跨海橋大型設置沉井定位沉放施工方案探討

李志輝， 樊立龍， 趙振豐

（中國鐵建大橋工程局集團有限公司，天津 300300）

0 引言

設置沉井基礎因其大型整體化、預制模塊化、施工裝備大型化、自動化等方面發展，減少施工難度、提高施工質量、提高施工工效，縮短工期、承載力高、整體剛度大等性能，已成為深海急流、強風浪等惡劣海洋環境下跨海橋梁修建基礎形式［1］。設置基礎由于具有眾多優勢，其建造技術也得到了很大的發展和應用，20世紀80～90年代開始在日本和丹麥等國外跨海連島橋梁工程應用不斷增多；在我國橋梁建設中，設置沉井基礎應用較少，其中2006年建成的澎湖望安將軍跨海大橋兩個主墩設置基礎直徑22m，將預制好的沉箱拖至墩位灌水沉放，沉箱底部的空隙灌漿固［2］；2015年建成的大連星海灣跨海大橋錨碇基礎設計采用設置沉箱，沉箱船塢內預制，拖至墩位處采用兩個小沉箱、拖船以及吊船輔助配合精確定位安裝［3］；2020年建成的蕪湖長江公鐵大橋3#墩沉井基礎采用重型錨碇系統及調平系統進行精確定位著床［4］。隨著深水設置基礎的設計施工技術逐漸成熟，設置基礎技術創新推廣到水深、急流、軟弱覆蓋層的深海橋梁建設。

綜合考慮西堠門公鐵兩用大橋地形、地質條件的適用性，金塘島側基礎設計采用設置沉井基礎［5］，文中主要通過分析沉井定位的時機、風險，制定風險措施，并對多種沉井定位方案進行優缺點分析，提出沉井施工注意事項，研究解決設置沉井施工難題。

1 工程概況

1.1 工程簡介

擬建的西堠門公鐵兩用大橋為寧波至舟山鐵路、甬舟高速公路復線跨越西堠門水道的共用跨海橋梁，連接金塘島和冊子島。橋位處水域寬度為2.7km，最大水深93m，大于80m水深范圍約700m，大于60m水深范圍約1040m，西堠門公鐵兩用大橋通航船型按3萬噸級考慮，單孔雙向通航凈寬為850m。

金塘島側4#主塔基礎，位于碗盞礁，最大水深28m，高差5m裸巖，設置沉井基礎，直徑58m，高36m，結構見圖1。

圖1 設置沉井基礎結構圖（單位：mm）

西堠門公鐵兩用大橋橋址區屬亞熱帶海洋季風氣候，同時又屬于大陸性氣候向海洋性氣候過渡區，風向有明顯的季節性變化；是易受臺風影響的地區，臺風平均每年3.9個，瞬時風速＞40m/s，主要集中在7～9月，大橋10m高處100年一遇設計基本風速Vs10=44.8m/s。大橋金塘島側4#主塔基礎，位于碗盞礁，最大水深28m；潮汐性質多為半日潮，重現期20年設計潮差4.52m；海區的潮流性質為不規則半日潮流，百年重現期設計流速4.3m/s，浪高達8.81m［6］。

1.2 施工重難點

受橋位處具有風大、浪急、水深特點，加上潮汐等因素影響，大直徑鋼沉井運輸、定位以及下放安全風險大；鋼沉井下放定位精度以及現場混凝土質量控制難度大。

2 沉井沉放時機與風險分析

2.1 時機分析

通過橋址區氣象、水文資料，橋址區1月和11～12月強冷空氣頻繁，而8～10月為臺風期。在不同月份風浪特性差別較大，在3～6月份有效波高小于0.9m的出現頻率較多，均超過了80%，周期在3～6s出現頻率超過了75%。在7～9月份波高普遍增大，且有6～9s的周期出現的頻率也有所增加。

綜合氣象、水文條件，考慮現場施工安全，建議沉井定位和沉放選擇風浪相對小的3～6月份，在提取數據的風浪分析同時可以看到，3、4和6月份也會出現6～7s的周期，在5月份也會出現7～8s的周期，但出現的頻率比較低。從浮運、沉放過程沉井受力的分析可以得出，周期為8s時沉井受力是周期為5s時的2倍，相對長周期對拖輪自身的作業條件也會產生比較大的影響。可選擇波高小于0.5m與周期小于5s同時滿足時進行定位沉放作業。

2.2 風險分析

4#主塔基礎位于水下暗礁碗盞礁處，水深約17～27m，采用設置沉井基礎。鋼沉井在工廠整體制造完成后，拖輪綁帶拖運至橋位現場、錨碇定位、灌水下沉，并落底安放至已整平合格的地基上。

施工風險1：橋區處風大、多向不規則往復潮流等自然條件下承擔風力、波流力等荷載，再加上過往船只的擺動影響，鋼沉井在出船塢、長距離浮運、初步就位、定位系統轉換、初步定位、精定位、注水下沉著床過程中存在安全風險。

施工風險2：沉井著床定位前，沉井受波浪海流產生的波浪力影響，定位著床過程存在平面位置偏差的風險。

施工風險3：沉井定位錨碇體系龐大，受漲落潮影響，存在定位系統受力不均和超載的風險。

2.3 施工風險措施

施工措施1：超大型波浪水槽內開展沉井浮運、沉放進行模擬試驗，采用布爾運算在MOSES中建模如圖2所示，并利用MOSES水動力軟件分析受力特性，掌握沉井浮運全過程運動性能，提出控制沉井浮運穩定措施及浮運時機；通過規范計算、CFD數值模擬和部分組次下的物理模型試驗驗證相結合的手段，得到靜水阻力及阻力系數，為后續選擇拖航配置提供數據來源和技術支持。

圖2 MOSES模型分析

施工措施2：實測并掌握沉井定位期間水文條件變化規律及其對沉井剛體平面位移影響規律，選著合適時段快速著床。

施工措施3：通過掌握多向潮流的變化規律，根據潮流的特點設計布置定位系統錨墩數量及結構，并針對定位系統在每個狀態下分析計算，確保沉井施工各個狀態下有效可控。

施工措施4：在沉井定位、沉放施工中，對沉井的定位、沉放著床施工中搭載沉井監控云平臺，利用信息化手段確保實現沉井施工全過程的“可測、可視、可管、可控”。

3 沉井定位沉放方案

國內外修建公鐵跨海大橋施工過程中面臨大風、大浪、流急、裸巖地質等惡劣環境，考慮鋼沉井定位、沉放施工承受的水流力及風力荷載，參考蕪湖長江公鐵大橋等［7］橋梁沉井定位、沉放施工經驗，對混凝土重力錨定位［8］、靠墩+錨墩定位以及靠墩+錨墩+混凝土錨碇組合錨定位3種方案進行探討分析。

3.1 混凝土重力錨定位

主錨共12個1000t混凝土重力錨，兩側對稱布置，邊錨共4個1500t混凝土重力錨，兩側對稱布置，總共16個混凝土重力錨，如圖3所示。

圖3 混凝土重力錨定位布置圖

混凝土錨碇與錨繩連接后，采用輸船將混凝土錨碇（包含對應的錨鏈）運至設計位置附近時，再利用浮吊將錨碇吊放至設計位置，錨繩另一端拖至相應浮標處系在浮標上。

利用拖輪將鋼沉井拖運至墩位附近。利用浮吊將錨碇拉纜與沉井相連，利用沉井上的卷揚機調整拉纜系統，使沉井精確定位，利用吸泥船清理下方淤泥，沉井注水下沉，直至著床。

3.2 靠墩+錨碇定位

總共布置4個錨墩，4個邊錨平臺和一個靠墩，錨墩和靠墩均采用6根2.2m鉆孔灌注樁，樁頂采用鋼筋混凝土承臺，靠墩A和平臺連成整體，如圖4所示。

圖4 靠墩+錨碇定位布置圖

利用浮吊施工錨墩鉆孔灌注樁，并在鉆孔樁上澆筑承臺。在沉井周邊上端安裝拉纜，在沉井周邊下部安裝邊纜。其施工順序：靠墩、錨墩施工→鋼沉井下水拖至墩位下游→利用浮吊將拉纜F/F'與沉井連接→落潮時依靠拖輪及拉纜向墩位推進→利用浮吊將拉纜拉纜E/E'、G/G'、D/D'與沉井連接→連接邊纜收纜平臺B、C上的拉纜以及收纜平臺H、I的拉纜→張拉邊纜B'、C'、H'、I'靠近靠墩A并與沉井連接→調整邊纜、拉纜，進行初定位→鋼沉井注水下沉至定位狀態→鋼沉井精定位→確定時機注水著床。

3.3 靠墩+錨墩+混凝土錨碇組合錨定位

總共布置2個錨墩，4個混凝土錨，4個邊錨平臺和1個靠墩，錨墩和靠墩均采用6根2.2m鉆孔灌注樁，混凝土錨采用1000t，樁頂采用鋼筋混凝土承臺，靠墩和平臺連成整體，如圖5所示。

圖5 靠墩+錨墩+混凝土錨組合錨定位布置

錨墩基礎采用鉆孔灌注樁，錨墩平臺采用混凝土結構。錨墩與沉井之間的拉纜及兜纜均采用鋼絲繩，通過鋼絲繩與沉井連接。其施工順序：組合錨施工→鋼沉井下水→拖輪就位與鋼沉井連接→拖輪拖拉鋼沉井至墩位處下游→利用浮吊及拋錨船牽引混凝土重力錨D、E、錨墩F、G上下拉纜與鋼沉井連接→鋼沉井緩慢靠近A錨墩并停泊→連接靠墩A及B、C、H、I邊錨平臺上下拉纜→鋼沉井初定位→鋼沉井注水下沉至定位狀態→鋼沉井精定位→確定時機注水著床。

3.4 方案優缺點

通過3種定位沉放方案進行分析，其定位沉放方案優缺點見表1。

表1 定位方案優缺點

選用何種定位方案，需考慮設置邊纜能否調整沉井位置，并承擔水流力及風力荷載，能否有效解決大直徑鋼沉井在定位沉放中受大風、急流的沖擊從而引起大直徑鋼沉井精確定位沉放的難題，能否有效控制鋼沉井的平面位置，實現鋼沉井精確定位沉放［9］。

3.5 分析討論

沉井浮運和下沉到設計位置后，其平面位置及垂直度都有嚴格的要求。因此要求沉井在著床前必須定位準確，通過分析研究沉井的自浮部分在水中受水流力、波浪力、風荷載等荷載的影響會在水中漂浮不定，為了保證沉井能夠固定并能精確定位于一個設計指定的位置上，必須設置沉井的定位錨碇系統，以此來對沉井進行固定和位置的調整，方可保證沉井著床前定位精確，著床后平面位置及垂直度滿足相關規范要求。綜合考慮3種方案的施工難易程度、剛度、外界環境的影響、施工安全及質量等因素，推薦采用靠墩+錨墩+混凝土錨碇組合錨定位方案，具有剛度大、定位精度高、質量易得到保證。

4 結語

（1） 考慮橋址處惡劣施工環境，設置基礎鋼沉井浮運時間可以選在波高相對較小的3～6月份，通過氣象和水文的預報系統找到波高小于0.5m，同時周期小于5s的小潮期進行作業。

（2） 在沉井下沉和定位過程中可針對沉井下沉不同位置時錨定系統受力分析進行研究，利用相關計算機軟件等手段模擬分析沉井下沉不同位置時，在不同風、浪、流等動力條件下錨定系統受力以及沉井的運動量去指導現場施工。