连镇铁路五峰山长江大桥北锚碇沉井下沉对周边环境的影响

高昊

（中国铁路上海局集团有限公司南京铁路枢纽工程建设指挥部，南京 210042）

大跨度悬索桥锚碇沉井基础已有众多工程案例。针对沉井施工对周边环境的影响已经取得了不少研究成果。李德［1]介绍了洞庭湖大桥组合式沉井施工关键技术。罗实瀚等［2]提出地锚式沉井压入施工方案，并对压沉过程中现场监测数据进行分析，探讨了地锚式沉井施工对周边环境的影响。穆保岗等［3]认为沉井下沉过程中井内掏土会引起井外原状土体位移，不同深度处土层位移不一致。米长江等［4]对马鞍山长江公路大桥南锚碇沉井下沉过程进行了监测和分析，发现采取3 次接高、3 次下沉方案时对称开挖、启动空气幕助沉有助于沉井平稳安全下沉。刘毅等［5]研究发现沉井降水会引起地下水渗流形成渗流场，新水面线上部的土体由浮重度变化为饱和重度会增大周边土体固结值，从而引起周边地表沉降。邓友生等［6-7]结合现场沉降监测数据，对沉井结构及其周围的地下连续墙进行了有限元分析，探索了沉井下沉对周边邻近高层建筑与堤岸构筑物的影响。朱建民、穆保岗等［8-9]认为根据现场监测和有限元分析结果准确、及时地调整开挖方案能够保证沉井安全下沉。钟永新［10]分析指出，采用预留核心土滞后开挖和空气幕辅助下沉能有效控制沉井底部拉应力，确保沉井安全下沉。

以往沉井平面尺寸一般较小，沉井施工对周边建（构）筑物影响相对较小。连云港—镇江铁路五峰山长江大桥北锚碇沉井平面尺寸超过7200 m2，且沉井临近一座1965年建成的百米高混凝土高压电塔、长江大堤及多处民房。为确保沉井结构及周边建（构）筑物的安全，本文通过模拟计算和现场监测分析沉井下沉对周边环境的影响规律，以便提前预警，制定相应措施。

1 工程概况

图1 五峰山长江大桥北锚碇沉井基础平面布置（单位：m）

五峰山长江大桥主桥为跨度（84+84+1092+84+84）m 的钢桁梁悬索桥。大桥北锚碇沉井基础（图1）尺寸为100.7 m（长）×72.1 m（宽）×56.0 m（高）。沉井共分10节，第1节为钢壳混凝土沉井，高8 m，第2至第10 节为钢筋混凝土沉井，其中第2 节高6 m，第3 节至第8 节高均为5 m，第9 节高4 m，第10 节高8 m。沉井封底混凝土厚12 m。沉井顶面设计标高为+1.0 m，基底设计标高为-55.0 m。

根据五峰山长江大桥工程地质勘查报告，土层主要参数见表1。

表1 土层主要参数

2 沉井下沉施工数值模拟分析

2.1 计算模型

采用有限元计算软件，根据沉井实际尺寸构建数值计算模型，模型尺寸为700 m（长）×700 m（宽）×90 m（高），如图2 所示。土体采用实体单元，顶面为自由面，对模型底面水平方向和垂直方向、侧面水平方向进行约束。

图2 数值计算模型

2.2 计算工况

五峰山长江大桥北锚碇沉井下沉分三个阶段。第一阶段采用高压射水和十字开槽法下沉至标高-15 m处，下沉过程中通过不断从仓内吸泥使沉井下沉，且不给井仓内补水，即该阶段既取土，又排水。第二、三阶段采用预留核心土法开挖，分别下沉至标高-30，-55 m 处。因沉井下沉越深摩阻力越大，为降低摩阻力在吸泥的同时不断给井仓内补水，确保仓内水位恒定。可认为第二、三阶段只取土。

为便于模拟分析沉井施工对周边建（构）筑物的影响，分三步进行计算：①沉井下沉取土产生的影响；②沉井下沉第一阶段排水产生的影响；③第一阶段既取土又排水，第二、三阶段只取土产生的影响。

2.3 计算结果与分析

1）沉井下沉各阶段取土

通过有限元计算，按照周边建（构）筑物位置，分别提取距离沉井中心100，150，200，270 m 处的地表沉降，见表2。可知，距沉井中心越远地表沉降越小。只取土不考虑排水，沉井下沉对周边地表沉降几乎无影响。

表2 各阶段只取土下沉结束时地表沉降

2）沉井下沉第一阶段排水

①对地下水位的影响

通过数值模拟计算周边土体中地下水位降水深度Δz。根据沉井下沉第一阶段施工要求，将井外地下水位降至标高-14 m 处，此时距沉井中心100，150，200，270 m处Δz分别为8.4，5.0，3.2，1.0 m。

②对周边地表沉降的影响

根据沉井周边土体Δz分布，按照JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》中公式（式（1））计算土层沉降量S。

式中：ψw为沉降计算经验系数，根据地区工程经验取值，无经验值时取1；Δσ′zi为排水引起的第i层土的平均附加有效应力，kPa；Δhi为第i层土的厚度，m；Esi为第i层土的压缩模量，kPa；γw为水的重度，取9.8 kN/m3。

根据地质勘查报告中地层厚度及其分布，将Esi和Δz值代入式（1）和式（2）得到距沉井中心100，150，200，270 m 处地表最终沉降分别为70.741，31.984，13.101，1.279 mm。

3）第一阶段既取土又排水，第二、三阶段只取土

将以上两步的计算结果累加得到既取土又排水各阶段下沉结束时的地表沉降，见表3。可知：距沉井中心越远地表沉降越小。

表3 既取土又排水各阶段下沉结束时地表沉降

3 沉井下沉现场监测与分析

五峰山长江大桥北锚碇沉井于2016年11月29日首次下沉，至2017年11月10日下沉结束，累计下沉57m。

北锚碇沉井距离长江大堤约180 m，沉井排水下沉引起土中水体流失和土体有效应力增加，易导致沉井周边地基土开裂和塌陷。若控制不当，易导致长江大堤因不均匀沉降而开裂。此外，距沉井边界144 m 还有一座百米高混凝土电塔，也需对电塔的基础进行沉降监测。

3.1 土体沉降测点布置和监测方法

沉井施工过程中对周围土体、大堤、东南侧混凝土电塔等构筑物进行了监测。

1）长江大堤位移监测。测点布置于距离桥梁中线左右各100 m 范围内，靠近桥梁中线（30 m 范围）测点间距10 m，远离桥梁中线测点间距25 m，如图3 所示。堤顶测点DS1—DS13 是在大堤堤面道路北侧混凝土路面钻孔埋钉；堤脚测点DX1—DX13 是在大堤北侧堤脚处开挖0.3 m×0.3 m×0.3 m 的土坑，打入长2 m钢筋后用混凝土浇筑至地表；DQ13-1，DQ14-1为设计院交桩控制点。

图3 长江大堤沉降测点布置示意

大堤堤顶沉降监测使用电子水准仪进行附合水准测量，观测精度按照二等水准要求执行，观测路线为DQ14-1—（DS13—DS1）—DQ13-1；堤脚采用全站仪三角高程法监测，观测路线为DS1—（DX1—DX13）—DS13。

2）混凝土电塔位移监测。测点DT1—DT2 布置于电塔与沉井中心连线两侧距塔身5 m 基础表面上，测点DT3—DT6 布置于电塔与沉井之间的隔离墙附近，如图4 所示。测点DT1—DT6 均先在基础混凝土面上凿毛后浇筑0.3 m×0.3 m×0.2 m 混凝土，然后埋入长0.1 m观测标。

图4 电塔监测点布置示意

塔身沉降及倾斜监测利用DT1，DT2 及塔身上已有的监测点进行，塔身原有监测点按照方位分别编号为NP，SP，EP和WP。

电塔倾斜采用倾斜仪实时监测并定期采用水准仪人工校核；电塔基础和隔离墙的沉降观测采用电子水准仪测定相邻点高差。

3.2 监测结果与分析

1）沉井施工对长江大堤的影响

长江大堤距离沉井中心约180 m。沉井下沉第一阶段大堤最大沉降的实测值（14.5 mm）与计算值（13.1 mm）较为一致。第二次、第三次下沉完大堤累计沉降实测值分别为32.5，39.0 mm，模拟计算值均为13.2 mm。实测值与计算值相差大。原因可能是：沉井下沉第一阶段结束后，因施工需要变动施工材料运输路线及存放区域，施工材料又堆放于大堤附近，在车辆荷载、长期堆载与沉井下沉相互影响下大堤发生沉降。

2）沉井施工对附近电塔的影响

电塔距离沉井边界约144 m，电塔处最大沉降实测值为23.0 mm，较接近模拟计算值32.4 mm。电塔为桩基础结构，一定程度上会影响其对沉井下沉的敏感性。

4 结论与建议

1）不论是否排水，沉井下沉时周边地表沉降均随距沉井中心距离增大而减小。

2）不排水时沉井下沉取土对周边地表沉降几乎无影响，而沉井排水施工对周边环境影响大。下沉第一阶段结束时距沉井中心100，150，200，270 m 处最终地表沉降分别为71.2，32.1，13.1，1.3 mm。

3）下沉第一阶段，距离沉井中心180 m 长江大堤最大沉降实测值14.5 mm，与理论计算值（13.1 mm）接近。

4）沉井下沉施工前应对周边建（构）筑物的基础结构进行充分调查。基础结构较差时，可提前进行加固处理并加强监测，避免沉井下沉、车辆动载、额外堆载等因素造成较大影响。