尺寸為77.0 m × 39.8 m，底部尺寸為95.0 m × 57.8 m。5#墩鋼沉井結構見圖1。沉井下部為鋼殼混凝土，上部為鋼筋混凝土，鋼殼混凝土高64 m，鋼筋混凝土高8 m。沉井下沉到位后刃腳持力層為密實粗砂，封底混凝土厚11.5 m。

圖1 5#墩鋼沉井結構（單位：cm）

2 施工監測結果與分析

2.1 下沉曲線

常泰長江大橋5#墩沉井終沉時間為2020年12月16—29日，沉井下沉曲線見圖2。沉井外刃腳底標高為-64.75 ～-57.98 m（沉井設計底標高為-65.00 m），累計下沉6.77 m，平均下沉速率48.4 cm/d，終沉過程中持力土層為密實粗砂。

圖2 沉井下沉曲線

沉井終沉（第4次取土）日下沉量見圖3。可見，終沉大致可以分為兩個階段：第一階段為平穩快速下沉階段（12月16—22日），沉井為“大鍋底”支撐狀態，沉井外刃腳底標高為-62.84 ～-57.98 m，累計下沉4.86 m，平均下沉量速率69.4 cm/d，單日最大下沉量為1.00 m，最小為0.22 m；第二階段為下沉減緩階段（12月23—29日），沉井為“兩圓端”支撐狀態，沉井外刃腳底標高為-64.75 ～-62.84 m，累計下沉1.91 m，日平均下沉速率27.3 cm/d，單日最大下沉量為0.62 m，最小為0.09 m。

圖3 沉井終沉日下沉量

2.2 沉井幾何姿態

在沉井頂部的上游、下游、江側和岸側布置4個北斗傳感器以及在隔墻底部布置若干傳感器，北斗測點布置見圖4。通過上游、下游、江側和岸側的標高H1—H4推算及監測沉井偏位、傾斜和平面扭角等幾何信息。同時通過沉井“哪邊高取哪邊”的原則，即放慢沉井刃腳較低一側的取土速率，加快沉井刃腳高側取土，使得沉井刃腳高側下沉速度大于低側，讓標高H1—H4基本趨于一致，對沉井及時動態糾偏調整，保證沉井幾何姿態。

圖4 北斗、隔墻底部應力測點布置

沉井偏位變化曲線見圖5。可見，在沉井終沉過程中，底口中心X向偏位在10 cm 左右，底口中心Y向偏位在-10 cm 左右，滿足GB/T 51130—2016《沉井與氣壓沉箱施工規范》設計要求（設計值為±15 cm）。

圖5 沉井偏位變化曲線

沉井傾斜姿態變化曲線見圖6。可見，沉井橫橋向、順橋向傾斜值均控制在±0.003 以內，滿足GB/T 51130—2016設計要求（設計值為±1/150）。

圖6 沉井傾斜姿態變化曲線

沉井平面扭轉角變化曲線見圖7。可見，沉井平面扭角控制在±0.1°以內，滿足GB/T 51130—2016 設計要求（設計值為±1°）。

圖7 沉井平面扭轉角變化曲線

2.3 隔墻底部應力監測

隔墻底部的傳感器用于監測隔墻底部的鋼板結構應力，是沉井終沉控制結構安全性的重要指標，測點布置參見圖4。隔墻底部應力曲線見圖8。可見，外隔墻以及內隔墻底部鋼板應力在57 ～72 MPa，均值為65 MPa 左右，說明隔墻底板的應力和大小隨著沉井最后一次夾壁混凝土澆筑完成后基本固定。原因為當沉井處于最后的下沉階段時，5#墩沉井進入土體比較深，最深處超過30 m，沉井周邊的土體阻礙了沉井隔墻底板的變形，對沉井隔墻底板的受力有利。

圖8 隔墻底部應力曲線

2.4 側摩阻力監測

通過對沉井側壁土壓力進行監測，可以定性地獲得沉井周圍的土體應力狀態。測點布置6 層，共12列，一共72個測點，沿著沉井周圍均勻布置，分別布置在沉井長邊直線段兩端及中間點位置，圓弧段布置在四等分點。傳感器距沉井刃腳底部分別為2、7、12、18、24、30 m。

5#墩沉井在 2020年12月 20、22、25日均發生過突沉，下沉量分別為12、7、5 cm。沉井突沉從開始到結束，時間為5 ～8 s，為了預警沉井突沉，對突沉過程中的側壁土壓力進行了研究。由于下沉量較小，突沉全過程中同一位置處的側壁土壓力監測點變化值可忽略，根據沉井突沉前后基底土壓力、下沉量、下沉時間實測數據以及各地基土土層特性等參數，可以定量地研究動摩阻力與靜摩阻力之間的關系。根據文獻［9］的計算方法，沉井終沉階段，動摩阻力系數與靜摩阻力系數之比為0.63。

2.5 兩圓端支撐下沉法

對于絕大部分沉井，當沉井處于終沉階段時，隨著沉井入土深度加深，沉井側摩阻力增加，占整個沉井阻力的60%～70%［14］。一般情況下需要采取助沉措施，如空氣幕助沉、泥漿潤滑套助沉等，通過減少側摩阻力使沉井下沉，如五峰山大橋沉井［15］、南京長江第四大橋北錨沉井［16］。

文獻［7］研究表明，隨著沉井尺寸增大，側摩阻力占沉井總阻力之比會逐漸降低，從早期的86%降小到37%，端阻力占沉井總阻力之比會逐漸增加，從早期的14%增加到63%。因此，中小沉井的施工方法不適用于大型沉井，如果沒有解除沉井端阻力的可靠方法，超大型沉井安全下沉也難以實現。考慮到終沉階段沉井持力層為密實粗砂，安全性較高，對于水中鋼沉井，提出了兩圓端支撐以及四點支撐狀態下沉法，見圖9。本文首次在沉井終沉階段減少沉井端阻力而不是側摩阻力，使沉井順利下沉，并采用MIDAS FEA NX軟件進行有限元模擬對比分析。

圖9 兩圓端、四點支撐

具體建模過程如下：混凝土本構、鋼殼本構分別見GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》、GB 50017—2017《鋼結構設計標準》，混凝土采用C30，鋼殼采用Q355B。土層采用庫倫-摩爾本構，模擬土層的長、寬、高分別為250、170、80 m，土層參數參照文獻［16］表1，并且使用析取功能使混凝土與鋼殼共節點。鋼殼與土層之間設置接觸面，接觸面采用界面單元模擬，土層與混凝土均采用四面體單元，并且采用整體水位模擬水位。沉井的邊界條件為：土層底面采用固結約束，土層頂面無約束，土層四周采用截斷邊界［17］。

兩圓端、四點支撐模擬結果見表1。可見，鋼殼應力、混凝土主拉應力在兩圓端支撐狀態下均比四點支撐狀態應力小，因此選擇兩圓端支撐下沉法。

表1 兩圓端、四點支撐模擬結果 MPa

2.6 兩圓端支撐反演計算

選定了兩圓端支撐狀態后，對沉井下沉過程中的吸泥區域進行反演計算，以確定兩圓端支撐最佳狀態。沉井下沉分3 情況：可以下沉（工況1）、容易下沉（工況2）、下沉較快（工況3）。終沉吸泥反演計算圖見圖10、下沉系數見表2。可見，工況1 下沉系數為1.06，端阻力、側摩阻力分別占總阻力的55%、45%；工況2下沉系數為1.09，端阻力、側摩阻力分別占總阻力的53%、47%；工況3 下沉系數為1.12，端阻力、側摩阻力分別占總阻力的52%、48%。因此，本文推薦工況2，既可以保證下沉，又可以滿足沉井支撐條件。

圖10 終沉吸泥反演計算

表2 終沉吸泥反演計算下沉系數

沉井終沉到位后沉井刃腳土壓力主要分布在兩圓端處，最大應力3.8 MPa。沉井在終沉過程中，端阻力、側摩阻力分別占總阻力的55%、45%，兩圓端支撐下沉法通過減少端阻力而不是側摩阻力，實現了大型水中鋼沉井沒有任何助沉措施及保證沉井結構安全的前提下順利快速下沉，對以后大型水中鋼沉井施工具有指導意義。

3 水下混凝土封底

水下混凝土澆筑前，需要對沉井進行清基，清基的主要內容是把基底過高的土面吸掉、清除基底表面松散泥沙和各類雜物，使沉井坐落在較緊密的基底上，并使基底平整、尺寸滿足設計要求。同時清除沉井壁上的泥沙和雜物，使封底混凝土與沉井間結合緊密，傳力良好。

沉井終沉階段，關閉氣舉取土設備的射水管，只吸不沖，盡量減少吸泥取土作業對基底土層的擾動影響。根據沉井下沉施工指令，開啟指定數量的取土設備，對稱、均勻取土，嚴格控制井孔內的吸泥深度，嚴禁擾動基底土層。

距設計標高1 ～2 m 時，沉井吸泥與清基同步進行，先清理中間井孔再清理周邊井孔，至目標平鍋底形狀。然后隔墻刃腳位置回填碎石，再澆筑分區混凝土，將井孔進行分區，防止封底混凝土串孔。

由于缺少較好的設備檢測清基泥面落渣厚度，并且由于管壁可能有遺留鐵板障礙物，深潛作業時間有限，有極大的風險。只能利用BV5000 三維聲吶來檢測清基質量，它能清晰地觀察到清基后泥面情況及一、二期拋填砂石情況，既能量化內圈隔墻脫空高度，也能量化外圈刃腳埋深。

K1-3、K3-3（編號參見圖10）外井孔三維聲吶掃測云圖見圖11。由圖11（a）可見，內側井壁完全脫空，外側刃腳仍有埋深，T形節點部位有土，上下游隔墻底部約有2/3 脫空，井內泥面成斜坡式分布，外高內底；由圖11（b）可見，井壁完全脫空，脫空平均高度約為1 548 mm，井內泥面較為平整。

圖11 K1-3、K3-3 三維聲吶掃測云圖

由于封底混凝土澆筑高度為11.5 m，澆筑混凝土方量為4.2 萬m3，澆筑量巨大，需要考慮現場施工環境、混凝土供應量及混凝土澆筑順序對沉井結構受力影響，因此對澆筑方案用MIDAS FEA NX 進行了模擬比選。

沉井封底澆筑順序見圖12。方案1：先澆筑分區1-1、分區1-2、分區1-3，然后澆筑分區2、分區3，最后澆筑分區4、分區5；方案2：先澆筑分區1-1、分區2、分區3，然后澆筑分區1-2、分區1-3，最后澆筑分區4、分區5。最后根據現場實際情況和專家論證，方案2較方案1經濟效益性好，施工更加合理方便，因此選擇了方案2，為以后沉井工程提供參考。

圖12 沉井封底澆筑順序

封底混凝土澆筑完成后，沉井下沉量對比結果見表3。可見，澆筑前后沉井總體有限元模擬下沉量為9.75 cm，沉井實際下沉量為10.20 cm，二者吻合較好。

表3 沉井封底混凝土澆筑下沉量對比

封底混凝土澆筑完成后，鋼殼應力最大值為98 MPa，鋼殼未屈服，上部鋼殼應力較小，應力主要集中在下部鋼殼刃腳處。

封底混凝土澆筑完成后，混凝土最大主拉應力為2.76 MPa，部分混凝土受拉屈服，但是由于鋼殼包裹混凝土，混凝土處于三向受力狀態，沉井結構仍然處于安全可控范圍內。

4 結論

1）沉井終沉過程中，下沉速度最大值為1 m/d，通過對沉井及時動態糾偏調整，可以保證沉井良好的姿態，并且沉井整體姿態控制較好。

2）隔墻底板的應力和大小隨著沉井的最后一次夾壁混凝土澆筑完成后基本固定，底板應力始終保持在65 MPa 左右。原因為當沉井處于終沉階段時，5#墩沉井進入土體比較深，超過30 m，沉井周邊的土體阻礙了沉井隔墻底板的變形，對沉井隔墻底板的受力有利。

3）沉井在終沉過程中，端阻力、側摩阻力分別占總阻力的55%、45%，動摩阻力系數與靜摩阻力系數之比為0.63。兩圓端支撐下沉法通過減少端阻力而不是側摩阻力，實現了大型水中鋼沉井沒有任何助沉措施及保證沉井結構安全的前提下，順利快速下沉。

4）沉井封底施工過程中，BV5000 三維聲吶可以有效檢測清基質量，同時通過合理的澆筑順序可以保證沉井鋼殼以及混凝土均在可控的安全范圍內。