铜陵公铁两用长江大桥深水特大型沉井基础施工技术

2013-05-30邱琼海

铁道标准设计 2013年4期

邱琼海

(中铁大桥局集团第二工程有限公司，南京 210015)

1 工程概况

1.1 概述

铜陵公铁两用长江大桥为主跨630 m双塔斜拉桥，跨度布置:(90+240+630+240+90)m，全长 1 290 m。主桥下层为4线铁路，上层为6车道高速公路。斜拉桥主墩为3号和4号墩，其中3号墩采用沉井基础，位于长江主河槽北侧，该处河床面最低高程为-34.24 m，施工最大水深超过40 m。3号墩深水沉井基础施工是整个合福铁路的关键控制点之一。

1.2 沉井基础结构形式

3号主墩采用圆端形沉井基础，平面尺寸62 m×38 m，沉井平面分16个井孔，井壁厚1.6 m，隔舱壁厚1.2 m。沉井总高度 68 m，顶高程为+6.0 m，底高程为-62.0 m。沉井下部为50 m高钢沉井，上部为18 m高钢筋混凝土沉井。封底混凝土厚12 m。沉井结构形式见图1。

1.3 地质条件

3号墩沉井区域覆盖层工程地质特征自上而下分布情况如下。

粉砂:灰黄色，饱和，松散状。

粉质黏土:灰黄色、灰色，硬塑状，质不均，夹粉土、粉砂薄层，顶部混杂植物根系。

细圆砾土:灰色、灰黄色，饱和，密实状，含50% ～75%卵砾石，局部含胶结层。

1.4 水文特征

墩位所在河道属于感潮河段，潮差30 cm左右，主要受长江径流控制，水位年内变幅较大。历年最高水位为+14.70 m，历年最低水位+1.25 m，多年平均水位+6.75 m，桥址断面20年一遇洪水水位+12.01 m，最大流速 2.8 m/s。

图1 沉井结构(单位:cm)

2 工程特点

(1)钢沉井采用在工厂整节段制造［1］，整节段运输、接高，制造匹配精度要求高，平面尺寸大、质量大，节段起吊装船、运输困难。

(2)墩位位于长江主航道，水道狭窄，航运繁忙，大型机械起吊作业时协调力度大。

(3)钢沉井体积庞大，整体高度达50 m，洪水期水流流速快，边锚断锚风险大，克服沉井摆动困难，精确定位难度大［2］。

(4)洪水引起的河床局部冲刷严重，沉井着床几何姿态控制难度大［3］。

(5)沉井吸泥下沉需穿越胶结层，下沉难度大。

(6)钢沉井从工厂整体制造、运输、接高、精确定位、着床、混凝土沉井节段接高、吸泥下沉、封底等，工序转换频繁，工期紧，施工组织难度大。

3 沉井基础施工总体方案

钢沉井在工厂制造块单元件，起重码头整体拼装第1和第2节，大型浮吊起吊、装驳船运输至墩位，再用大型浮吊起吊第1节下水，初步定位至墩位位置，整体接高第2节。依次在工厂拼装第3、4节和第5、6节钢沉井，分2个批次接高第3至第6节钢沉井。钢沉井锚碇系统进行初步定位、精确定位，下沉，快速着床，填充钢沉井井壁水下混凝土。接高上部钢筋混凝土沉井井壁。空气吸泥下沉、封底、施工承台。

4 沉井基础施工技术

4.1 钢沉井制造

钢沉井平面上分为16个块单元件，沿高度方向分6 节，从下往上每节高(9.5+4×7.5+10.5)m。钢沉井总质量约5 400 t，最大节段质量为1 050 t。钢沉井节段制造场地选择在长江下游大型船厂内，先在钢结构加工车间制造成片单元，再到钢结构加工平台焊接成50～70 t的块单元。钢沉井节段组拼在码头区组拼平台上进行，组拼原则按先中间后四周的方式进行。钢沉井块段组拼采取设置支柱式全模板胎架，通过精确设置胎架地辅线等技术措施来保证块段拼装精度。钢沉井制造匹配精度控制是整节段接高的关键控制点。码头区一个批次组拼2个钢沉井节段。

4.2 钢沉井整节段起吊、运输

钢沉井整节段起吊设置8个吊点，单个吊耳按受力1 750 kN设计。12 000 kN浮吊整节段起吊装船并绑扎牢固。根据钢沉井节段尺寸及吨位，运输采用1艘大型海驳船配2艘1 471 kW拖轮及1艘706 kW拖轮进行运输。运输总里程约450 km，航行时间约30 h。每一批次运输2个整节段，分3个批次运完。

4.3 钢沉井整节段接高

钢沉井下水前先进行锚碇系统施工。第 1、第2节钢沉井运输至工地后，海事部门临时封闭航道，12 000 kN浮吊在墩位横水流方向停泊，将整节段钢沉井吊离运输船至设计位置下放，使钢沉井入水自浮，拖轮帮靠稳定后将拉缆及边锚锚绳由临时工作船过至钢沉井上，钢沉井定位于墩位处。

第2节钢沉井由12 000 kN浮吊整节段起吊，通过定位限位板、定位销等辅助措施与第1节钢沉井精确对位，焊接对接环焊缝，完成接高施工。第3至第6节钢沉井接高同第2节钢沉井，每接高两个节段将钢沉井边锚锚绳向上倒1次，以满足接高过程中钢沉井定位时的稳定性要求。整节段接高吊装参见图2。

图2 钢沉井整节段接高吊装示意(单位:cm)

4.4 锚碇系统设置

3号墩锚碇定位系统由前定位船主锚和边锚，钢沉井边锚，后定位船尾锚和边锚，以及前后定位船与钢沉井之间的拉缆系统组成［4，5］。根据资料确定长江洪水期计算水位，计算流速，基本风压，主要考虑前后定位船、钢沉井以及临时施工船舶的水流阻力和风阻力来确定锚碇系统的配置。按照计算成果，前、后定位船各采用2艘4 000 kN铁驳，主锚采用14个80 kN霍耳式铁锚，钢沉井边锚每侧采用8个80 kN霍耳式铁锚，前、后定位船边锚每侧各采用2个30 kN霍耳式铁锚，尾锚采用6个80 kN霍耳式铁锚。钢沉井的初定位和精确定位主要通过不断调整锚碇系统来实现［1，6］。锚碇系统布置详见图3。

图3 锚碇系统布置

4.5 钢沉井精确定位、注水快速着床

钢沉井定位阶段:钢沉井定位采取动态控制法，与钢沉井注水下沉同步进行。首先利用绞锚锚碇定位系统各个方向上的锚绳对钢沉井进行平面位置的调整定位;然后通过上下拉缆及各隔仓的注水量综合进行钢沉井定位姿态调整。钢沉井定位时期正值2010年6月到8月长江特大洪水期，施工过程中钢沉井发生摇头、摆动、扭转和边锚断锚等各种不利情况，横水流方向最大摆幅达70 m，且长江水流与钢沉井轴线存在一定的水平夹角，经过研究和分析，决定采取在钢沉井南侧增加1艘8 000 kN定位船并且增设边锚的措施，通过逐步收紧钢沉井南侧定位船主锚和钢沉井南、北侧边锚，渐渐地减小了钢沉井的摆幅，使钢沉井复位至设计位置。

钢沉井注水下沉着床阶段:根据注水量和注水效率的要求，布置16台60 m3/h潜水泵，另外在钢沉井每个隔舱的井壁上增设大口径自动注水阀门。2010年8月24日，钢沉井注水离河床2 m左右，完成最后一次精确定位后，打开全部注水阀门，历时36 min完成钢沉井快速注水着床，钢沉井平均入水深度为43.5 m。钢沉井着床初期精度:顶面中心最大偏差228 mm，平面扭角最大为0.46°，倾斜度最大为上下游方向1/65。钢沉井着床完成后，通过水泵不对称向井壁注水压重和空气吸泥机吸泥调整钢沉井的倾斜姿态［7］。钢沉井调整姿态后着床精度:顶面中心最大偏差-269 mm(偏上游为正)，平面扭角最大为0.47°，倾斜度最大为上下游方向1/182。沉井着床设计精度要求:顶面中心最大偏差500 mm，平面扭角最大为1°，倾斜度不大于1/150。

4.6 钢沉井井壁混凝土水下填充

钢沉井着床稳定后，在顶部布置井壁混凝土填充平台，采用垂直导管拔球法分舱对称填充钢沉井井壁水下混凝土［8］。井壁混凝土总方量约为29 000 m3，分为16个独立的舱，每个舱混凝土方量约为1 812 m3。井壁水下混凝土由水上混凝土工厂供应，通过布料机布料灌注到导管进行井壁混凝土填充。

4.7 钢筋混凝土沉井接高

沉井顶部18 m为钢筋混凝土结构，混凝土沉井井壁采用整体钢模板翻模法分节接高［9］，分4次浇筑完成，从下往上分节高度为3×4 m+2 m，混凝土沉井井壁混凝土方量约为9 636 m3，按分节情况最大单次方量约为2 992 m3。岸上混凝土工厂通过浮桥和水上混凝土工厂一起供应混凝土。沉井混凝土需分舱对称均匀浇筑。浇筑顺序为:由四周向中间，先井壁后隔墙，对称浇筑，均衡加载，确保沉井结构的平稳和安全。

4.8 沉井空气吸泥下沉

钢筋混凝土沉井接高完成后，安装吸泥平台、走道及龙门吊机、供风设备、供风管路和吸泥机等进行空气吸泥下沉。

4.8.1 补水布置

分别在离沉井刃脚踏面30、40 m高位置井壁、隔墙上预埋1道连通管，确保各井孔内水头与长江水位高度一致，井壁位置连通管预留封堵的法兰接头。

4.8.2 起重设备布置

沉井吸泥下沉过程中起重设备为1 200 kN和1 000 kN浮吊各 1艘、2台2 500 kN·m塔吊和6台布置于沉井上的200 kN门吊。2艘浮吊布置在驳船的外侧辅助施工。2台2 500 kN·m塔吊布置在沉井井壁上。门吊轨道沿沉井长边方向布置，内隔墙上设双轨，双轨间留有空隙，以保证相邻门吊工作运行时互不干扰。沉井中间一排井孔布置4台门吊，边上每排各布置1台门吊。

4.8.3 吸泥机及管路布置

沉井最终下沉高程为-62.0 m，根据沉井穿越的地质情况，空气吸泥机总共布置12套，每个井孔布置1套，其中 φ426 mm吸泥机 2套(布置在 A井孔)，φ351 mm吸泥机6套(布置在B井孔)，φ273 mm吸泥机4套(布置在C井孔)，见图4。供风设备采用12台23 m3/min的空气压缩机，每2台配备1只10 m3风包，共6个风包。由高压软管接入布置在沉井顶上的φ351 mm×10 mm主供气管，再通过高压软管向各吸泥机供气。

4.8.4 空气吸泥机吸泥下沉

沉井吸泥下沉按照先中后边、分层对称破土、先高后低、及时纠偏的原则进行［10］。沉井吸泥大体分成Ⅰ、Ⅱ两大区域，吸泥时从Ⅰ区开始，向两侧对称扩散。吸泥分区如图4所示。吸泥机一般开机4～6台，对称、均匀取土。Ⅰ区为吸泥中心区，开挖深度控制在3 m左右，在下沉过程中，隔墙始终处于悬空状态;Ⅱ区为吸泥周边区，锅底深度及隔墙悬空的范围需控制在1.5 m左右，对称进行取土。刃脚内侧有控制地进行吸泥取土，要对称、均匀且冲吸深度不宜过大，防止沉井发生翻砂和产生过大倾斜的现象［11］。沉井终沉阶段将取土吸泥下沉与沉井清基同步进行，在沉井刃脚到达终沉高程时，核心区也完成了清基作业。

图4 吸泥分区示意

4.8.5 吸泥下沉助沉措施

沉井在吸泥下沉至-44.5 m时发现存在卵石胶结层，吸泥效果不佳，下沉受阻。初期，采用冲击钻机冲击后进行吸泥的助沉措施，对于胶结层厚度较薄的部分进行冲砸能够破碎，对下沉有一定效果;对于胶结层厚度大于0.5 m以上部位，冲砸效果不佳。后期，经分析研究采用了爆破辅助下沉措施，根据水深50 m的条件特别制作了聚能爆破器具，选用了复合高强度导爆管雷管和抗深水压力及水密性能良好的水胶炸药。每次总装药量不应超过0.2 kg TNT当量［12］，较快地破碎胶结层，使沉井顺利突破该地质层，恢复正常的吸泥下沉施工。

4.8.6 终沉姿态

2011年4月 15日沉井下沉到位，实测沉井顶面中心最大偏差115 mm，平面扭角最大为0.47°，倾斜度最大为1/330.58;沉井终沉设计精度要求:顶面中心最大偏差500 mm，平面扭角不大于1°，倾斜度不大于1/150。各项指标均优于设计和规范规定值。

4.9 沉井水下大体积混凝土封底

沉井共分12个井孔，刃脚以上封底高度12 m，封底混凝土总量约20 850 m3。根据沉井清基封底施工面积大、井孔多的特点，通过沉井中间设置1道隔仓板将整个沉井封底分成Ⅰ和Ⅱ两大区域，每区为6个井孔，混凝土数量均为10 425 m3。封底采用分批开管连续浇筑的方案［13］，每个井孔布置 2套导管，由岸上2座120 m3/h拌和站和水上2艘150 m3/h拌和船供料，通过泵送和布料机至井顶混凝土中心集料斗集中供料，经过分料槽流入导管，逐管拔球，至所有导管拔球结束后，通过集料斗均匀布料灌注混凝土至设计高程。

4.10 沉井顶部承台施工

沉井顶部承台平面尺寸62 m×38 m，高6 m，承台顶高程+6 m，混凝土总方量为12 276.7 m3，分2次浇筑，每次浇筑高度3 m。承台钢筋在车间成型，现场绑扎，大体积混凝土施工按照温控设计要求安装循环冷却水管及测温元件。承台混凝土浇筑按照水平分层、斜向分段的原则进行，采取覆盖洒水保湿养护。