超大型陆地沉井下沉过程计算分析

近年来, 国内重载、大跨径悬索桥的建设方兴未艾, 其工程规模在世界范围内也位居前列。对于建设此类悬索桥的重力式锚锭, 常用的基础形式为巨型的圆形或者矩形箱型基础, 国内已建桥梁中有着众多的案例:江阴大桥 (1995) 北锚碇沉井平面尺寸为69m×51m, 下沉深度58m;泰州大桥 (2007) 南北锚锭沉井平面尺寸为67.9m×52m, 下沉深度57m;南京长江四桥 (2008) 北锚碇沉井平面尺寸69m×58m, 下沉深度52.8m;马鞍山大桥 (2008) 南北锚锭沉井平面尺寸60.2m×55.4m, 下沉深度48m。

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, 如果将中小型基础的施工控制理论与研究成果套用于巨型沉井基础的施工, 则可能会引发诸多适用性问题, 因此对于巨型沉井基础需要根据其结构自身的设计特点并结合现场的地质资料进行针对性的分析, 从而切实地解决巨型沉井基础施工中遇到的各种问题。

一、工程概况

五峰山长江特大桥跨江主桥设计为 (85+85+1092+85+85) m的钢桁梁悬索桥结构。北锚碇采用重力式沉井基础, 基础采用矩形截面, 长100.7m、宽72.1m、高56m, 标准壁厚2.0m, 隔墙厚1.3m, 中间共设置48个 (10.2×10.9) m的矩形井孔。

沉井总计共分十节, 第一节为钢壳混凝土沉井、高8m, 刃脚高1.8m, 刃脚踏面宽0.2m;第二至第十节为钢筋混凝土沉井, 其中第二节高6m;第三节至第八节高均为5m;第九节高4m;第十节高8m。[1]

沉井位于冲击平原区, 地形较平坦, 地表主要为鱼塘及蟹塘, 塘埂道路处表层覆盖层有厚度不等填土, 部分地段为种植土, 塘底少量淤泥, 填土及种植土下伏约1-2m的壳厚层粉质黏土, 以下依次为淤泥质粉质粘土、粉砂夹粉土、粉质粘土夹粉土、中密状细砂, 局部夹软～流塑状粉质黏土、密实状粉细砂, 局部夹软塑粉质黏土、含砾中粗砂。

二、总体施工工艺

沉井分三次接高与三次下沉。第一次接高前三节, 采用排水辅助下沉至标高-8.0m。第二次接高第4、5、6节, 采用不排水下沉至标高-30.0m, 第三次接高第7、8、9、10节, 采用不排水下沉至标高-55.0m。

三、沉井下沉施工分析计算

(一) 计算模型

(1) 结构计算

沉井下沉模拟计算采用MIDASFEA有限元计算软件进行, 采用施工阶段分析法对沉井下沉过程中的各控制工况进行模拟分析计算。模型中混凝土结构采用三维实体单元模拟, 钢壳结构采用板单元模拟, 计算中钢壳内加劲结构及混凝土内钢筋结构未作模拟, 忽略其对结构的影响。

(2) 下沉系数计算

下沉系数计算公式

式中:G为已浇筑沉井的总自重;G′为施工荷载, 取2500t;wF为浮力;1R为刃脚及隔墙底面极限端阻力;2R为沉井极限摩擦力。[2]

(二) 计算荷载

分析模拟计算中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。

(三) 计算边界条件

模拟分析中计算边界条件包含底部井壁及隔墙竖向支撑, 进入土体后侧向支撑两种。沉井进入土体前仅考虑底部井壁及隔墙竖向支撑作用。沉井进入土体后考虑土体对沉井基础的侧向作用, 因沉井第一节及第二节交界位置处有一向内侧20cm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, 侧向作用仅考虑施加于第一节钢壳混凝土沉井上, 第二节及以上部分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, 弹簧刚度系数取基床系数×面积

侧向支撑采用只受压弹簧单元模拟, 弹簧刚度系数取水平地基系数×面积

(四) 施工计算工况

沉井下沉计算分为四种工况: (1) 十字开槽 (2) 八区开挖 (3) 四区开挖 (4) “大锅底”开挖, 各工况支撑状态如图1

(1) “十字槽”开挖法

沉井共分三次下沉施工, 第一次采用排水辅助下沉至-8m, 排水辅助下沉开挖为“十字槽”开挖法。

(2) 沉井分8区 (4区) 开挖法

沉井采用“十字槽”开挖法下沉至-8m后, 接高第4～6节沉井, 拟将沉井分为8个区 (或4个区) , 开挖沉井内土体以使沉井下沉至能形成“大锅底”为止。

(3) “大锅底”开挖法

随着沉井下沉深度增加, 侧阻力随之增加, 沉井需形成“大锅底”边界方可保证顺利下沉。

(五) 计算结果

根据有限元分析计算结果, 结合下沉系数分析, 汇总结果见表1。

四、下沉分析计算结论及建议

本分析计算中以混凝土拉应力2.2Mpa为控制标准, 通过流程分析计算沉井在各施工阶段内可形成的最大开挖界面, 根据对应的下沉系数计算, 最大开挖舱形成时各阶段下沉系数均较大, 实际施工时应根据实际下沉速度调整减少开挖舱数, 以使沉井平稳缓慢下沉。

摘要：五峰山长江大桥为世界首座跨度超过千米的公铁两用悬索桥, 其北锚碇沉井长100.7m、宽72.1m、高51m, 平面尺寸远超以往施工沉井, 居世界第一。本文通过数值模拟的方法对五峰山长江大桥北锚碇沉井下沉过程中不同开挖工况下结构受力进行了计算分析, 并根据现场地质条件对沉井下沉系数进行了计算, 为沉井施工提供了理论依据。

关键词：大型沉井,下沉系数,沉井下沉

参考文献

[1] 韦庆东, 黄春峰, 冯传宝.巨型沉井首次排水下沉开挖方式研究[J].上海铁道科技, 2017 (2) .

[2] 米长江, 王岩, 穆保岗.马鞍山长江公路大桥南锚碇沉井下沉分析[J].桥梁建设, 2011 (6) :6-11.

[3] 张凤祥.沉井沉箱设计、施工及实例[M].中国建筑工业出版社, 2010.