沉井下沉力学性能验算分析

李雪松，黄士睿，董 闯，秦成辉

(广西路建工程集团有限公司，广西 南宁 530001)

0 引言

近年来，我国公路桥梁建设发展迅猛，桥梁建设区域愈加广泛，若桥位处地基软弱，下伏基岩埋深大，不适用桩基础，则分离式沉井基础是一种最为常见的解决方案[1]。沉井基础的优点很多，其不仅在稳定性和整体性上优于桩基础，且承载面积巨大，能够抵抗较大的水平荷载和竖向荷载。同时，沉井本身既是基础，在施工时又可以充当抵挡水土的构造物，在其下沉的过程中，无须在基坑周围设置临时支撑进行支护，在简化施工步骤的同时，对周边环境的影响也能降到最低[2-5]。然而，沉井作为地下工程，其下沉过程中的稳定性受地质情况的影响很大，需要通过理论计算分析，选择适合的开挖方法才能保证沉井施工的安全性和高效性。

本文依托黎钦铁路跨线桥施工项目，针对两岸的沉井计算其下沉过程中的下沉系数和稳定系数，并详细分析不同下沉系数和稳定系数对沉井的影响，同时对比不同开挖方法的优劣性，根据实际情况选择最优的开挖下沉方法进行施工。

1 工程概况

拟建南宁—湛江公路南宁至博白那卜段黎钦铁路跨线桥位于钦州市灵山县旧州镇马道头村附近，跨越规划平陆运河，拟建桥梁所在平陆运河航道规划技术等级为Ⅰ级。黎钦铁路跨线桥引桥跨越黎钦铁路。桥址区属侵蚀残丘地貌，地形起伏较缓，地面高程为57.50～94.00 m。地形自然坡度为5°～40°，山体低缓，谷地大致呈北东—南西向发育。拟建桥梁跨丘间谷地及黎钦铁路，丘谷表层覆盖第四系冲洪积层；两侧桥台位于斜坡上，地表多被第四系地层覆盖，山丘植被发育，沟谷平坦地段种植有蔬菜、水稻等经济作物。桥址附近有乡村道路经过，交通较便利。根据地形地质、通航行洪、结构特点，结合安全、适用、经济和美观等设计原则，主桥采用下承式钢管混凝土系杆拱桥，计算跨径为260 m，总体布置如图1所示。

图1 主桥总体布置图(cm)

2 沉井参数验算

2.1 沉井结构设计参数

黎钦铁路跨线桥主墩沉井基础采用分离式沉井基础，南宁岸沉井尺寸为25.4(纵向)×18(横向)×24 m(高)，湛江岸沉井尺寸为25.4(纵向)×18(横向)×21 m(高)。沉井分4节下沉，其中南宁岸分节高度为5 m(首节)、4 m、4 m、4 m；湛江岸沉井分节高度均为5 m。第4节沉井上接厚4 m的基础盖板。沉井基础包括基础盖板、井壁、隔板、填芯和封底。其中，基础盖板厚4 m，为钢筋混凝土构件，采用C35混凝土；井壁厚1.5 m，隔板厚1.0 m，隔板和井壁均采用C35混凝土；隔板将沉井分为6个舱室，舱室内填筑轻质泡沫混凝土；封底混凝土厚4 m，采用C35水下混凝土。

2.2 地质情况

根据地质调查及钻探揭示，场地主要覆盖层有第四系人工填土(Qml)、淤泥质黏土(Q1)、残坡积层(Qel+dl)；下伏基岩有泥盆系下统(D1qn)硅质岩和泥质粉砂岩。

南宁岸沉井基础主要穿过粉质黏土、全风化泥质粉砂岩、强风化泥质粉砂岩，下沉到位后封底混凝土底部为强风化泥质粉砂岩；湛江岸沉井基础主要穿过粉质黏土和强风化硅质岩，下沉到位后封底混凝土底部为强风化硅质岩。不同岩性的地层参数建议取值如下页表1所示。

表1 地层参数建议取值表

3 沉井力学性能验算

3.1 验算内容

在沉井施工中，一般采用下沉系数和稳定系数这两个重要参数指标评估沉井下沉的可行性[6-9]。根据施工方案，本工程需验算的内容包括沉井下沉系数和沉井下沉稳定系数。

3.2 沉井下沉系数计算

为计算沉井下沉系数，首先要确认沉井的接高和下沉次序，具体如下。

(1)对于南宁岸沉井基础：①浇筑第一节沉井混凝土，高5 m，降排水下沉深度为5 m；②浇筑第二节沉井混凝土4 m，降排水下沉深度为4 m，累计下沉9 m；③浇筑第三节沉井混凝土4 m，降排水下沉深度为4 m，累计下沉13 m；④浇筑第四节沉井混凝土4 m，降排水下沉深度为4 m，累计下沉17 m。

对于湛江岸沉井基础，首先浇注第一节沉井混凝土，高5 m，下沉深度为5 m；然后浇注第二节沉井5 m，降排水下沉深度为5 m，累计下沉10 m；再浇注浇注第三节沉井5 m，降排水下沉深度为5 m，累计下沉15 m；接着浇注第四节沉井5 m，降排水下沉深度为5 m，累计下沉20 m；最后浇注第五节沉井5 m，降排水下沉深度为5 m，累计下沉25 m。

根据沉井规范及相关施工工艺参数，沉井在下沉至5 m左右的摩阻力达到最大，计算时可设5 m以上的摩阻力呈线性变化，5 m以下则保持为常数，根据各土层摩阻力加权平均确定。其计算模型如图2所示。

图2 沉井下沉摩阻力计算模型示意图

为使沉井平稳下沉至设计标高以便于封底，应根据土体性质、下沉深度和施工方法等因素，对下沉系数进行验算[10-12]。沉井下沉系数计算主要取两种工况：(1)全刃脚支承，即刃脚全部入土，隔墙踏面不受力；(2)半刃脚支承，刃脚埋入土中一半，隔墙踏面不受力。沉井在不同工况下的下沉系数的验算公式如式(1)和式(2)所示：

K=(Q-B)/(T+R)

(1)

T=U(H-2.5)×f

(2)

式中：K——下沉安全系数；

Q——沉井自重及附加荷载(kN)；

B——被井壁排出的水量(kN)；

T——沉井与土间的摩阻力(kN)；

H——沉井入土深度(m)；

f——井壁与土间的摩阻系数(kPa)；

R——刃脚反力(kN)。

根据式(1)和式(2)计算沉井下沉系数，结果如表2所示。

表2 沉井下沉系数计算结果表

对于一般的沉井，下沉系数需>1，对大型沉井应≥1.05。从表2可知，在半刃脚支承工况下，南宁岸沉井和湛江岸沉井的下沉系数均>1，即沉井在自重作用下可满足自身下沉要求，无须额外的助沉措施。但在全刃脚支承工况下，湛江岸沉井在最后一节下沉时，下沉系数K=0.91<1，下沉略微困难，需要采取一定的助沉措施。

3.3 沉井下沉稳定系数计算及分析

沉井下沉过程中除了要保证顺利下沉，还需保证沉井的稳定性，避免沉井在接高过程中底部土体发生强度破坏，进而导致沉降量过大而影响混凝土浇筑。因此，综合沉井的地质条件考虑，进行接高稳定性验算是必要的。

为防止地基承载力不足而在下沉初期就发生突沉，稳定系数一般要求<1，宜控制在0.8～0.9。稳定系数可按式(3)～(5)进行计算：

(3)

(4)

R2=A1fu

(5)

式中：Kc——沉井下沉稳定系数；

Gkc——沉井自重；

Fu——下沉过程中地下水的浮力；

Rf——沉井外壁有效摩擦力总和；

R1——刃脚踏面及斜面下土的支撑力；

R2——沉井内部隔墙和底梁下土的支撑力；

D0——沉井的平均直径；

C——刃脚踏面宽度；

n——刃脚斜面与土体接触面水平投影宽度；

A1——隔墙和底梁的总支撑面积；

fu——土的极限承载力。

根据式(3)～(5)计算沉井下沉稳定系数，结果如表3所示。

表3 沉井下沉稳定系数计算结果表

从表3可知，在沉井接高的过程中，两岸沉井前三节的下沉稳定系数均<1，说明前三节沉井在接高过程中稳定，不会出现大距离下沉。但湛江岸沉井在第四、第五节接高时稳定系数分别为1.09和1.12，南宁岸沉井在第四节接高时稳定系数为1.03，根据现场实际地质情况进行综合判断，在接高过程中可能会出现一定量的下沉。为保证沉井接高过程中的稳定性，需在沉井接高前在内部保留一定量的余土，以增加土体的承载力，防止沉井出现大距离下沉的状况。

4 开挖下沉方法

4.1 “大锅底”开挖下沉

“大锅底”开挖下沉，即从沉井中心位置向四周扩散，保持对称开挖出土，以使沉井下沉，如图3所示。使用“大锅底”开挖下沉的施工方法较为简便，具有开挖速率高、出土量大等优点，但随着沉井底部的土体被大范围掏空，中心井室脱空的范围逐渐增大，在自重作用下其应力也会逐渐增大，对于特大沉井而言，容易出现开裂的风险。

(a)立面

(b)平面图3 “大锅底”开挖下沉法示意图

4.2 预留核心土开挖下沉

“大锅底”开挖下沉容易出现开裂的问题，使用预留核心土开挖下沉的方法能很好地解决。如图4所示，该方法主要由边缘向中心开挖，最大限度地保留沉井中心部分的土体作为井室的支撑，保证中心井室不会脱空，有效降低裂缝出现的风险。但使用该方法进行开挖时需要注意边缘土体开挖的均匀性，否则容易造成沉井下沉倾斜等问题，而且其开挖效率相比“大锅底”开挖下沉方法有所下降。

(a)立面

(b)平面图4 预留核心土开挖下沉法示意图

4.3 不同开挖方法的结果对比

为确保沉井下沉过程中的稳定与安全，此处利用Midas Civil软件进行有限元辅助计算分析。分阶段建立沉井模型，模拟不同方法开挖下沉的各个阶段，采用容许应力法对其验算结果进行分析，从而得到混凝土最大拉应力。结果如表4所示。

表4 不同开挖方法下的混凝土最大拉应力计算结果表(MPa)

从表4可知，采用“大锅底”开挖方法进行开挖下沉时，湛江岸沉井在第五节下沉过程中出现最大拉应力为2.21 MPa，南宁岸沉井在第四节下沉过程中出现最大拉应力为1.96 MPa；采用预留核心土的开挖方法，湛江岸沉井的最大拉应力仅为1.31 MPa，南宁岸沉井的最大拉应力仅为1.29 MPa，均有大幅度的减小。若全部采用“大锅底”开挖下沉方法，湛江岸沉井在第五节下沉过程中出现的最大拉应力会超过沉井井壁及隔墙C35混凝土的强度标准值ftk=2.20 MPa。因此，在实际施工过程当中，为了降低沉井裂缝出现的可能性，同时保证工期和出土效率，针对湛江岸沉井，前四节下沉选择“大锅底”开挖下沉方法，第五节下沉采用预留核心土开挖下沉方法，针对南宁岸沉井则全部采用“大锅底”开挖下沉方法。

5 结语

通过对黎钦铁路跨线桥主墩沉井的下沉系数和下沉稳定系数进行计算，并分析沉井在不同开挖下沉方法下各阶段的最大拉应力，可以得出以下结论：

(1)黎钦铁路跨线桥两岸主墩沉井的前四节在自重作用下基本满足自身下沉的要求，湛江岸沉井在最后一节下沉过程当中略有困难，需要采用额外的助沉措施。

(2)黎钦铁路跨线桥湛江岸沉井的最后两节、南宁岸沉井的最后一节在接高时会出现一定的沉降，现场施工时需在沉井接高前在内部保留一定量的余土，以增加土体的承载力，防止沉井出现大距离下沉的状况。

(3)在沉井下沉的各个阶段，使用预留核心土开挖下沉方法相比“大锅底”开挖下沉方法产生的混凝土最大拉应力有较大幅度的下降。在湛江岸沉井下沉初期选择“大锅底”开挖下沉方法，后期采用预留核心土开挖下沉方法；而南宁岸沉井全部采用“大锅底”开挖下沉方法。该措施在能够有效保证两岸沉井下沉过程的稳定与安全的同时，兼顾施工的简便性和高效性。