跨海橋大型設(shè)置沉井定位沉放施工方案探討

李志輝， 樊立龍， 趙振豐

（中國鐵建大橋工程局集團有限公司，天津 300300）

0 引言

設(shè)置沉井基礎(chǔ)因其大型整體化、預(yù)制模塊化、施工裝備大型化、自動化等方面發(fā)展，減少施工難度、提高施工質(zhì)量、提高施工工效，縮短工期、承載力高、整體剛度大等性能，已成為深海急流、強風(fēng)浪等惡劣海洋環(huán)境下跨海橋梁修建基礎(chǔ)形式［1］。設(shè)置基礎(chǔ)由于具有眾多優(yōu)勢，其建造技術(shù)也得到了很大的發(fā)展和應(yīng)用，20世紀(jì)80～90年代開始在日本和丹麥等國外跨海連島橋梁工程應(yīng)用不斷增多；在我國橋梁建設(shè)中，設(shè)置沉井基礎(chǔ)應(yīng)用較少，其中2006年建成的澎湖望安將軍跨海大橋兩個主墩設(shè)置基礎(chǔ)直徑22m，將預(yù)制好的沉箱拖至墩位灌水沉放，沉箱底部的空隙灌漿固［2］；2015年建成的大連星海灣跨海大橋錨碇基礎(chǔ)設(shè)計采用設(shè)置沉箱，沉箱船塢內(nèi)預(yù)制，拖至墩位處采用兩個小沉箱、拖船以及吊船輔助配合精確定位安裝［3］；2020年建成的蕪湖長江公鐵大橋3#墩沉井基礎(chǔ)采用重型錨碇系統(tǒng)及調(diào)平系統(tǒng)進行精確定位著床［4］。隨著深水設(shè)置基礎(chǔ)的設(shè)計施工技術(shù)逐漸成熟，設(shè)置基礎(chǔ)技術(shù)創(chuàng)新推廣到水深、急流、軟弱覆蓋層的深海橋梁建設(shè)。

綜合考慮西堠門公鐵兩用大橋地形、地質(zhì)條件的適用性，金塘島側(cè)基礎(chǔ)設(shè)計采用設(shè)置沉井基礎(chǔ)［5］，文中主要通過分析沉井定位的時機、風(fēng)險，制定風(fēng)險措施，并對多種沉井定位方案進行優(yōu)缺點分析，提出沉井施工注意事項，研究解決設(shè)置沉井施工難題。

1 工程概況

1.1 工程簡介

擬建的西堠門公鐵兩用大橋為寧波至舟山鐵路、甬舟高速公路復(fù)線跨越西堠門水道的共用跨海橋梁，連接金塘島和冊子島。橋位處水域?qū)挾葹?.7km，最大水深93m，大于80m水深范圍約700m，大于60m水深范圍約1040m，西堠門公鐵兩用大橋通航船型按3萬噸級考慮，單孔雙向通航凈寬為850m。

金塘島側(cè)4#主塔基礎(chǔ)，位于碗盞礁，最大水深28m，高差5m裸巖，設(shè)置沉井基礎(chǔ)，直徑58m，高36m，結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 設(shè)置沉井基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

西堠門公鐵兩用大橋橋址區(qū)屬亞熱帶海洋季風(fēng)氣候，同時又屬于大陸性氣候向海洋性氣候過渡區(qū)，風(fēng)向有明顯的季節(jié)性變化；是易受臺風(fēng)影響的地區(qū)，臺風(fēng)平均每年3.9個，瞬時風(fēng)速＞40m/s，主要集中在7～9月，大橋10m高處100年一遇設(shè)計基本風(fēng)速Vs10=44.8m/s。大橋金塘島側(cè)4#主塔基礎(chǔ)，位于碗盞礁，最大水深28m；潮汐性質(zhì)多為半日潮，重現(xiàn)期20年設(shè)計潮差4.52m；海區(qū)的潮流性質(zhì)為不規(guī)則半日潮流，百年重現(xiàn)期設(shè)計流速4.3m/s，浪高達8.81m［6］。

1.2 施工重難點

受橋位處具有風(fēng)大、浪急、水深特點，加上潮汐等因素影響，大直徑鋼沉井運輸、定位以及下放安全風(fēng)險大；鋼沉井下放定位精度以及現(xiàn)場混凝土質(zhì)量控制難度大。

2 沉井沉放時機與風(fēng)險分析

2.1 時機分析

通過橋址區(qū)氣象、水文資料，橋址區(qū)1月和11～12月強冷空氣頻繁，而8～10月為臺風(fēng)期。在不同月份風(fēng)浪特性差別較大，在3～6月份有效波高小于0.9m的出現(xiàn)頻率較多，均超過了80%，周期在3～6s出現(xiàn)頻率超過了75%。在7～9月份波高普遍增大，且有6～9s的周期出現(xiàn)的頻率也有所增加。

綜合氣象、水文條件，考慮現(xiàn)場施工安全，建議沉井定位和沉放選擇風(fēng)浪相對小的3～6月份，在提取數(shù)據(jù)的風(fēng)浪分析同時可以看到，3、4和6月份也會出現(xiàn)6～7s的周期，在5月份也會出現(xiàn)7～8s的周期，但出現(xiàn)的頻率比較低。從浮運、沉放過程沉井受力的分析可以得出，周期為8s時沉井受力是周期為5s時的2倍，相對長周期對拖輪自身的作業(yè)條件也會產(chǎn)生比較大的影響。可選擇波高小于0.5m與周期小于5s同時滿足時進行定位沉放作業(yè)。

2.2 風(fēng)險分析

4#主塔基礎(chǔ)位于水下暗礁碗盞礁處，水深約17～27m，采用設(shè)置沉井基礎(chǔ)。鋼沉井在工廠整體制造完成后，拖輪綁帶拖運至橋位現(xiàn)場、錨碇定位、灌水下沉，并落底安放至已整平合格的地基上。

施工風(fēng)險1：橋區(qū)處風(fēng)大、多向不規(guī)則往復(fù)潮流等自然條件下承擔(dān)風(fēng)力、波流力等荷載，再加上過往船只的擺動影響，鋼沉井在出船塢、長距離浮運、初步就位、定位系統(tǒng)轉(zhuǎn)換、初步定位、精定位、注水下沉著床過程中存在安全風(fēng)險。

施工風(fēng)險2：沉井著床定位前，沉井受波浪海流產(chǎn)生的波浪力影響，定位著床過程存在平面位置偏差的風(fēng)險。

施工風(fēng)險3：沉井定位錨碇體系龐大，受漲落潮影響，存在定位系統(tǒng)受力不均和超載的風(fēng)險。

2.3 施工風(fēng)險措施

施工措施1：超大型波浪水槽內(nèi)開展沉井浮運、沉放進行模擬試驗，采用布爾運算在MOSES中建模如圖2所示，并利用MOSES水動力軟件分析受力特性，掌握沉井浮運全過程運動性能，提出控制沉井浮運穩(wěn)定措施及浮運時機；通過規(guī)范計算、CFD數(shù)值模擬和部分組次下的物理模型試驗驗證相結(jié)合的手段，得到靜水阻力及阻力系數(shù)，為后續(xù)選擇拖航配置提供數(shù)據(jù)來源和技術(shù)支持。

圖2 MOSES模型分析

施工措施2：實測并掌握沉井定位期間水文條件變化規(guī)律及其對沉井剛體平面位移影響規(guī)律，選著合適時段快速著床。

施工措施3：通過掌握多向潮流的變化規(guī)律，根據(jù)潮流的特點設(shè)計布置定位系統(tǒng)錨墩數(shù)量及結(jié)構(gòu)，并針對定位系統(tǒng)在每個狀態(tài)下分析計算，確保沉井施工各個狀態(tài)下有效可控。

施工措施4：在沉井定位、沉放施工中，對沉井的定位、沉放著床施工中搭載沉井監(jiān)控云平臺，利用信息化手段確保實現(xiàn)沉井施工全過程的“可測、可視、可管、可控”。

3 沉井定位沉放方案

國內(nèi)外修建公鐵跨海大橋施工過程中面臨大風(fēng)、大浪、流急、裸巖地質(zhì)等惡劣環(huán)境，考慮鋼沉井定位、沉放施工承受的水流力及風(fēng)力荷載，參考蕪湖長江公鐵大橋等［7］橋梁沉井定位、沉放施工經(jīng)驗，對混凝土重力錨定位［8］、靠墩+錨墩定位以及靠墩+錨墩+混凝土錨碇組合錨定位3種方案進行探討分析。

3.1 混凝土重力錨定位

主錨共12個1000t混凝土重力錨，兩側(cè)對稱布置，邊錨共4個1500t混凝土重力錨，兩側(cè)對稱布置，總共16個混凝土重力錨，如圖3所示。

圖3 混凝土重力錨定位布置圖

混凝土錨碇與錨繩連接后，采用輸船將混凝土錨碇（包含對應(yīng)的錨鏈）運至設(shè)計位置附近時，再利用浮吊將錨碇吊放至設(shè)計位置，錨繩另一端拖至相應(yīng)浮標(biāo)處系在浮標(biāo)上。

利用拖輪將鋼沉井拖運至墩位附近。利用浮吊將錨碇拉纜與沉井相連，利用沉井上的卷揚機調(diào)整拉纜系統(tǒng)，使沉井精確定位，利用吸泥船清理下方淤泥，沉井注水下沉，直至著床。

3.2 靠墩+錨碇定位

總共布置4個錨墩，4個邊錨平臺和一個靠墩，錨墩和靠墩均采用6根2.2m鉆孔灌注樁，樁頂采用鋼筋混凝土承臺，靠墩A和平臺連成整體，如圖4所示。

圖4 靠墩+錨碇定位布置圖

利用浮吊施工錨墩鉆孔灌注樁，并在鉆孔樁上澆筑承臺。在沉井周邊上端安裝拉纜，在沉井周邊下部安裝邊纜。其施工順序：靠墩、錨墩施工→鋼沉井下水拖至墩位下游→利用浮吊將拉纜F/F'與沉井連接→落潮時依靠拖輪及拉纜向墩位推進→利用浮吊將拉纜拉纜E/E'、G/G'、D/D'與沉井連接→連接邊纜收纜平臺B、C上的拉纜以及收纜平臺H、I的拉纜→張拉邊纜B'、C'、H'、I'靠近靠墩A并與沉井連接→調(diào)整邊纜、拉纜，進行初定位→鋼沉井注水下沉至定位狀態(tài)→鋼沉井精定位→確定時機注水著床。

3.3 靠墩+錨墩+混凝土錨碇組合錨定位

總共布置2個錨墩，4個混凝土錨，4個邊錨平臺和1個靠墩，錨墩和靠墩均采用6根2.2m鉆孔灌注樁，混凝土錨采用1000t，樁頂采用鋼筋混凝土承臺，靠墩和平臺連成整體，如圖5所示。

圖5 靠墩+錨墩+混凝土錨組合錨定位布置

錨墩基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，錨墩平臺采用混凝土結(jié)構(gòu)。錨墩與沉井之間的拉纜及兜纜均采用鋼絲繩，通過鋼絲繩與沉井連接。其施工順序：組合錨施工→鋼沉井下水→拖輪就位與鋼沉井連接→拖輪拖拉鋼沉井至墩位處下游→利用浮吊及拋錨船牽引混凝土重力錨D、E、錨墩F、G上下拉纜與鋼沉井連接→鋼沉井緩慢靠近A錨墩并停泊→連接靠墩A及B、C、H、I邊錨平臺上下拉纜→鋼沉井初定位→鋼沉井注水下沉至定位狀態(tài)→鋼沉井精定位→確定時機注水著床。

3.4 方案優(yōu)缺點

通過3種定位沉放方案進行分析，其定位沉放方案優(yōu)缺點見表1。

表1 定位方案優(yōu)缺點

選用何種定位方案，需考慮設(shè)置邊纜能否調(diào)整沉井位置，并承擔(dān)水流力及風(fēng)力荷載，能否有效解決大直徑鋼沉井在定位沉放中受大風(fēng)、急流的沖擊從而引起大直徑鋼沉井精確定位沉放的難題，能否有效控制鋼沉井的平面位置，實現(xiàn)鋼沉井精確定位沉放［9］。

3.5 分析討論

沉井浮運和下沉到設(shè)計位置后，其平面位置及垂直度都有嚴(yán)格的要求。因此要求沉井在著床前必須定位準(zhǔn)確，通過分析研究沉井的自浮部分在水中受水流力、波浪力、風(fēng)荷載等荷載的影響會在水中漂浮不定，為了保證沉井能夠固定并能精確定位于一個設(shè)計指定的位置上，必須設(shè)置沉井的定位錨碇系統(tǒng)，以此來對沉井進行固定和位置的調(diào)整，方可保證沉井著床前定位精確，著床后平面位置及垂直度滿足相關(guān)規(guī)范要求。綜合考慮3種方案的施工難易程度、剛度、外界環(huán)境的影響、施工安全及質(zhì)量等因素，推薦采用靠墩+錨墩+混凝土錨碇組合錨定位方案，具有剛度大、定位精度高、質(zhì)量易得到保證。

4 結(jié)語

（1） 考慮橋址處惡劣施工環(huán)境，設(shè)置基礎(chǔ)鋼沉井浮運時間可以選在波高相對較小的3～6月份，通過氣象和水文的預(yù)報系統(tǒng)找到波高小于0.5m，同時周期小于5s的小潮期進行作業(yè)。

（2） 在沉井下沉和定位過程中可針對沉井下沉不同位置時錨定系統(tǒng)受力分析進行研究，利用相關(guān)計算機軟件等手段模擬分析沉井下沉不同位置時，在不同風(fēng)、浪、流等動力條件下錨定系統(tǒng)受力以及沉井的運動量去指導(dǎo)現(xiàn)場施工。