常泰大橋水中沉井的關(guān)鍵技術(shù)

文/圖

常泰長江大橋不僅是世界上跨度最大的斜拉橋和首座“三位一體”的過江通道，其主航道斜拉橋主塔采用世界首創(chuàng)臺階型抗沖刷沉井基礎(chǔ)型式，也是世界上尺寸最大的水中沉井基礎(chǔ)，其建設(shè)面臨諸多難題。本文以5號墩主塔沉井基礎(chǔ)為例，介紹常泰長江大橋超大深水臺階型沉井基礎(chǔ)施工中面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題。

常泰長江大橋的建設(shè)單位是江蘇省交通工程建設(shè)局，設(shè)計(jì)單位是中鐵大橋勘測設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司、中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)，目前正在施工的5號墩主塔基礎(chǔ)的施工單位為中交第二航務(wù)工程局有限公司。

區(qū)位作用

常泰長江大橋是世界上首座集高速公路、城際鐵路、一級公路“三位一體”的過江通道，主通航孔橋?yàn)榭鐝?176米的雙層鋼桁梁斜拉橋，建成后將成為目前世界跨度最大的斜拉橋。大橋于2019年9月1日開工建設(shè)，工期預(yù)計(jì)為5年半，概算總投資約158億元。

常泰長江大橋位于泰州大橋與江陰大橋之間，距離泰州大橋約32公里，距離江陰大橋約27公里。大橋起自江蘇省泰興市六圩港大道，跨長江主航道，經(jīng)錄安洲，跨長江夾江，止于常州市新北區(qū)港區(qū)大道，路線全長10.03公里。

未來，過江通道需求多，通道資源卻越來越稀缺，將多種交通功能整合到一個過江通道位置上，對于節(jié)約和充分利用過江通道資源將有非比尋常的意義?！堕L江經(jīng)濟(jì)帶綜合立體交通走廊規(guī)劃（2014—2020年）》中提出：為增強(qiáng)長江干線過江能力、統(tǒng)籌規(guī)劃、合理布局過江通道，實(shí)現(xiàn)長江兩岸城市間便捷順暢連接，形成功能完善、安全可靠的過江通道系統(tǒng)，需著力推進(jìn)鐵路、公路、城市交通合并過江，節(jié)約利用土地和岸線資源。常泰長江大橋被《規(guī)劃》列為江蘇省14座長江干線過江通道中的重點(diǎn)項(xiàng)目，也屬于江蘇“十三五”時期重點(diǎn)工程，示范和引領(lǐng)作用明顯。大橋既是江蘇省“十五射六縱十橫”高速公路網(wǎng)中如常高速公路的關(guān)鍵工程，又是“錫常泰”都市圈城際鐵路的重要組成部分，承擔(dān)未來都市圈內(nèi)快速過江的重任，對于拉動區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要作用。

沉井基礎(chǔ)概況

常泰長江大橋主塔沉井基礎(chǔ)是世界上尺寸最大的水中沉井基礎(chǔ)，首創(chuàng)臺階型抗沖刷沉井基礎(chǔ)型式。每個沉井用鋼量達(dá)到2.3萬噸，超過3座埃菲爾鐵塔的用鋼量，每個沉井面積相當(dāng)于13個籃球場。

常泰長江大橋總體布局

主橋5號墩沉井基礎(chǔ)圖

沉井基礎(chǔ)平面呈圓端型，立面為臺階型，沉井底面尺寸95.0米×57.8米（橫橋向×縱橋向），圓端半徑28.9米；沉井頂面尺寸77.0米×39.8米（橫橋向×縱橋向），圓端半徑19.9米；臺階寬度9.0米。沉井頂高程+7.0米，底高程為-65.0米，臺階頂高程-22.0米，沉井總高72.0米（含承臺高度8.0米），基礎(chǔ)持力層為密實(shí)中粗砂；沉井為填充混凝土的鋼殼結(jié)構(gòu)，鋼沉井頂高程-1.0米，底高程-65.0米，高64.0米。

大橋所處的泰興水道下段，屬長江下游感潮河段，潮位受長江徑流與潮汐雙重影響，為非正規(guī)半日型，水位、流量受到潮汐的明顯影響。根據(jù)《常泰過江通道環(huán)評報告書（報批稿）》以及《常泰過江通道潮流泥沙物理模型試驗(yàn)研究報告》，20年一遇橋位斷面垂線平均最大流速為每秒1.93米至2.1米，枯水期垂線平均最大流速低于每秒1.05米。5號墩沉井位于主航道區(qū)北側(cè)，墩位處地形較平穩(wěn)，覆蓋層厚度大于180米，土層主要為砂層和黏土層，并分布有膠結(jié)砂層。

常泰大橋沉井由于所處位置水文、地質(zhì)條件復(fù)雜，沉井體量巨大，結(jié)構(gòu)新穎，其施工面臨諸多難點(diǎn)。鋼沉井的規(guī)模大、制造難，現(xiàn)場接高精度控制要求高。鋼沉井規(guī)模大、制造精度要求高，特別是水上接高時，鋼沉井節(jié)段之間的拼接精度要求在4毫米以內(nèi)，對接難度極大。

沉井出塢、浮運(yùn)安全風(fēng)險大，定位、著床施工精度控制難。首節(jié)43米鋼沉井在長江邊的船廠制造，需要采取一定的助浮措施將其拖運(yùn)至墩位處，并精確沉放至設(shè)計(jì)墩位處。首節(jié)43米鋼沉井及各類施工荷載總重量近2萬噸，助浮難度極大。沉井浮運(yùn)到墩位附近后沉放至設(shè)計(jì)位置，要求底面中心與設(shè)計(jì)理論中心偏差不大于2厘米。

沉井埋置深，需穿過軟塑粉質(zhì)黏土層和膠結(jié)砂層等夾層，沉井下沉速度和姿態(tài)控制難度大。同時，沉井結(jié)構(gòu)新穎，首次采用臺階型結(jié)構(gòu)，施工過程中需采用臨時外壁，可拆臨時外壁安裝及拆除難度大。

沉井基礎(chǔ)施工

常泰長江大橋水中沉井基礎(chǔ)施工主要包括鋼沉井的制作、浮運(yùn)、定位著床、夾壁混凝土澆筑、接高、下沉、封底、蓋板安裝、臨時外接圍堰拆除、承臺塔座施工等工序。

制作及浮運(yùn)

5號墩鋼沉井總高為64米，在高度方向分為8層制作，從下往上每層高度依次為9+6+9.72+8.28+10+8+6+7（米）。首件鋼沉井高43米，分為第1層至5層，每層平面節(jié)段繼續(xù)劃分成24個分段，在工廠內(nèi)制作并在干船塢內(nèi)拼裝成整體后浮運(yùn)至施工現(xiàn)場。第6節(jié)至第8節(jié)在廠內(nèi)完成塊單元制作，后通過駁船運(yùn)輸至橋位進(jìn)行現(xiàn)場接高作業(yè)。鋼沉井在岸上制造，通過專業(yè)軟件建模、套料，自動化切割焊接，分層分塊制作，通過虛擬預(yù)拼裝控制分塊間的拼接誤差。

首節(jié)43米高鋼沉井浮運(yùn)時總重約2萬噸，自浮吃水深度約13.5米，船塢內(nèi)水深和部分航道水深均不能滿足沉井吃水的要求，因此需要采取助浮措施。采用封底助浮形式，將鋼沉井36個井孔中的28個井孔增設(shè)封艙底板，28個井孔的底部全部封閉后沉井的吃水深度約6.0米。

5號墩鋼沉井分層劃分

錨纜系統(tǒng)布置

定位著床監(jiān)測界面

定位及著床

沉井采用錨纜系統(tǒng)進(jìn)行定位。錨纜系統(tǒng)包含上下游正面錨纜、邊錨纜及邊錨碇。正面纜上下游各布置6根，其中上拉纜各2根，下拉纜各4根。邊錨纜采用錨纜+錨鏈+海軍錨的組合方式，錨纜連接沉井兩側(cè)拋錨的海軍錨，經(jīng)沉井上轉(zhuǎn)向吊耳轉(zhuǎn)至正面與錨墩卷揚(yáng)系統(tǒng)連接，通過卷揚(yáng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)纜力以適用沉井的側(cè)面錨拉力的需要。邊錨纜兩側(cè)各布置8根，其中上、下拉纜各4根。

在沉井位置預(yù)先設(shè)置臨時定位船，作為前期承纜平臺和后期沉井臨時固定裝置和轉(zhuǎn)纜平臺。定位船定位時，將正面錨與邊錨依次與定位船連接，并錨固收緊。沉井浮運(yùn)至定位船處，與定位船臨時連接，依次進(jìn)行正面纜和邊錨纜轉(zhuǎn)纜施工，最終定位船脫離，沉井調(diào)位至設(shè)計(jì)位置，沉井錨纜定位體系建立。

沉井初步定位完成后，開始進(jìn)行注水著床施工，即向沉井隔倉內(nèi)注水使沉井陳放至設(shè)計(jì)墩位處。根據(jù)水流流速小、流態(tài)穩(wěn)定，且有利用沉井快速著床的原則，選擇平潮著床。沉井注水著床階段總注水量為63930立方米，根據(jù)漲落潮時間變化及高平潮著床的需求，分為三次注水和一次精定位。沉井精定位采用動態(tài)控制法，與沉井注水下沉同步進(jìn)行。沉井初定位按照沉井最大中心偏位25厘米，最大傾斜度1/150，沉井平面扭轉(zhuǎn)角0.8度的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制；沉井最終定位精度按照下游側(cè)、橋軸線方向主跨側(cè)和邊跨側(cè)均不大于12厘米，上游側(cè)不大于20厘米，最大傾斜度1/150，沉井平面扭轉(zhuǎn)角0.2度的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制。

在沉井定位著床施工中，需要對沉井定位及注水著床階段的幾何姿態(tài)、錨纜纜力及注水進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測并實(shí)現(xiàn)集中控制，以實(shí)現(xiàn)錨纜纜力分布及調(diào)節(jié)的均勻穩(wěn)定、注水量控制的準(zhǔn)確迅速。采用北斗+GPS的監(jiān)測系統(tǒng)對沉井中心偏位、扭轉(zhuǎn)、傾斜度等進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，通過布置應(yīng)力傳感器及拉力計(jì)對各錨纜拉力進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，及由電磁流量計(jì)及水位儀對沉井各艙水位進(jìn)行監(jiān)測。同時，建立一套實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，服務(wù)器采集匯總各傳感器傳輸信號，提供直觀的施工數(shù)據(jù)監(jiān)測界面。

接高及外接圍堰安拆

鋼沉井現(xiàn)場接高作業(yè)分兩批次進(jìn)行。第一批次接高第6節(jié)（高8米），在鋼沉井43米底節(jié)浮運(yùn)至現(xiàn)場定位著床、第一次夾壁混凝土澆筑并解除鋼沉井系纜后進(jìn)行；第二批次連續(xù)接高第7節(jié)（6米）、第8節(jié)（7米），在第二次取土下沉至刃腳底-40米標(biāo)高后進(jìn)行。第6節(jié)至8節(jié)每節(jié)分4個塊段在生產(chǎn)基地制造，每個塊段重量不超過350噸。

鋼沉井塊段在生產(chǎn)基地加工制作，塊段制作完成后，由駁船運(yùn)輸至橋位后用起重船塊段分層水上接高并焊接。吊裝及焊接施工工序?yàn)椋旱跹b分塊及運(yùn)輸→鋼沉井起吊→鋼沉井定位→水上接高焊接施工→涂層缺陷修補(bǔ)及焊縫補(bǔ)涂。為了確保沉井接高的精度，沉井上設(shè)限位導(dǎo)向構(gòu)件，并且在下部結(jié)構(gòu)上布置千斤頂體系用以沉井定位調(diào)整預(yù)備措施。

為保證承臺無水施工環(huán)境，在外接圍堰的外井壁上設(shè)置外接圍堰臨時設(shè)施。外接圍堰設(shè)計(jì)采用雙壁鋼箱結(jié)構(gòu)，內(nèi)支撐采用管桁架結(jié)構(gòu)。平面投影為直線+圓弧的封閉環(huán)，整體長95米、寬57.8米、高29米，壁厚1.2米，安裝于43米鋼沉井外隔墻頂部，外接圍堰與外接圍堰內(nèi)井壁間20道內(nèi)支撐。

外接圍堰現(xiàn)場安裝作業(yè)與接高同步進(jìn)行，也分兩次進(jìn)行。第一次安裝底節(jié)（高8米），在外接圍堰第6節(jié)節(jié)段吊裝定位完成后進(jìn)行；第二次安裝中節(jié)、頂節(jié)（13米+8米），在外接圍堰第8節(jié)節(jié)段吊裝定位完成后進(jìn)行。其安裝工藝與沉井接高類似。

沉井外接圍堰拆除過程主要考慮起重船吊裝能力和河床回淤對外壁擠壓的影響，將外接圍堰沿壁板走向均分為10個節(jié)段、豎向不分節(jié)進(jìn)行水下切割，圍堰節(jié)段最大重300噸。為方便蓋板安裝，在承臺澆筑完成后，預(yù)先拆除外接圍堰的部分內(nèi)支撐。待長江進(jìn)入枯水期，進(jìn)行外接圍堰和剩余內(nèi)支撐拆除，以減小水流對臨時外壁的阻力。拆除順序按先下游后上游、先江岸側(cè)后江心側(cè)原則施工。

取土下沉

沉井取土下沉是沉井施工最為關(guān)鍵的工序，本工程沉井下沉深度內(nèi)，存在表層硬塑粉質(zhì)黏土層和三層軟塑粉質(zhì)黏土層，取土設(shè)備對黏土層的處理能力差，易堵管。根據(jù)計(jì)算，需要將沉井剪力鍵及隔墻（屬于傳統(tǒng)取土設(shè)備的工作盲區(qū)）下土體取出，才能使沉井下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高，取土難度大，而且沉井取土作業(yè)位于水下，無法監(jiān)測沉井取土的狀態(tài)。為了消除表層硬塑粉質(zhì)黏土層對沉井下沉的影響，工程采取了河床預(yù)開挖方案，即在沉井浮運(yùn)至現(xiàn)場前，采用挖泥船將墩位處表層硬塑粉質(zhì)黏土層挖去。

針對砂層取土，研發(fā)了智能氣舉取土設(shè)備。在傳統(tǒng)空氣吸泥機(jī)的基礎(chǔ)上，集成吸泥管平面位置監(jiān)測、吸泥口高程自動調(diào)整、沿預(yù)設(shè)路徑自動移位吸泥、井內(nèi)三維地形實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)等功能，實(shí)現(xiàn)沉井取土下沉智能化、可視化施工要求。同時，為保證密實(shí)砂層取土效率，搭載高壓射水裝置，實(shí)現(xiàn)水力破土+氣舉取土。

針對黏土層及膠結(jié)砂層取土，采用電動鉸刀氣舉取土設(shè)備。在空氣吸泥機(jī)的基礎(chǔ)上，研制可快速拆裝的模塊化電動雙頭絞刀設(shè)備，采用“機(jī)械破土+氣舉取土”工藝取土下沉，對井孔及剪力鍵盲區(qū)內(nèi)的軟塑黏土、膠結(jié)砂層進(jìn)行取土。

為提高黏土層及膠結(jié)砂層取土的功效，輔助采用氣水混合沖射破土設(shè)備。在傳統(tǒng)高壓射水基礎(chǔ)上，增設(shè)雙層噴嘴結(jié)構(gòu)，通過高壓氣幕助推高壓水，以氣水混合的方式完成黏土及膠結(jié)砂層的切削，同樣可實(shí)現(xiàn)井孔及剪力鍵盲區(qū)軟塑黏土、膠結(jié)砂層的取土作業(yè)。

在沉井終沉階段，在剪力鍵及隔墻下部盲區(qū)進(jìn)行取土?xí)r，輔助采用機(jī)械臂水下定點(diǎn)破土設(shè)備。設(shè)備本體集成機(jī)械臂和動力系統(tǒng)，通過機(jī)械臂伸縮、回轉(zhuǎn)和變幅，帶動銑刨頭精確破壞剪力鍵及隔墻下部盲區(qū)內(nèi)的土體。

為了確保沉井能順利下沉到設(shè)計(jì)位置，采取十字節(jié)點(diǎn)定點(diǎn)取土、高壓射水、空氣幕等多種措施輔助沉井下沉。

根據(jù)全過程控制及主動控制的理念，為了實(shí)現(xiàn)沉井整體姿態(tài)控制、下沉控制、結(jié)構(gòu)安全控制的目的，開發(fā)了沉井施工智能控制系統(tǒng)，設(shè)置各類傳感器428個，實(shí)現(xiàn)自動化實(shí)時監(jiān)測及預(yù)警、智能輔助決策、設(shè)備集中控制、水下三維地形可視化等功能。

我國地域江河縱橫，海域面積較大，未來仍有大量的跨江、跨海橋梁需要建設(shè)，這些跨江、跨海大橋的建設(shè)難點(diǎn)就在于深水基礎(chǔ)的施工。沉井基礎(chǔ)具有承載能力大、剛度大、協(xié)調(diào)不均勻沉降的能力強(qiáng)、防撞性能好、抗震性能好、適用土質(zhì)廣泛等諸多優(yōu)點(diǎn)，未來應(yīng)用會越來越廣泛，推動相關(guān)研究及工程應(yīng)用，將提升我國超大跨徑橋梁建設(shè)水平，促進(jìn)交通建設(shè)技術(shù)進(jìn)步。

沉井第6、7、8節(jié)塊段劃分圖

鋼沉井外接圍堰示意圖