滬通長(zhǎng)江大橋主航道橋超大鋼沉井定位方案比選

林長(zhǎng)青

（中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司工程管理中心，北京 100844）

隨著跨江、跨海特大型橋梁建設(shè)的發(fā)展，深水大型基礎(chǔ)應(yīng)用逐漸增多，而沉井基礎(chǔ)作為大跨度橋梁中較為常用的基礎(chǔ)形式之一，有著廣泛的應(yīng)用前景。深水鋼沉井的定位著床施工難度大，鋼沉井懸浮于水中，受水流力、波浪力、風(fēng)力等外界因素的影響大，定位的精度控制難度大，不確定因素多。由于大型沉井下沉過程中糾偏施工困難，往往很難達(dá)到預(yù)期效果，而鋼沉井的定位精度直接決定著床精度，而著床精度對(duì)后期施工至關(guān)重要。因此，鋼沉井定位施工的精度控制是深水沉井施工的重要一環(huán)，定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到鋼沉井的定位精度，值得深入研究［1］。

1 工程概況

滬通長(zhǎng)江大橋是滬通鐵路的控制性工程，位于江陰長(zhǎng)江大橋下游45 km，蘇通長(zhǎng)江大橋上游40 km。主航道橋采用雙塔五跨連續(xù)鋼桁梁斜拉橋，孔跨布置為（140+462+1 092+462+140）m，見圖1。主橋6個(gè)橋墩均采用沉井基礎(chǔ)。其中，28#，29#主墩采用倒圓角的矩形沉井基礎(chǔ)，沉井井身頂面平面尺寸為86.9 m×58.7 m［2］。28#墩沉井總高105 m，其中鋼沉井高44 m，橋位處水深19.9 m（按施工水位標(biāo)高+3 m計(jì)算）。29#墩沉井總高115 m，其中鋼沉井高56 m，橋位處水深31.4 m（按施工水位標(biāo)高+3 m計(jì)算）［3］。鋼沉井均在橋位附近一次性制作完成，整體浮運(yùn)至墩位后定位著床，28#主墩鋼沉井浮運(yùn)定位總重量約1.45×105kN，29#主墩鋼沉井浮運(yùn)定位總重量約1.69×105kN［4］。主墩沉井結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1 滬通長(zhǎng)江大橋主航道橋總體布置（單位：m）

圖2主墩沉井結(jié)構(gòu)（單位：cm）

2 沉井定位方案

國(guó)內(nèi)已建成采用深水沉井基礎(chǔ)的大橋有泰州長(zhǎng)江大橋、銅陵長(zhǎng)江大橋、楊泗港長(zhǎng)江大橋、滬通長(zhǎng)江大橋等，隨著深水沉井基礎(chǔ)的成功修建，施工過程中的風(fēng)險(xiǎn)、控制關(guān)鍵點(diǎn)逐步被了解。鋼沉井體量逐步加大，鋼沉井定位技術(shù)從較為“柔性”的上下游采用定位船體系及邊錨采用海軍錨或霍爾錨的體系，逐步發(fā)展為“半剛性”的上下游錨墩及邊錨采用海軍錨或霍爾錨的體系［5］。隨著鋼沉井體量進(jìn)一步增加，針對(duì)滬通長(zhǎng)江大橋主墩鋼沉井定位著床提出了2 種定位方案：①在矩形鋼沉井4 個(gè)角點(diǎn)外一定距離各布置1 個(gè)錨墩的錨墩方案；②在鋼沉井上下游側(cè)布設(shè)鋼錨樁，兩邊布置重力式邊錨的錨樁+重力式邊錨的方案。這2 種方案采用的定位系統(tǒng)剛性較大，可稱為“剛性”定位系統(tǒng)［6］。

本文主要針對(duì)適用于大型深水鋼沉井定位的錨墩體系、錨樁+重力式邊錨的體系進(jìn)行比較，研究其適用性及優(yōu)缺點(diǎn)，重點(diǎn)分析可行性、經(jīng)濟(jì)性以及施工操作性。因28#，29#主墩沉井結(jié)構(gòu)相似，僅以28#墩為例進(jìn)行說明。

2.1 錨墩定位方案

28#主墩鋼沉井水中定位的錨墩定位技術(shù)，采用在鋼沉井的4 個(gè)角點(diǎn)各布置1 個(gè)錨墩承受鋼沉井的水平力。錨墩采用大型鋼管樁作為基礎(chǔ)主要承力結(jié)構(gòu)，錨墩上采用型鋼等鋼結(jié)構(gòu)把鋼管樁連接成整體并作為操作平臺(tái)。在錨墩上布設(shè)卷?yè)P(yáng)機(jī)或連續(xù)式千斤頂，利用纜繩連接鋼沉井與錨墩，通過錨纜的收放達(dá)到調(diào)整鋼沉井平面位置及姿態(tài)的目的。錨纜調(diào)整的過程中采用拉力監(jiān)測(cè)設(shè)備監(jiān)控錨纜的受力，從而實(shí)現(xiàn)錨纜之間均勻受力、沉井姿態(tài)滿足要求。鋼沉井錨墩定位方案的平、立面施工圖見圖3。

圖3 鋼沉井錨墩定位方案的平立面施工圖（單位：cm）

2.2 錨樁+重力式邊錨方案

錨樁+重力式邊錨系統(tǒng)設(shè)計(jì)為主錨錨樁+重力型邊錨的形式，見圖4。錨碇系統(tǒng)具體布置形式為：距離沉井中心上下游方向各200 m 的位置布置4 根定位鋼錨樁構(gòu)成主錨錨樁，距鋼沉井中心南北方向各219 m的位置布置4 個(gè)蛙式重力錨組成邊錨錨碇，錨樁及錨碇與鋼沉井之間用錨纜連接［7］。主錨鋼錨樁鋼材為Q345，直徑為3.5 m，壁厚32 mm。單根鋼錨樁長(zhǎng)55 m，重量為1 678 kN，插打入土深度約30 m。邊錨錨碇采用蛙式重力錨，重力錨為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，單個(gè)錨碇重量為8 000 kN。鋼沉井錨纜采用特制直徑為110 mm的鋼絲繩，破斷力為8 960 kN，錨樁和重力錨的設(shè)計(jì)承載力均為3 500 kN［8］。

圖4 錨樁+重力式邊錨定位系統(tǒng)布置（單位：cm）

定位系統(tǒng)上下游主錨樁分別由2 根上拉纜和2 根下拉纜組成。上拉纜直接從錨樁通過鋼沉井頂面導(dǎo)纜器與沉井頂面鋼絞線連接；下拉纜通過設(shè)置在距沉井底面15 m 的下導(dǎo)向輪和設(shè)置在沉井頂面的上導(dǎo)向輪，與沉井頂面的鋼絞線連接。邊錨兩側(cè)共8 根均為上拉纜，錨纜從蛙式重力邊錨直接穿過沉井頂面的導(dǎo)纜器與鋼絞線連接，鋼絞線穿過固定在沉井頂面四周的16 套3 500 kN 的穿心式千斤頂。錨纜的收放通過連續(xù)穿心式千斤頂收放鋼絞線帶動(dòng)錨纜予以實(shí)現(xiàn)，錨樁、錨碇位置固定。通過收放錨纜調(diào)整鋼沉井的平面位置，每個(gè)千斤頂均安裝應(yīng)力傳感器，可以實(shí)時(shí)采集錨纜的受力，通過千斤頂收放錨纜實(shí)現(xiàn)沉井姿態(tài)調(diào)整［9］。

2.3 鋼沉井精準(zhǔn)定位后續(xù)施工

主墩鋼沉井通過定位系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制其位置，同時(shí)注水下沉。通過定位系統(tǒng)各個(gè)方向上的錨纜對(duì)鋼沉井平面位置進(jìn)行調(diào)整，然后通過上下拉纜及各隔艙的注水量綜合調(diào)整沉井定位姿態(tài)。定位分初定位和精確定位2階段。鋼沉井初定位在鋼沉井錨碇系統(tǒng)布置完成之后進(jìn)行，精確定位通過注水泵注水下沉至距離河床2 m處時(shí)進(jìn)行。

鋼沉井局部著床后立即檢查其平面位置、垂直度，調(diào)整沉井平面姿態(tài)。然后根據(jù)河床沖刷情況對(duì)鋼沉井內(nèi)采取偏心注水的措施，直至刃腳進(jìn)入河床不再下沉為止。隨時(shí)監(jiān)測(cè)河床面形態(tài)，適時(shí)啟動(dòng)空氣吸泥機(jī)，進(jìn)行局部吸泥。通過吸泥及沉井姿態(tài)調(diào)整，使鋼沉井下沉至穩(wěn)定深度［10］。

3 方案比選

3.1 技術(shù)性

鋼沉井水中定位過程中主要受水流力、風(fēng)力、波浪力等影響。其中影響最大的為水流力，水流力分為順?biāo)鞣较虻牧蜋M水流方向的渦流激振力。順?biāo)鞣较虻乃髁τ?jì)算理論較為成熟，可比較準(zhǔn)確的計(jì)算出鋼沉井的受力。橫水流方向的渦流激振力由于受河床暗流等諸多因素影響，較難準(zhǔn)確計(jì)算，并且其對(duì)鋼沉井定位施工影響較大，在確定定位方案時(shí)要重點(diǎn)考慮。

錨墩［3］定位方案是在沉井4 個(gè)角點(diǎn)外一定距離各布置1個(gè)錨墩，利用錨墩整體性好、可承受荷載大的特點(diǎn)，通過錨墩與鋼沉井之間的錨纜受力抵抗鋼沉井受到的各種外力。因?yàn)殄^纜受力方向與水流方向有一定夾角，在順?biāo)?、橫水流作用下，錨纜拉力較大，從而對(duì)錨墩承載能力要求較高。此外，錨墩定位方案的操作平臺(tái)在錨墩上，其頂面要布設(shè)若干張拉設(shè)備，需要的工作面較多。錨墩方案系纜裝置配套數(shù)量多，定位收纜時(shí)間長(zhǎng)，沉井加固量大，成本較大，且錨墩在四角設(shè)置，調(diào)整沉井位置亦相對(duì)困難。

錨樁+重力式邊錨的定位方案是在鋼沉井上下游側(cè)各插打4 根定位鋼管樁（錨樁），兩邊各沉放4 個(gè)鋼筋混凝土重力錨，在錨樁和重力錨與鋼沉井之間通過錨纜連接。因?yàn)殄^纜受力與水流力方向一致，因此，錨纜的拉力相較錨墩錨纜拉力會(huì)相應(yīng)減小。錨樁+重力式邊錨定位方案的操作平臺(tái)利用了沉井頂面，不需單獨(dú)搭設(shè)操作平臺(tái)。

上述2種方案在技術(shù)性上均可滿足施工需要及鋼沉井精確定位的要求。

3.2 經(jīng)濟(jì)性

錨墩定位方案由于要考慮錨墩承受很大的水平力，又要兼顧鋼沉井定位操作平臺(tái)，因此材料用量大，搭設(shè)時(shí)間長(zhǎng)。以28#主墩鋼沉井錨墩定位系統(tǒng)為例，要搭設(shè)滿足受力和施工工作面要求的錨墩平臺(tái)用鋼量約為17 067.2 t，綜合費(fèi)用約1.1億元。

錨樁+重力式邊錨定位方案由于受力明確，施工方便，不需要單獨(dú)搭設(shè)操作平臺(tái)，因此材料用量不大，搭設(shè)時(shí)間較短。以28#主墩鋼沉井錨樁+重力式邊錨定位系統(tǒng)為例，上下游8根鋼錨樁重量約為13 600 kN，4個(gè)混凝土重力錨重量約為36 000 kN，綜合費(fèi)用約4 000萬(wàn)元。

通過對(duì)2種方案的對(duì)比分析可知，錨樁+重力式邊錨定位方案的經(jīng)濟(jì)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于錨墩定位方案。

3.3 施工操作性

錨墩定位方案在沉井定位施工中，4 個(gè)錨墩平臺(tái)均為獨(dú)立的操作系統(tǒng)，在水中且距離較遠(yuǎn)。鋼沉井定位及著床前的精確定位要協(xié)調(diào)各個(gè)操作平臺(tái)快速調(diào)整錨纜受力以達(dá)到調(diào)整沉井姿態(tài)的目的。在錨墩定位方案中施工操作難度大。

錨樁+重力式邊錨定位方案操作平臺(tái)在沉井頂面，僅1 個(gè)操作平臺(tái)即可控制4 個(gè)方向的錨纜張拉力實(shí)現(xiàn)沉井姿態(tài)的調(diào)整，既方便又快速。

通過對(duì)比分析可知，錨樁+重力式邊錨定位方案在施工操作性上遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于錨墩定位方案。

4 結(jié)論

通過技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)性、施工操作性三方面對(duì)比分析可知，錨樁+重力式邊錨定位方案在各個(gè)方面均優(yōu)于錨墩定位方案。該方案具有結(jié)構(gòu)受力明確、設(shè)備材料可重復(fù)使用、易于施工的特點(diǎn)，但需要配套研發(fā)大噸位收纜裝置及配套系統(tǒng)。

錨樁+重力式邊錨在施工過程中的實(shí)際應(yīng)用，證明了該方案在水深流急的復(fù)雜水域工況下是能夠滿足超大型鋼沉井定位施工需要的，且經(jīng)濟(jì)性、施工可操作性非常好，有很好的推廣價(jià)值。