锚碇沉井基础施工期安全监控技术 冯兆祥 ，王锦国 ，王 建 （１．江苏江公路大桥建设指挥部，江苏泰州２２５３２１；２．河海大学，南京２１００９８） ［摘要】 针对泰州大桥南锚沉井基础的结构特点和施工方法，设计了施工安全监控方案。施工期监测成果 分析表明：沉井下沉初期沉井底部刃脚附近水平方向的拉应力较大，将此项物理量作为下沉的控制指标，有 效指导了沉井施工；侧壁土压力分布随入土深度呈先增加后减小规律。 ［关键词］沉井；控制指标；下沉；侧壁土压力 ［中图分类号］ Ｕ４４６ ［文献标识码］ Ａ［文章编号］ １００９—１７４２（２０１０）０４—００６８—０５ １前言 泰州大桥南锚碇是大桥的关键结构之一。南锚 采用重力式沉井基础，平面为矩形，长６８ ｍ，宽 ５２ ｍ，沉井壁厚２．０ ｍ，内分２０个隔舱，隔舱长 稳定性，明确沉井施工对相邻建筑物的影响，从而为 安全施工提供预警信息，以确保基础施工的顺利进 行，达到指导施工和反馈设计的目的。目前针对大 型锚碇沉井下沉阻力、位移等指标进行监测及模拟 的研究工作已较多＿】－３］，文章针对泰州大桥南锚沉 井基础的结构特点和施工方法，设计了施工安全监 控方案，对施工期监测成果进行了分析。 １１．６６ ｍ，宽１０．９５ ｍ，隔舱壁厚１．４ ｍ。封底混凝土 厚８ １ＴＩ，盖板厚５～６ ｍ。沉井顶标高＋２．０ ｍ，底标 高一３９ ｍ，沉井高度４１瑚、沿深度方向共分８节，其 中底部第一为钢壳节沉井，第二至第八节为混凝土 沉井。 ２监测方案 根据锚锭沉井施工期的受力特点以及施工过程 南锚碇沉井无论从尺寸方面、还是重量方面都 属于国内外罕见的超大型混凝土结构，所以在工程 实践方面的经验是有限的。考虑到沉井施工工艺复 中需要控制的断面，设计监测主要内容有：基底反 力；沉井侧壁土压力；沉井结构应力。主要测点布置 见图１。 ２．１基底反力监测 杂、施工精度要求高、施工难度大；沉井尺寸较大，结 构处于空间复杂受力状态；施工过程中结构穿越不 同的土层，受力随沉井人土深度及施工状态的不同 而不断发生变化，可能出现沉井下沉过缓或停滞下 沉、下沉过快、突沉、施工偏差；沉井施工和降水对长 １）监测目的。沉井刃脚反力客观反映了沉井 的受力情况，是沉井下沉过程中的重要监测指标。 同时，刃脚反力也可以作为沉井运营期基底反力的 监测指标，可以为评价沉井整体稳定性、地基承载力 提供实测数据。 江大堤和邻近建筑物的渗透稳定性、沉降变形和整 体稳定性有较大影响。因此，在基础的施工过程中， 有必要监测基础、长江大堤及邻近建筑物各结构状 态的重要参数，了解沉井在制作、下沉及上部锚体施 工过程中锚碇（含基础）结构内部应力应变及整体 ［收稿日期］２０１０一叭一０５ ２）监测内容及测点布置。针对沉井结构的特 点，沉井在施工期的基底反力监测主要通过对刃脚 处反力的监测来实现，刃脚反力的监测对象包括井 壁和隔墙。鉴于沉井施工过程中，隔墙处地基土基 ． ［基金项目］ 国家科技支撑计划资助项目（２００９ＢＡＧ１５Ｂ０２）；江苏省“３３３高层次人才培养工程”专项资助项目 ［作者简介］冯兆祥（１９６８一），男，江苏姜堰市人，研究员级高级工程师，研究方向为桥梁工程；Ｅ—ｍａｉｌ：ｔｚｂｒｉｄｇｅ＠１６３．ｅｏｍ ６８中国工程科学 根据施工设计，南锚沉井第一次下沉前共接高 ３节，高度约２４ ｍ。通过对沉井下沉过程中钢板计 应力的监测，第一次下沉过程线见图２。 迅速增大，接高期间应力变化平稳。沉井抽垫下沉 初期，沉井壁底部受到的拉应力较大，为了确保沉井 结构的安全，此时应将首节钢沉井底部拉应力作为 从图２可以看出，沉井下沉过程中钢板计应力 控制沉井下沉的主要指标之一。 ∞ ∞加∞如∞∞加ｍ Ｏ 星 剧 Ｏ５．２２ Ｏ５－２４ Ｏ５－２８ ０６．０ｌ Ｏ６一Ｏ５ Ｏ６．Ｏ９ Ｏ６．１３ Ｏ６－ｌ７ Ｏ６．２ｌ ０６．２５ ０６．２９ 日期／月一日 图２沉井下沉初期钢板计过程线图 Ｆｉｇ．２ Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ ｐｌｏｔ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｐｌａｔｅ ｓｔｒａｉｎ ｓｅｎｓｏｒｓ ａｔ ｔｈｅ ｂｅｇｉｎｎｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｉｓｓｏｎ ｓｉｎｋｉｎｇ 根据沉井结构、施工方法等，结合北锚碇进行类 计应力都会上升，随后又下降，最后趋于平稳，呈稳 比分析，拟定沉井底部水平拉应力指标安全控制量 定增长的趋势。 值的因素有： ４）钢板应力在下沉初期，钢板应力较高；但随 １）Ｑ２３５钢板的抗拉强度虽较大，但考虑到焊缝 着下沉深度的增加，在沉井侧壁土压力的作用下，钢 等因素，控制量值应小于设计值。 板应力又逐渐下降，最后趋于平稳。整个下沉过程 ２）考虑到监测断面位于井壁刃脚以上约２．ｏ ＩＴＩ 中，呈稳定增长的趋势。 的位置，井壁刃脚部位受到的拉应力为最大值。 ５）钢板应力与下沉深度没有明显的线性相关 ３）结合泰州大桥北锚碇下沉中的监测数据作 性。实际上，钢板应力主要受刃脚反力的分布控制。 为参考。 ６）沉井短边方向钢板计应力始终比长边方向 综合考虑上述因素，拟定钢壳沉井底部水平方 小，在安全范围之内。 向拉应力指标控制量值为１００．０ ＭＰａ。 ３．２沉井侧壁土压力 沉井下沉初期，监测频率为６次／ｄ（即每４小时 ３．２．１侧壁土压力分布规律 １次）。沉井取土下沉，中间隔舱掏空形成“大锅底” 根据南锚侧壁土压力的监测数据（下沉到位 后，监测得到的钢板计应力值达到９９．０１ ＭＰａ，出现 后），绘制了其沿高程的分布情况，见图３。图３中 在顺桥向北侧沉井壁。随后对取土位置进行了调 应力为有效应力，即已经从水土总应力（直接观测 整，应力最大值未超过控制量。 值）中扣除了静水压力。另外，由于数据离散性较 从监测应力成果可知，钢板计监测应力分布有 大，整理时剔除了明显误差，并给出了总体平均值。 以下特点： 可以看出，侧壁土压力的分布有以下特点： １）沉井接高两节后开始抽垫下沉过程中，监测 １）侧壁土压力随人土深度先增加后减小，其转 到了钢板应力的迅速上升，表明抽垫过程对沉井的 折点约发生在３５ ｍ深度处，即首节钢沉井的顶部。 应力有很大的影响。 ２）最大侧壁土压力约为０．２７ ＭＰａ。 ２）沉井开挖形成“大锅底”后，监测得到的钢板 ３）刃脚附近侧壁土压力较低。 计应力值达到９９．Ｏ１ ＭＰａ，出现在顺桥向北侧沉 ３．２．２侧壁土压力分析 井壁。 对于侧壁土压力随入土深度先增加后减小的原 ３）通过施工控制，在以后的沉井下沉过程中， 因，可以使用土体极限平衡及变形协调要求来解释。 钢板计应力始终控制在安全范围内。每次下沉钢板 １）浅层侧壁土压力随深度增加。受沉井内部 ７０中国工程科学 均浮重度为 ，沉井刃脚外侧土体任一点的竖向应 力为 。取沉井刃脚附近土体为研究对象，下面分 析当井内吸泥至刃脚踏面附近时，竖向应力 应满 足的条件以及由此带来的效应。 刃脚外侧土体竖向应力 应满足的条件以及 由此带来的效应主要包括以下几点： １） ：小于天然自重应力 ，刃脚附近井周存 在低应力区。此时沉井人土深度为４１ １３３，有效自重 应力约为０．４ ＭＰａ，而对应高程的井内土体有效自 重应力为０，在该应力差下，刃脚附近土体将因强度 图３侧壁有效土压力分布 Ｆｉｇ．３ Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｓｏｉｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｄｅ ｗａｌｌ 吸泥下沉影响，井周土体塌陷。在密实度上，从天然 密实状态逐渐转变为松弛状态；在水平应力大小上， 从天然静止侧压力逐渐下降为主动土压力。当沉井 下沉达到一定深度时，浅层土体进入最松弛状态，达 到极限平衡，形成主动土压力区。在主动土压力区， 土体内的水平应力，也就是沉井的侧壁土压力，将随 深度增加而增加，见图４。 低应力区 天然自重应力 图４沉井侧壁土体受力分析 Ｆｉｇ．４ Ｓｔｒｅｓｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｄｅ ｗａｌｌ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｉｓｓｏｎ ２）刃脚附近深度土体侧壁土压力随深度增加 而减小的原因。刃脚附近深度土体侧壁土压力随深 度增加而减小主要与刃脚附近土体极限平衡及变形 协调有关，见图４，假设沉井入土深度为 ，土体平 不够而形成破裂面ＡＢＣ，土体失稳后井周土体竖向 应力ｏｒ 部分释放，直至滑裂体ＡＢＣ达到平衡状态。 当然，若土体塑性较高，如软黏土，土体可能不直接 表现为破裂，但在该压力差下会发生塑性流动，同样 形成低应力区。 ２）低应力区形成过程中，其应力转移到周围土 体，形成压力拱。为满足变形协调，井周土体有向刃 脚位移的趋势，即土体以刃脚为圆心发生趋向圆心 的径向变形，导致拱效应，形成压力拱。 ３）压力拱的一侧拱端接近首节钢沉井顶部，但 位置略低。压力拱的位置与下沉深度以及沉井水平 截面几何特征有关，具体来说，下沉深度越大，压力 拱中心线位置相对刃脚也越上移，但由于第二节混 凝土沉井与首节钢沉井顶部接高位置呈台阶缩进， 截面尺寸减小，因此压力拱通常在该截面以下。 也就是说，压力拱的拱端约在首节钢沉井顶部，但位 置略低。 ４）侧壁土压力峰值点位于拱端。压力拱在与 沉井外壁接触位置的拱向压力同时也是沉井的侧壁 土压力，在压力拱形成过程中，拱向压力不断提高， 导致侧壁土压力峰值点出现在首节钢沉井顶部 附近。 ３．３沉井基底反力监测成果分析 根据刃脚反力监测成果，刃脚反力的变化有以 下特点： １）沉井接高过程中，由于沉井自重大部分传递 到刃脚，刃脚反力逐渐增加。 ２）沉井吸泥下沉过程中，刃脚反力变化一般是 先增加后减小。这是由于吸泥初期，刃脚支撑土体 面积减小，使得刃脚反力上升；当进一步吸泥后，刃 脚土体越来越接近掏空状态，刃脚反力下降。 ３）少数仪器刃脚反力测值最大超过３ ＭＰａ，从 土体极限承载力角度分析该数值偏高，可能与仪器 ２０１０年第１２卷第４期７１ 率定系数偏差有关。 ４）随着沉井接高及下沉深度的增加，水土总压 力总体呈下降趋势，扣除水压力后，有效土压力下降 趋势更快。也就是说，在下沉初期，刃脚反力分担了 大部分沉井重量；但随着下沉深度的增加，绝大部分 重量由侧壁摩阻力分担。 ５）隔墙底部反力计只是在施工初期显示出压 应力，后期基本为零，主要是采用大开挖方案，隔墙 底部是凌空的。 附近水平方向的拉应力较大，应将此项物理量作为 下沉的控制指标之一；ｂ．沉井下沉一定深度后，侧壁 土压力分布随入土深度先增加后减小，分布曲线在 某深度发生了转折，形成“压力拱”。对于下沉较深 的沉井，往往会由于侧壁摩阻力太大而无法下沉，必 须采取措施解除“压力拱”才能使沉井顺利下沉。 参考文献 ［１］陈晓平，茜平一，张志勇．沉井基础下沉阻力分布特征研究 ［Ｊ］．岩土工程学报，２００５，２７（２）：１４８—１５２ ４结语 通过对南锚施工期监测成果分析，得到以下结 论和建议：ａ．对于大型沉井，下沉初期沉井底部刃脚 ［２］ 吉［３］ 汤林，冯兆祥，周世忠．江阴大桥北锚沉井基础变位过程实 斌，刘峻，袁冶．沉井下沉阻力监测技术和数值模拟 测研究［Ｊ］．公路交通科技，２００１，１８（３）：３３—３５ 方法发展综述［Ｊ］．国外建材科技，２００６，２７（４）：７９—８１ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｉｓｓｏｎ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｏｆ ａｎｃｈｏｒａｇｅ ｉｎ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｆｅｎｇ Ｚｈａｏｘｉａｎｇ ，Ｗａｎｇ Ｊｉｎｇｕｏ ，Ｗａｎｇ Ｊｉａｎ２ （１．Ｊｉａｎｇｓｕ Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ Ｙａｎｇｔｚｅ Ｒｉｖｅｒ Ｈｉｇｈｗａｙ Ｂｒｉｄｇｅ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｃｏｍｍａｎｄｉｎｇ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ， Ｔａｉｚｈｏｕ，Ｊｉａｎｇｓｕ ２２５３２ １，Ｃｈｉｎａ；２．Ｈｏｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２ １ ００９８，Ｃｈｉｎａ） ｌ Ａｂｓｔｒａｃｔ］ Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｃｏｎｓｔｕｃｔｒｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｏｕｔｈ ａｎｃｈｏｒ ｃａｉｓｓｏｎ ｆｏｕｎｄａ－ ｔｉｏｎ ｏｆ Ｔａｉｚｈｏｕ Ｙａｎｇｔｚｅ Ｈｉｇｈｗａｙ Ｂｒｉｄｇｅ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ａ ｄｅｓｉｇｎ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｉｎ ｃｏｎｓｔｕｃ— ｒｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｆｒｏｍ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｄａｔａ ｉｎ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｔｅｎｓｉｏｎ ｓｔｒｅｓｓ ｗｈｉｃｈ ｎｅａｒ ｂｌａｄｅ ｆｏｏｔ ａｔ ｔｈｅ ｂｏｔｔｏｍ ｏｆ ｗｅｌｌ ａｒｅ ｇｒｅａｔｅｒ ｉｎ ｉｎｉｔｉａｌ ｗｅｌｌ ｓｉｎｋｉｎｇ．Ｉｔ ｗｉｌｌ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｇｕｉｄｅ ｔｈｅ ｗｅｌｌ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｑｕａｎｔｉｔｙ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎｄｅｘ ｏｆ ｗｅｌｌ ｓｉｎｋｉｎｇ．Ｓｉｄｅｗａｌｌ ｅａｒｔｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｆｉｒｓｔ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎ－ ｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｅｍｂｅｄｍｅｎｔ ｄｅｐｔｈ． ［Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ］ ｃａｉｓｓｏｎ；ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎｄｅｘ；ｗｅｌｌ ｓｉｎｋｉｎｇ；ｓｉｄｅｗａｌｌ ｅａｒｔｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ７２中国工程科学
