大型陆地锚碇沉井下沉结构受力分析及关键技术

魏湛力

（中交二航局第四工程有限公司，安徽 芜湖 241000）

0 引言

中交第二航务工程局有限公司根据超大型截面陆地沉井结构特性，研发了“沉井不排水核心土预留滞后开挖下沉法”新的下沉工艺，成功实施了陆地最大规模桥梁锚碇沉井下沉施工，现以沉井第3次不排水下沉为例，对“核心土预留”滞后开挖下沉法进行分析。

1 工程概况

连镇铁路五峰山长江大桥北锚锭沉井基础长100．7 m、宽 72．1 m、高 56 m。沉井接高总计分10节，第1次接高1～3节，采用排水辅助下沉至标高-8．0 m；第2次接高第4～6节，采用不排水下沉至标高-30．0 m；第3次接高第7～10节，采用不排水下沉至标高-55．0 m。沉井顶面标高设计为+1．0 m，基底设计标高为-55．0 m，基底置于砂层中。

沉井采用矩形截面，标准壁厚2．0 m，隔墙厚1．3 m，中间共设置 48 个 10．2 m × 10．9 m 的矩形井孔。沉井构造见图1。

图1 北锚碇沉井构造图（cm）Fig.1 Structure diagram of north anchorage caisson(cm)

2 “核心土预留”滞后开挖法可行性分析

2.1 常规开挖方式

图2 沉井底部拉应力增量Fig.2 Tensile stress increment at bottom of caisson

参考文献[1-7]的研究成果，并且对国内已施工的大型沉井进行调研，结果表明：由于沉井下沉时下沉阻力较大，基本采用“大锅底”方式开挖，以减少沉井下土体的支撑面积。但对于该平面尺寸远超以往的沉井，若采用“大锅底”开挖方式，通过计算分析，标高-30 m和-40 m时开挖引起的沉井底部拉应力增量超过混凝土最大抗拉强度2．2 MPa，如图2所示，故常规方法存在开裂风险，并且对超大平面尺寸沉井姿态难以控制，故不可行。

鉴于上述实际情况，为了保证超大型沉井下沉时的结构安全和姿态控制（姿态由四周支撑转换为中心加四周控制，操控性强）。现对沉井进行第3次不排水下沉的工况分析计算（表1），按照图3所示“核心土预留8个舱”、“核心土预留4个舱”、常规“大锅底”支撑工况进行演算，进而分析确定“核心土预留”滞后开挖方式的可行性。

2.2 计算模型及边界

1）计算模型

沉井下沉模拟计算采用MIDAS FEA有限元软件进行，对沉井下沉过程中的工况进行模拟计算分析。模型中混凝土结构采用三维实体单元，钢壳结构采用板单元，计算中钢壳内加筋结构及混凝土内钢筋结构未考虑，忽略其对结构的影响。

表1 主要计算工况表Table 1 Main calculation conditions table

图3 沉井开挖支撑工况Fig.3 Excavation support condition of caisson

2）边界条件

模拟分析中计算边界条件包含井壁及隔墙底部竖向支撑、沉井进入土体后井壁侧向水平支撑两种。沉井进入土体前仅考虑井壁及隔墙底部竖向支撑作用。沉井进入土体后考虑土体对沉井基础的侧向水平支撑作用，因沉井第1节及第2节交界位置处有一向内侧20 cm宽的台阶，考虑台阶以上部分土体因沉井下沉可能造成的松散效果，侧向支撑作用仅考虑施加于第1节钢壳混凝土沉井上，第2节及以上部分沉井进入土体后按主动土压力考虑其侧向作用。

竖向支撑采用只受压弹簧单元模拟，基床系数取值10 000 kN/m3。

2.3 计算荷载

模拟计算主要考虑的荷载为沉井结构自重，井壁外侧土压力，井壁外侧摩阻力，水对沉井的浮托力作用。

1）沉井结构自重

结构自重取钢筋混凝土重度25 kN/m3。

2）井壁外侧土压力

井壁外侧土压力按照主动土压力计算，实际土层未有变化，土压力数值按照设计值取值，见图4。

图4 主动土压力随土层深度变化曲线Fig.4 Active soil pressure changes with soil depth

3）井壁外侧侧摩阻力

根据沉井第1次排水下沉及第2次不排水下沉过程反演计算+3～-30 m标高范围内土层侧摩阻力值，对于已经反演分析得到的地层侧摩阻力及地基极限承载力按照反演分析数值进行取值，未进行反演分析地层参照地勘进行取值，相应计算取值参数如表2所示。

表2 反演计算参数取值汇总Table 2 Summary of inversion calculation parameters

4）水的浮力

水的浮力按照实测刃脚标高及沉井内外水头进行计算。

2.4 下沉分析计算

按照拟定计算条件，通过对沉井第3次下沉施工过程的模拟分析，可以得到沉井后续施工过程中混凝土结构各工况的最大拉应力和相对目前工况的应力增量情况，变化趋势见图5。

图5 第3次接高及下沉各工况应力趋势图Fig.5 Stress trend map of the third connecting height and sinking conditions

由图5可见，沉井下沉过程中，开始下沉阶段拉应力较小（1．98 MPa），而后逐步增大，下沉至-40 m时达到峰值2．19 MPa，随后逐步减小，在下沉至-55 m时减小为2．03 MPa。整个施工过程中沉井混凝土结构最大拉应力为2．19 MPa＜2．2 MPa，满足C30混凝土极限抗拉强度要求。

2.5 空气幕助沉

随着沉井下沉深度增加，侧摩阻力逐渐增大，下沉系数减小，空气幕能有效降低侧摩阻力，增大下沉系数。

1）空气幕布置

在施工第2、3、4、5节沉井时，在沉井井壁内布置空气幕。空气幕水平排气管用φ20 PP-R管，共设置8层，层距2．0 m，在沉井井壁每个面设置2～3段，单段长度约30 m。气龛上设置φ3 mm排气孔，间距2．0 m。沉井第2～5节井壁空气幕布置图如图6所示。

图6 沉井第2~5节井壁空气幕布置图Fig.6 Air screen layout of the second to fifth sections of the caisson wall

2）下沉系数计算

下沉及接高系数计算公式：

kst=（Gk-Ffw，k）/Ffk=（G+G′-Fw）/（R1+R2）

式中：G为已浇筑沉井的总自重；G′为施工荷载，取2 500 t；Fw为浮力；R1为刃脚及隔墙底面极限端阻力；R2为沉井极限摩擦力。

根据反演参数计算，结果表明沉井在下沉后期存在下沉困难的情况，需采取助沉措施。当采用空气幕助沉时，查阅相关资料，开启空气幕后，土体侧摩阻力可按照原侧摩阻力的80%进行计算。在具体计算时，假定空气幕2～5层全部打开，存在空气幕的2～5层与土体接触侧摩阻力按照原侧摩阻力的80%进行计算，非接触部位按照原侧摩阻力值计算，计算得到下沉系数。计算工况及计算结果如下：

根据地勘值计算，大锅底开挖至-55 m时对应的下沉系数为1．07；

根据地层反演参数计算，无端部支撑开挖至-45 m时对应的下沉系数为1．01；

根据地层反演参数+空气幕计算，无端部支撑开挖至-50 m时对应的下沉系数为1．09；

根据地勘值+空气幕计算，大锅底开挖至-55 m时对应的下沉系数为1．14；

根据地勘值+空气幕+井内降水至-12 m标高计算，大锅底开挖至-55 m时对应的下沉系数为1．31。

2.6 计算结果及分析

1）按照拟定计算条件，通过对沉井施工过程的模拟分析，沉井后续施工过程中混凝土结构最大拉应力为 2．19 MPa＜2．2 MPa，满足 C30 混凝土极限抗拉强度要求。

2）沉井接高后，开始下沉时，中心舱开挖滞后于其余隔墙可明显降低结构应力，拉应力从2．08 MPa 减小至 1．98 MPa。

3）计算中侧阻力按照前两次下沉反演数值进行模拟，侧阻力取值远大于地勘值。根据反演计算侧阻力，在达到-45 m后沉井下沉困难，需采用措施降低侧阻力方可顺利下沉。

自2017年10月26日，沉井开启空气幕辅助开挖下沉，对开启空气幕效果进行统计计算，得到每天开启空气幕沉井侧摩阻力折减系数曲线如图7所示，从图中可以看出开启空气幕后，沉井侧摩阻力变为原侧摩阻力的62%～85%，达到预期的效果。

图7 空气幕侧摩阻力折减系数Fig.7 Side friction reduction factor of air screen

3 “核心土预留”滞后开挖方式下沉

3.1 下沉情况

沉井第3次下沉采用“核心土预留”滞后开挖下沉法，历时45 d，共下沉24．5 m，平均每日下沉0．54 m。沉井下沉至标高-44 m时开始逐步取消核心土，下沉至标高-45．5 m，沉井下沉系数偏小，下沉缓慢，井壁刃脚埋深在1．0 m左右，此时开始空气幕辅助下沉。在沉井下沉期间姿态与应力变化平稳，始终处于可控状态。

3.2 下沉应力监测结果及分析

五峰山长江大桥北锚地沉井首次采用了全新的核心土预留滞后开挖下沉方法，并应用了实时应力监测系统对沉井的关键部位进行监测。钢壳应力状态采用钢板应变计监测，混凝土应力状态采用混凝土应变计监测。

监测结果表明，下沉过程中钢壳始终处于受压状态，最大应力为75 MPa，混凝土最大拉应力为 2．2 MPa，混凝土最大压应力为 16．8 MPa，与反演分析计算结果吻合，沉井部分应力监测点的布置如图8所示。

图8 沉井应力监测测点布置图Fig.8 Distribution of stress monitoring points in caisson

在沉井第3次下沉期间，为掌握沉井在此期间的应力，重点对第1层混凝土顺桥向进行监测，第1层混凝土应力曲线变化如图9所示。

图9 第1层顺桥向混凝土应力测试结果Fig.9 Results of stress test for the first layer concrete of straight bridge

沉井第3次下沉过程中，第1节混凝土应力值随结构变形变化明显，在应力出现较大拉应力时，通过及时调整，应力结果有明显改善，到下沉结束，第1层混凝土应力仍为合理值，始终处于可控状态。

沉井终沉到位后各项指标优异、均满足设计及规范要求，各项监测数据见表3。

表3 沉井终沉到位时监测数据表Table 3 Monitoring data tables for final sinking of the caisson in place

4 结语

五峰长江特大桥北锚碇沉井由于平面尺寸大，按照常规下沉方式结构应力及姿态不可控，存在较大的开裂风险，经过分析验算，创新性的提出沉井中心区域核心土预留滞后开挖法、保持沉井四周与核心土支撑的下沉理念，通过合理控制核心土井舱数量，同时控制开挖量，结合实时挠度及应力监测，及时对各区开挖量进行调整，并充分利用空气幕等辅助下沉措施，对沉井应力及姿态进行了有效控制，并成功精确下沉到位。该项目的施工经验可为其他类似项目提供参考和借鉴。