常泰長(zhǎng)江大橋主塔沉井出塢浮運(yùn)施工關(guān)鍵技術(shù)*

張 磊，羅 英，尹東亞，韓鵬鵬

(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，北京 100120； 5.江蘇省交通工程建設(shè)局，江蘇 南京 210004)

1 工程概況

常泰長(zhǎng)江大橋主航道橋采用主跨1 176m的雙塔五跨(142+490+1 176+490+142)m連續(xù)鋼桁梁斜拉橋，是世界上跨度最大的斜拉橋。該橋5號(hào)主塔基礎(chǔ)采用臺(tái)階形減沖刷減自重沉井基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，是世界上最大的水中沉井基礎(chǔ)，也是世界上首座采用全鋼殼結(jié)構(gòu)的沉井基礎(chǔ)[1]。沉井基礎(chǔ)平面呈圓端形，立面為臺(tái)階形，底面尺寸為95.0m×57.8m(橫橋向×縱橋向)，圓端半徑為28.9m(見(jiàn)圖1)。沉井頂面尺寸為77.0m×39.8m(橫橋向×縱橋向)，圓端半徑19.9m，臺(tái)階寬9.0m。鋼沉井分36個(gè)井孔，外井壁厚1.8m，內(nèi)井壁厚2.0m，內(nèi)隔墻厚1.4m。

圖1 5號(hào)主塔沉井基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

橋址處于長(zhǎng)江感潮河段，全年除枯季大潮有上溯潮流外，基本上為單向下泄流，枯季垂線平均最大流速約1.0m/s。漲潮歷時(shí)較落潮歷時(shí)短，全潮平均12.5h，一次漲潮歷時(shí)約4h，一次落潮歷時(shí)約8.5h。

2 鋼沉井助浮方案比選

5號(hào)主塔沉井首節(jié)高43m，制作時(shí)分5層，其中第1層平面尺寸為95.4m×58.2m，高9m；2～4層平面尺寸為95.0m×57.8m，高34m。在工廠內(nèi)制作，并在干船塢內(nèi)拼裝成整體后浮運(yùn)至設(shè)計(jì)墩位。首節(jié)鋼沉井鋼殼重14 000t，刃腳混凝土重4 000t，施工荷載及附屬結(jié)構(gòu)重1 500t，總重約19 500t。經(jīng)計(jì)算可知，在自浮狀態(tài)下，鋼沉井吃水深度13.5m，受船塢和浮運(yùn)線路水深限制，無(wú)法在自浮狀態(tài)下出塢和浮運(yùn)，因此須采取助浮措施，減小鋼沉井吃水深度。

以往鋼沉井、沉箱或鋼圍堰的助浮方式主要有增壓、封底和浮箱[2-3]。增壓助浮方案是在沉井井孔上對(duì)稱加設(shè)封閉蓋板，以封閉井孔形成密閉氣艙，然后通過(guò)主動(dòng)增壓系統(tǒng)向密閉氣艙內(nèi)加壓注氣，從而減小鋼沉井的吃水深度，如圖2所示。此方案的優(yōu)點(diǎn)為：①封閉蓋板的安裝和拆除均位于水上，方便施工；②封閉蓋板可作為臨時(shí)施工平臺(tái)。缺點(diǎn)為：①鋼沉井井孔密封范圍大，漏氣風(fēng)險(xiǎn)大；②自由液面不能產(chǎn)生恢復(fù)力矩，浮運(yùn)穩(wěn)定性相對(duì)較差；③密閉氣艙內(nèi)加壓注氣后，中隔墻吃水淺，高壓氣體有一定的壓穿風(fēng)險(xiǎn)。滬通長(zhǎng)江大橋29號(hào)墩鋼沉井工程采用增壓助浮方案[4-5]。

封底助浮方案是在井孔底部設(shè)置封艙底板，通過(guò)增大鋼沉井排水面積減小鋼沉井吃水深度，如圖3所示。此方案的優(yōu)點(diǎn)為：①僅對(duì)鋼沉井底部吃水范圍有水密性要求，漏水風(fēng)險(xiǎn)小；②截面慣性矩大，浮運(yùn)穩(wěn)定性好。缺點(diǎn)為：①封艙底板拆除屬于水下作業(yè)，水下切割、打撈作業(yè)難度大；②沉井刃腳部位傳感器密集，且填充有刃腳混凝土，刃腳部位焊接和切割作業(yè)易對(duì)傳感器和刃腳造成損傷。楊泗港長(zhǎng)江大橋2號(hào)墩沉井工程采用封底助浮方案[6]。

浮箱助浮方案是加工若干浮箱，并將其固定在鋼沉井井孔內(nèi)，通過(guò)浮箱的浮力減小鋼沉井的吃水深度，如圖4所示。此方案的優(yōu)點(diǎn)為：①助浮措施拆除時(shí)無(wú)須水下切割，且切割工作量較??；②截面慣性矩大，浮運(yùn)穩(wěn)定性好。缺點(diǎn)為：①浮箱需設(shè)計(jì)、制作、安裝，施工周期長(zhǎng)；②相同助浮能力下，浮箱所需鋼材更多，施工成本更高。

圖4 浮箱助浮方案

根據(jù)常泰長(zhǎng)江大橋5號(hào)主塔鋼沉井結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)比3種助浮方案(見(jiàn)表1)。綜合各方案的安全性、工期、成本和施工便利性，采取封底助浮方案。

表1 鋼沉井助浮方案比選

3 鋼沉井出塢浮運(yùn)施工關(guān)鍵參數(shù)分析

3.1 吃水深度分析

鋼沉井助浮后的吃水深度應(yīng)依據(jù)船塢和航道的水深進(jìn)行確定。

首節(jié)鋼沉井總拼所在船塢尺寸為543m×147m×13m(長(zhǎng)×寬×深)，鋼沉井塢內(nèi)拼裝時(shí)，坐落在船塢的塢墩上，如圖5所示。考慮出塢時(shí)潮位變化，在鋼沉井出塢作業(yè)時(shí)，塢內(nèi)水深為8.7～10.8m。除去塢墩高度2.2m，則凈水深(塢墩頂至水面距離)最低約為6.5m。鋼沉井在出塢過(guò)程中，須有一定的安全高度才能出塢，鋼沉井出塢的安全高度按0.5m考慮，則要求鋼沉井出塢吃水≤6.0m，須采取助浮措施控制。

圖5 船塢平面(單位：m)

鋼沉井出塢后，經(jīng)小型船舶上行航道浮運(yùn)至設(shè)計(jì)墩位處。塢門至小型船舶上行航道區(qū)域水深最低約為10m，小型船舶上行航道水深約為14.5m，鋼沉井墩位處河床水深≥14.5m。所經(jīng)水域和墩位處水深均超過(guò)10m，沉井采取助浮措施后，水深可滿足浮運(yùn)要求。

但由于墩位處封艙底板拆除不便，從方便施工角度考慮，鋼沉井出塢后，可拆除部分封艙底板，將吃水控制在8.5m左右。鋼沉井浮運(yùn)至墩位后，再拆除其余封艙底板。

3.2 助浮封艙底板設(shè)計(jì)

1)封艙底板布置 采用封底助浮形式，將鋼沉井36個(gè)井孔中的28個(gè)井孔增設(shè)封艙鋼底板(見(jiàn)圖6a)。經(jīng)計(jì)算分析，28個(gè)井孔的底部全部封閉后鋼沉井的吃水深度約6.0m。鋼沉井出塢后在塢門碼頭靠泊后拆除中間位置的12個(gè)封艙底板，如圖6b所示，鋼沉井吃水深度調(diào)整為8.5m后，再將鋼沉井浮運(yùn)至橋墩位置，其余封艙底板待鋼沉井定位系統(tǒng)施工完畢后再進(jìn)行拆除。

圖6 封艙底板布置

2)封艙底板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 鋼沉井隔艙封艙板采用梁板式結(jié)構(gòu)，面板采用8mm厚鋼板，主梁為HM588×300型鋼，次梁為HN350×175型鋼，每根主梁端部設(shè)置加勁板與鋼沉井刃腳內(nèi)壁相連。主梁端部設(shè)置封邊鋼板，封邊鋼板頂部設(shè)置1圈環(huán)形板，環(huán)板與鋼沉井刃腳內(nèi)壁間設(shè)置1圈環(huán)形角板。封邊鋼板與鋼沉井刃腳內(nèi)壁間設(shè)置膨脹型止水條，封邊鋼板內(nèi)側(cè)設(shè)置加強(qiáng)角鋼，如圖7所示。

圖7 封艙底板結(jié)構(gòu)

3.3 浮運(yùn)阻力與拖輪配置

1)浮運(yùn)作業(yè)條件確定

根據(jù)橋位區(qū)域氣象、水文條件，確定鋼沉井出塢及航道內(nèi)浮運(yùn)邊界條件，如表2所示。

表2 鋼沉井出塢、航道內(nèi)浮運(yùn)邊界條件

2)浮運(yùn)阻力計(jì)算

鋼沉井浮運(yùn)過(guò)程中主要受風(fēng)和水流的作用，由于鋼沉井結(jié)構(gòu)尺寸大，浮運(yùn)阻力大，必須對(duì)鋼沉井浮運(yùn)阻力進(jìn)行估算，從而合理配置拖輪。鋼沉井在浮運(yùn)過(guò)程中為浮式結(jié)構(gòu)，且浮運(yùn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需合理計(jì)算鋼沉井定位階段受到的水流力、風(fēng)荷載。

水流力計(jì)算綜合采用規(guī)范公式[7]、CFD數(shù)值模擬及模型試驗(yàn)3種方法。3種方法鋼沉井計(jì)算得到浮運(yùn)阻力分別為362，450，470kN。規(guī)范公式和CFD數(shù)值計(jì)算水流力與模型試驗(yàn)結(jié)果相比較小，鋼沉井浮運(yùn)阻力偏安全取470.0kN。風(fēng)荷載按GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[8]計(jì)算。

3)浮運(yùn)總阻力與拖輪配置

根據(jù)計(jì)算，考慮一定安全系數(shù)，出塢過(guò)程中總阻力為1 467kN，航道內(nèi)浮運(yùn)過(guò)程中總阻力為 1 620kN， 如表3所示。

表3 鋼沉井出塢浮運(yùn)過(guò)程總阻力

根據(jù)浮運(yùn)阻力計(jì)算結(jié)果，首節(jié)43m高鋼沉井在航道內(nèi)浮運(yùn)過(guò)程中綜合阻力約1 780kN。為便于操作，確保航行安全，本次拖帶計(jì)劃由6艘4 000HP以上全回轉(zhuǎn)拖輪實(shí)施，另備用1艘3 600HP全回轉(zhuǎn)拖輪應(yīng)急維護(hù)。船隊(duì)總拖帶力約3 370kN，安全系數(shù)為1.9，滿足要求。

4 鋼沉井出塢浮運(yùn)施工步驟

4.1 封艙底板安裝

鋼沉井出塢前，預(yù)先安裝鋼沉井井孔內(nèi)封艙底板及其附屬結(jié)構(gòu)。附屬結(jié)構(gòu)主要作用為方便封艙底板拆除作業(yè)，主要包括鋼絲繩、提升吊籃、豎向爬梯、浮漂，如圖8所示。

圖8 附屬結(jié)構(gòu)

4.2 鋼沉井出塢

鋼沉井出塢過(guò)程主要包括鋼沉井塢內(nèi)系纜、塢內(nèi)注水鋼沉井起浮、塢門開(kāi)啟、拖輪進(jìn)塢編隊(duì)、拖帶鋼沉井出塢等工序。在鋼沉井出塢前應(yīng)完成鋼沉井塢內(nèi)系纜定位，在鋼沉井起浮時(shí)，應(yīng)注意隨時(shí)收緊纜繩，防止鋼沉井注水后漂移，如圖9所示。

圖9 鋼沉井塢內(nèi)系纜定位

當(dāng)船塢注水至內(nèi)外水位平衡后，打開(kāi)塢門，鋼沉井前的2艘整船出塢。2艘整船出塢后，4艘拖輪進(jìn)入塢內(nèi)，進(jìn)行拖輪塢內(nèi)編隊(duì)，并將鋼沉井緩緩?fù)蠋С鰤]，如圖10所示。

圖10 拖輪塢內(nèi)編隊(duì)

4.3 碼頭拆除部分封艙底板

鋼沉井出塢后，在塢門碼頭附近臨時(shí)系泊，進(jìn)行鋼沉井內(nèi)圈共計(jì)12塊封艙底板拆除作業(yè)。拆除施工采用水下切割工藝，按施工順序，分為水下切割、封艙底板拆除和封艙底板打撈3個(gè)工序。拆除前，需在船塢內(nèi)預(yù)先將封艙底板頂面吊耳與井孔內(nèi)預(yù)留的拆除吊耳通過(guò)保護(hù)鋼絲繩連接并拉緊，潛水員下到井孔內(nèi)開(kāi)啟封艙底板上的截止閥，使12個(gè)井孔內(nèi)的水位與江面平齊，水位平齊后潛水員開(kāi)始進(jìn)行封艙底板四周連接板部位水下切割。

對(duì)水下切割完畢的封艙底板，將起重設(shè)備吊鉤鋼絲繩與封艙底板頂面吊耳水下掛鉤連接，帶力拉緊(張拉力稍大于封艙底板自重)后切除井孔內(nèi)保護(hù)鋼絲繩上端吊耳，此時(shí)封艙底板自重由起重設(shè)備承受，如圖11所示。切除完畢后，緩慢下放封艙底板，平穩(wěn)落在河床面后吊裝鋼絲繩一同留在江中，并在鋼絲繩上端系上定位浮漂。后續(xù)鋼沉井通過(guò)拖輪浮運(yùn)離開(kāi)塢門碼頭，利用浮式起重機(jī)將12塊封艙底板打撈并裝船，完成碼頭部分的封艙底板拆除。

圖11 碼頭拆除部分封艙底板

4.4 航道浮運(yùn)

選用“4艘拖輪綁拖，1艘拖輪頂拖，1艘拖輪倒拖”的拖帶方案，1號(hào)拖輪前面掛纜倒拖，4號(hào)拖輪(掛帶3纜)鋼沉井左舷后編隊(duì)，2號(hào)拖輪(掛帶2纜)左前編隊(duì)，6號(hào)拖輪后部頂推；鋼沉井離開(kāi)碼頭約50m后，5號(hào)拖輪(掛帶3纜)右后編隊(duì)、3號(hào)拖輪(掛帶2纜)右前帶纜。拖輪編隊(duì)整體寬137.4m，長(zhǎng)247.54m，與海事部門聯(lián)系溝通后，滿足鋼沉井拖帶要求，如圖12所示。編隊(duì)完畢后，在現(xiàn)場(chǎng)海巡艇及護(hù)航艇維護(hù)下，進(jìn)行鋼沉井浮運(yùn)作業(yè)。

圖12 鋼沉井拖輪編隊(duì)

4.5 墩位處拆除其余封艙底板

鋼沉井浮運(yùn)到墩位處且定位系統(tǒng)施工完成后，開(kāi)始進(jìn)行其余封艙底板拆除施工。利用錨纜系統(tǒng)將鋼沉井向岸側(cè)偏移35m后固定，即可進(jìn)行封艙底板拆除工作。橋位處封艙底板切割順序與碼頭封艙底板切割順序類似，此處不再贅述。再利用錨纜系統(tǒng)將鋼沉井向江心側(cè)偏移35m后固定，完成鋼沉井江心側(cè)8塊封艙底板拆除工作，如圖13所示。

圖13 墩位處封艙底板拆除

5 結(jié)語(yǔ)

采用封底助浮方案，解決了鋼沉井出塢、浮運(yùn)過(guò)程中的以下技術(shù)難題。

1)通過(guò)安裝封艙底板，將鋼沉井的吃水深度由13.5m減小至6m，解決了首節(jié)鋼沉井在出塢、浮運(yùn)過(guò)程中施工水深不足難題。

2)通過(guò)在碼頭臨時(shí)?？坎鸪糠址馀摰装宓姆绞?，解決了橋位處內(nèi)圈12塊封艙底板難以拆除的施工難題。

3)利用錨纜系統(tǒng)將鋼沉井向側(cè)邊偏移，再拆除封艙底板，大大減小了橋位區(qū)域封艙底板移除難度。

常泰長(zhǎng)江大橋5號(hào)主塔鋼沉井于2019年12月24日完成塢內(nèi)制造，12月28日鋼沉井順利出塢并?？繅]門碼頭，完成12塊封艙底板拆除作業(yè)，2020年1月2日浮運(yùn)至墩位。