沉井基础的设计与观测

第11章沉井基础11.4沉井的结构设计计算11.3沉井的下沉阻力11.2沉井的分类、组成及其施工方法11.1引言UndergroundStructureEngineeringChapter611.5沉井的封底计算11.6南京长江四桥北锚碇沉井的下沉记录定义:依靠自身重力克服井壁摩阻力后下沉到设计标高，然后经过混凝土封底并填塞孔，最后成为结构物基础的井筒状结构。11.1引言沉井最早的且有确切记录的是1738年，瑞士工程师查尔斯

拉贝雷（CharlesLabelye）在拉姆比斯（Lambeth）和威斯敏斯特（Westminster）之间的泰晤士河（ThameS）上建造桥梁时，采用了80英尺长、30英尺宽、16英尺深的木沉井。我国近现代最早应用沉井技术施工的成功实例出现在1894年2月，由詹天佑亲自主持修筑的天津滦河大桥，该桥采用了气压沉箱法施工取得了成功。此后是20世纪30年代由我国著名桥梁专家茅以升主持设计建造的钱塘江大桥。沉井基础的特点

(1)沉井结构截面尺寸和刚度大，承载力高，内部空间可以利用,可用于很深的地下工程的施工；(2)沉井施工不需要复杂的机械设备，在排水和不排水情况下，均能施工；(3)可用于各种复杂地形、地质和场地狭窄条件下的施工，对邻近建筑物影响较小，甚至不影响；(4)当沉井尺寸较大时，在制作和下沉过程中，均能采用机械化施工；(5)可在地下水很丰富、土的渗透系数大，难以将地下水排开，地下有流砂或有其它有害的土层情况下施工；(6)与大开挖施工相比，可大大减少挖、运、回填土方量，加快施工进度，降低施工费用。沉井的缺点或难点

(1)施工工期较长；

(2)施工技术要求高；

(3)施工中易发生流砂造成沉井倾斜或下沉困难等。（“突沉或超沉”，“拒沉”）项目平面尺寸(m)深度(m)终沉时间江阴长江大桥北锚碇沉井69.2×51.258.01997.05泰州长江大桥南锚碇沉井68.3×52.441.02008.12泰州长江大桥北锚碇沉井68.3×52.457.02009.04南京长江四桥北锚碇沉井69.0×58.052.82009.12马鞍山长江大桥北锚碇沉井60.6×55.841.02010.12马鞍山长江大桥南锚碇沉井60.6×55.848.02011.02重要的工程实例：

桥梁、水电工程、市政工程

江阴长江大桥金沙江向家坝水电站苏通大桥（备选方案）承受640000kN和270000kN水平力沉井平面长69米，宽51米，下沉深度为（8+10*5）58米，体积20.4万立方米,列世界最大沉井。(列世界第２的美国费雷泽诺桥的沉井体积为15万立方米)江阴长江公路大桥北锚沉井：1385向家坝水电电站沉井群群1#～10＃沉井依次次沿一期土土石围堰成成“L”型错开布置置（相邻井井间距@2m。每个沉井内内分6格，井间距距2m，井格净空空平面尺寸寸为5.2m×5.6m（含40cm×40cm的倒角），，外墙厚2m，隔墙厚1.6m。最高9＃沉井高度度达57.4m，下沉深度度最深的为为10＃井，达60m；各沉井底底部设计要要求进入岩岩层不小于于0.5m，由于沉井井底部基岩岩左低右高高、上游低低下游高，，同一横剖剖面基岩高高度大，最最深入岩7m。苏通长江大大桥，主跨跨1088米斜拉桥桥世界第一苏通大桥基基础备选方方案（立面面）考虑到施工工组织难度度实际方案：：主塔基础础海口世纪大大桥海口世纪大大桥沉井井钢壳----准备起吊海口世纪大大桥沉井井钢壳沉井钢沉井沉井钢水下着床定定位，灌水水下沉就位某大型钢壳壳沉井

11.2沉井的分类类、组成和和施工方法法11.2.1沉井的类型型（1）按下沉环境可分为陆地地沉井（包包括在浅水水中先筑岛岛制作的沉沉井）和浮浮运沉井；；（2）按沉井构造形形式可分为独立立沉井和连连续沉井；；（3）按沉井平面形形式可分为圆形形、椭圆形形、正方形形、矩形和和多边形等等；也可分分为单孔和和多孔沉井井（见图8-1）；（4）按沉井制作材材料可分为混凝土、钢钢筋混凝土土、钢、砖、、石以及组组合式沉井井等。1.按沉井横截截面形状分分类(1)单孔沉井(2)单排孔沉井井(3)多排孔沉井井2.按沉井竖直直截面形状状分类(1)柱形沉井(2)阶梯形沉井井(3)锥形沉井沉井按平面面形式分类类a—圆形单孔沉沉井；b—正方形单孔孔沉井；c—矩形单孔沉沉井；d—矩形双孔沉沉井；e—椭圆形双孔孔沉井；f—矩形多孔沉沉井实际沉井中中周边一般般为圆弧形形沉井的竖直直剖面形式式(a)柱形沉井；；(b)阶梯形沉井井；(c)锥形沉井新型根式沉井传统沉井施施工难度大大，(60m××50m)小沉井施工工容易9＃沉井1＃沉井5＃沉井一期围堰排水管线桥梁基础锚锭基础小沉井沉到到位后，水水平向顶入入根键根式沉井基基础立面根式沉井基基础横断面面根键立面布布置示意图图井壁11.2.2沉井结构组组成沉井组成：：刃脚、井壁、内隔墙、取土井、凹槽、封底、顶板301）沉井刃脚：作用在于减减少沉井下下沉阻力a—混凝土刃脚脚；b—设角钢的刃刃脚；c—尖刃脚砖胎模放置置刃脚岩层或孤石石：爆破2）井壁-主要承担井井外水土压压力和自重重的部分设计时通常常先假定井井壁厚度再再进行承载载力验算；；井壁厚度一一般为0.8~1.5m；a）、（b）竖直的；；（c）、（d）台阶形的的；（e）锥形的；；（f）倒锥形的的图8-5沉井外壁的的形式353）内隔墙加强沉井刚刚度、缩小外壁壁计算跨度度，同时又又将沉井分分成多个取取土井，便便于掌握挖挖土位置以以控制下沉沉的方向；；内隔墙的间间距一般不不大于5~6m，厚度一般般为0.5~1.0m。一般要求隔隔墙底高出出刃脚底面面0.5~1.0m。4）取土井位置：取土土井的平面面布置应与与中轴线对对称，以利利于沉井均均匀下沉；；大小：由取取土方法而而定，采用用挖土斗取取土时，应应能使挖土土斗自由升升降，最小小边长不宜宜小于2.5m。处理：以素混凝土土、片石混混凝土或砌砌片填充。。井内挖机及及排水泵锅底状”开开挖5）凹槽为了封底混凝土土嵌入井壁壁，形成整整体，使传至沉沉井壁上的的力能更好好地传递给给封底混凝凝土底面。。遇到意外困难，还可可在凹槽处处浇筑钢筋筋混凝土盖盖板，将沉沉井改为沉沉箱。尺寸：：凹槽槽深约约0.15~0.25m，高约约1.0m左右，，其距距刃脚脚底面面一般般在1.5m以上。。6)射水管管组、、探测测管、、气管管和压压浆管管射水管管组：压入入高压压水把把井壁壁四周周的土土冲松松，以以减少少摩擦擦力和和端部部阻力力。高压水水水压压一般般不小小于0.6MPa，每一一水管管的排排水量量不小小于200L/min；探测管管：探测测刃脚脚和隔隔墙底底面下下的泥泥面标标高，，清基基射水水或破破坏沉沉井正正面土土层以以利下下沉;压浆管管：埋设设压浆浆管;气管：空气气幕下下沉沉沉井;泥浆套套助沉沉安装泥泥浆槽槽空气幕幕沉井井压气气系统1-压缩空气机；2-贮气筒；3-输气管路；4-沉井；5-竖管；6-水平喷气管；7-气斗；8-喷气孔

（a）空气气幕气气龛空气幕幕气龛龛及防防堵设设置示示意图图（单单位：：mm）空气幕幕下沉沉：气气龛注水检检查通通气管管路7）封底底渗水率率小于6mm/min时，排排干水水后用用C15或C20普通混混凝土土浇筑筑；当井中中的渗渗水率率大于于6mm/min时，宜宜采用用导管管法浇浇注C20级水下下混凝凝土封封底。。厚度按按其承承载力力条件件计算算确定定，一一般其其顶面面应高高出凹凹槽0.5m。8）顶板板以混凝凝土填心的沉井井可用用素混混凝土土顶板板；空心或以其其他松松散料料填心心的沉沉井需需用钢钢筋混混凝土土顶板板，厚厚度一一般为为1.0~2.0m；排水下下沉的的沉井井，其顶顶面在在地面面或水水位以以下时时，应应设挡挡土防防水墙墙连接接在井井壁的的顶部部。宝山钢钢铁厂厂取水水泵房房sgdu.m2p沉井基基本施施工工工序为为：首先制制作沉沉井底底节，，刃脚脚;下沉，，逐节节接高高；混凝土土封底底(填充)，建沉沉井顶顶盖;修建墩墩台身身。下沉时时，为为了减减少沉沉井侧侧壁和和土壤壤之间间的摩摩阻力力，可可以采采用吸泥不不排水水、排排水下下沉、、泥浆浆润滑滑套、、壁后后压气气等方方法。。11.2.3沉井的的施工工步骤骤沉井施施工步步骤示示意图图沉井下下沉施施工方方案基础施施工流流程沉井下下沉施施工方方案基础施施工流流程沉井下下沉施施工方方案基础施施工流流程沉井下下沉施施工方方案基础施施工流流程1）.吸泥不不排水水沉井井法通过特特制的的钻吸吸机组组，在在水中中用高高压水水冲结结合潜潜水钻钻破土土、真真空吸吸泥相相配合合的方方法，，对土土体的的切削削破碎碎以及及同时时完成成排泥泥工作作，从从而使使沉井井下沉沉到达达设计计标高高。该法适适用于于穿过过的地地层为为较厚厚的亚亚砂土土或粉粉砂层层，且且含水水量很很大(含水量量为30%～40%)的土层层时，，或附附近水水源补补给丰丰富，，沉井井下面面的土土层不不稳定定，容容易出出现流流砂或或涌土土的土土层地地段。。2）.排水下下沉沉沉井法法在沉井井基坑坑四周周设置置一定定数量量降水水用的的集水水井，，通过过水泵泵将沉沉井内内与集集水井井将水水排到到排水水沟或或排水水管道道，通通过挖挖掘机机等取取土机机械将将土挖挖运，，同时时沉井井在自自重作作用下下，下下沉到到达设设计标标高。。大型沉沉井的的下沉沉深度度较深深，一一般而而言普普遍采采用的的是前期排排水下下沉，，后期期不排排水下下沉的的综合合方案案。常见排排水下下沉时时的开开挖方方式有有“大锅锅底””开挖挖和分分区开开挖，，前者呈呈放射射状的的从内内部向向外开开挖，，后者者则是是分成成4-6个小锅锅底开开挖。。在不不排水水下沉沉期间间，沉沉井的的安全全性能能有所所保障障，则则一般般采用用““大锅锅底开开挖””。(a)大锅底底开挖挖(b)分区开开挖E:\地下结结构课课件2012\ziliao\00012.MTSE:\地下结结构课课件2012\ziliao\000111.MTS3）.泥浆润润滑套套沉井井法泥浆润润滑套套是把把配置置的泥泥浆灌灌注在在沉井井井壁壁周围围，形形成井井壁与与泥浆浆接触触。一一般采采用的的泥浆浆配合合比(重量比比)为粘土土35%～45%，55%～65%，另加加分散散剂碳碳酸钠钠0.4%～0.6%，其中中粘土土或粉粉质粘粘土要要求塑塑性指指数不不小于于15，含砂砂率小小于6%。这种种泥浆浆对沉沉井壁壁起润润滑作作用，，它与与井壁壁间摩摩阻力力仅3～5kPa，大大大降低了了井壁壁摩阻阻力，因而而可以以提高高沉井井下沉沉的施施工效效率，，加大大沉井井的下下沉深深度。。4）.空气幕幕助沉沉法空气幕幕助沉沉法也也是减减少下下沉时时井壁壁摩阻阻力的的有效效方法法。通通过在在沉井井井壁壁内预预设管管路和和气龛龛，向向管路路内注注入压压缩空空气，，沿管管路通通过气气龛向向沉井井壁外外喷射射，气气流沿沿喷气气孔射射出再再沿沉沉井外外壁上上升，，形成成一层层空气气帷幕幕，使使井壁壁周围围土松松动，，进而而减少少井壁壁摩阻阻力，，促使使沉井井顺利利下沉沉。泰州桥桥锚锭锭动画画.m2p空气幕幕使用用后气气泡形形成的的痕迹迹E:\地下结结构课课件2012\ziliao\空气幕幕作用用视频频.MTS空气幕幕拆模模后效效果气龛顶管工工程工工具具井第一节节施工工：沉井钢钢筋,注意下下方刃刃脚钢钢筋后续井井模板板65沉井“软眼”安装：：隧道道、顶顶管浇注混混凝土土下沉到到位后后的沉沉井11.3沉井的的下沉沉阻力力11.3.1刃脚反反力的的计算算根据刃刃脚反反力分分析法法，为为保证证沉井井顺利利下沉沉，作作用在在刃脚脚上的的平均均压力力应等等于或或略大大于刃刃脚下下土体体的极极限承承载力力。11.3.2侧摩阻阻力的的计算算摩擦力力分布布(a)井壁外外侧直直壁式式(b)井壁外外侧阶阶梯式式实际真真实侧侧摩分分布比比较复复杂为一实实测结结果11.3.3下沉系系数和和稳定定系数数计算算下沉系系数验算沉沉井自自重是是否能能克服服下沉沉时土土的摩摩阻力力，，用下下沉系系数k表示：：表8-1沉井井井壁与与土体体之间间的摩摩阻力力f（kPa）土的种类粘性土砂性土砂卵石砂砾石软土泥浆套f(kPa)25~5012~2518~3015~2010~123~5下沉稳稳定验验算在下沉沉过程程中，，构成成K1的分子子和分分母不不断变变化，，因此此不仅仅要确确定最最终状状态下下，而而且应应跟踪踪整个个下沉沉过程程中K1值的变变化规规律。如：：沉井井在软软弱土土层中中接高高时有有突沉沉可能能，应应根据据施工工情况况进行行：式中——下沉稳稳定系系数，，一般般取0.8～0.9。R1——刃脚踏踏面及及斜面面下土土的支支承力力，kN；R2——隔墙和和底梁梁下土土的支支承力力，kN。沉井的的设计计原则则结构简单对对称，，受力合理，，施工方便。。沉井的的长短边边之比比越小越越好，，以保保证下下沉时时的稳稳定性性。一般沉沉井应应分节制制作，每节高度不宜大大于5m。沉井底节高度应满足拆除支承时时沉井纵向抗弯要要求之外，在松软软土层中下沉的沉沉井，底节高度不不宜大于0.8b。11.4沉井的结构设计计计算沉井是深基础的一一种类型，沉井在在施工完毕后，由由于它本身就是结结构物的基础，就就应按基础的要求求进行各项验算；；但在施工过程中，，沉井是挡土、挡挡水的结构物，因因而还要对沉井本本身进行结构设计计和计算。地基承载力计算F+G≤Rj+RfF——沉井顶面处作用的的荷载，kN；G——沉井的自重，kN；Rj——沉井底部地基土的的总反力，kN；Rf——沉井侧面的总摩阻阻力，kN。沉井底部地基土的的总反力RjRj=fA沉井侧面的总摩阻阻力Rf=U(h-2.5)q0q0——单位面积摩阻力加加权平均值，q0=∑qihi/∑hi，kPa；某顶管工程，出发发井采用矩形钢筋筋混凝土沉井，沉沉井平面尺寸和沉沉井周围土体参数数如图所示，每节节沉井高度均为5米，原计划下沉20米；（1）试计算该沉井能否否顺利下沉?（2）若不能顺利下沉，，可采用何种手段段辅助实现下沉?）11.4.1沉井底节验算刃脚下的支承位置置不断在变，三三种情况：1）在排水或无水情况况下下沉沉井81底节沉井在垫木抽抽除及挖土下沉过过程中，在井壁自自重作用下将产生生挠曲变形（1）排水挖土下沉能控制支承点的位位置选择最有利的支点点位置，使跨中弯矩=支座弯矩井壁受力：承受均均匀荷载的简支梁梁矩形、圆端形沉井井：长边，间距0.7L圆形沉井：圆周四四分点（2）不排水挖土下沉沉支承点的位置难控控制选择沉井下沉过程程中最不利情况验验算矩形、圆端形沉井井：圆形沉井：两支点点位于一直径上a.支点位于长边中点点b.支点位于四个角点点验算截面：长边跨中附近最最小截面2）对于不排水下沉的沉井（1）假定底节沉井仅仅支承于长边的中中点（2）假定底节沉井支支承于短边的两端端点8411.4.2沉井井壁计算沉井井壁应进行竖直和水平两个方方向的内力计算。1）竖直方向在沉井的下沉过程程中，当沉井被四四周土体箝固着而而刃脚下的土已被被掏空时，应验算算井壁接缝处的竖向拉应力。接缝处：混凝土不承受拉应应力而由接缝处的的钢筋承受，此时钢筋的抗拉安安全系数可采用1.25；同时并须验算钢钢筋的锚固长度。。井壁摩阻力可假定沿沉井全高高按倒三角形分布布，即在刃脚底面面处为零，在地面面处为最大，此时时最危险的截面在在沉井入土深度的的1/2处沉井外侧直立时的的井壁受拉计算图图按《公路桥涵地基与基基础设计规范》，最大竖向拉力Plmax一般取沉井全部部重力G的1/4，即实际工程中，沉井被卡住较为常见，也出现现过被拉裂的沉井井。验算建议值表8-2沉井竖向拉力计算算及其最小配筋率率沉井施工状态沉井结构或受其影响建筑物的安全等级与拉力计算取值纵向钢筋最小构造配筋率一级二级三级钢筋混凝土最小配筋率不宜于少0.1%；少筋混凝土不宜少于0.05%排水下沉0.50G0.30G0.25G不排水下沉0.40G0.25G0.20G泥浆套中下沉0.30G0.25G0.20G2）水平方向根据排水或不排水水的情况，沉井井井壁在水压力和土土压力等水平荷载载作用下，应作为为水平框架验算其其水平方向的挠曲曲。（1）验算刃脚根部以上，其其高度等于该处井井壁厚度t的一段井壁，依此设置该段的的水平钢筋。计算简图Q——由刃脚传来的剪力力，其值等于求算刃脚竖直外力时时分配于悬臂梁上上的水平力（kN/m）。（2）其余各段井壁的计算，可按井壁壁断面的变化,取每一段中控制设设计的井壁（位于于每一段最下端的单单位高度）进行计算。上部井段按照作用在水平框架上上的均布荷载q=W+E。然后用同样的计计算方法，求得水水平框架的最大弯弯矩M、轴向压力N、剪力Q，并据此设计水平平钢筋。11.4.3沉井刃脚验算沉井刃脚部分可分分别作为悬臂或水平框框架验算其竖向及水平平向的弯曲强度。。931）按悬臂梁计算刃脚竖直方向的挠挠曲强度此时，刃脚根部可以认为为与井壁嵌固，刃脚高度作为悬臂臂长度，并可根据以下两两种不利情况分别别计算：（1）当沉井下沉途中中，刃脚内侧已切入土土中深约1m;94①沿井壁的水平方向向取一个单位宽度度，计算作用在刃刃脚上的土压力E和水压力W。②作用在井壁单位位宽度上的摩阻力力T，取其最小值③刃脚下单位宽度上上土的垂直反力刃脚斜面上的土反反力联立方程式即可求求得V1和V2。④作用在刃脚斜面上上的水平反力U按下式计算：U的作用点在距刃脚脚底面1/3高处。⑤刃脚重力g按下式计算：⑥求得作用在刃脚上的所有外力力的大小、方向和和作用点之后，即可求算刃脚根部部处截面上每单位位周长内（井壁））的轴向压力N、水平剪力Q及对截面重心轴的的弯矩M。并据此计算在刃刃脚内侧的钢筋（竖直直）数量。（2）当沉井已沉到设计计标高，刃脚下的的土已被掏空，这这时刃脚处于向内内挠曲的不利情况况①计算刃脚外侧的土土压力和水压力。。②由于刃脚下的土土已被掏空，故刃刃脚下的垂直反力Rv和刃脚斜面水平反反力U等于零③作用在井壁外侧侧的摩阻力T④刃脚计算时重力g与前面相同⑤计算在刃脚外侧侧的钢筋（竖直））数量2）按封闭的水平框架架计算刃脚水平方向的挠曲强度作用在刃脚侧面上上的水平外力将由由悬臂梁和框架来来共同承担。分配系数公式如:悬臂作用:框架作用:11.5沉井的封底计算封底混凝土在基底底反力作用下，将将其当作支承于刃刃脚斜面及隔墙上上的周边支承板考虑；支承情况（简支或嵌固）和和计算强度在设计中应视具体体情况而定。1）规定（1）封底混凝土应承承受基底水和土的向上反力，此时时混凝土的龄期不不足，应降低容许应力；；（2）混凝土填实时，，计入井孔内填充充物的重力；（3）封底混凝土的厚厚度，一般不宜小小于1.5D；2）干封底及有关计计算（a）下有足够厚粘土土层；（b）待底板达到足够够强度后方停止降降水沉井可干封底的情情况(1)沉井刃脚停留在不不透水粘土层中不透水粘土层的厚厚度：A——沉井底部面积（m2）；——土的有效重度（即即浮重度）（kN/m3）；——刃脚下面不透水粘粘土层厚度（m）；c——粘土的粘聚力（kPa）；U——沉井刃脚踏面内壁壁周长（m）；（2）在沉井内设吸水鼓鼓并有良好滤层的情情况下降水，一直直降到钢筋混凝土底板足够承担地下水回回升后的水土压力力，方可拆除并封封闭降水管，在这这种情况下，可采用干封底。3）水下封底混凝土土的厚度计算封底要求是：（1）按最不利情况混凝土厚度：即即在沉井封底后，，将井内水排干，，在钢筋混凝土底底板尚未施工前。。（2）水下封底混凝土土最好不让其中出现拉应力。分配线相交于素素混凝土封底上，，可以认为不承受受拉应力。中央锅底挖深可形形成倒拱。110若出现拉应力，计计算方法：注意计算跨度；①周边简支支承的的圆板在承受均匀匀荷载时，可计算算板中心的最大弯弯矩值：②周边简支支承的双向板在承受均均布荷载时，计算算跨中弯矩Mx和My：简支支承双向板计计算简图③求出弯矩值后，封封底混凝土的厚度度——考虑封底混凝土因因与井底泥土掺混混需要增加的厚度，宜取0.3~0.5m；若基底采取铺块块石或碎石灌浆抹抹平处理后再封底底，可不考虑此增增加值。④封底混凝土剪应力力计算应加大封底混凝土土的抗剪面积。如在井壁和隔墙内内设置凹槽等。11.5.2沉井底板计算1）底板荷载计算A：沉井结构的最大大自重除以沉井外外围底面积的商，不计计井壁侧面摩阻力力。B：假定水压力全部部由钢筋混凝土底底板承受。土反力和水压力中中数值较大者2）沉井底板内力计计算内力可按单跨或多多跨板计算;边界支承条件,根据具体情况决定定;11.5.3沉井抗浮稳定验算算可能出现的最高地地下水位进行验算算,一般的沉井依靠自重获得抗浮浮稳定。在不计井壁摩阻力力的情况下，抗浮浮稳定验算公式为为：11.5.4沉井下沉对周围环环境的影响1）影响范围的确定定采用土坡稳定计算算方法乘以重要性性系数——影响范围内建筑物物安全等级的重要要性系数沉井偏斜表8-4沉井下沉影响范围围内建筑物安全等等级的重要性系数数重要性系数建筑物安全等级一级二级三级2.52.01.82）减少沉井对周围围土体破坏的措施施（1）增大沉井的下沉沉系数;使沉井刃脚插入土土中0.5-3.0m，以阻止土体从井井外向井向涌入。。（2）在粉细砂土层中中下沉沉井时，事事先压浆固结，使使粉细砂土固结。。（3）如沉井外流砂等等固结困难时，也也可采用不排水下下沉沉井;（4）及时进行回填（5）沉井等地下工程程施工前应作好充充分准备，施工速速度要快；（6）沉井下沉影响范范围内的重要建筑筑物应采取桩基或或地下连续墙等加加固措施，防止土土体破坏向建筑物物方向延伸。需要了解水平及竖直荷载作作用下的应力分布布：（非岩石、岩石地地基上沉井基础））简述图示沉井刃脚脚的钢筋分别由哪哪种最不利受力情情况确定?11.6南京长江四桥北锚锚碇沉井的下沉简简录11.11.1工程概况南京长江第四大桥桥采用双塔三跨钢钢箱梁悬索桥设计计结构，主跨1418m。其北锚碇基础为超大大陆上沉井，结构构规模庞大，其平平面尺寸（69×58m）为目前国内最大的陆地桥桥梁沉井。北锚碇效果图如如下图所示。沉井基础埋深52.8米，北锚碇的竖向剖面面由于北锚碇沉井所处位置濒临临长江大堤最近约80m，地质条件极为复复杂，沉井底部支支撑在密实的卵砾砾石层上，这都给沉井的的下沉施工带来诸诸多不确定因素。。在沉井下沉施工工中存在以下诸多多施工难点：⑴沉井位置处地地质以砂层为主，，且粉砂和细砂层层较厚，易出现涌砂等不利状况；⑵在沉井下沉后期，须穿过较厚的密密实砂层，地基承承载力较大，最终终沉井支撑在密实实的圆砾石层，仅仅靠自重下沉困难难；⑶施工中沉井一旦出现偏斜斜，纠偏困难；⑷沉井下沉施工工过程不可见，下下沉过程中抽水对长江大堤及及附近结构物有不同程度影响，必必须采用先进的监监控措施和施工控控制手段。工程施工技术难点点沉井基础设计(1)传统的沉井设计为为全截面内凹（10-20cm），而北锚碇沉井井首次在井壁设置置凹凸50cm的齿坎，在凹槽处处回填砂，随着沉沉井下沉被带入地地下形成砂套。(2)对南京四桥沉井井井壁加厚“增大沉沉井重度系数”的的助沉措施。沉井共分十一节，，除第一节为钢壳壳混凝土沉井外，，其余十节均为钢钢筋混凝土沉井。。沉井共分20个井孔。沉井标准准井壁厚2.0m，第一节沉井井壁壁壁厚2.1m，第七～十一节沉井井井壁加厚至2.5m；隔墙标准壁厚2.4m；顶板厚7.8～13.8m；封底厚度10m。沉井井壁及隔墙墙自第二节起加厚厚。⑴砂套助沉沉井井壁砂套设计计原理：通过设置置在井壁壁四周的的齿坎构构造，使使堆放在在沉井四四周的砂砂随沉井井下沉逐逐步回填填，松散散的回填填砂在井井壁凹槽槽范围内内隔绝井井壁与原原状土的的直接接接触，有有效减小小井周摩摩阻力。。与传统统的全断断面内凹凹相比，，既保证证了砂的的有效回回填，又又便于控控制沉井井下沉姿姿态。沉井井壁壁砂套原原理示意意图沉井凹槽槽处回填填砂现场场照片沉井凹槽槽处回填填砂现场场照片沉井下沉沉是一个个动态的的过程，，数据离离散性较较大，根根据土压压力的分分布规律律，对砂砂套凸起起和凹槽槽位置的的土压力力分别进进行线性性拟合。。结果表明明，砂套套凹槽位位置的土土压力明明显小于于砂套凸凸起位置置的土压压力，减减小约35%。沉井井壁壁土压力力实测数数值统计计实测拟合合土压力力和理论论计算静静止土压压力、主主动土压压力和被被动土压压力进行行了对比比，其中中土压力力的计算算对粘性性土采用用水土合合算，对对砂性土土采用水水土分算算。结果果表明，，实测拟合合结果远远远小于于被动土土压力；；砂套凹槽槽位置拟拟合结果果与主动动土压力力十分接接近，凸起位置置拟合结结果大于于静止土土压力。。数据表表明，砂砂套的设设置有效效减小了了井壁侧侧压力。。实测拟合合土压力力与理论论计算对对比极限摩阻阻力理论论值采用用静土压压力计算算，由图图中可以以看出，，沉井下下沉至30m时，考虑虑端阻的的下沉动动力基本本小于井井壁极限限侧摩阻阻力，下下沉困难难。而在沉井井实际下下沉过程程中（启启动空气气幕前，，刃脚标标高至-43.345前），沉沉井刃脚脚下土体体均未掏掏空，并并最少保保持约1m埋深，并并保持较较快的下下沉速度度。这说明极极限摩阻阻力理论论值比实实际作用用井壁侧侧摩阻力力要大，，进一步步验证的的砂套的的作用效效果。沉井下沉沉动力与与侧壁极极限摩阻阻力对比比图空气幕与与砂套组组合助沉沉在沉井下下沉至刃刃脚标高高-43.345m时，下沉沉困难，，为避免免大范围围内涌砂砂，减小小对长江江大堤的的影响，，开启空空气幕助助沉。压缩空气气通过气气龛向土土体扩散散的过程程中，总总是通过过土体最最薄弱的的通道通通向地表表，并非非完全贴贴井壁四四周上升升形成空空气帷幕幕，很难难达到理理想助沉沉效果。。由于砂套内均均为回填填松散砂砂，使压压缩空气气贴井壁壁向上扩扩散，大大提提高了空空气幕的的助沉效效果。砂套内压压缩空气气上升形形成的地地表气泡泡开启空气气幕助沉沉效果照照片(2)增重助沉沉北锚碇为为重力式式锚碇，，需要大大量的填填充混凝凝土压重重，通过过增重助助沉设计计适当增增加沉井井井壁及及隔墙厚厚度并相相应减少少压重混混凝土数数量，在在不增加加投入的的基础上上提高沉井下沉沉重度系系数（（（重力–浮力）/井周总面面积），，达到8.0，起到了了很好的的助沉效效果。11.11.2下沉方案案南京长江江四桥北北锚碇沉沉井体形形巨大，，结构复复杂，且且施工工工艺繁多多，考虑虑到工期期及长江江汛期的的影响，，通过8种不同工工况对沉沉井结构构应力计计算分析析，以更更合理的的安排沉沉井接高高下沉施施工工序序。计算分析析中采用用ABAQUS有限元计计算软件件，结算算结果如如下表所所示。工况工况情况沉井受约束情况沉井最大拉应力顺桥向横桥向工况1接高4节后，首次整体下沉限制刃脚处三个方向自由度1.62.3工况2接高4节后，首次整体下沉限制刃脚处竖向和平行井壁方向的自由度3.85.5工况3接高第5节，二次下沉限制刃脚处三个方向自由度1.01.3工况4接高第5节，二次下沉限制刃脚处竖向和平行井壁方向的自由度2.03.1工况5接高3节后，首次整体下沉限制刃脚处三个方向自由度2.03.1工况6接高3节后，首次整体下沉限制刃脚处竖向和平行井壁方向的自由度5.17.6工况7接高5节后，首次整体下沉限制刃脚处三个方向自由度1.72.3工况8接高4节后，首次整体下沉横桥向分区隔墙支撑0.072.3沉井下沉沉各种工工况受力力分析工况1、2是接高四四节首次次下沉的的结果，，工况5、6是接高三三节首次次下沉的的结果，，二者对对比发现现，在同同等条件件下，接接高三节节下沉时时沉井中中产生的的横桥向向和顺桥桥向主拉拉应力均均要大于于接高四四节下沉沉的情况况。因此此从受力力角度考考虑，采用首次次接高四四节下沉沉的方案案。根据以上上计算分分析，沉沉井结构构受力安安全隐患患阶段主主要位于于沉井首首次下沉沉阶段，，结合工工程实际际情况，，考虑到到长江汛汛期的影影响，最最终确定定北锚碇碇沉井前前四节接接高后，，整体采采取降排排水下沉沉施工，，后续沉沉井下沉沉施工，，已经进进入正规规的下沉沉轨道，，且结构构受力已已不存在在安全隐隐患。

计算工况刃脚踏面标高(m)

工况沉井重量(t)正面阻力(t)外侧面摩阻力(t)施工荷载(t)浮力(t)下沉系数K首节及第二节沉井混凝土浇注完成+0.8半刃脚支撑32709.014095.53060244.001.92全刃脚支撑32709.025788.03060244.001.14全截面支撑32709.060993.03060244.000.51施工第三、四节沉井接高系数61131.660993.03060244.000.96下沉沉井稳定-14.7半刃脚支撑61131.69982.417068.4244.002.27全刃脚支撑61131.618263.117068.4244.001.74全截面支撑61131.643195.217068.4244.001.02施工第五、六节沉井接高系数89512.943195.217068.4244.0176811.31.20下沉沉井稳定-24.7半刃脚支撑89512.911998.128032.2244.025014.91.62全刃脚支撑89512.921950.728032.2244.025014.91.30全截面支撑89512.952917.228032.2244.025014.90.80施工第七、八节沉井接高系数120005.252917.228032.2244.025014.91.18下沉沉井稳定-34.7半刃脚支撑120005.211324.342544.2244.042650.81.44全刃脚支撑120005.220718.142544.2244.042650.81.23全截面支撑120005.249001.842544.2244.042650.80.85施工第九、十、十一节沉井接高系数142623.649001.842544.2244.042650.81.09下沉沉井稳定-48.5半刃脚支撑142623.611324.364015.2244.056474.01.15全刃脚支撑142623.632493.164015.2244.056474.00.90全截面支撑142623.663682.764015.2244.056474.00.68接高、下沉系系数计算结果果汇总表北锚碇沉井前前四节21m高采用整体降降排水下沉施施工，于5月22日正式开始下下沉，6月2日结束，历时时10天，下沉深度度19.6m,日均下沉量达达1.96m，下沉过程顺顺利，沉井姿姿态良好，沉沉井整个降排排水下沉过程程中结构受力力是安全的。。下沉次数阶段组合接高/总高(m)单次/累计下沉深度(m)沉井刃脚底标（m）第一次⑴+⑵+⑶+⑷21/2119/19-14.7第二次⑸+⑹10/3110/29-24.7第三次⑺+⑻10/4110/39-34.7第四次⑼+⑽+⑾11.8/52.813.8/52.8-48.5沉井接高、下下沉组合表11.11.3下沉过程第二次下沉曲曲线第一次下沉曲曲线第三次下沉曲曲线第四次下沉曲曲线深水井降水北锚碇基坑涌涌水量约为Q=39230.93m3/d，经计算，要要保证前四节节沉井降排水水下沉，其深深水井数量要要求不小于28口。现场最终打设设了32口深水井（另另外，外圈4口井只在第五五、六节沉井井降排水和半半排水下沉施施工时用），，沿沉井周围围交错布置两两圈，井深35m。降水深井平平面布置见图图所示。深水井布置图图深水井现场打打设照片φ325mm孔径的降水管管井安装125m3/h水泵，φ273mm孔径的降水管管井安装80m3/h水泵。根据现现场沉井内泥泥面开挖深度度，确定水泵泵开启数量及及降水深度，，其中降水深深度通过安装装在降水井内内的自动水位位控制器进行行控制。深水井现场抽抽水照片根据计算结果果，指导现场场施工：在沉沉井下沉13m后形成大锅底底，然后以大大锅底的形式式下沉至-14.7m。确保了沉井首首次降排水下下沉施工过程程中结构受力力安全。沉井首次下沉沉采用先中间间，逐步扩展展向四周，最最后扩大到刃刃脚的对称均均衡开挖原则则。为确保沉沉井下沉初期期，整个沉井井的结构受力力安全，防止止造成沉井倾倾斜和突沉，，初次下沉拟拟采用逐步扩扩大的大锅底底方案：先将中间六个个井孔挖成一一个锅底，然然后在下沉过过程中逐渐开开挖形成大锅锅底。为确保前四节节沉井首次开开挖下沉时，，沉井结构受受力安全，针针对首次中间间6个小锅底开挖挖进行了有限限元模拟计算算。沉井接高后下下沉前照片高压水枪冲泥泥照片泥浆泵排泥照照片沉井降排水下下沉到位后照照片沉井终沉几何何姿态11.11.4监控成果部分仪器布置置示意图沉井降排水下下沉施工期江江堤沉陷量控控制长江大堤与沉沉井位置关系系图沉井降排水下下沉施工期江江堤沉陷量控控制江堤沉陷量控控制技术标准准：⑴沉井排水水下沉施工期期长江大堤堤堤顶沉降量不不大于堤坝高高度的1%，即累计沉降降量不大于45mm；⑵长江大堤堤不均匀沉降降不大于0.5%，即不均匀沉沉降量不大于于22.5mm。江堤防护预案案通过分析，南南京长江四桥桥北锚沉井排排水下沉施工工期降排水对对周边长江堤堤防等重要建建筑物的影响响，主要表现现在堤顶沉降降变形和堤基基下部渗透变变形两个方面面。经过研究分析析，制定了沉沉井沿长江大大堤侧设置隔水帷幕+回灌井的预案案。局部防渗帷幕幕+回灌方案图施工期江堤沉沉陷量⑴、前四节沉沉井降排水下下沉期间，大大堤累计最大大沉降量