大型沉井基础形式因经济性好、施工工序转换较少而在大型桥梁中得到广泛的应用。大型沉井首次下沉是决定沉井结构是否会发生破坏的关键阶段, 而大型沉井施工结构发生开裂较为常见。

目前针对大型沉井开展了很多研究, 也取得了不少成果。陈晓平等对海口某大型主墩沉井基础下沉全过程进行监测, 系统分析了沉井下沉过程中的受力特性, 建立了沉井下沉阻力的计算模型。杨灿文等对沉井基础施工关键技术进行了平面和空间受力分析, 得到沉井在施工阶段的受力特征。李家平等根据相似理论, 对宁波庆丰悬索桥重力式锚碇进行了室内相似模型试验, 得到了软土中锚碇自身和相邻土体的变位、土体中附加应力的分布变化规律。李明华等对沉井施工过程进行数值模拟分析, 评估施工安全性能、施工引起的环境效应及运营加载后锚碇基础的变形等。针对沉井施工过程以及施工完成运营阶段沉井结构应力、土体变形等已经开展了相关研究, 但对沉井首次下沉起始阶段支撑拆除方法及沉井结构应力情况并无涉及。

在已有研究成果的基础上, 以温州瓯江北口大桥南锚碇大型陆上沉井实际工程为背景, 对首次下沉支撑拆除方法进行计算分析, 优化拆除工艺, 为大型沉井实际施工提供指导。

温州瓯江北口大桥南锚碇沉井基础底面长70.4m、宽63.4m, 沉井沿竖向共分为13节, 沉井总高67.5m, 沉井井壁标准厚度为2.0m, 隔墙厚1.2m, 中间共设置30个10m×10.84m的矩形井孔, 沉井井身采用C35混凝土。沉井首次接高的4节采用排水下沉工艺, 首节为高8m的钢壳混凝土沉井;沉井第2节设置6m高的剪力键;沉井第3节高4m;沉井第4节高5m, 前4节总高23m。

由于锚碇沉井位于温州瓯江入海口, 地表为约40m厚的淤泥地层, 沉井接高前预先对地基进行砂桩处理, 置换率取36%, 处理深度36m, 处理完成后表层回填3m厚中粗砂, 并码设砂袋, 然后进行钢壳拼装及接高作业。4节沉井结构如图1所示。首节沉井除了设置钢壳, 还在井壁及隔墙底面配置32HRB400钢筋, 钢筋布置如图2所示。

根据设计施工图沉井底部配筋情况, 简化为深梁进行计算, 即不考虑剪力键外伸部分结构, 计算结果更加安全保守, 反推沉井底部所能承受最大拉应力。其中, 混凝土强度等级为C35, f_{cu, k}=35N/mm², f_c=16.72N/mm², f_t=1.575N/mm²。

所配钢筋为32HRB400, 材料性能:

底部配筋面积为:

相对界限受压区高度:

截面受弯构件受压区高度x按下式计算:

不考虑钢壳受拉作用, 仅考虑钢筋受拉, 在对底部所能允许的拉应力进行反推计算时, 需根据配筋逆向思维进行, 即先根据配筋求所允许弯矩, 根据弯矩求混凝土底部允许拉应力。接高4节沉井所能承受的最大弯矩M为:

接高4节沉井, 仅考虑配筋承受沉井底部受拉, 转化为沉井底部混凝土所能承受的最大应力σ为:

大型沉井常采用四锅底开挖下沉方法, 细分工序为: (1) 工序1先抽除井壁踏面混凝土垫块、回填砂; (2) 工序2分区隔墙混凝土垫块抽取、回填砂; (3) 工序3刃脚斜面砂袋抽取、回填砂; (4) 工序4非分区隔墙及节点砂袋抽除不回填 (工序4) , 形成锅底后进行四锅底开挖下沉。四锅底砂袋抽取、回填工序如图3所示。

1) 数值计算模型构建按照沉井实际尺寸构建沉井数值计算模型时, 计算模型考虑首节钢壳, 考虑到计算效率, 未构建沉井配筋。但根据前文考虑配筋沉井所能承受抗力, 转化为混凝土所能承受最大拉应力与数值计算结果进行对比, 间接考虑钢筋配筋, 降低数值计算难度, 所构建4节沉井数值计算模型如图4所示。

2) 数值计算分析采用荷载结构法, 按照沉井四锅底施工工序, 对沉井进行计算分析, 沉井各工序应力云图如图5所示, 相应计算结果如表1所示, 四锅底施工工序最大拉应力为4.06MPa, 超过了沉井能承受的极限抗拉强度3.62MPa, 沉井存在开裂风险。

沉井四锅底开挖存在开裂风险, 不能满足沉井施工安全, 需调整沉井施工工艺。当沉井在支撑转化过程中的结构应力超过限值时, 较为安全的方法为增加额外支撑, 减小沉井悬空跨度, 进而达到减小沉井结构应力的目的, 但该方法需预先选定部分隔墙或节点进行砂袋抽取, 然后回填或设置可靠支撑, 工序较繁琐。考虑上述因素, 提出调整沉井支撑转化顺序, 不进行额外支撑的四锅底结合去除沉井四角的施工方法。细分工序为: (1) 工序1先抽除井壁踏面混凝土垫块、回填砂; (2) 工序2分区隔墙混凝土垫块抽取、回填砂; (3) 工序3刃脚斜面砂袋抽取、回填砂; (4) 工序4隔墙节点砂袋抽除不回填; (5) 工序5沉井井壁四角砂袋抽取不回填; (6) 工序6沉井普通隔墙砂袋抽取不回填, 转换完成沉井支撑状态如图6所示。

根据砂袋抽取、回填工序对沉井结构应力进行计算分析, 对计算结果进行统计如表2所示。

沉井混凝土最大拉应力为2.83MPa, 小于考虑配筋混凝土最大抗拉强度标准值3.62MPa, 满足沉井结构安全需要。

根据计算分析结果, 在实际施工过程中先后对刃脚踏面混凝土垫块、分区隔墙混凝土垫块进行抽取并回填砂, 抽取并回填刃脚斜面砂袋, 对非分区隔墙砂袋进行抽取作业。沉井支撑转换现场施工如图7所示。

沉井在混凝土垫块、砂袋半刚性支撑转化为土层柔性支撑的过程中无裂缝, 解决了大型沉井施工结构开裂难题, 取得了良好的施工效果。

1) 考虑沉井配筋并转换为混凝土抗拉强度, 沉井所能承受的最大抗拉强度标准值为3.62MPa。

2) 若采用传统的四锅底支撑转换方法, 沉井混凝土最大拉应力为4.06MPa, 超过了考虑配筋沉井最大抗拉强度标准值。

3) 四锅底去除井壁四角支撑转换方法, 沉井混凝土最大拉应力为2.83MPa, 小于考虑配筋混凝土最大抗拉强度, 满足沉井结构安全需要。

4) 沉井在支撑转换全过程中无裂缝, 解决了大型沉井结构开裂难题。