深水超大沉井基礎建造的創新突破

文 | 中交第二航務工程局有限公司 張鴻 江蘇省交通工程建設局 蔣振雄 李鎮 中鐵大橋勘測設計院集團有限公司 譚國宏 中鐵大橋局集團有限公司 于祥君 江蘇省建筑科學研究院有限公司 徐文 西南交通大學 魏凱 中國科學院武漢巖土力學研究所 郭明偉

世界第一跨度（1176 米）斜拉橋江蘇常泰長江大橋

隨著楊泗港長江大橋、五峰山長江大橋、滬蘇通長江大橋等一大批世界級橋梁的建成通車，我國正從橋梁大國走向橋梁強國。國家發展改革委印發的《長江干線過江通道布局規劃》（2020—2035年）指出，要“集約利用通道資源”“整體考慮多功能合并過江通道的主體結構與兩側引線”，并多次強調“多功能合并過江”，大跨、重載、多種交通功能組合橋已成為未來橋梁發展的方向。大跨、重載橋梁的基礎是控制橋梁快速發展的重要因素，沉井基礎因其整體性與穩定性好，豎向和水平承載能力強，在跨江、跨海橋梁建造中被廣泛應用。

大跨、重載橋梁的建設對基礎結構形式提出了更高的要求，沉井作為常用橋梁基礎結構形式，其平面尺度也隨著上部荷載的顯著增加而增大，進而引起基礎周圍河床沖刷范圍及深度的增大，沉井只能下沉至更深的穩定土層以確保基底的埋深要求，由此引起建設成本更高、施工風險增大；現有地基承載力計算規范不匹配；鋼殼混凝土水下施工質量不易保證，亟需研發新型沉井基礎結構和設計方法。

在施工方面，大型沉井主要存在突沉、難沉、涌砂、傾斜等共性問題，究其原因，可歸納為三個方面：首先，刃腳下土體支撐狀態不明確，無法準確計算下沉端阻力，因此無法準確計算沉井下沉狀態，制定合理的取土施工方法；其次，現有取土裝備無法有效破除刃腳下盲區土體，對特殊土層適應性差、取土效率低、精確控制難度大；最后，監控手段落后，沉井狀態監測實時性差，分析、決策、執行周期長。

面向深水超大沉井基礎建設需求，依托世界最大跨度斜拉橋——常泰長江大橋項目，江蘇省交通工程建設局、中交第二航務工程局有限公司、中鐵大橋勘測設計院集團有限公司、中鐵大橋局集團有限公司、江蘇省建筑科學研究院有限公司、中鐵橋隧技術有限公司、西南交通大學、中國科學院武漢巖土力學研究所、水利部交通運輸部國家能源局南京水利科學研究院等國內著名建設、科研、設計、施工單位組成研究團隊，集勘察、科研、設計、施工于一體，致力于攻克深水超大沉井基礎難題，支撐我國跨江、跨海橋梁工程項目建設，并取得了一系列突破性的創新性成果。

依托工程常泰長江大橋位于長江中下游黃金航道，航運繁忙，船撞防護等級高。大橋跨越長江感潮河段，流速大，河床易沖刷，而且公鐵兩用橋梁基礎承載性能要求高，沉井基礎平面尺寸巨大，按照常規設計方法，沉井入土深度達70米。橋址區域砂、黏性土互層，且不均勻，沉井下沉困難，姿態控制難度大，井內涌砂、涌土風險大。

為解決深水超大沉井基礎在設計、施工與監控方面面臨的技術難題，研究團隊開展了超大水中沉井基礎新理論、新結構與新材料，超大水中沉井下沉機理與控制方法，超大水中沉井下沉關鍵裝備與施工及智能化監控技術3個專題的研究，形成了深水超大臺階型沉井基礎建造關鍵技術與核心裝備。

/ 超大水中沉井基礎新理論、新結構與新材料/

臺階型減沖刷減自重沉井基礎結構型式

隨著水中沉井平面尺寸的增大，沉井基礎局部沖刷加劇，沉井入土深度更深，自重更大，施工風險和工程造價激增。

圓端臺階型減沖刷減自重基礎結構型式沉井

臺階型沉井水動力特性及減沖刷機理

從水中基礎局部沖刷原理出發，首創圓端臺階型減沖刷減自重的沉井基礎結構型式，沉井埋入地層中的大截面尺寸由地基承載能力確定，沉井阻水部分的小截面尺寸由橋塔構造確定，沉井在一定高度設置結構臺階。圓端形沉井周圍流場湍流強度及影響范圍明顯較小，從而減小了水流力及沖刷；臺階有效地阻擋了漩渦向河床運動，從而減小了沖刷深度；與平臺階相比，設置擋墻后，臺階上方產生的漩渦多被限制于槽內，起到了很好的耗能效果。

超大沉井基礎地基破壞機理及承載力研究

我國《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007）和《公路橋涵地基與基礎設計規范》（JTG 3363）中地基承載力計算公式均是基于淺基礎理論建立的，且僅考慮最大寬度10米、最大埋深40米的基礎尺度修正，計算結果對于超大超深沉井基礎來說偏于保守。

研究團隊在研究揭示超深超大基礎地基土體破壞機理的基礎上，采用土體三維彈性空間應力理論，結合摩爾-庫侖強度屈服準則理論，推導并構建了超深超大沉井基礎地基承載力三維計算公式，提出了形狀修正系數及其計算公式，并采用大型離心機試驗驗證了地基承載力三維理論計算公式的可靠性。

超深超大沉井基礎地基承載力理論計算公式

在常泰長江大橋建設過程中，主塔5#、6#墩首次采用了圓端臺階型沉井基礎，平面尺寸為95×57.8米、高64米，為全鋼殼填充混凝土結構，臺階寬度為9米，在高度43米處，設計底標高負65米。較常規沉井局部沖刷深度減小近20%，沉井下沉深度分別減小了17米和25米，結構自重減小近27%，大大降低了施工風險及建設成本。

常規大流動性混凝土澆筑工藝試驗

抗分散混凝土封底+自密實混凝土后續澆筑試驗

水下混凝土抗分散性能調控核心功能材料

超大深水沉井井壁及隔艙結構復雜，水下混凝土澆筑落差大、澆筑方量大、澆筑時間長，常規大流動性混凝土和不分散混凝土均難以保證澆筑質量。

針對上述問題，研究團隊開發了一種具有緩釋作用的強界面螯合型水下混凝土抗分散性能調控核心功能材料，大幅提升水下不分散混凝土流動性與長效性、間隙通過性及抗水洗離析性能，相比同類技術坍落擴展度提升10%至40%，水陸強度比提升≥10%；水泥流失量降低≥40%，懸濁物含量減少≥30%；調控長效性≥3小時。通過原尺度工藝試驗證明，水下混凝土無水洗離析并填充密實，確保了水下混凝土澆筑質量。

/ 超大水中沉井下沉機理與控制方法/

多隔艙沉井可控下沉機理

在施工方面，大型沉井主要存在突沉、難沉、涌土、傾斜等共性問題，刃腳支撐狀態不明確、下沉阻力計算不準確是其中主要原因之一。

中隔墻下方土體破壞原理與臨界寬度（超取土深度為2.0 米時）

沉井施工實測數據統計分析顯示，沉井端阻力占下沉總阻力的比值，從常規小沉井的0.14，到大型沉井的0.41，再到超大型沉井的0.63，表明沉井的下沉機理已經發生質的變化：由中小沉井的側壁阻力決定轉變為超大沉井的端阻力決定，端阻力的可控解除是解決沉井下沉安全風險的關鍵。

多隔艙沉井下沉與艙內土體開挖深度、支撐寬度高度相關，研究團隊定義臨界寬度/深度為沉井刃腳下支撐土體的高度（開挖深度）/寬度一定時，土體發生整體剪切破壞時的寬度/深度，并明確了沉井可控下沉與土體臨界支撐狀態（臨界寬度、臨界深度）的相關關系。為提高下沉阻力計算的準確性，提出了考慮沉井刃腳結構與支撐土體三維效應的下沉端阻力精細化計算方法。

沉井下沉端阻實測分析結果表明，砂層、黏土層中實測端阻力與理論計算端阻力一致性較好，驗證了下沉端阻力計算方法的可靠性。

沉井下沉傾斜控制因素

臺階漸進式支撐轉化示意圖

多隔艙大型沉井“臺階漸進式”下沉主動控制方法

以往沉井主要依靠超取土下沉，端阻力的不可控解除帶來的開裂、涌土、突沉風險激增。現有下沉控制方法圍繞沉井姿態進行事后控制，被動糾偏，下沉姿態控制效果不理想。

隨著沉井尺寸增大，同等深度側面土體對沉井約束作用越弱，端阻力不均是誘發大型沉井姿態傾斜的主導因素，沉井尺寸越大，主導深度范圍越大。基于“臨界支撐狀態”，研究團隊提出了多隔艙大型沉井“臺階漸進式”下沉主動控制方法，通過控制沉井隔墻支撐土體高度、寬度，外刃腳埋置深度和支撐寬度，實現了下沉端阻力可控解除，解決傾斜、突沉與涌土等難題，保證了沉井下沉過程中的結構安全。

/ 超大水中沉井下沉關鍵裝備與施工及智能化監控技術/

沉井取土下沉系列核心取土裝備及成套施工技術

現有取土裝備無法有效進行隔墻盲區取土，且地層適應性差、工效低、取土深度難以控制，無法實現“臺階漸進式”精確取土。

機械臂水下定點取土機器人

履帶式絞吸機器人

為實現“臺階式漸進”取土控制，必須利用盲區破土設備進行端阻力的可控解除，而且大型沉井盲區面積占比大，盲區取土是沉井可控下沉的關鍵。為此，研究團隊研發了沉井取土下沉系列核心取土裝備及成套施工技術；研制了沉井盲區取土專用裝備：機械臂水下定點取土機器人、履帶式絞吸機器人，實現了沉井盲區精準定點、水下可視、可控取土；提出了有效破壞黏土層、膠結砂層等特殊土層的破土方法，研制了雙頭絞吸機、高壓射噴鉆機、氣水同軸射流裝備等專用裝備；研發了智能化氣舉取土設備，搭載了高壓射水及智能控制功能模塊，開發了設備集群控制系統，實現了吸泥口高程自動調整、沿預設路徑自動移位、泥面高程快速測量和遠程控制等功能，大幅提高了沉井取土作業智能化水平。針對不同土層、不同區域，通過多種專用設備組合應用，形成了無盲區取土下沉成套施工技術。

組圖：智能化氣舉取土設備及集群控制系統

沉井智能化下沉監控體系

基于支撐狀態主動控制的沉井智能化下沉監控體系

沉井下沉是一個動態過程，現有監測手段難以快速、準確獲取沉井支撐狀態，數據分析、決策和調控周期長，缺乏關聯性，無法及時預測和主動控制。

為了實現沉井下沉主動控制，研究團隊構建了基于支撐狀態主動控制的沉井智能化下沉監控體系。以沉井“高效下沉、姿態平穩”為目標，以沉井支撐狀態為控制對象，以高精度取土設備、智能傳感、人工智能技術為手段，以先進的物聯網及數字化技術為載體，實現沉井“感知-分析-決策-執行”的主動閉環控制。

沉井下沉狀態高精度感知及數據快速處理技術

以往沉井側摩阻力只能通過監測土壓力間接獲取，摩擦系數取值難，無法精確監測側阻力；在泥面高程監測時，存在監測數據量大、噪點多，處理耗時長、時效性差的問題。

為解決該問題，研究團隊研制了沉井下沉側阻力監測裝置，實現了側摩阻力直接測量；裝置尺寸僅10厘米×10厘米×8厘米，量程200千帕，測量精度達到1%。此外，基于超大型沉井下沉理論及臺階式取土工藝，研究團隊在沉井關鍵部位布設數據采集及傳輸元器件，建立無線自動化數據采集網絡，實現了沉井施工全過程關鍵參數實時采集；研發了水下地形掃描數據快速處理算法，形成了泥面三維形態快速處理技術，單個井孔數據處理時間由1小時降低為3分鐘，實現了渾濁水體中沉井底部各區域泥面三維形態的準實時可視化監測。

基于下沉機理與人工智能算法相融合的大型沉井下沉高效智能決策方法

針對沉井下沉人工決策周期長、以經驗為主且主觀性較強等問題，研究團隊提出了基于下沉機理與人工智能算法相融合的大型沉井下沉高效智能決策方法：基于沉井下沉機理及姿態、端部土壓力等關聯數據，并采用CART、MLKnn模型，構建了“目標姿態—端阻預測—對比分析—支撐狀態高精度決策”模型，實現了取土施工的高效智能決策。通過自主研發和改進相關算法，實現了高精度的端部端阻預測、取土決策及取土指令的自動推送，通過設備的自動執行實現支撐狀態和下沉全過程姿態的主動控制。

泥面三維形態快速處理技術

基于“端-邊-云”物聯架構及數字孿生的沉井下沉智能監控系統

基于數字孿生技術和云端物聯網技術，開發了沉井智能控制系統，可自動分析監測數據，生成并執行取土作業指令，實現沉井的數字化、智能化可控下沉。系統可承載泥面標高、沉井姿態與應力、下沉阻力、設備狀態等關鍵參數，形成了貫穿沉井下沉施工全過程4D模型，實現了沉井下沉的可視化。

沉井下沉裝備與施工及智能化監控技術的成功應用，大幅提升了沉井下沉施工的“智能化”程度，減少人工約60%，提高取土效率50%，取土深度精度控制在±0.5米。

智能輔助決策系統

/ 應用效果及前景/

該項目研究成果在世界最大跨度公鐵合建斜拉橋——常泰長江大橋的設計、施工和監控中得到了成功應用。其主塔5#墩、6#墩沉井基礎均采用圓端臺階型沉井新結構，并根據三維地基承載力修正計算方法確定了其入土深度，采用了水下混凝土抗分散性能調控核心功能材料配置了井壁填充混凝土，減少了建設成本、降低了施工風險、提高了工程質量。

深水超大沉井基礎應用前景

在沉井施工過程中，該項目研發的沉井取土下沉施工方法、裝備和智能監控技術也得到成功應用，提高了施工效率、縮短了建設工期、節約了人力成本、保證了施工安全。以常泰長江大橋5#墩沉井為例，取土下沉作業時間100天，日平均下沉量0.4米至0.6米，日最大下沉量1.18米；沉井平面偏位始終控制在10±5厘米，垂直度始終在1/150以內；終沉精度平面偏位8厘米/6厘米，扭轉角0.07°，垂直度1/2000以上（高差4厘米/1厘米）；沉井自出塢至終沉到位，歷時1年（2019年12月28日至2020年12月28日），施工全過程安全、質量高、環保可控。

隨著國家“一帶一路”倡議的深入推進和交通行業發展的政策要求，國內外橋梁建設技術正在不斷進步，未來將有更多的跨江、跨海、多功能特大橋梁的建設需求。沉井基礎因其整體性與穩定性好，豎向和水平承載能力強，特別適用于大跨重載橋梁。針對大型水中沉井面臨的設計、施工與控制方面的難題，該項目研究形成了包含新結構及設計方法、施工技術、專業裝備、智能控制在內的水中沉井基礎建造成套關鍵技術及裝備，可為未來跨江、跨海特大橋建設提供經濟、可靠的基礎設計方案和安全、高效的基礎施工方法，具有非常廣闊的應用前景。

項目聯合攻關單位

江蘇省交通工程建設局

江蘇省交通工程建設局（江蘇省長江大橋建設指揮部）（以下簡稱“交建局”）始建于1991 年，是江蘇省政府批準成立的，承擔國家、省重點和大中型交通工程建設項目的建設管理單位。

自成立以來，交建局緊密對接國家和省重大發展戰略，全力推進江蘇境內省級投資的新建、改擴建高速公路和過江通道建設。截至2022 年底，累計完成國家投資2800 多億元，建成滬寧、京滬、寧杭等57 條高速公路和蘇通大橋、崇啟大橋、泰州大橋等5座跨江大橋；建成一大批享譽全國乃至世界的品牌工程，獲得國際大獎7 項、中國建設工程魯班獎4 項、中國土木工程詹天佑獎12項，國家科學技術進步獎一等獎1 項、省部級科學技術獎特等獎8 項。

“十四五”期間，交建局計劃完成投資1500 億元以上，建成過江通道3 座（常泰、龍潭、江陰靖江過江通道）、在建過江通道兩座（張靖皋、海太過江通道），建成19 條新建和改擴建高速公路。

中交第二航務工程局有限公司

中交第二航務工程局有限公司（以下簡稱“中交二航局”）創建于1950 年，是世界500 強企業——中國交通建設股份有限公司的控股子公司。經過70 多年的發展，中交二航局已成長為一家集策劃咨詢、勘察設計、投融資、工程建設、資產（資本）運營于一體的大型企業集團，為客戶提供建筑業全產業鏈一體化服務。

中交二航局在鞏固港航工程、路橋工程、市政工程、房建工程等專業的同時，積極拓展水利水電、水務環保工程、建筑裝配化制造、工程養護服務等相關業務，市場遍及國內31 個省、自治區、直轄市，以及境外的30 個國家和地區。其中，修建各類港口碼頭700 多座，建造跨江、跨海、跨高山峽谷特大橋300 多座，建設高速公路4000 多公里，承建鐵路工程超過1500 公里，修建城市軌道交通工程200 多公里，承建2000 多項城市路網、地下管廊、海綿城市、水務環保工程。

中鐵大橋勘測設計院集團有限公司

中鐵大橋勘測設計院集團有限公司（以下簡稱“大橋院”）成立于1950 年，為修建武漢長江大橋而由政務院批準組建，是我國最早以橋梁為主的專業勘測設計集團，在多跨懸索橋、多跨斜橋、公鐵兩用橋、高鐵大橋、跨海大橋等方面處于世界領先地位。成立以來，大橋院共勘測設計了公路、鐵路、市政等大型、特大型橋梁1000 余座，其中長江大橋70 余座、黃河大橋30 余座、跨海大橋30 余座，工程項目遍布全國各地及世界10 余個國家與地區。大橋院先后培養了4 名中國工程院院士、7 名全國設計大師、30 名國家級專家、兩名省級勘察設計大師；榮獲國際橋梁“喬治·理查德森”大獎3 項，國際橋協杰出結構工程獎兩項，英國卓越結構工程大獎1 項，國家科學技術進步獎28 項，包攬新中國成立60 周年“百項經典暨精品工程”中全部7 項橋梁工程，獲得省部級以上各類獎項超過200 項。

中鐵大橋局集團有限公司

中鐵大橋局集團有限公司（以下簡稱“中鐵大橋局”）前身為1953 年4 月為修建武漢長江大橋經政務院批準成立的鐵道部大橋工程局（2001 年改制為現名），是中國唯一一家集橋梁科學研究、工程設計、土建施工、裝備研發四位于一體的承包商兼投資商，具備在各種江、河、湖、海及惡劣地質、水文等環境下修建各類型橋梁的能力。

70 年來，中鐵大橋局在國內外設計建造了4000 余座大橋，總里程4000 余公里，其中長江大橋參建率88%，黃河大橋參建率25%，跨海大橋參建率78%，大型公鐵兩用大橋參建率97%，參與建設超千米跨度橋梁48 座，創造了百項中國第一、世界之最。中鐵大橋局共獲國家科學技術進步獎33 項、國際橋梁大獎31 項、中國建設工程魯班獎49 項、中國土木工程詹天佑獎35 項、公路交通優質工程獎（李春獎）8 項、擁有專利2200 余項。

江蘇省建筑科學研究院有限公司

江蘇省建筑科學研究院有限公司（以下簡稱“江蘇建科院”）成立于1958 年，原隸屬于江蘇省建設廳，2002 年改制為科技型企業，是江蘇省首批改制的省屬開發型科研院所、國家創新型試點企業、全國文明單位。現已成為擁有11 個子公司，年產值超過80 億元，集科研開發、技術服務、新材料研發及生產為一體的多元化、多領域的企業集團。作為國內建設行業規模較大、產業化程度較高的綜合性科學研究和技術開發機構，江蘇建科院圍繞土木工程領域的發展，積極開展科研與自主創新，業務涵蓋工程材料、工程涂料、光電材料、工程設計、監理咨詢、檢測鑒定、特種施工、綜合改造等，形成了新材料和工程技術服務兩大主業。

中鐵橋隧技術有限公司

中鐵橋隧技術有限公司（以下簡稱“中鐵橋隧”），國家高新技術企業，成立于2007 年，是國內首家橋梁診治研究專業機構。中鐵橋隧致力于交通基礎設施全壽命周期智能監測與防災減災的研究和實踐，堅持兩條業務主線，即建設期橋隧配套技術服務和運營期橋隧運維技術保障，已全面形成“五大主業、五大專項”業務范疇，即“加固改造設計、施工監控監測、檢測試驗評估、健康監測系統、特種工程實施；運營養護管理、橋梁防腐除濕、橋梁船撞防護、檢查檢修平臺、軟件產品研發”。

中鐵橋隧為千余座大型橋梁或隧道的建設和運營提供了可靠的技術支撐，業務地域已拓展至國內近30 個省級行政區及海外，業務領域包括公路、鐵路、市政及軌道，覆蓋橋隧運維技術全產業鏈。

西南交通大學

西南交通大學（以下簡稱“西南交大”）是教育部直屬全國重點大學，國家首批“雙一流”“211 工程”“特色985 工程”“2011協同創新計劃”重點建設并設有研究生院的研究型大學，坐落于四川省成都市。1896 年，西南交大創建于山海關，時稱“北洋鐵路官學堂”，是中國第一所工程教育高等學府，是中國土木工程、礦冶工程、交通工程高等教育的發祥地，同時也是“交通大學”最早兩大源頭之一，以“唐山交大”“唐院”之名享譽中外，素有“東方康奈爾”之美譽。截至2023 年5 月，西南交大有九里、犀浦、峨眉、成都東部（國際）校區4 個校區；設有27 個學院（書院、中心），擁有交通運輸工程、機械工程兩個一級學科國家重點學科，車輛工程、橋梁與隧道工程等10 個二級學科國家重點學科。

中國科學院武漢巖土力學研究所

中國科學院武漢巖土力學研究所（以下簡稱“武漢巖土所”）創建于1958 年，是專門從事巖土力學基礎與應用研究、以工程應用背景為特征的綜合性研究機構，是國內本學科領域綜合研究水平領先、具有國際影響力并引領學科發展的主力軍。

建所60 多年來，武漢巖土所在計算巖土力學、深部地下工程、能源地下存儲與廢棄物處置、邊坡災害防治、特殊土力學與工程、海洋巖土力學和環境巖土工程等方面研究形成了獨特的優勢，完成涉及水利水電、能源、資源、交通、市政、海洋與國防等眾多領域600 多項重大研究項目，取得了眾多創新成果，獲省部級以上成果獎231 項（包括國家科技獎勵和省部級一等獎以上成果獎94 項），為巖土力學與工程學科發展和國民經濟建設做出了突出貢獻。

水利部交通運輸部國家能源局南京水利科學研究院

水利部交通運輸部國家能源局南京水利科學研究院（以下簡稱“南京水科院”）建于1935 年，原名中央水工試驗所，是我國最早成立的綜合性水利、交通、能源科學研究機構；2001 年被確定為國家級社會公益類非營利性科研機構；主要從事基礎理論、應用基礎研究和高新技術開發，承擔水利、交通、能源等領域中具有前瞻性、基礎性和關鍵性的科學研究任務，與水利部大壩安全管理中心（水利部水閘安全管理中心）一體化管理，兼作水利部應對氣候變化研究中心、水利部基本建設工程質量檢測中心、水利部水文儀器及巖土工程儀器質量監督檢驗測試中心、水利部大壩安全監測中心。

截至2022 年底，南京水科院共獲得國家和省部級科學技術進步獎829 項，其中國家級獎勵84 項。