武汉鹦鹉洲长江大桥北锚碇下沉期防护方案数值分析

王艳丽，何 波，饶锡保，陈 云，徐 晗

（1.长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010；2.武汉天兴洲道桥投资开发有限公司，武汉 430011）

武汉鹦鹉洲长江大桥北锚碇下沉期防护方案数值分析

王艳丽1，何 波2，饶锡保1，陈 云1，徐 晗1

（1.长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010；2.武汉天兴洲道桥投资开发有限公司，武汉 430011）

采用大型有限差分软件FLAC3D，建立了武汉鹦鹉洲长江大桥北锚碇沉井基础的整体三维有限差分计算模型。对无地下防护墙（方案1）、地下防护墙入土深度50 m（方案2）及入土深度55 m（方案3）3种不同防护措施下沉井的下沉过程进行了数值仿真研究。分析了3种方案下沉井动态施工过程中沉井结构和周围地基土体的应力和变形特征，评价了不同防护措施的防护效果，为确定合适的地下防护墙入土深度提供了依据，并对设计方案的合理性进行论证。研究结果表明：3种方案下，沉井结构和周围地基土体的应力变形随开挖步骤的变化规律基本相似，入土深度越深，沉井及周围土体的变形相对减小而应力变化不大，但程度有限。防护墙的主要作用在于防治沉井下沉过程中出现的翻砂等不利情况，因此地下防护墙的入土深度需穿过砂层，沉井下沉翻砂时切断砂源，减少防护墙外地面变形。

武汉鹦鹉洲长江大桥；北锚碇；沉井基础；地下防护墙；FLAC3D

1 研究背景

随着国内大跨度桥梁不断的涌现，沉井由于其刚度大、经济性好的特点，越来越多地应用于桥梁深水基础和悬索桥锚碇基础，如1999年建成的江阴长江公路大桥北锚碇采用矩形沉井基础［1］，目前在建的泰州长江公路大桥中塔采用水中沉井基础［2－3］，拟建的武汉鹦鹉洲长江大桥北锚碇采用圆形沉井基础。在过去的一段时间内，国内外相关学者在沉井基础的计算方法及下沉工艺等方面也开展了相关的研究，取得了大量的研究成果。张志勇、陈晓平等［4］（2001）对海口世纪大桥沉井基础下沉阻力的现场监测资料进行了全面的整理与分析，得出了大型沉井基础下沉过程中侧摩阻力呈上下小、中间大的抛物线型的分布规律，并据此提出了不同于现行规范的沉井下沉侧摩阻力的分布模式。穆保岗、朱建民等［5］（2010）结合南京长江4桥北锚碇沉井的施工特点，在现场抽水试验基础上，综合确定了沉井排水下沉期间的渗透系数，由此理论计算单井出水量、总涌水量等并进行排水设计，对沉井下沉过程进行了排水分析。夏国星、杜洪池［6］（2010）以泰州大桥北锚碇沉井基础为例，介绍了超大型沉井降排水施工的降排水下沉施工工艺。杨灿文、黄民水［7］（2010）采用Midas Civil软件建立了沉井基础的平面和空间实体有限元计算模型，对某锚碇沉井基础施工关键技术进行平面和空间受力分析，得到沉井的隔墙与井壁在施工阶段的受力特征。然而以往对于复杂受力条件下大型沉井基础的验算工作大多局限于沉井下沉期间结构受力状态和施工控制［8］，对于沉井的本身结构受力一般采取平面的简化计算，计算方法偏于保守，往往造成设计的浪费，并且未能反应沉井的实际受力状况。同时在整个施工过程中地基基础的应力应变分布规律及变形控制措施方面，尚未见相关研究。

武汉市鹦鹉洲长江大桥位于武汉市中心城区，北接汉阳的马鹦路，南连武昌的复兴路。桥址距下游长江大桥2.0 km，是武汉市首座双向8车道长江大桥。主梁跨径为（200＋2×850＋200）m；主缆分跨布置为（225＋2×850＋225）m。该桥的结构造型不仅在长江上独无仅有，也是世界上跨度最大的三塔四跨悬索桥［9］。主塔墩基础形式采用钻孔灌注桩基础，北锚碇采用沉井基础，南锚碇采用地下连续墙基础。鹦鹉洲大桥北锚锭位于汉阳中心城区，沉井基础中心距长江大堤仅108 m，距已建54层高楼为138 m，基底位于地面以下约50 m，由于受到周围环境的限制，其施工风险较一般悬索桥大。拟采用不排水下沉方案，并在基础外围设置防护帷幕以保护周围土体不被破坏，从而避免周边建筑物出现不均匀沉降破坏。武汉鹦鹉洲大桥北锚碇基础工程是全桥难度最高的施工项目之一，也是全桥工程的关键点。北锚沉井基础施工中技术要求之高、方法之新、开挖之深在国内外均处于领先地位。同时大型基础结构及大深度临江基坑施工过程中，其自身的稳定及可能引起周边建筑物的变形及控制等问题是设计施工中的关键技术问题。

针对鹦鹉洲长江大桥北锚碇沉井基础结构及大深度临江基坑施工过程的复杂性及动态不确定性等特点，本文主要采用数值仿真计算的方法对基础的动态施工过程进行分析，评估其施工期安全性能和施工引起的环境效应等，比较初步选定的各种防护措施的防护效果，通过研究对设计方案的合理性进行论证，为工程的设计和施工提供有益的借鉴和参考。

2 工程概况

2.1 场地工程地质条件

北锚碇位于汉阳江滩北侧（锚碇中心里程CK9＋787），地处一级阶地前沿，锦绣长江住宅楼基坑开挖时堆土于此，形成较大堆土区，地表高低起伏不平，地面高程25.1～31.2 m。锚碇处覆盖层厚77.8～81.8 m，表部为堆填土，厚度5～8m，堆土中存在巨块石，直径3～4 m。第四系覆盖层上部为②1层软塑状粉质黏土（厚度3.6～4.4 m）；中部为②4层中密状细砂（厚度20.7～22.0 m）、②5层密实状中砂（厚度11.0～12.1 m）；下部为③1层密实状砾砂（厚度7.6～11.2 m）、③2层圆砾土（厚度15.0～16.0 m）及③3层可塑状黏土（厚度7.5～10.7 m）。砾砂及圆砾土中含少量卵石，粒径以2～5 cm为主，最大粒径10 cm左右，卵石成份主要为石英岩、石英砂岩。下伏基岩为志留系中统坟头组（S2f）泥岩，岩面高程－56.55～－52.75 m。受断裂构造影响，岩石破碎，裂隙极发育，岩石多呈碎块状，质软，手可掰断。

2.2 北锚碇沉井基础结构形式

沉井基础选择圆形截面，结合梁悬索桥方案沉井基础结构图见图1所示。沉井外轮廓直径66.0 m，高为41.5 m，共为8节，底节厚6.0 m，为钢壳混凝土；其余各节为钢筋混凝土。基底以密实的砾砂为持力层。沉井截面为环形，中间设置直径41.4 m的空心圆；环形壁厚12.3 m，内部沿圆周均匀布置16个直径8.7 m的空心圆。考虑锚固系统进入井内约9.5 m，沉井第7节将后端井壁厚度设置为1.4 m，中间设置为空心。沉井井盖前端厚6.0 m，后端厚9.5 m。封底采用水下C30混凝土，厚10 m。井内空腔后端填入C20的素混凝土，前端充水，以平衡基底前后端应力，采用不排水下沉方案。为了降低沉井施工对锚碇周围建筑物和大堤的影响，拟在距沉井外轮廓10m处设计厚度为0.8 m的圆形钢筋混凝土防护墙。

图1 沉井基础结构图Fig.1 Draw ing of the open caisson foundation structure

3 计算模型

3.1 模型范围及土层组

按照工程经验和前人已有的成果，对于模型范围的选取，拟定为：x方向（即顺桥方向）取值为－200 m至200 m；y方向（即顺河流方向）取值为－150 m至150 m）；考虑到建模的方便，将模型中z＝0的位置选取在地表，z方向另一边界取地面以下80 m位置处。对土层走向有较小高差倾斜的取与桥墩中心线相交的水平面为分界面，土层参数延深度变化不大且土层厚度较小的两层或多层土可并为一层，概化后的土层共有6层：①填筑土层，层厚2.7 m；②粉质黏土层，层厚3.6 m；③细砂层，层厚36.2 m；④圆砾土层，层厚22.6 m；⑤黏土层，层厚10.65 m；⑥破碎泥岩，4.25 m。其中上部边界为自由边界，下部边界为固定边界，四周边界取为截断边界。图2为沉井周围土体计算分层示意图。

图2 北锚沉井周围土体计算分层示意图Fig.2 Schematic of soil layers around the north anchorage open caisson for calculation

3.2 计算参数

根据设计部门提供的《武汉鹦鹉洲长江大桥初勘工程地质勘察报告》［10］中提供的土体物理力学指标成果表确定出部分土层的基本计算参数，对于勘察报告没有给出的土层，其参数则根据《工程地质手册（第四版）》［11］类比确定。本项研究中，土的塑性模型选取Mohr-coulomb模型，沉井基础混凝土结构和地下防护墙均视为线弹性材料采用弹性模型。最终确定的计算参数如表1所示。

表1 模型计算参数Table 1 Calculation parameters of themodel

3.3 网格划分

采用FLAC3D有限差分软件［12］进行沉井施工过程的模拟，沉井与土体之间建立接触面以考虑两者之间的相互作用，采用移来移去法建立接触面。计算中对沉井、土体以及地下防护墙均采用了三维实体单元模拟，单元为8节点六面体单元，根据前面的计算范围及土层分布建立三维实体分析模型，共划分实体单元96 471个，网格节点103 779个，模型的初始网格见图3所示，沉井网格见图4所示，沉井典型施工阶段模型的网格图（取局部范围）见图5。其中第1、第2节沉井一起下沉，第7节至第8节沉井结构发生变化。

图3 模型初始网格Fig.3 Initialmeshes of themodel

图4 沉井网格Fig.4 M eshes of the open caisson

图5 第8节下沉后沉井模型网格Fig.5 M eshes of the open caisson model after the sinking of the eighth section

3.4 计算方案

为确定合理的沉井外围防护墙深度，比较不同防护墙深度方案对沉井变形及环境影响的控制效果，在以上所建立的数值仿真模型的基础上，考虑无地下防护墙、地下防护墙2种不同的入土深度（50 m，55 m），进一步分析3种防护墙深度方案下沉井下沉过程中沉井基础的应力应变状态及地基土的变形分布规律。

4 计算结果分析

4.1 沉井结构的应力变形

沉井下沉过程中，第1节到第8节下沉后，沉井结构的最大主应力主要表现为拉应力，最大拉应力发生在沉井中间和周围小空心圆内壁的上部；最小主应力主要表现为压应力，最大压应力发生的部位出现在沉井中间和周围小空心圆内壁的中下部。在土体开挖沉井下沉的过程中，沉井结构作为土体变形的防护结构，则重点分析其侧向变形。图6给出了方案3中沉井典型施工阶段的水平位移云图。沉井下沉过程中，3种方案下沉井结构的水平位移变化规律基本相似。

从第1节到第6节，沉井结构的水平位移沿x＝0面呈对称分布的状态，最大水平位移出现在沉井结构的顶部和底部，使沉井结构顶部有向外“张开”，底部有向内“收紧”的趋势；从第7节到第8节，由于沉井前后结构不同，导致沉井结构的变形与前几节下沉后的变形状态明显不同，最大水平位移出现在沉井结构的底部，使沉井结构底部有向内“收紧”的趋势，且最大位移随着下沉节数的增加而增大。3种方案下，沉井分节下沉过程中，沉井结构的应力变形特征值见表2所示。

图6 沉井典型施工阶段的水平位移云图Fig.6 Horizontal displacement of the open caisson model in typical construction stage

由表2可知，3种方案下，地下防护墙入土深度越深，沉井的应力变化不大而变形相对减小，但减少的程度十分有限，这可能是由于沉井刚度较大的缘故。考虑到锚碇基础持力层上面为砾砂层，如沉井下沉过程出现翻砂等不利情况，则防护墙的入土深度至少要穿过砂层，沉井下沉出现翻砂情况时可及时切断砂源，减少防护墙外地面变形。

4.2 沉井周围土体的应力变形

沉井分节下沉和不断接高的过程中，沉井周围土体的最大、最小主应力均表现为压应力，压应力随着土层深度的逐渐增加而增大。3种方案下，沉井分节下沉过程中，沉井周围土体的应力变形特征值见表3所示。

由表3可知，3种方案下，沉井分节下沉和不断接高的过程中，其周围土体的最大、最小主应力极值基本不变，最大主应力极值（压应力）为0.945 MPa，最小主应力极值（压应力）为1.567 MPa。

表2 沉井结构应力变形特征值Table 2 Characteristic values of the deformation and stress of open caisson

表3 沉井周围土体应力变形特征值Table 3 Characteristic values of the deform ation and stress of soils around the open caisson

沉井分节下沉和不断接高的过程中，由于土体的开挖卸荷回弹，导致基坑底部土体不同程度的向上隆起。坑底的隆起量随着下沉节数的增加而呈逐渐增大的趋势。方案1，坑底各下沉节数最大隆起范围为11.211～27.664 cm；方案2，坑底各下沉节数最大隆起范围为10.927～27.347 cm；方案3，坑底各下沉节数最大隆起范围为10.927～27.210 cm。由此可知，地下防护墙的存在使坑底隆起量相对减小，且入土越深，坑底的隆起量相对越小，但减小程度十分有限，仅从受力角度分析，沉井结构的维护起了主要作用，防护墙的作用相比较小，防护墙的主要作用在于防治沉井下沉过程中出现的翻砂等不利情况。

5 结 论

（1）沉井分节下沉和不断接高的过程中，最大拉应力发生在沉井中间和周围小空心圆内壁的上部，最大压应力发生的部位出现在沉井中间和周围小空心圆内壁的中下部。第8节下沉后，在沉井内壁的中部出现拉应力，同时由于沉井前后结构不同，导致沉井结构的变形与前几节下沉后的变形状态明显不同，最大水平位移出现在沉井结构的底部，使沉井结构底部有向内“收紧”的趋势，且最大位移随着下沉节数的增加而增大。

（2）沉井分节下沉和不断接高的过程中，其周围土体的最大、最小主应力极值基本不变；同时由于土体的开挖卸荷回弹，导致基坑底部土体不同程度的向上隆起。坑底的隆起量随着下沉节数的增加而呈逐渐增大的趋势。

（3）3种方案计算成果对比分析可知，沉井结构和周围地基土体的应力变形随开挖步骤的变化规律基本相似，入土深度越深，沉井及周围土体的应力变化不大而变形相对减小，但程度有限。因此，防护墙的主要作用在于防治沉井下沉过程中出现的翻砂等不利情况，因此地下防护墙的入土深度需穿过砂层沉井下沉翻砂时切断砂源，减少防护墙外地面变形。

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［10］中铁大桥勘测设计院有限公司.武汉鹦鹉洲长江大桥初勘工程地质勘察报告［R］.武汉：中铁大桥勘测设计院有限公司，2009.（China Railway Major Bridge Reconnaissance＆Design Institute Co.，Ltd..Report of Geological Investigation of the Preliminary Engineering Survey ofWuhan Yingwuzhou Yangtze River Bridge［R］.Wuhan：China Railway Major Bridge Reconnaissance＆Design Institute Co.，Ltd.，2009.（in Chinese））

［11］常士骠，张苏民.工程地质手册（第四版）［M］.北京：中国建筑工业出版社，2008.（CHANG Shi-biao，ZHANG Su-min.Engineering Geology Manual（The Fourth Edition）［M］.Beijing：China Architecture＆Building Press，2008.（in Chinese））

［12］Itasca Consulting Group，Inc.FLAC3D-Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3-Dimensions［R］.Minneapolis，Minnesota：Itasca Consulting Group，Inc.，2000.

（编辑：曾小汉）

Numerical Analysis on the Protection Scheme During the Sinking of North Anchorage Open Caisson of W uhan Yingwuzhou Yangtze River Bridge

WANG Yan-li1，HE Bo2，RAO Xi-bao1，CHEN Yun1，XU Han1
（1.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the MWR，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2.Wuhan Tianxingzhou Highway＆Bridge Investment Development Co.，Ltd.，Wuhan 430011，China）

The present research is to investigate the protection schemes for the open caisson foundation of bridges.The north anchorage open caisson of Yingwuzhou Yangtze River bridge in Wuhan is taken as a case study.Finite difference software FLAC3Dwas employed to establish a holistic 3-D finite difference computationmodel of the caisson.Three protection schemeswere selected：open caisson with no underground protectivewall（case 1），with the underground protectivewall of50m depth（case 2），and underground protectivewall of55m depth（case 3）.The dynamic undrained sinking process of the north anchorage caisson were simulated，and the stress and deformation characters of the structure and the surrounding soil during the sinking processwere analyzed.Moreover，the effect of the protection measures were evaluated，which provided basis for the determination of appropriate depth of the underground protectivewall.And the rationality of the design scheme was verified aswell.Results showed that the laws of deformation and stress variation of the caisson and its surrounding soil in the three caseswere generally similar：deformation of the caisson and its surrounding soil decreased slightlywith the increase of buried depth of underground protective wall，while the stress remained constant.Since the protectivewall is to prevent quicksand in the process of sinking，it should penetrate through the sand layer to cut off the sand source in order to reduce ground deformation.

Wuhan Yingwuzhou Yangtze River bridge；north anchorage；open caisson foundation；underground protective wall；FLAC3D

P 642

A

1001－5485（2012）11－0062－06

10.3969／j.issn.1001－5485.2012.11.014

2012－01－05；

2012－03－21

国家自然科学基金资助项目（51109013）；长江科学院中央级公益科研院所基本科研业务费项目（CKSF2010002，CKSF2012054）；岩土力学与工程国家重点实验室资助课题（Z012009）

王艳丽（1981－），女，河南平顶山人，工程师，博士，主要从事土动力学及土工抗震领域的研究，（电话）027－82829743（电子信箱）wyldhh＠126.com。