超大平面沉井结构受力特性模拟及施工监控分析

杨膨铭，黄跃

（中交二航局市政建设有限公司，辽宁 大连 116023）

0 引言

我国大跨径悬索桥的建设规模在世界范围内位居前列。悬索桥基础形式常采用圆形或矩形的重力式锚碇，我国已建桥梁中有相关案例，如江阴大桥（1995）北锚碇沉井平面尺寸69 m×51 m，下沉深度58 m；马鞍山大桥（2008）南北锚碇沉井平面尺寸60.2 m×55.4 m，下沉深度48 m 等。国际上也有类似的案例，如日本明石海峡大桥（1988）北锚碇采用沉箱基础、丹麦大贝尔特桥（1987）锚碇采用沉井基础等。

沉井基础以其承载能力强、整体性能好、兼具施工围堰等特性，在大型桥梁等建筑物中得到广泛应用。随着沉井基础向更大平面尺寸、更深埋深方向迅速发展，现有的沉井设计和施工都遇到了前所未有的挑战。目前，国内外学者从现场监测、室内模型试验、理论分析、数值模拟等多方面对沉井基础开展了大量的研究。

对于巨型沉井基础，由于其自身体积庞大导致自重及空间力学性能与其它中小型基础有着显著区别。文献[1-2]从结构受力、施工、经济性等方面比选了圆环形沉井基础、钻孔桩基础等不同基础形式的优劣。文献[3-4]以五峰山长江大桥北锚碇沉井基础为研究对象，详细计算和分析了超大平面面积沉井结构下沉期间的受力特性。

随着沉井尺寸的不断增大，沉井底部地基土体不均匀性进一步突出，沉井结构安全、沉降控制、沉井状态调整均面临显著的困难。文献[5-7]采用GPS-RTK、边墩+辅助墩定位技术等解决复杂条件下沉井基础定位下沉与控制难题，并采用实时监测技术控制沉井下沉过程中的空间几何姿态。文献[8-9]着重论述了大型沉井下沉过程中相关的关键性施工技术。文献[10]采用数值模拟和现场实测，分析了超大沉井基础的承载特性及基底土体的强度储备安全系数。

对于巨型沉井基础，如果将中小型基础的施工控制理论与研究成果简单套用，可能会引发诸多适用性问题。本文基于五峰山大桥北锚碇沉井基础项目，首先，通过数值模拟分析了沉井下沉到位后结构的受力和变形特性及沉井周边土体的变形情况；然后，根据现场监测数据分析了沉井第3 次下沉过程的不均匀沉降变化情况和后续施工工况对沉井前期变形的影响。相关研究可为超大型沉井现场施工、下沉过程不均匀沉降控制、沉井前期变形分析等提供一定的参考。

1 五峰山大桥北锚碇沉井施工概况

1.1 工程概况

五峰山长江特大桥北锚碇基础采用重力式沉井基础。基础采用矩形截面，长100.7 m，宽72.1 m，高56 m，重达24.8 万t。沉井顶面标高为+1.0 m，基底标高为-55.0 m。

锚碇位于冲击平原区，地形较平坦，地表主要为填土，填土以下土层分别为②2淤泥质粉质黏土、②2-1粉砂夹粉土、②3粉砂、②3粉细砂、②4粉细砂、③1粉细砂、③2粉细砂。下伏基岩为石英闪长斑岩，岩面倾斜角约5°。沉井土层地质分布情况及土层力学参数见表1。

表1 土层参数汇总表Table 1 The parameters for the different layers of soil

1.2 沉井结构

沉井基础共分10 节，第1 节为钢壳混凝土沉井，高8 m。第2节—第10 节为钢筋混凝土沉井，其中第2 节高6 m，第3 节—第8 节高均为5 m，第9 节高4 m，第10 节高8 m。沉井结构中间共设置48 个10.2 m×10.9 m 的矩形井孔，其中后端18 个井孔用C20 水下混凝土填充，前端12 个井孔用清水填充，剩下的18 个井孔用砂填充。沉井封底混凝土厚为12 m，基底置于粉细砂层。沉井详细的平面构造尺寸见图1。

图1 北锚碇沉井平面构造图（cm）Fig.1 Plane diagram of the north anchorage caisson(cm)

1.3 施工工序

沉井经历3 次接高、3 次下沉后刃脚到达设计深度，完成沉井下沉作业。具体施工工序为：1）钢壳沉井拼装完成后进行后续混凝土节段的接高作业，先在首节基础上接高第2、3 节，然后采取降排水、十字槽开挖工艺使沉井下沉；2）向沉井隔仓内灌水后，继续接高沉井第4、5、6 节，采取不排水、8 个区或4 个区开挖工艺使沉井下沉；3）继续接高沉井第7、8、9、10 节，采取不排水、4 个区开挖工艺使沉井下沉。沉井接高与下沉具体组合如表2 所示，沉井开挖下沉方式见图2。

表2 沉井接高及下沉组合表Table 2 Combination table of height connection and sinking of open caisson

图2 沉井开挖方式示意图Fig.2 The schematic diagram for the excavation of caisson

2 沉井结构静力分析

2.1 数值模型

为尽可能真实模拟沉井结构及周边土体，采用Abaqus 软件建立三维有限元模型。模型中，土体长400 m，宽400 m，高80 m。土体和沉井结构均采用实体单元。土体采用摩尔库仑本构模型，土层参数见表1。混凝土及钢材采用弹性本构，钢材重度为78.50 kN/m3，弹性模量取值为209 GPa，泊松比为0.3；混凝土为C30，重度为25 kN/m3，弹性模量为30 GPa，泊松比为0.3。考虑沉井结构-土体的相互作用，结构与周围土体接触设置为摩擦，摩擦系数为0.3。

2.2 模拟结果

1）沉井变形

沉井下沉到位后，沉井结构沿x 和y 方向的变形情况见图3。

狼獾看起来有点像个头小一些的棕熊，它们是生活在北极边缘及亚北极地区丛林里的鼬类动物。为了储备过冬的食物，狼獾表现得十分凶残，一旦发现驯鹿的踪迹就穷追不舍，大开杀戒。狼獾的短腿和大脚爪在厚厚的积雪上奔跑起来十分得力，相比起来，驯鹿的奔跑速度则逊色得多。狼獾捕到驯鹿后，会先吃掉一部分，然后再把剩下的驯鹿肉分别埋藏在不同的地方，这样一来，在找不到食物的冬日里就不会挨饿了。要知道，“冰天雪地”可是大自然中的天然冰箱！

图3 沉井下沉到位后变形图Fig.3 The deformation of caisson after the completion of the sinking

由图3（a）可知，沉井结构沿x 方向最大位移为1.58 mm；由图3（b）可知，沉井结构沿y 方向最大位移为0.94 mm，方向均指向井外。

2）沉井应力

模拟结果表明，沉井下沉到位后，沉井结构内部应力出现下压上拉的情况。沉井结构沿x 方向最大压应力为5.84 MPa，最大拉应力为1.27 MPa，分别位于沉井底部和顶部的横隔板处；沿y方向最大压应力为6.59 MPa，最大拉应力为1.09 MPa，同样位于沉井底部和顶部的横隔板处。

3）周边土体变形

模拟结果表明，沉井下沉到位后，周边土体沿x 方向最大的位移为6.25 mm，沿y 方向最大位移为6.34 mm，方向均指向井内。周边土体沿x和y 方向的变形较小，主要是由于沉井结构对周边土体的强约束作用。由于沉井外壁与土体的材料差异造成周边土体沿沉井外壁发生竖向相对滑移，靠近基坑一侧的地表最大竖向沉降约为25 mm，见图4。

图4 沉井下沉到位后地表竖向沉降曲线图Fig.4 The vertical settlement curve of the ground after the completion of caisson sinking

3 沉井施工过程监控分析

3.1 沉井监测点布设

根据沉井的平面构造，共布设9 个高程监测点。其中，监测点0 位于沉井平面的中心；监测点1～4 分别布设于沉井长边和短边的中心位置；监测点5～8 分别布设于沉井的4 个角点，见图1。

3.2 第3 次下沉监测分析

由图5 可知，沉井第3 次下沉过程可分为2个阶段，阶段1 为2017-09-27—2017-10-22，阶段2 为2017-10-23 至施工结束。沉井第3 次下沉开始，结构出现不均匀沉降且竖向高差值不断增大。阶段1 沉井中部（监测点2 和监测点4）不均匀沉降较小；沿镇江方向位置（监测点5 和监测点6），沉井相对于中部出现下沉，最大竖向下沉高差可达600 mm；沿扬州方向位置（监测点7 和监测点8），沉井相对于中部出现上抬，最大竖向上抬高差可达600 mm。对比监测点1 和监测点3数据，同样可知沉井沿镇江方向位置下沉较大。沉井下沉过程出现较大的不均匀沉降，主要是由超大平面下复杂的不均匀地层情况引起。考虑阶段1 沉井结构的不均匀沉降较大，后续施工对沉井下沉采取相应的控制措施。进入阶段2，最大的不均匀沉降量已控制在±300 mm 左右。之后，随着后续施工的开展，沉井结构的不均匀沉降缓慢增长。直至沉井下沉到位后，最大不均匀沉降约为±500 mm 左右。

图5 沉井第3 次下沉过程监测结果Fig.5 The on-site monitoring results for the third sinking process of caisson

3.3 沉井前期变形监测分析

沉井下沉到位后，现场封底、填仓、井盖浇筑及锚体浇筑等各施工工况均会对沉井前期变形造成影响。沉井前期变形的监测结果见图6。

图6 沉井前期变形监测结果Fig.6 Early deformation monitoring results of caisson

由图6 可知，沉井终沉后，随着沉井整体总重逐渐增大，沉井前期变形逐渐增大，最大的整体平均累积沉降量可达60 mm 左右。在封底施工期（2017-11-09—2017-12-28），监测点 5～8 的沉降较为一致，约为20 mm；随着后续施工开展，沉井4 个角点开始出现不均匀沉降且不均匀沉降量呈增大趋势，最大不均匀沉降量达30 mm。沉井前期不均匀沉降主要是由于分区施工引起。为此，建议后续施工中仍应控制沉井的前期变形。

4 结语

本文基于五峰山大桥北锚碇沉井基础项目，通过数值模拟和现场监测，分析了下沉到位后沉井结构的受力和变形特性、周边土体的变形情况，并分析了大型沉井下沉过程的不均匀沉降情况及沉井的前期变形，得到以下结论：

1）下沉到位后，沉井结构沿x 方向最大位移为1.58 mm，沿y 方向最大位移为0.94 mm；沉井结构沿x 方向最大压应力为5.84 MPa，沿y 方向最大压应力为6.59 MPa，均位于沉井底部的横隔板处；周边土体沿x 方向最大的位移为6.25 mm，沿y 方向最大位移为6.34 mm，最大竖向沉降约为25 mm。

2）由于复杂的地质情况，超大平面沉井下沉过程中容易出现沿短边或长边方向的不均匀沉降，由此影响沉井结构的整体受力特性。为此，建议设计超大型平面沉井时应考虑较大不均匀沉降的不利工况对沉井结构承载能力的影响。

3）沉井下沉到位后，后续的施工工况会对沉井的前期变形造成影响。随着沉井整体总重逐渐增大，会导致沉井下沉且出现一定的不均匀沉降。为此，建议合理控制后续施工对沉井前期变形的影响，并对沉井前期的不均匀沉降应采取一定的控制措施。