銅陵公鐵兩用長江大橋深水特大型沉井基礎(chǔ)施工技術(shù)

邱瓊海

(中鐵大橋局集團第二工程有限公司，南京 210015)

1 工程概況

1.1 概述

銅陵公鐵兩用長江大橋為主跨630 m雙塔斜拉橋，跨度布置:(90+240+630+240+90)m，全長 1 290 m。主橋下層為4線鐵路，上層為6車道高速公路。斜拉橋主墩為3號和4號墩，其中3號墩采用沉井基礎(chǔ)，位于長江主河槽北側(cè)，該處河床面最低高程為-34.24 m，施工最大水深超過40 m。3號墩深水沉井基礎(chǔ)施工是整個合福鐵路的關(guān)鍵控制點之一。

1.2 沉井基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式

3號主墩采用圓端形沉井基礎(chǔ)，平面尺寸62 m×38 m，沉井平面分16個井孔，井壁厚1.6 m，隔艙壁厚1.2 m。沉井總高度 68 m，頂高程為+6.0 m，底高程為-62.0 m。沉井下部為50 m高鋼沉井，上部為18 m高鋼筋混凝土沉井。封底混凝土厚12 m。沉井結(jié)構(gòu)形式見圖1。

1.3 地質(zhì)條件

3號墩沉井區(qū)域覆蓋層工程地質(zhì)特征自上而下分布情況如下。

粉砂:灰黃色，飽和，松散狀。

粉質(zhì)黏土:灰黃色、灰色，硬塑狀，質(zhì)不均，夾粉土、粉砂薄層，頂部混雜植物根系。

細圓礫土:灰色、灰黃色，飽和，密實狀，含50% ～75%卵礫石，局部含膠結(jié)層。

1.4 水文特征

墩位所在河道屬于感潮河段，潮差30 cm左右，主要受長江徑流控制，水位年內(nèi)變幅較大。歷年最高水位為+14.70 m，歷年最低水位+1.25 m，多年平均水位+6.75 m，橋址斷面20年一遇洪水水位+12.01 m，最大流速 2.8 m/s。

圖1 沉井結(jié)構(gòu)(單位:cm)

2 工程特點

(1)鋼沉井采用在工廠整節(jié)段制造［1］，整節(jié)段運輸、接高，制造匹配精度要求高，平面尺寸大、質(zhì)量大，節(jié)段起吊裝船、運輸困難。

(2)墩位位于長江主航道，水道狹窄，航運繁忙，大型機械起吊作業(yè)時協(xié)調(diào)力度大。

(3)鋼沉井體積龐大，整體高度達50 m，洪水期水流流速快，邊錨斷錨風(fēng)險大，克服沉井?dāng)[動困難，精確定位難度大［2］。

(4)洪水引起的河床局部沖刷嚴(yán)重，沉井著床幾何姿態(tài)控制難度大［3］。

(5)沉井吸泥下沉需穿越膠結(jié)層，下沉難度大。

(6)鋼沉井從工廠整體制造、運輸、接高、精確定位、著床、混凝土沉井節(jié)段接高、吸泥下沉、封底等，工序轉(zhuǎn)換頻繁，工期緊，施工組織難度大。

3 沉井基礎(chǔ)施工總體方案

鋼沉井在工廠制造塊單元件，起重碼頭整體拼裝第1和第2節(jié)，大型浮吊起吊、裝駁船運輸至墩位，再用大型浮吊起吊第1節(jié)下水，初步定位至墩位位置，整體接高第2節(jié)。依次在工廠拼裝第3、4節(jié)和第5、6節(jié)鋼沉井，分2個批次接高第3至第6節(jié)鋼沉井。鋼沉井錨碇系統(tǒng)進行初步定位、精確定位，下沉，快速著床，填充鋼沉井井壁水下混凝土。接高上部鋼筋混凝土沉井井壁。空氣吸泥下沉、封底、施工承臺。

4 沉井基礎(chǔ)施工技術(shù)

4.1 鋼沉井制造

鋼沉井平面上分為16個塊單元件，沿高度方向分6 節(jié)，從下往上每節(jié)高(9.5+4×7.5+10.5)m。鋼沉井總質(zhì)量約5 400 t，最大節(jié)段質(zhì)量為1 050 t。鋼沉井節(jié)段制造場地選擇在長江下游大型船廠內(nèi)，先在鋼結(jié)構(gòu)加工車間制造成片單元，再到鋼結(jié)構(gòu)加工平臺焊接成50～70 t的塊單元。鋼沉井節(jié)段組拼在碼頭區(qū)組拼平臺上進行，組拼原則按先中間后四周的方式進行。鋼沉井塊段組拼采取設(shè)置支柱式全模板胎架，通過精確設(shè)置胎架地輔線等技術(shù)措施來保證塊段拼裝精度。鋼沉井制造匹配精度控制是整節(jié)段接高的關(guān)鍵控制點。碼頭區(qū)一個批次組拼2個鋼沉井節(jié)段。

4.2 鋼沉井整節(jié)段起吊、運輸

鋼沉井整節(jié)段起吊設(shè)置8個吊點，單個吊耳按受力1 750 kN設(shè)計。12 000 kN浮吊整節(jié)段起吊裝船并綁扎牢固。根據(jù)鋼沉井節(jié)段尺寸及噸位，運輸采用1艘大型海駁船配2艘1 471 kW拖輪及1艘706 kW拖輪進行運輸。運輸總里程約450 km，航行時間約30 h。每一批次運輸2個整節(jié)段，分3個批次運完。

4.3 鋼沉井整節(jié)段接高

鋼沉井下水前先進行錨碇系統(tǒng)施工。第 1、第2節(jié)鋼沉井運輸至工地后，海事部門臨時封閉航道，12 000 kN浮吊在墩位橫水流方向停泊，將整節(jié)段鋼沉井吊離運輸船至設(shè)計位置下放，使鋼沉井入水自浮，拖輪幫靠穩(wěn)定后將拉纜及邊錨錨繩由臨時工作船過至鋼沉井上，鋼沉井定位于墩位處。

第2節(jié)鋼沉井由12 000 kN浮吊整節(jié)段起吊，通過定位限位板、定位銷等輔助措施與第1節(jié)鋼沉井精確對位，焊接對接環(huán)焊縫，完成接高施工。第3至第6節(jié)鋼沉井接高同第2節(jié)鋼沉井，每接高兩個節(jié)段將鋼沉井邊錨錨繩向上倒1次，以滿足接高過程中鋼沉井定位時的穩(wěn)定性要求。整節(jié)段接高吊裝參見圖2。

圖2 鋼沉井整節(jié)段接高吊裝示意(單位:cm)

4.4 錨碇系統(tǒng)設(shè)置

3號墩錨碇定位系統(tǒng)由前定位船主錨和邊錨，鋼沉井邊錨，后定位船尾錨和邊錨，以及前后定位船與鋼沉井之間的拉纜系統(tǒng)組成［4，5］。根據(jù)資料確定長江洪水期計算水位，計算流速，基本風(fēng)壓，主要考慮前后定位船、鋼沉井以及臨時施工船舶的水流阻力和風(fēng)阻力來確定錨碇系統(tǒng)的配置。按照計算成果，前、后定位船各采用2艘4 000 kN鐵駁，主錨采用14個80 kN霍耳式鐵錨，鋼沉井邊錨每側(cè)采用8個80 kN霍耳式鐵錨，前、后定位船邊錨每側(cè)各采用2個30 kN霍耳式鐵錨，尾錨采用6個80 kN霍耳式鐵錨。鋼沉井的初定位和精確定位主要通過不斷調(diào)整錨碇系統(tǒng)來實現(xiàn)［1，6］。錨碇系統(tǒng)布置詳見圖3。

圖3 錨碇系統(tǒng)布置

4.5 鋼沉井精確定位、注水快速著床

鋼沉井定位階段:鋼沉井定位采取動態(tài)控制法，與鋼沉井注水下沉同步進行。首先利用絞錨錨碇定位系統(tǒng)各個方向上的錨繩對鋼沉井進行平面位置的調(diào)整定位;然后通過上下拉纜及各隔倉的注水量綜合進行鋼沉井定位姿態(tài)調(diào)整。鋼沉井定位時期正值2010年6月到8月長江特大洪水期，施工過程中鋼沉井發(fā)生搖頭、擺動、扭轉(zhuǎn)和邊錨斷錨等各種不利情況，橫水流方向最大擺幅達70 m，且長江水流與鋼沉井軸線存在一定的水平夾角，經(jīng)過研究和分析，決定采取在鋼沉井南側(cè)增加1艘8 000 kN定位船并且增設(shè)邊錨的措施，通過逐步收緊鋼沉井南側(cè)定位船主錨和鋼沉井南、北側(cè)邊錨，漸漸地減小了鋼沉井的擺幅，使鋼沉井復(fù)位至設(shè)計位置。

鋼沉井注水下沉著床階段:根據(jù)注水量和注水效率的要求，布置16臺60 m3/h潛水泵，另外在鋼沉井每個隔艙的井壁上增設(shè)大口徑自動注水閥門。2010年8月24日，鋼沉井注水離河床2 m左右，完成最后一次精確定位后，打開全部注水閥門，歷時36 min完成鋼沉井快速注水著床，鋼沉井平均入水深度為43.5 m。鋼沉井著床初期精度:頂面中心最大偏差228 mm，平面扭角最大為0.46°，傾斜度最大為上下游方向1/65。鋼沉井著床完成后，通過水泵不對稱向井壁注水壓重和空氣吸泥機吸泥調(diào)整鋼沉井的傾斜姿態(tài)［7］。鋼沉井調(diào)整姿態(tài)后著床精度:頂面中心最大偏差-269 mm(偏上游為正)，平面扭角最大為0.47°，傾斜度最大為上下游方向1/182。沉井著床設(shè)計精度要求:頂面中心最大偏差500 mm，平面扭角最大為1°，傾斜度不大于1/150。

4.6 鋼沉井井壁混凝土水下填充

鋼沉井著床穩(wěn)定后，在頂部布置井壁混凝土填充平臺，采用垂直導(dǎo)管拔球法分艙對稱填充鋼沉井井壁水下混凝土［8］。井壁混凝土總方量約為29 000 m3，分為16個獨立的艙，每個艙混凝土方量約為1 812 m3。井壁水下混凝土由水上混凝土工廠供應(yīng)，通過布料機布料灌注到導(dǎo)管進行井壁混凝土填充。

4.7 鋼筋混凝土沉井接高

沉井頂部18 m為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土沉井井壁采用整體鋼模板翻模法分節(jié)接高［9］，分4次澆筑完成，從下往上分節(jié)高度為3×4 m+2 m，混凝土沉井井壁混凝土方量約為9 636 m3，按分節(jié)情況最大單次方量約為2 992 m3。岸上混凝土工廠通過浮橋和水上混凝土工廠一起供應(yīng)混凝土。沉井混凝土需分艙對稱均勻澆筑。澆筑順序為:由四周向中間，先井壁后隔墻，對稱澆筑，均衡加載，確保沉井結(jié)構(gòu)的平穩(wěn)和安全。

4.8 沉井空氣吸泥下沉

鋼筋混凝土沉井接高完成后，安裝吸泥平臺、走道及龍門吊機、供風(fēng)設(shè)備、供風(fēng)管路和吸泥機等進行空氣吸泥下沉。

4.8.1 補水布置

分別在離沉井刃腳踏面30、40 m高位置井壁、隔墻上預(yù)埋1道連通管，確保各井孔內(nèi)水頭與長江水位高度一致，井壁位置連通管預(yù)留封堵的法蘭接頭。

4.8.2 起重設(shè)備布置

沉井吸泥下沉過程中起重設(shè)備為1 200 kN和1 000 kN浮吊各 1艘、2臺2 500 kN·m塔吊和6臺布置于沉井上的200 kN門吊。2艘浮吊布置在駁船的外側(cè)輔助施工。2臺2 500 kN·m塔吊布置在沉井井壁上。門吊軌道沿沉井長邊方向布置，內(nèi)隔墻上設(shè)雙軌，雙軌間留有空隙，以保證相鄰門吊工作運行時互不干擾。沉井中間一排井孔布置4臺門吊，邊上每排各布置1臺門吊。

4.8.3 吸泥機及管路布置

沉井最終下沉高程為-62.0 m，根據(jù)沉井穿越的地質(zhì)情況，空氣吸泥機總共布置12套，每個井孔布置1套，其中 φ426 mm吸泥機 2套(布置在 A井孔)，φ351 mm吸泥機6套(布置在B井孔)，φ273 mm吸泥機4套(布置在C井孔)，見圖4。供風(fēng)設(shè)備采用12臺23 m3/min的空氣壓縮機，每2臺配備1只10 m3風(fēng)包，共6個風(fēng)包。由高壓軟管接入布置在沉井頂上的φ351 mm×10 mm主供氣管，再通過高壓軟管向各吸泥機供氣。

4.8.4 空氣吸泥機吸泥下沉

沉井吸泥下沉按照先中后邊、分層對稱破土、先高后低、及時糾偏的原則進行［10］。沉井吸泥大體分成Ⅰ、Ⅱ兩大區(qū)域，吸泥時從Ⅰ區(qū)開始，向兩側(cè)對稱擴散。吸泥分區(qū)如圖4所示。吸泥機一般開機4～6臺，對稱、均勻取土。Ⅰ區(qū)為吸泥中心區(qū)，開挖深度控制在3 m左右，在下沉過程中，隔墻始終處于懸空狀態(tài);Ⅱ區(qū)為吸泥周邊區(qū)，鍋底深度及隔墻懸空的范圍需控制在1.5 m左右，對稱進行取土。刃腳內(nèi)側(cè)有控制地進行吸泥取土，要對稱、均勻且沖吸深度不宜過大，防止沉井發(fā)生翻砂和產(chǎn)生過大傾斜的現(xiàn)象［11］。沉井終沉階段將取土吸泥下沉與沉井清基同步進行，在沉井刃腳到達終沉高程時，核心區(qū)也完成了清基作業(yè)。

圖4 吸泥分區(qū)示意

4.8.5 吸泥下沉助沉措施

沉井在吸泥下沉至-44.5 m時發(fā)現(xiàn)存在卵石膠結(jié)層，吸泥效果不佳，下沉受阻。初期，采用沖擊鉆機沖擊后進行吸泥的助沉措施，對于膠結(jié)層厚度較薄的部分進行沖砸能夠破碎，對下沉有一定效果;對于膠結(jié)層厚度大于0.5 m以上部位，沖砸效果不佳。后期，經(jīng)分析研究采用了爆破輔助下沉措施，根據(jù)水深50 m的條件特別制作了聚能爆破器具，選用了復(fù)合高強度導(dǎo)爆管雷管和抗深水壓力及水密性能良好的水膠炸藥。每次總裝藥量不應(yīng)超過0.2 kg TNT當(dāng)量［12］，較快地破碎膠結(jié)層，使沉井順利突破該地質(zhì)層，恢復(fù)正常的吸泥下沉施工。

4.8.6 終沉姿態(tài)

2011年4月 15日沉井下沉到位，實測沉井頂面中心最大偏差115 mm，平面扭角最大為0.47°，傾斜度最大為1/330.58;沉井終沉設(shè)計精度要求:頂面中心最大偏差500 mm，平面扭角不大于1°，傾斜度不大于1/150。各項指標(biāo)均優(yōu)于設(shè)計和規(guī)范規(guī)定值。

4.9 沉井水下大體積混凝土封底

沉井共分12個井孔，刃腳以上封底高度12 m，封底混凝土總量約20 850 m3。根據(jù)沉井清基封底施工面積大、井孔多的特點，通過沉井中間設(shè)置1道隔倉板將整個沉井封底分成Ⅰ和Ⅱ兩大區(qū)域，每區(qū)為6個井孔，混凝土數(shù)量均為10 425 m3。封底采用分批開管連續(xù)澆筑的方案［13］，每個井孔布置 2套導(dǎo)管，由岸上2座120 m3/h拌和站和水上2艘150 m3/h拌和船供料，通過泵送和布料機至井頂混凝土中心集料斗集中供料，經(jīng)過分料槽流入導(dǎo)管，逐管拔球，至所有導(dǎo)管拔球結(jié)束后，通過集料斗均勻布料灌注混凝土至設(shè)計高程。

4.10 沉井頂部承臺施工

沉井頂部承臺平面尺寸62 m×38 m，高6 m，承臺頂高程+6 m，混凝土總方量為12 276.7 m3，分2次澆筑，每次澆筑高度3 m。承臺鋼筋在車間成型，現(xiàn)場綁扎，大體積混凝土施工按照溫控設(shè)計要求安裝循環(huán)冷卻水管及測溫元件。承臺混凝土澆筑按照水平分層、斜向分段的原則進行，采取覆蓋灑水保濕養(yǎng)護。

5 結(jié)語

銅陵公鐵兩用長江大橋主墩深水特大型沉井成功實施，有以下幾項關(guān)鍵技術(shù)可供類似的大型沉井施工提供借鑒。

(1)鋼沉井整節(jié)段制造、接高施工技術(shù)，變水上施工為岸上施工，實現(xiàn)整節(jié)段鋼沉井工廠化、專業(yè)化制造，縮短工期，提高效率，使鋼沉井的制造質(zhì)量得到可靠保證。

(2)合理科學(xué)地布置錨碇系統(tǒng)，根據(jù)實際情況及時進行分析和計算，調(diào)整錨碇系統(tǒng)，使沉井錨碇系統(tǒng)盡早形成對拉狀態(tài)，控制鋼沉井的擺動，在洪水期較短的時間內(nèi)完成精確定位和快速著床，保障洪水期沉井施工的質(zhì)量和安全。

(3)沉井下沉根據(jù)地質(zhì)情況選擇合適直徑的吸泥機，合理配備供風(fēng)系統(tǒng)，可提高吸泥效率，減少吸泥堵管的現(xiàn)象，加快吸泥下沉的速度。

(4)沉井上設(shè)置2臺2 500 kN·m塔吊和6臺200 kN門吊，解決了沉井施工中起重設(shè)備的布置問題，高效、安全和低成本地完成了水上吸泥期間的起重任務(wù)。在條件允許的情況下，宜增加塔吊設(shè)置的數(shù)量。

(5)沉井下沉遇到障礙物時，選擇合適的助沉措施可使沉井盡快穿越障礙物，恢復(fù)正常下沉施工。

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