特大型鋼沉井浮運(yùn)封艙板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

李福弘，郭欣星，王超

（1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430040；3.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430040；4.中交公路長(zhǎng)大橋建設(shè)國(guó)家工程研究中心有限公司，湖北 武漢 430040）

0 引言

橋梁基礎(chǔ)作為整個(gè)橋梁中最重要的受力結(jié)構(gòu)，其建設(shè)是整個(gè)橋梁建設(shè)中最重要的環(huán)節(jié)之一。在眾多的基礎(chǔ)種類(lèi)中，沉井基礎(chǔ)因承載能力高、剛度大、防撞及抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于大跨徑橋梁中[1-2]。泰州長(zhǎng)江大橋、楊泗港長(zhǎng)江大橋、滬通長(zhǎng)江大橋及甌江北口大橋等大橋均采用沉井基礎(chǔ)。但因沉井基礎(chǔ)自重大，且施工步驟繁瑣，難以在橋位直接施工建造。因此目前常采用整體制造再浮運(yùn)至橋位，最后（接高）下沉的施工工藝[3-4]。沉井自浮的吃水深度通常無(wú)法滿(mǎn)足施工需求，需借助助浮結(jié)構(gòu)進(jìn)行浮運(yùn)。目前，助浮封艙結(jié)構(gòu)被廣泛用于鋼沉井基礎(chǔ)的浮運(yùn)過(guò)程中，通過(guò)封艙板封住沉井井孔底從而增大沉井排水體積，或封住井孔孔頂從而增大井孔孔內(nèi)氣壓來(lái)降低沉井吃水深度。

助浮封艙結(jié)構(gòu)在沉井浮運(yùn)過(guò)程中起到至關(guān)重要的作用，一旦漏水，整個(gè)沉井將會(huì)發(fā)生傾斜、擱淺甚至坍塌。目前鋼沉井助浮封艙結(jié)構(gòu)主要分為封頂（上封）式[5-6]和整體封底式[7]。封頂式助浮封艙結(jié)構(gòu)對(duì)氣密性要求極高，其浮運(yùn)安全性高度依賴(lài)于焊接質(zhì)量，存在因漏氣、各艙壓力不均而導(dǎo)致沉井傾斜的風(fēng)險(xiǎn)，尤其是長(zhǎng)距離運(yùn)輸時(shí)更難以保障浮運(yùn)安全，所以結(jié)構(gòu)通常需要配備主動(dòng)增壓系統(tǒng)。而整體封底式助浮結(jié)構(gòu)則是采用底板結(jié)構(gòu)同時(shí)封住多個(gè)井孔的做法，雖然有效地降低了氣密性的要求，但也提高了對(duì)加工精度的要求，且在浮運(yùn)結(jié)束后整體拆除十分困難。更由于無(wú)法調(diào)節(jié)吃水深度，使其難以滿(mǎn)足多變的浮運(yùn)需求。

為了解決上述助浮結(jié)構(gòu)存在的缺點(diǎn)，本文綜合封頂式和整體封底式助浮封艙結(jié)構(gòu)，提出了一種新型的分艙封底式助浮結(jié)構(gòu)，詳細(xì)介紹了分艙封底式助浮結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路及施工過(guò)程，并結(jié)合有限元分析了該封艙結(jié)構(gòu)的可行性及優(yōu)勢(shì)。

1 工程概況

常泰長(zhǎng)江大橋主航道斜拉橋主塔采用的沉井基礎(chǔ)是目前世界上最大的鋼沉井[8]。該沉井為填充混凝土的鋼殼結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)平面呈圓端形，立面為臺(tái)階形。沉井底面尺寸為95.0 m伊57.8 m（橫橋向伊縱橋向），圓端半徑為28.9 m[9]。整個(gè)鋼沉井共分為36個(gè)隔艙。

常泰長(zhǎng)江大橋首節(jié)鋼沉井總長(zhǎng)95.4 m、總寬58.2 m、高度43 m。整個(gè)沉井總重約2萬(wàn)t，自浮吃水深度約13.5 m，整體在工廠內(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(chǎng)。由于沉井自重巨大，自浮吃水深，船塢內(nèi)水深和部分航道水深均不能滿(mǎn)足沉井吃水的要求，因此需要采取助浮措施。

沉井浮運(yùn)作業(yè)主要面臨以下技術(shù)難點(diǎn)：1）鋼沉井出塢、浮運(yùn)位于感潮河段[10]，潮位水流條件復(fù)雜。2）沉井自重大、自浮吃水深，沉井寬度大，塢內(nèi)及航道水深無(wú)法滿(mǎn)足沉井出塢、浮運(yùn)要求，浮運(yùn)過(guò)程控制難度大。3）沉井出塢時(shí)，吃水6 m、水面以上高度達(dá)37 m；沉井浮運(yùn)時(shí)，吃水8.5 m、水面以上高度34.5 m。沉井具有受風(fēng)面積大，吃水深，受流影響大等特點(diǎn)，因此拖帶阻力大，極大地增加了浮運(yùn)的作業(yè)難度。4）出塢浮運(yùn)過(guò)程中，在風(fēng)、浪、流和拖輪拖帶力的作用下，沉井可能發(fā)生較大傾斜。而封艙結(jié)構(gòu)一旦漏水，則可能會(huì)引起沉井傾覆，造成嚴(yán)重后果。

2 封艙板布置方案

為了滿(mǎn)足常泰長(zhǎng)江大橋沉井復(fù)雜多變的助浮需求，采用全新設(shè)計(jì)的分艙封底式助浮結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)采用增大沉井排水體積的方式實(shí)現(xiàn)助浮效果，可以通過(guò)拆除部分封艙底板實(shí)現(xiàn)吃水深度的調(diào)節(jié)，從而適應(yīng)多變的助浮需求。加之由于采用了封底式的封艙技術(shù)，該封底分艙式助浮結(jié)構(gòu)對(duì)于氣密性的要求降低，有效地降低了加工難度，提高了整體的經(jīng)濟(jì)性。

出塢前，將鋼沉井36個(gè)井孔中的28個(gè)井孔分艙增設(shè)封艙鋼底板，封艙底板的面板距離沉井底部高度約1.1 m。經(jīng)計(jì)算分析，28個(gè)井孔的底部全部封閉后沉井的吃水深度約6.0 m，滿(mǎn)足出塢要求，封艙布置如圖1（a）。

由于船塢吃水深度要求與航道吃水深度要求不一致，加之為了浮運(yùn)結(jié)束后降低拆除難度，常泰長(zhǎng)江大橋5號(hào)墩沉井在出塢前和出塢后采取了不同的封艙布置方式。沉井出塢后在船廠碼頭靠泊，拆除中間位置的12個(gè)封艙底板，剩余16個(gè)封艙。拆除后封艙底板布置見(jiàn)圖1（b）。拆除12個(gè)封艙底板后，沉井吃水深度約為8.5 m，滿(mǎn)足航道水深要求，再將沉井浮運(yùn)至橋墩位置，其余封艙底板待沉井轉(zhuǎn)纜施工完畢后再進(jìn)行拆除。此布置方式降低了封艙板浮運(yùn)至橋位后的現(xiàn)場(chǎng)拆除難度，同時(shí)也減小了封艙底板拆除時(shí)對(duì)沉井定位著床的影響。

圖1 封艙板布置圖Fig.1 Layout of the sealing boards

拆除全部封艙板后，將部分封艙板吊裝至沉井頂作為施工平臺(tái)，參與到沉井后續(xù)施工過(guò)程中，施工平臺(tái)布置圖見(jiàn)圖1（c）。

3 封艙板結(jié)構(gòu)

封艙板結(jié)構(gòu)包括主體結(jié)構(gòu)、止水結(jié)構(gòu)和懸掛結(jié)構(gòu)3部分。其中，主體結(jié)構(gòu)包含封艙板主梁、封艙板次梁、面板、連通器、封邊鋼板以及環(huán)板構(gòu)成的封閉體系；止水結(jié)構(gòu)分為兩塊，一塊是由膨脹型止水條以及焊接在封邊鋼板側(cè)的限位鋼板構(gòu)成的第一道止水體系，另一塊是由角板與環(huán)板和沉井井壁焊接形成的第二道止水體系；懸掛結(jié)構(gòu)由吊耳、鋼絲繩/精軋螺紋鋼筋、掛腿及錨具構(gòu)成。封艙板結(jié)構(gòu)布置形式見(jiàn)圖2。

圖2 封艙板結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Sealing board structure diagram

船塢加工沉井時(shí)，各分艙安裝封艙板結(jié)構(gòu)，通過(guò)懸掛結(jié)構(gòu)鋼絲繩/精軋螺紋鋼筋預(yù)拉使封艙板結(jié)構(gòu)第一道止水體系與沉井井壁擠緊，再焊接角板形成第二道止水體系。船塢進(jìn)水（沉井吃水）時(shí)，膨脹型止水條遇水膨脹使得封艙板結(jié)構(gòu)與井壁貼合更加緊密；且封艙板結(jié)構(gòu)與沉井刃腳為斜面接觸，封艙板受到作用力向上的水壓（隔艙內(nèi)無(wú)水），因斜面鎖緊作用，隨著壓力的增大使得膨脹型止水條與井壁越壓越緊。第一道止水措施即可達(dá)到止水目的。第二道止水措施是通過(guò)角板分別與環(huán)板、沉井井壁周圈焊接封閉從而達(dá)到止水的目的。兩道止水措施的設(shè)立保證了整個(gè)助浮結(jié)構(gòu)的密封性，有效地保證了整個(gè)沉井浮運(yùn)過(guò)程的安全。

4 施工流程

整個(gè)封艙板結(jié)構(gòu)的使用可分為3步，首先是封艙板的加工及安裝，其次是助浮沉井浮運(yùn)，最后是封艙板的拆除及回收再利用。

首先加工封艙板，封艙板的加工全部由加工沉井的船廠完成。加工完成后，將封艙板按照井孔進(jìn)行逐孔安裝。待28個(gè)封艙全部安裝完成后，在封艙板上設(shè)置連通器。在船塢注水前，需檢查整個(gè)助浮結(jié)構(gòu)的密封性。首先封閉連通器，在各艙內(nèi)注水淹沒(méi)角板并檢查各艙艙底是否存在漏點(diǎn)。隨后打開(kāi)連通器排出艙內(nèi)水后，修復(fù)以及消除漏點(diǎn)，并再次封閉連通器。船塢開(kāi)始注水，隨著進(jìn)水增加沉井慢慢自浮，注水結(jié)束后，沉井整體吃水深度約5.97 m。隨后將沉井在塢內(nèi)靜置12 h，再次排查艙內(nèi)是否存在漏水情況。封艙板安裝完成后如圖3（a）所示。

圖3 封艙板輔助施工圖Fig.3 Auxiliary construction drawing of sealing board

確認(rèn)滿(mǎn)足浮運(yùn)條件后，將沉井浮運(yùn)出塢，在塢外碼頭處靠泊并拆除12個(gè)封艙板，拆除后沉井吃水深度約8.5 m，如圖3（b）所示。沉井浮運(yùn)至橋位后，打開(kāi)連通器，隔艙進(jìn)水直至與外側(cè)水位齊平。此時(shí)，先割除角板與沉井井壁之間的連接焊縫。隨后解開(kāi)懸掛結(jié)構(gòu)中的錨具，通過(guò)下放鋼絲繩/精軋螺紋鋼筋使封艙板在自重作用下下沉。待移動(dòng)沉井至施工位置后進(jìn)行后續(xù)施工，同時(shí)打撈回收封艙板。

沉井浮運(yùn)至橋位后，由于封艙板數(shù)量的減少，降低了拆除工作的難度。封艙板拆除后，沉井處于自浮狀態(tài)。將6塊封艙板吊裝至頂部固定，作為汽車(chē)吊作業(yè)平臺(tái)，注水著床后，再將部分封艙板吊裝至頂部固定，建成如圖3（c）所示的汽車(chē)吊作業(yè)平臺(tái)及夾壁混凝土澆筑施工平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了封艙板的回收再利用，有效地節(jié)約了成本。

5 有限元分析計(jì)算

為了驗(yàn)證該封艙技術(shù)的有效性，采用有限元軟件對(duì)封艙板進(jìn)行受力計(jì)算。分別選取沉井內(nèi)圈和外圈面積最大、承受最不利荷載的封艙板進(jìn)行計(jì)算，封艙板四周梁系按照鉸接方式進(jìn)行模擬，考慮沉井浮運(yùn)過(guò)程與后期作為施工平臺(tái)兩種工況進(jìn)行計(jì)算。封艙板計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 封艙板計(jì)算結(jié)果Table 1 calculation results of sealing board

沉井浮運(yùn)時(shí)，內(nèi)圈封艙板梁系最大應(yīng)力的值為220 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在整個(gè)結(jié)構(gòu)的中部。應(yīng)力整體呈現(xiàn)出由中心向四周逐漸減小的趨勢(shì)。而面板處最大的應(yīng)力為52 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在面板邊緣。應(yīng)力整體呈現(xiàn)出由四周向中心先降低后增加的趨勢(shì)，因面板四周的位移被限制住，產(chǎn)生了不協(xié)調(diào)的變形。整體結(jié)構(gòu)最大位移為34 mm，與最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置對(duì)應(yīng)。同理，外圈封艙板最大應(yīng)力213 MPa及位移21 mm出現(xiàn)在跨中，但由于圓弧段的梁系布置比直線(xiàn)段的梁系布置間距要密，因此最大值的出現(xiàn)位置偏向直線(xiàn)段一側(cè)。內(nèi)圈封艙板后期作為施工平臺(tái)使用時(shí)，最大應(yīng)力為270 MPa，出現(xiàn)在汽車(chē)吊支點(diǎn)處，最大位移為25 mm，出現(xiàn)在汽車(chē)吊作用范圍內(nèi)。

綜合來(lái)看，處于不同位置的封艙板在各工況下的最大應(yīng)力為270 MPa，最大位移為34 mm。而封艙板梁系及蓋板采用Q345B材料，其容許的強(qiáng)度及剛度均高于上述值，因此該分艙封底式封艙板滿(mǎn)足工程需求，且符合規(guī)范要求[11]。

6 結(jié)語(yǔ)

本文依托常泰長(zhǎng)江大橋5號(hào)墩沉井工程，開(kāi)展了沉井浮運(yùn)施工關(guān)鍵技術(shù)研究，得出以下結(jié)論：

1）采用各艙分塊獨(dú)立封底式封艙，單塊制作、安裝、拆除方便，可有效利用沉井主體結(jié)構(gòu)加工船廠資源進(jìn)行精確加工安裝，浮運(yùn)完成后開(kāi)啟連通器后水下拆除安全可靠，設(shè)置浮球標(biāo)識(shí)打撈操作簡(jiǎn)單，可根據(jù)船塢及航道浮運(yùn)條件調(diào)節(jié)封艙數(shù)量，調(diào)整吃水深度。與常規(guī)封艙板相比，提高了浮運(yùn)安全性，增加了安裝和拆除的便利性，節(jié)省了人工和工期。

2）采用封底形式，與封頂形式相比，降低了氣密性要求。結(jié)構(gòu)利用斜面鎖緊作用進(jìn)行止水，受力明確，安全可靠。同時(shí)設(shè)計(jì)了2道止水措施，滲水漏氣路徑短，可艙內(nèi)注水和塢內(nèi)注水兩次檢查封艙氣密性，保障浮運(yùn)安全。

3）封艙板根據(jù)各艙尺寸制作，浮運(yùn)結(jié)束拆除回收后，可安裝至沉井頂面重復(fù)利用，增大作業(yè)面提高工效，有效循環(huán)利用材料。作為施工平臺(tái)節(jié)省了約300 t鋼材，作為汽車(chē)吊作業(yè)平臺(tái)滿(mǎn)足了2臺(tái)汽車(chē)吊同時(shí)吊裝作業(yè)，節(jié)省了2臺(tái)200 t全回轉(zhuǎn)浮吊1個(gè)月的租賃費(fèi)用，總共節(jié)約成本約600萬(wàn)元，有效降低了項(xiàng)目成本。