李雪松，黃士睿，董 闖，秦成輝

(廣西路建工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530001)

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)公路橋梁建設(shè)發(fā)展迅猛，橋梁建設(shè)區(qū)域愈加廣泛，若橋位處地基軟弱，下伏基巖埋深大，不適用樁基礎(chǔ)，則分離式沉井基礎(chǔ)是一種最為常見(jiàn)的解決方案[1]。沉井基礎(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)很多，其不僅在穩(wěn)定性和整體性上優(yōu)于樁基礎(chǔ)，且承載面積巨大，能夠抵抗較大的水平荷載和豎向荷載。同時(shí)，沉井本身既是基礎(chǔ)，在施工時(shí)又可以充當(dāng)?shù)謸跛恋臉?gòu)造物，在其下沉的過(guò)程中，無(wú)須在基坑周圍設(shè)置臨時(shí)支撐進(jìn)行支護(hù)，在簡(jiǎn)化施工步驟的同時(shí)，對(duì)周邊環(huán)境的影響也能降到最低[2-5]。然而，沉井作為地下工程，其下沉過(guò)程中的穩(wěn)定性受地質(zhì)情況的影響很大，需要通過(guò)理論計(jì)算分析，選擇適合的開挖方法才能保證沉井施工的安全性和高效性。

本文依托黎欽鐵路跨線橋施工項(xiàng)目，針對(duì)兩岸的沉井計(jì)算其下沉過(guò)程中的下沉系數(shù)和穩(wěn)定系數(shù)，并詳細(xì)分析不同下沉系數(shù)和穩(wěn)定系數(shù)對(duì)沉井的影響，同時(shí)對(duì)比不同開挖方法的優(yōu)劣性，根據(jù)實(shí)際情況選擇最優(yōu)的開挖下沉方法進(jìn)行施工。

1 工程概況

擬建南寧—湛江公路南寧至博白那卜段黎欽鐵路跨線橋位于欽州市靈山縣舊州鎮(zhèn)馬道頭村附近，跨越規(guī)劃平陸運(yùn)河，擬建橋梁所在平陸運(yùn)河航道規(guī)劃技術(shù)等級(jí)為Ⅰ級(jí)。黎欽鐵路跨線橋引橋跨越黎欽鐵路。橋址區(qū)屬侵蝕殘丘地貌，地形起伏較緩，地面高程為57.50～94.00 m。地形自然坡度為5°～40°，山體低緩，谷地大致呈北東—南西向發(fā)育。擬建橋梁跨丘間谷地及黎欽鐵路，丘谷表層覆蓋第四系沖洪積層；兩側(cè)橋臺(tái)位于斜坡上，地表多被第四系地層覆蓋，山丘植被發(fā)育，溝谷平坦地段種植有蔬菜、水稻等經(jīng)濟(jì)作物。橋址附近有鄉(xiāng)村道路經(jīng)過(guò)，交通較便利。根據(jù)地形地質(zhì)、通航行洪、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合安全、適用、經(jīng)濟(jì)和美觀等設(shè)計(jì)原則，主橋采用下承式鋼管混凝土系桿拱橋，計(jì)算跨徑為260 m，總體布置如圖1所示。

圖1 主橋總體布置圖(cm)

2 沉井參數(shù)驗(yàn)算

2.1 沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

黎欽鐵路跨線橋主墩沉井基礎(chǔ)采用分離式沉井基礎(chǔ)，南寧岸沉井尺寸為25.4(縱向)×18(橫向)×24 m(高)，湛江岸沉井尺寸為25.4(縱向)×18(橫向)×21 m(高)。沉井分4節(jié)下沉，其中南寧岸分節(jié)高度為5 m(首節(jié))、4 m、4 m、4 m；湛江岸沉井分節(jié)高度均為5 m。第4節(jié)沉井上接厚4 m的基礎(chǔ)蓋板。沉井基礎(chǔ)包括基礎(chǔ)蓋板、井壁、隔板、填芯和封底。其中，基礎(chǔ)蓋板厚4 m，為鋼筋混凝土構(gòu)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；隔板將沉井分為6個(gè)艙室，艙室內(nèi)填筑輕質(zhì)泡沫混凝土；封底混凝土厚4 m，采用C35水下混凝土。

2.2 地質(zhì)情況

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查及鉆探揭示，場(chǎng)地主要覆蓋層有第四系人工填土(Qml)、淤泥質(zhì)黏土(Q1)、殘坡積層(Qel+dl)；下伏基巖有泥盆系下統(tǒng)(D1qn)硅質(zhì)巖和泥質(zhì)粉砂巖。

南寧岸沉井基礎(chǔ)主要穿過(guò)粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，下沉到位后封底混凝土底部為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖；湛江岸沉井基礎(chǔ)主要穿過(guò)粉質(zhì)黏土和強(qiáng)風(fēng)化硅質(zhì)巖，下沉到位后封底混凝土底部為強(qiáng)風(fēng)化硅質(zhì)巖。不同巖性的地層參數(shù)建議取值如下頁(yè)表1所示。

表1 地層參數(shù)建議取值表

3 沉井力學(xué)性能驗(yàn)算

3.1 驗(yàn)算內(nèi)容

在沉井施工中，一般采用下沉系數(shù)和穩(wěn)定系數(shù)這兩個(gè)重要參數(shù)指標(biāo)評(píng)估沉井下沉的可行性[6-9]。根據(jù)施工方案，本工程需驗(yàn)算的內(nèi)容包括沉井下沉系數(shù)和沉井下沉穩(wěn)定系數(shù)。

3.2 沉井下沉系數(shù)計(jì)算

為計(jì)算沉井下沉系數(shù)，首先要確認(rèn)沉井的接高和下沉次序，具體如下。

(1)對(duì)于南寧岸沉井基礎(chǔ)：①澆筑第一節(jié)沉井混凝土，高5 m，降排水下沉深度為5 m；②澆筑第二節(jié)沉井混凝土4 m，降排水下沉深度為4 m，累計(jì)下沉9 m；③澆筑第三節(jié)沉井混凝土4 m，降排水下沉深度為4 m，累計(jì)下沉13 m；④澆筑第四節(jié)沉井混凝土4 m，降排水下沉深度為4 m，累計(jì)下沉17 m。

對(duì)于湛江岸沉井基礎(chǔ)，首先澆注第一節(jié)沉井混凝土，高5 m，下沉深度為5 m；然后澆注第二節(jié)沉井5 m，降排水下沉深度為5 m，累計(jì)下沉10 m；再澆注澆注第三節(jié)沉井5 m，降排水下沉深度為5 m，累計(jì)下沉15 m；接著澆注第四節(jié)沉井5 m，降排水下沉深度為5 m，累計(jì)下沉20 m；最后澆注第五節(jié)沉井5 m，降排水下沉深度為5 m，累計(jì)下沉25 m。

根據(jù)沉井規(guī)范及相關(guān)施工工藝參數(shù)，沉井在下沉至5 m左右的摩阻力達(dá)到最大，計(jì)算時(shí)可設(shè)5 m以上的摩阻力呈線性變化，5 m以下則保持為常數(shù)，根據(jù)各土層摩阻力加權(quán)平均確定。其計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 沉井下沉摩阻力計(jì)算模型示意圖

為使沉井平穩(wěn)下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高以便于封底，應(yīng)根據(jù)土體性質(zhì)、下沉深度和施工方法等因素，對(duì)下沉系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算[10-12]。沉井下沉系數(shù)計(jì)算主要取兩種工況：(1)全刃腳支承，即刃腳全部入土，隔墻踏面不受力；(2)半刃腳支承，刃腳埋入土中一半，隔墻踏面不受力。沉井在不同工況下的下沉系數(shù)的驗(yàn)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——下沉安全系數(shù)；

Q——沉井自重及附加荷載(kN)；

B——被井壁排出的水量(kN)；

T——沉井與土間的摩阻力(kN)；

H——沉井入土深度(m)；

f——井壁與土間的摩阻系數(shù)(kPa)；

R——刃腳反力(kN)。

根據(jù)式(1)和式(2)計(jì)算沉井下沉系數(shù)，結(jié)果如表2所示。

表2 沉井下沉系數(shù)計(jì)算結(jié)果表

對(duì)于一般的沉井，下沉系數(shù)需>1，對(duì)大型沉井應(yīng)≥1.05。從表2可知，在半刃腳支承工況下，南寧岸沉井和湛江岸沉井的下沉系數(shù)均>1，即沉井在自重作用下可滿足自身下沉要求，無(wú)須額外的助沉措施。但在全刃腳支承工況下，湛江岸沉井在最后一節(jié)下沉?xí)r，下沉系數(shù)K=0.91<1，下沉略微困難，需要采取一定的助沉措施。

3.3 沉井下沉穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算及分析

沉井下沉過(guò)程中除了要保證順利下沉，還需保證沉井的穩(wěn)定性，避免沉井在接高過(guò)程中底部土體發(fā)生強(qiáng)度破壞，進(jìn)而導(dǎo)致沉降量過(guò)大而影響混凝土澆筑。因此，綜合沉井的地質(zhì)條件考慮，進(jìn)行接高穩(wěn)定性驗(yàn)算是必要的。

為防止地基承載力不足而在下沉初期就發(fā)生突沉，穩(wěn)定系數(shù)一般要求<1，宜控制在0.8～0.9。穩(wěn)定系數(shù)可按式(3)～(5)進(jìn)行計(jì)算：

(3)

(4)

R2=A1fu

(5)

式中：Kc——沉井下沉穩(wěn)定系數(shù)；

Gkc——沉井自重；

Fu——下沉過(guò)程中地下水的浮力；

Rf——沉井外壁有效摩擦力總和；

R1——刃腳踏面及斜面下土的支撐力；

R2——沉井內(nèi)部隔墻和底梁下土的支撐力；

D0——沉井的平均直徑；

C——刃腳踏面寬度；

n——刃腳斜面與土體接觸面水平投影寬度；

A1——隔墻和底梁的總支撐面積；

fu——土的極限承載力。

根據(jù)式(3)～(5)計(jì)算沉井下沉穩(wěn)定系數(shù)，結(jié)果如表3所示。

表3 沉井下沉穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果表

從表3可知，在沉井接高的過(guò)程中，兩岸沉井前三節(jié)的下沉穩(wěn)定系數(shù)均<1，說(shuō)明前三節(jié)沉井在接高過(guò)程中穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)大距離下沉。但湛江岸沉井在第四、第五節(jié)接高時(shí)穩(wěn)定系數(shù)分別為1.09和1.12，南寧岸沉井在第四節(jié)接高時(shí)穩(wěn)定系數(shù)為1.03，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)情況進(jìn)行綜合判斷，在接高過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)一定量的下沉。為保證沉井接高過(guò)程中的穩(wěn)定性，需在沉井接高前在內(nèi)部保留一定量的余土，以增加土體的承載力，防止沉井出現(xiàn)大距離下沉的狀況。

4 開挖下沉方法

4.1 “大鍋底”開挖下沉

“大鍋底”開挖下沉，即從沉井中心位置向四周擴(kuò)散，保持對(duì)稱開挖出土，以使沉井下沉，如圖3所示。使用“大鍋底”開挖下沉的施工方法較為簡(jiǎn)便，具有開挖速率高、出土量大等優(yōu)點(diǎn)，但隨著沉井底部的土體被大范圍掏空，中心井室脫空的范圍逐漸增大，在自重作用下其應(yīng)力也會(huì)逐漸增大，對(duì)于特大沉井而言，容易出現(xiàn)開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

(a)立面

(b)平面圖3 “大鍋底”開挖下沉法示意圖

4.2 預(yù)留核心土開挖下沉

“大鍋底”開挖下沉容易出現(xiàn)開裂的問(wèn)題，使用預(yù)留核心土開挖下沉的方法能很好地解決。如圖4所示，該方法主要由邊緣向中心開挖，最大限度地保留沉井中心部分的土體作為井室的支撐，保證中心井室不會(huì)脫空，有效降低裂縫出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)。但使用該方法進(jìn)行開挖時(shí)需要注意邊緣土體開挖的均勻性，否則容易造成沉井下沉傾斜等問(wèn)題，而且其開挖效率相比“大鍋底”開挖下沉方法有所下降。

(a)立面

(b)平面圖4 預(yù)留核心土開挖下沉法示意圖

4.3 不同開挖方法的結(jié)果對(duì)比

為確保沉井下沉過(guò)程中的穩(wěn)定與安全，此處利用Midas Civil軟件進(jìn)行有限元輔助計(jì)算分析。分階段建立沉井模型，模擬不同方法開挖下沉的各個(gè)階段，采用容許應(yīng)力法對(duì)其驗(yàn)算結(jié)果進(jìn)行分析，從而得到混凝土最大拉應(yīng)力。結(jié)果如表4所示。

表4 不同開挖方法下的混凝土最大拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表(MPa)

從表4可知，采用“大鍋底”開挖方法進(jìn)行開挖下沉?xí)r，湛江岸沉井在第五節(jié)下沉過(guò)程中出現(xiàn)最大拉應(yīng)力為2.21 MPa，南寧岸沉井在第四節(jié)下沉過(guò)程中出現(xiàn)最大拉應(yīng)力為1.96 MPa；采用預(yù)留核心土的開挖方法，湛江岸沉井的最大拉應(yīng)力僅為1.31 MPa，南寧岸沉井的最大拉應(yīng)力僅為1.29 MPa，均有大幅度的減小。若全部采用“大鍋底”開挖下沉方法，湛江岸沉井在第五節(jié)下沉過(guò)程中出現(xiàn)的最大拉應(yīng)力會(huì)超過(guò)沉井井壁及隔墻C35混凝土的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk=2.20 MPa。因此，在實(shí)際施工過(guò)程當(dāng)中，為了降低沉井裂縫出現(xiàn)的可能性，同時(shí)保證工期和出土效率，針對(duì)湛江岸沉井，前四節(jié)下沉選擇“大鍋底”開挖下沉方法，第五節(jié)下沉采用預(yù)留核心土開挖下沉方法，針對(duì)南寧岸沉井則全部采用“大鍋底”開挖下沉方法。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)黎欽鐵路跨線橋主墩沉井的下沉系數(shù)和下沉穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并分析沉井在不同開挖下沉方法下各階段的最大拉應(yīng)力，可以得出以下結(jié)論：

(1)黎欽鐵路跨線橋兩岸主墩沉井的前四節(jié)在自重作用下基本滿足自身下沉的要求，湛江岸沉井在最后一節(jié)下沉過(guò)程當(dāng)中略有困難，需要采用額外的助沉措施。

(2)黎欽鐵路跨線橋湛江岸沉井的最后兩節(jié)、南寧岸沉井的最后一節(jié)在接高時(shí)會(huì)出現(xiàn)一定的沉降，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)需在沉井接高前在內(nèi)部保留一定量的余土，以增加土體的承載力，防止沉井出現(xiàn)大距離下沉的狀況。

(3)在沉井下沉的各個(gè)階段，使用預(yù)留核心土開挖下沉方法相比“大鍋底”開挖下沉方法產(chǎn)生的混凝土最大拉應(yīng)力有較大幅度的下降。在湛江岸沉井下沉初期選擇“大鍋底”開挖下沉方法，后期采用預(yù)留核心土開挖下沉方法；而南寧岸沉井全部采用“大鍋底”開挖下沉方法。該措施在能夠有效保證兩岸沉井下沉過(guò)程的穩(wěn)定與安全的同時(shí)，兼顧施工的簡(jiǎn)便性和高效性。