沪通长江大桥主航道桥超大钢沉井定位方案比选

林长青

（中国国家铁路集团有限公司工程管理中心，北京 100844）

随着跨江、跨海特大型桥梁建设的发展，深水大型基础应用逐渐增多，而沉井基础作为大跨度桥梁中较为常用的基础形式之一，有着广泛的应用前景。深水钢沉井的定位着床施工难度大，钢沉井悬浮于水中，受水流力、波浪力、风力等外界因素的影响大，定位的精度控制难度大，不确定因素多。由于大型沉井下沉过程中纠偏施工困难，往往很难达到预期效果，而钢沉井的定位精度直接决定着床精度，而着床精度对后期施工至关重要。因此，钢沉井定位施工的精度控制是深水沉井施工的重要一环，定位系统的设计直接关系到钢沉井的定位精度，值得深入研究［1］。

1 工程概况

沪通长江大桥是沪通铁路的控制性工程，位于江阴长江大桥下游45 km，苏通长江大桥上游40 km。主航道桥采用双塔五跨连续钢桁梁斜拉桥，孔跨布置为（140+462+1 092+462+140）m，见图1。主桥6个桥墩均采用沉井基础。其中，28#，29#主墩采用倒圆角的矩形沉井基础，沉井井身顶面平面尺寸为86.9 m×58.7 m［2］。28#墩沉井总高105 m，其中钢沉井高44 m，桥位处水深19.9 m（按施工水位标高+3 m计算）。29#墩沉井总高115 m，其中钢沉井高56 m，桥位处水深31.4 m（按施工水位标高+3 m计算）［3］。钢沉井均在桥位附近一次性制作完成，整体浮运至墩位后定位着床，28#主墩钢沉井浮运定位总重量约1.45×105kN，29#主墩钢沉井浮运定位总重量约1.69×105kN［4］。主墩沉井结构见图2。

图1 沪通长江大桥主航道桥总体布置（单位：m）

图2主墩沉井结构（单位：cm）

2 沉井定位方案

国内已建成采用深水沉井基础的大桥有泰州长江大桥、铜陵长江大桥、杨泗港长江大桥、沪通长江大桥等，随着深水沉井基础的成功修建，施工过程中的风险、控制关键点逐步被了解。钢沉井体量逐步加大，钢沉井定位技术从较为“柔性”的上下游采用定位船体系及边锚采用海军锚或霍尔锚的体系，逐步发展为“半刚性”的上下游锚墩及边锚采用海军锚或霍尔锚的体系［5］。随着钢沉井体量进一步增加，针对沪通长江大桥主墩钢沉井定位着床提出了2 种定位方案：①在矩形钢沉井4 个角点外一定距离各布置1 个锚墩的锚墩方案；②在钢沉井上下游侧布设钢锚桩，两边布置重力式边锚的锚桩+重力式边锚的方案。这2 种方案采用的定位系统刚性较大，可称为“刚性”定位系统［6］。

本文主要针对适用于大型深水钢沉井定位的锚墩体系、锚桩+重力式边锚的体系进行比较，研究其适用性及优缺点，重点分析可行性、经济性以及施工操作性。因28#，29#主墩沉井结构相似，仅以28#墩为例进行说明。

2.1 锚墩定位方案

28#主墩钢沉井水中定位的锚墩定位技术，采用在钢沉井的4 个角点各布置1 个锚墩承受钢沉井的水平力。锚墩采用大型钢管桩作为基础主要承力结构，锚墩上采用型钢等钢结构把钢管桩连接成整体并作为操作平台。在锚墩上布设卷扬机或连续式千斤顶，利用缆绳连接钢沉井与锚墩，通过锚缆的收放达到调整钢沉井平面位置及姿态的目的。锚缆调整的过程中采用拉力监测设备监控锚缆的受力，从而实现锚缆之间均匀受力、沉井姿态满足要求。钢沉井锚墩定位方案的平、立面施工图见图3。

图3 钢沉井锚墩定位方案的平立面施工图（单位：cm）

2.2 锚桩+重力式边锚方案

锚桩+重力式边锚系统设计为主锚锚桩+重力型边锚的形式，见图4。锚碇系统具体布置形式为：距离沉井中心上下游方向各200 m 的位置布置4 根定位钢锚桩构成主锚锚桩，距钢沉井中心南北方向各219 m的位置布置4 个蛙式重力锚组成边锚锚碇，锚桩及锚碇与钢沉井之间用锚缆连接［7］。主锚钢锚桩钢材为Q345，直径为3.5 m，壁厚32 mm。单根钢锚桩长55 m，重量为1 678 kN，插打入土深度约30 m。边锚锚碇采用蛙式重力锚，重力锚为钢筋混凝土结构，单个锚碇重量为8 000 kN。钢沉井锚缆采用特制直径为110 mm的钢丝绳，破断力为8 960 kN，锚桩和重力锚的设计承载力均为3 500 kN［8］。

图4 锚桩+重力式边锚定位系统布置（单位：cm）

定位系统上下游主锚桩分别由2 根上拉缆和2 根下拉缆组成。上拉缆直接从锚桩通过钢沉井顶面导缆器与沉井顶面钢绞线连接；下拉缆通过设置在距沉井底面15 m 的下导向轮和设置在沉井顶面的上导向轮，与沉井顶面的钢绞线连接。边锚两侧共8 根均为上拉缆，锚缆从蛙式重力边锚直接穿过沉井顶面的导缆器与钢绞线连接，钢绞线穿过固定在沉井顶面四周的16 套3 500 kN 的穿心式千斤顶。锚缆的收放通过连续穿心式千斤顶收放钢绞线带动锚缆予以实现，锚桩、锚碇位置固定。通过收放锚缆调整钢沉井的平面位置，每个千斤顶均安装应力传感器，可以实时采集锚缆的受力，通过千斤顶收放锚缆实现沉井姿态调整［9］。

2.3 钢沉井精准定位后续施工

主墩钢沉井通过定位系统动态控制其位置，同时注水下沉。通过定位系统各个方向上的锚缆对钢沉井平面位置进行调整，然后通过上下拉缆及各隔舱的注水量综合调整沉井定位姿态。定位分初定位和精确定位2阶段。钢沉井初定位在钢沉井锚碇系统布置完成之后进行，精确定位通过注水泵注水下沉至距离河床2 m处时进行。

钢沉井局部着床后立即检查其平面位置、垂直度，调整沉井平面姿态。然后根据河床冲刷情况对钢沉井内采取偏心注水的措施，直至刃脚进入河床不再下沉为止。随时监测河床面形态，适时启动空气吸泥机，进行局部吸泥。通过吸泥及沉井姿态调整，使钢沉井下沉至稳定深度［10］。

3 方案比选

3.1 技术性

钢沉井水中定位过程中主要受水流力、风力、波浪力等影响。其中影响最大的为水流力，水流力分为顺水流方向的力和横水流方向的涡流激振力。顺水流方向的水流力计算理论较为成熟，可比较准确的计算出钢沉井的受力。横水流方向的涡流激振力由于受河床暗流等诸多因素影响，较难准确计算，并且其对钢沉井定位施工影响较大，在确定定位方案时要重点考虑。

锚墩［3］定位方案是在沉井4 个角点外一定距离各布置1个锚墩，利用锚墩整体性好、可承受荷载大的特点，通过锚墩与钢沉井之间的锚缆受力抵抗钢沉井受到的各种外力。因为锚缆受力方向与水流方向有一定夹角，在顺水流、横水流作用下，锚缆拉力较大，从而对锚墩承载能力要求较高。此外，锚墩定位方案的操作平台在锚墩上，其顶面要布设若干张拉设备，需要的工作面较多。锚墩方案系缆装置配套数量多，定位收缆时间长，沉井加固量大，成本较大，且锚墩在四角设置，调整沉井位置亦相对困难。

锚桩+重力式边锚的定位方案是在钢沉井上下游侧各插打4 根定位钢管桩（锚桩），两边各沉放4 个钢筋混凝土重力锚，在锚桩和重力锚与钢沉井之间通过锚缆连接。因为锚缆受力与水流力方向一致，因此，锚缆的拉力相较锚墩锚缆拉力会相应减小。锚桩+重力式边锚定位方案的操作平台利用了沉井顶面，不需单独搭设操作平台。

上述2种方案在技术性上均可满足施工需要及钢沉井精确定位的要求。

3.2 经济性

锚墩定位方案由于要考虑锚墩承受很大的水平力，又要兼顾钢沉井定位操作平台，因此材料用量大，搭设时间长。以28#主墩钢沉井锚墩定位系统为例，要搭设满足受力和施工工作面要求的锚墩平台用钢量约为17 067.2 t，综合费用约1.1亿元。

锚桩+重力式边锚定位方案由于受力明确，施工方便，不需要单独搭设操作平台，因此材料用量不大，搭设时间较短。以28#主墩钢沉井锚桩+重力式边锚定位系统为例，上下游8根钢锚桩重量约为13 600 kN，4个混凝土重力锚重量约为36 000 kN，综合费用约4 000万元。

通过对2种方案的对比分析可知，锚桩+重力式边锚定位方案的经济性远远优于锚墩定位方案。

3.3 施工操作性

锚墩定位方案在沉井定位施工中，4 个锚墩平台均为独立的操作系统，在水中且距离较远。钢沉井定位及着床前的精确定位要协调各个操作平台快速调整锚缆受力以达到调整沉井姿态的目的。在锚墩定位方案中施工操作难度大。

锚桩+重力式边锚定位方案操作平台在沉井顶面，仅1 个操作平台即可控制4 个方向的锚缆张拉力实现沉井姿态的调整，既方便又快速。

通过对比分析可知，锚桩+重力式边锚定位方案在施工操作性上远远优于锚墩定位方案。

4 结论

通过技术可行性、经济性、施工操作性三方面对比分析可知，锚桩+重力式边锚定位方案在各个方面均优于锚墩定位方案。该方案具有结构受力明确、设备材料可重复使用、易于施工的特点，但需要配套研发大吨位收缆装置及配套系统。

锚桩+重力式边锚在施工过程中的实际应用，证明了该方案在水深流急的复杂水域工况下是能够满足超大型钢沉井定位施工需要的，且经济性、施工可操作性非常好，有很好的推广价值。