臺階形鋼沉井外接圍堰設(shè)計與施工

王超，張克，李福弘

（1.長大橋梁建設(shè)施工交通行業(yè)重點實驗室，湖北 武漢 430040；2.中交公路長大橋建設(shè)國家工程研究中心有限公司，湖北 武漢 430040）

1 工程背景

常泰長江大橋路線起自泰興市六圩港大道，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 km，其中公鐵合建段長5 298.2 m，普通公路接線長4 730.8 m。

大橋主墩采用鋼沉井作為基礎(chǔ)，主橋5號墩沉井基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為鋼殼內(nèi)填充混凝土形成，平面呈圓端形，立面為臺階形，沉井底面尺寸為95.0 m×57.8 m（橫橋向×縱橋向），圓端半徑為28.9 m；頂面尺寸為77.0 m×39.8 m（橫橋向×縱橋向），圓端半徑為19.9 m；臺階寬度9.0 m。沉井頂高程+7.0 m，底高程為-65.0 m，擋墻頂高程-22.0 m。沉井總高72.0 m，總重約為18 405 t，5號墩沉井基礎(chǔ)見圖1所示。

外接圍堰頂高程-1.0 m，底高程-65.0 m，高64.0 m[1-2]。為保證承臺無水施工環(huán)境，在外接圍堰外井壁上設(shè)置外接圍堰臨時設(shè)施，用以擋水施工。

橋位處最高通航水位為+5.8 m，最低通航水位為-0.7 m，最大流速2.11 m/s，作業(yè)工況風(fēng)速按20.8 m/s考慮。

5號墩沉井位于主航道區(qū)北側(cè)，墩位地勢較為平穩(wěn)，高程-13.46～-15.01 m，覆蓋層厚度大于180 m。河床表層為Q4松散狀粉砂，層厚不均，厚1.6～4.8 m，工程性質(zhì)差。

圖1 沉井基礎(chǔ)圖（mm）Fig.1 Foundation diagram ofcaisson(mm)

2 工程難點及解決措施

研究表明，臺階形沉井能有效減少沉井下沉深度，縮小承臺平面尺度，降低沉井工程規(guī)模。臺階形沉井也客觀上造成了作業(yè)面不連續(xù)、影響船只靠泊、設(shè)備支撐難等問題。沉井位于長江繁忙航道，屬于感潮河段，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，汛期流速大，河床易沖刷、地層不均勻，沉井下沉安全風(fēng)險及姿態(tài)控制難度大；沉井為臺階形，外圈取土需要考慮外接圍堰受力，且沉井埋置深，終沉后外接圍堰因回淤會受回淤土側(cè)壓力影響；水上施工作業(yè)空間小，外接圍堰需要考慮設(shè)置外掛作業(yè)平臺，且滿足靠船要求；外接圍堰的設(shè)計需要兼顧沉井夾壁混凝土澆筑，且承臺施工時能起到擋水作用；外接圍堰需要考慮拆除。

為確保沉井安全可靠可控下沉，綜合考慮安全性及經(jīng)濟效益，針對以上技術(shù)難點及特點，一方面深入研究該區(qū)域水文地質(zhì)條件，分析作業(yè)工況，考慮沉井范圍內(nèi)預(yù)開挖，確保沉井初期順利下沉且后期外接圍堰不受土壓力影響。另一方面充分考慮取土?xí)r沉井頂面的設(shè)備、作業(yè)荷載及功能需求，合理選擇設(shè)計條件，優(yōu)化圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計，確保外接圍堰滿足現(xiàn)場需求，力求功能性與經(jīng)濟性相對合理。

3 外接圍堰設(shè)計及結(jié)構(gòu)特點

外接圍堰作為沉井下沉及承臺施工的輔助結(jié)構(gòu)，一方面作為取土設(shè)備的支撐結(jié)構(gòu)發(fā)揮作用，并提供了作業(yè)平臺、操作空間及人員通道；另一方面在承臺施工期間作為擋水結(jié)構(gòu)，為承臺提供干施工作業(yè)環(huán)境；最后，水上施工作業(yè)面小，對施工船舶依賴程度較大，船舶種類較多，涉及到運輸船、浮吊船、交通船等，外接圍堰為船舶?？刻峁┫道|點。

外接圍堰的結(jié)構(gòu)布置采用雙壁結(jié)構(gòu)，外輪廓與沉井外輪廓一致，夾壁厚度為1.2 m，外接圍堰總高為29 m，分次接高，接高高度分別為8 m、21 m；外接圍堰內(nèi)側(cè)通過內(nèi)支撐與沉井連接，外壁底部與沉井焊接；內(nèi)支撐共設(shè)1層斜撐和7層水平撐，內(nèi)支撐采用雙排鋼管撐，方便隔墻夾壁混凝土澆筑，內(nèi)支撐之間采用鋼管連接。

外接圍堰主要構(gòu)件材料類型如表1。

外接圍堰結(jié)構(gòu)布置如圖2所示。

表1 外接圍堰主要構(gòu)件材料Table 1 Main componentmaterials ofexternal cofferdam

圖2 外接圍堰結(jié)構(gòu)布置（mm）Fig.2 Structure layoutofexternalcofferdam（mm）

4 外接圍堰結(jié)構(gòu)計算分析

結(jié)合外接圍堰取土下沉、夾壁混凝土澆筑、承臺施工、蓋板安裝等各個環(huán)節(jié)，充分考慮施工過程中外接圍堰的荷載條件，運用三維有限元分析方法對外接圍堰在以下3個工況進行數(shù)值分析，找出薄弱部位，加強安全保障，確保外接圍堰的施工安全[3-8]。

4.1 工況分析

工況1：第1次接高8 m外接圍堰后沉井內(nèi)注水吸泥工況。

工況2：第2次接高21 m外接圍堰后沉井內(nèi)抽水澆筑承臺工況。

工況3：沉井終沉后，安裝沉井外圈39 m處井孔蓋板，平衡內(nèi)外水頭，間隔每2個井孔保留第1層斜撐及水平撐，拆除其余所有內(nèi)支撐。

4.2 有限元模擬分析

本計算采用有限元軟件ANSYS計算程序模擬分析各工況結(jié)構(gòu)的強度，外接圍堰結(jié)構(gòu)復(fù)雜，模型建立時壁板、隔艙板、箱梁腹板、水平環(huán)板采用Shell63單元，豎向加勁肋、水平加勁肋、內(nèi)支撐采用Beam188單元。

各工況的計算模型如圖3所示。

圖3 各工況計算模型Fig.3 Calculation models ofvarious operating conditions

通過模擬計算，外接圍堰各構(gòu)件的最大應(yīng)力及變形情況如表2所示。

表2 計算結(jié)果Table 2 Calculation results

外接圍堰各構(gòu)件均采用Q355B材料，通過計算，各構(gòu)件強度及剛度均滿足設(shè)計要求以及規(guī)范要求。

5 外接圍堰施工方法

根據(jù)外接圍堰總體施工流程，外接圍堰在制造廠分層（底層8 m、頂層21 m）、分段制造，現(xiàn)場安裝條件具備后，按需求順序?qū)⑼饨訃邏K段船運至橋址，起重船分塊吊裝，分層安裝。承臺施工完成，待長江進入枯水期后將外接圍堰切割分塊拆除。外接圍堰總體施工工藝流程見圖4。

圖4 外接圍堰總體施工工藝流程Fig.4 Overallconstruction process flow ofexternal cofferdam

外接圍堰安裝完成后，在圍堰頂部設(shè)置取土平臺，平臺可供安裝氣管、水管、排泥管、托線槽、龍門吊軌道等；外接圍堰側(cè)壁上設(shè)置靠船件供船只靠泊，箱梁處設(shè)置拉耳可供船舶系纜；外接圍堰外壁處可設(shè)置斜梯或豎梯形成人員通道。

6 結(jié)語

臺階型沉井施工過程中，不可或缺的需要用到外接圍堰，其作用貫穿了沉井作業(yè)的取土下沉、夾壁混凝土澆筑、承臺施工、蓋板安裝等。在外接圍堰的設(shè)計過程中充分考慮了外接圍堰作為取土設(shè)備及操作平臺的支撐結(jié)構(gòu)、承臺施工的擋水結(jié)構(gòu)、上下人員通道、船舶停靠等各種功能，為方便沉井夾壁混凝土澆筑設(shè)計了雙排內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)且水平加勁肋方向及間距與沉井水平加勁肋一致。外接圍堰的施工采用工廠分塊制造、現(xiàn)場拼裝的施工方法，外接圍堰拼裝完成后有效的形成了作業(yè)面，為設(shè)備的安裝及通道的形成提供了有利條件。結(jié)合現(xiàn)場使用情況，形成如下建議：

1）外接圍堰大部分為薄壁結(jié)構(gòu)，橋址地處感潮地帶，潮差較大，需要持續(xù)跟蹤潮水對壁板的腐蝕情況。

2）沉井下沉過程中可能出現(xiàn)姿態(tài)傾斜的情況，外接圍堰多承受豎向荷載，傾角對圍堰的影響尚需結(jié)合豎向荷載進一步研究。

3）外接圍堰所處航道繁忙，往來船舶速度快、數(shù)量多，是外接圍堰的重大危險源之一，做好航道標(biāo)識、巡邏等工作是沉井安全施工的必要保障。