五峰山长江大桥为千米级跨度的公铁两用悬索桥, 其北锚碇沉井长100.7m, 宽72.1m, 高56.0m, 沉井标准壁厚2.0m, 隔墙厚1.3m, 中间共设置48个矩形井孔 (见图1) 。沉井总计分10节, 第1节为钢壳混凝土沉井, 高8m;第2～10节为钢筋混凝土沉井, 其中第2节高6m, 第3～8节高均为5m, 第9节高4m, 第10节高8m。沉井顶面标高为 1.000m, 基底标高为-55.000m, 基底置于砂层中。

沉井分3次接高与3次下沉。第1次接高前3节, 采用排水辅助下沉至标高-13.000m;第2次接高第4～6节, 采用不排水下沉至标高-30.000m;第3次接高第7～10节, 采用不排水下沉至标高-55.000m。沉井下沉期间采用信息化施工监控手段, 确保沉井结构及周边建筑物安全。沉井接高与下沉具体组合如表1所示。

以往大型沉井基础大多采用从中间向四周对称开挖, 最终形成“大锅底”支承形式下沉。

五峰山长江大桥沉井基础若以“大锅底”方式进行开挖 (见图2) , 沉井在接高3节时, 由有限元分析结果 (见图3) 可知, 约束踏面处竖向位移及井壁侧向位移在自重荷载作用下, 混凝土拉应力达到10.4MPa (位于隔墙中间底部位置) , 按混凝土开裂后由钢壳承受进行折算, 则钢壳折算应力达到676MPa, 远远大于钢壳的抗拉强度设计值, “大锅底”开挖方式会造成沉井开裂。

十字拉槽开挖法下沉技术, 即在所有舱的隔墙与井壁底部同步掏槽, 不开槽部位保留隔墙及井壁支撑 (见图4) 。此方法通过逐步增加开槽宽度和深度, 控制沉井底面支撑均匀性, 来控制沉井姿态及底部钢壳混凝土拉应力, 确保沉井结构安全。但此方法只适用于排水下沉阶段。五峰山大桥沉井排水下沉阶段采用十字拉槽方法, 由有限元分析结果 (见图5) 可知, 开槽最大宽度7.0m, 混凝土理论最大拉应力由10.4MPa降低至1.69MPa, 作用显著。

分区开挖法即将超大型沉井隔舱分成对称的多个区域, 吸泥下沉时保留分区隔墙及井壁的支撑, 在各区域内形成“大锅底”形式, 减小超大型沉井因平面尺寸过大而造成的结构受力超限问题 (见图6) 。随着沉井的接高与下沉, 逐步减小沉井支撑面积。五峰山长江大桥沉井基础以分区开挖方式, 建立有限元模型并进行验算, 由结果可知 (见图7) , 沉井在接高第6节后分8个区开挖下沉至标高 -15.000m 时, 混凝土理论最大拉应力为1.78MPa。沉井在接高第10节后分4个区开挖下沉至标高 -45.000m 时, 混凝土理论最大拉应力为1.83MPa, 作用显著。

预留核心土开挖法即将大型沉井中间几个隔舱采取后开挖方式, 吸泥下沉时保留核心土隔墙及井壁的支撑。在核心土外区域内形成“大锅底”形式, 减少超大型沉井因平面尺寸过大而造成的结构受力超限问题。随着沉井的接高与下沉, 逐步减小核心土支撑面积 (见图8) 。

五峰山长江大桥沉井不排水下沉阶段采用了预留核心土滞后开挖方法, 经计算, 预留核心区12个舱下沉至标高 -15.000m时, 混凝土理论最大拉应力为1.29MPa。预留核心区4个舱下沉至标高 -45.000m 时, 混凝土理论最大拉应力为2.13MPa。与分区开挖相对比, 预留核心土开挖更利于取土控制及沉井姿态控制。

五峰山长江大桥北锚碇沉井不排水下沉阶段先采用预留核心土开挖方法 (见图9) , 直到沉井终沉阶段再采用“大锅底”开挖法。在底标高 -13.000～-20.000m预留核心区12个舱, 在底标高-20.000～-30.000m预留核心区8个舱, 在底标高-30.000～-45.000m预留核心区4个舱, 在底标高-45.000～-55.000m去掉核心土, 形成“大锅底”支撑方式。

将沉井分成7个区 (见图10) , E区为核心区, 最少为中间4个舱, 核心区隔墙刃脚埋深≤1.0m, 多余土方及时吸除。沉井7个区均匀吸泥下沉, 其中A, B, C, D各区开启设备数量由沉井姿态确定, F, G区开启设备数量与沉井挠度值相关, 根据需要调整。

1) 中间核心区井舱吸泥最大深度在隔墙踏面以下1m范围内, 相应隔墙埋深保持在0.2～1.0m。核心土开挖泥面控制如图11所示。

2) 核心区以外井舱吸泥最大深度在隔墙踏面以下3m范围内, 井壁埋深保持在0～2.0m, 各井孔泥面高差控制在2.0m内。施工过程中通过控制吸泥管长度来控制吸泥深度。

3) 控制井内水位高于井外水位≥2.0m。

4) 为确保沉井井壁刃脚不翻砂, 优先考虑井壁2.0m埋深, 只有当沉井中部土体全部吸除而不下沉 (核心土除外) 或纠偏时才可适当冲除井壁刃脚处土体。

通过实时监测平台及人工校核对沉井几何姿态、应力数据及周边建筑物的沉降等进行监测, 分析实时监测数据变化规律, 对施工状态进行评估, 对后续施工进行预判并提出预警, 便于制定应对措施。主要监测内容如表2所示。

沉井不排水下沉期间刃脚支撑条件必须与理论计算一致, 目前常用的泥面标高测量手段为人工用测绳测量, 此方法不能反映刃脚下泥面标高真实状态, 采用 Blue View 5000型三维图像声呐系统可生成水下地形、结构和目标物的高分辨图像 (见图12) 。

3) 空气幕辅助下沉 空气幕助沉措施是超大沉井下沉的重要辅助手段。空气幕沿高度方向布置应大于砂层总厚的2/3, 本项目布置高度为20m, 层距2m, 气眼孔间距2m。空气幕在沉井井壁每个面设置2～3段 (长边3段, 短边2段, 分10个独立区域) , 单段长度约30m。在整个沉井下沉过程中先在井内取土, 消除刃脚下土的抗力后再压气, 但不得过分取土而不压气, 压气时间不宜过长, 一般为10min/次。

五峰山北锚碇沉井不排水阶段采用预留核心土开挖工艺, 每日下沉0.54m, 在沉井下沉期间, 沉井受力状态较为复杂, 但整体应力变化平稳, 沉井应力始终可控。沉井终沉到位后各项指标优异, 均满足设计及规范要求, 具体数据如表3所示。

五峰山长江大桥北锚碇施工创新性地提出和采用了保持沉井多点支撑下沉的不排水预留核心土滞后开挖下沉法, 研发了信息化施工监测平台技术, 并在沉井施工中首次采用三维声呐探测立体成像技术, 多种方案的成功实施解决了巨型沉井施工过程中的世界级难题, 为以后超大沉井下沉施工开创全新的开挖方式, 此工程经验可为其他类似工程提供借鉴和参考。