滬通長江大橋主航道橋超大鋼沉井定位方案比選

林長青

（中國國家鐵路集團有限公司工程管理中心，北京 100844）

隨著跨江、跨海特大型橋梁建設的發展，深水大型基礎應用逐漸增多，而沉井基礎作為大跨度橋梁中較為常用的基礎形式之一，有著廣泛的應用前景。深水鋼沉井的定位著床施工難度大，鋼沉井懸浮于水中，受水流力、波浪力、風力等外界因素的影響大，定位的精度控制難度大，不確定因素多。由于大型沉井下沉過程中糾偏施工困難，往往很難達到預期效果，而鋼沉井的定位精度直接決定著床精度，而著床精度對后期施工至關重要。因此，鋼沉井定位施工的精度控制是深水沉井施工的重要一環，定位系統的設計直接關系到鋼沉井的定位精度，值得深入研究［1］。

1 工程概況

滬通長江大橋是滬通鐵路的控制性工程，位于江陰長江大橋下游45 km，蘇通長江大橋上游40 km。主航道橋采用雙塔五跨連續鋼桁梁斜拉橋，孔跨布置為（140+462+1 092+462+140）m，見圖1。主橋6個橋墩均采用沉井基礎。其中，28#，29#主墩采用倒圓角的矩形沉井基礎，沉井井身頂面平面尺寸為86.9 m×58.7 m［2］。28#墩沉井總高105 m，其中鋼沉井高44 m，橋位處水深19.9 m（按施工水位標高+3 m計算）。29#墩沉井總高115 m，其中鋼沉井高56 m，橋位處水深31.4 m（按施工水位標高+3 m計算）［3］。鋼沉井均在橋位附近一次性制作完成，整體浮運至墩位后定位著床，28#主墩鋼沉井浮運定位總重量約1.45×105kN，29#主墩鋼沉井浮運定位總重量約1.69×105kN［4］。主墩沉井結構見圖2。

圖1 滬通長江大橋主航道橋總體布置（單位：m）

圖2主墩沉井結構（單位：cm）

2 沉井定位方案

國內已建成采用深水沉井基礎的大橋有泰州長江大橋、銅陵長江大橋、楊泗港長江大橋、滬通長江大橋等，隨著深水沉井基礎的成功修建，施工過程中的風險、控制關鍵點逐步被了解。鋼沉井體量逐步加大，鋼沉井定位技術從較為“柔性”的上下游采用定位船體系及邊錨采用海軍錨或霍爾錨的體系，逐步發展為“半剛性”的上下游錨墩及邊錨采用海軍錨或霍爾錨的體系［5］。隨著鋼沉井體量進一步增加，針對滬通長江大橋主墩鋼沉井定位著床提出了2 種定位方案：①在矩形鋼沉井4 個角點外一定距離各布置1 個錨墩的錨墩方案；②在鋼沉井上下游側布設鋼錨樁，兩邊布置重力式邊錨的錨樁+重力式邊錨的方案。這2 種方案采用的定位系統剛性較大，可稱為“剛性”定位系統［6］。

本文主要針對適用于大型深水鋼沉井定位的錨墩體系、錨樁+重力式邊錨的體系進行比較，研究其適用性及優缺點，重點分析可行性、經濟性以及施工操作性。因28#，29#主墩沉井結構相似，僅以28#墩為例進行說明。

2.1 錨墩定位方案

28#主墩鋼沉井水中定位的錨墩定位技術，采用在鋼沉井的4 個角點各布置1 個錨墩承受鋼沉井的水平力。錨墩采用大型鋼管樁作為基礎主要承力結構，錨墩上采用型鋼等鋼結構把鋼管樁連接成整體并作為操作平臺。在錨墩上布設卷揚機或連續式千斤頂，利用纜繩連接鋼沉井與錨墩，通過錨纜的收放達到調整鋼沉井平面位置及姿態的目的。錨纜調整的過程中采用拉力監測設備監控錨纜的受力，從而實現錨纜之間均勻受力、沉井姿態滿足要求。鋼沉井錨墩定位方案的平、立面施工圖見圖3。

圖3 鋼沉井錨墩定位方案的平立面施工圖（單位：cm）

2.2 錨樁+重力式邊錨方案

錨樁+重力式邊錨系統設計為主錨錨樁+重力型邊錨的形式，見圖4。錨碇系統具體布置形式為：距離沉井中心上下游方向各200 m 的位置布置4 根定位鋼錨樁構成主錨錨樁，距鋼沉井中心南北方向各219 m的位置布置4 個蛙式重力錨組成邊錨錨碇，錨樁及錨碇與鋼沉井之間用錨纜連接［7］。主錨鋼錨樁鋼材為Q345，直徑為3.5 m，壁厚32 mm。單根鋼錨樁長55 m，重量為1 678 kN，插打入土深度約30 m。邊錨錨碇采用蛙式重力錨，重力錨為鋼筋混凝土結構，單個錨碇重量為8 000 kN。鋼沉井錨纜采用特制直徑為110 mm的鋼絲繩，破斷力為8 960 kN，錨樁和重力錨的設計承載力均為3 500 kN［8］。

圖4 錨樁+重力式邊錨定位系統布置（單位：cm）

定位系統上下游主錨樁分別由2 根上拉纜和2 根下拉纜組成。上拉纜直接從錨樁通過鋼沉井頂面導纜器與沉井頂面鋼絞線連接；下拉纜通過設置在距沉井底面15 m 的下導向輪和設置在沉井頂面的上導向輪，與沉井頂面的鋼絞線連接。邊錨兩側共8 根均為上拉纜，錨纜從蛙式重力邊錨直接穿過沉井頂面的導纜器與鋼絞線連接，鋼絞線穿過固定在沉井頂面四周的16 套3 500 kN 的穿心式千斤頂。錨纜的收放通過連續穿心式千斤頂收放鋼絞線帶動錨纜予以實現，錨樁、錨碇位置固定。通過收放錨纜調整鋼沉井的平面位置，每個千斤頂均安裝應力傳感器，可以實時采集錨纜的受力，通過千斤頂收放錨纜實現沉井姿態調整［9］。

2.3 鋼沉井精準定位后續施工

主墩鋼沉井通過定位系統動態控制其位置，同時注水下沉。通過定位系統各個方向上的錨纜對鋼沉井平面位置進行調整，然后通過上下拉纜及各隔艙的注水量綜合調整沉井定位姿態。定位分初定位和精確定位2階段。鋼沉井初定位在鋼沉井錨碇系統布置完成之后進行，精確定位通過注水泵注水下沉至距離河床2 m處時進行。

鋼沉井局部著床后立即檢查其平面位置、垂直度，調整沉井平面姿態。然后根據河床沖刷情況對鋼沉井內采取偏心注水的措施，直至刃腳進入河床不再下沉為止。隨時監測河床面形態，適時啟動空氣吸泥機，進行局部吸泥。通過吸泥及沉井姿態調整，使鋼沉井下沉至穩定深度［10］。

3 方案比選

3.1 技術性

鋼沉井水中定位過程中主要受水流力、風力、波浪力等影響。其中影響最大的為水流力，水流力分為順水流方向的力和橫水流方向的渦流激振力。順水流方向的水流力計算理論較為成熟，可比較準確的計算出鋼沉井的受力。橫水流方向的渦流激振力由于受河床暗流等諸多因素影響，較難準確計算，并且其對鋼沉井定位施工影響較大，在確定定位方案時要重點考慮。

錨墩［3］定位方案是在沉井4 個角點外一定距離各布置1個錨墩，利用錨墩整體性好、可承受荷載大的特點，通過錨墩與鋼沉井之間的錨纜受力抵抗鋼沉井受到的各種外力。因為錨纜受力方向與水流方向有一定夾角，在順水流、橫水流作用下，錨纜拉力較大，從而對錨墩承載能力要求較高。此外，錨墩定位方案的操作平臺在錨墩上，其頂面要布設若干張拉設備，需要的工作面較多。錨墩方案系纜裝置配套數量多，定位收纜時間長，沉井加固量大，成本較大，且錨墩在四角設置，調整沉井位置亦相對困難。

錨樁+重力式邊錨的定位方案是在鋼沉井上下游側各插打4 根定位鋼管樁（錨樁），兩邊各沉放4 個鋼筋混凝土重力錨，在錨樁和重力錨與鋼沉井之間通過錨纜連接。因為錨纜受力與水流力方向一致，因此，錨纜的拉力相較錨墩錨纜拉力會相應減小。錨樁+重力式邊錨定位方案的操作平臺利用了沉井頂面，不需單獨搭設操作平臺。

上述2種方案在技術性上均可滿足施工需要及鋼沉井精確定位的要求。

3.2 經濟性

錨墩定位方案由于要考慮錨墩承受很大的水平力，又要兼顧鋼沉井定位操作平臺，因此材料用量大，搭設時間長。以28#主墩鋼沉井錨墩定位系統為例，要搭設滿足受力和施工工作面要求的錨墩平臺用鋼量約為17 067.2 t，綜合費用約1.1億元。

錨樁+重力式邊錨定位方案由于受力明確，施工方便，不需要單獨搭設操作平臺，因此材料用量不大，搭設時間較短。以28#主墩鋼沉井錨樁+重力式邊錨定位系統為例，上下游8根鋼錨樁重量約為13 600 kN，4個混凝土重力錨重量約為36 000 kN，綜合費用約4 000萬元。

通過對2種方案的對比分析可知，錨樁+重力式邊錨定位方案的經濟性遠遠優于錨墩定位方案。

3.3 施工操作性

錨墩定位方案在沉井定位施工中，4 個錨墩平臺均為獨立的操作系統，在水中且距離較遠。鋼沉井定位及著床前的精確定位要協調各個操作平臺快速調整錨纜受力以達到調整沉井姿態的目的。在錨墩定位方案中施工操作難度大。

錨樁+重力式邊錨定位方案操作平臺在沉井頂面，僅1 個操作平臺即可控制4 個方向的錨纜張拉力實現沉井姿態的調整，既方便又快速。

通過對比分析可知，錨樁+重力式邊錨定位方案在施工操作性上遠遠優于錨墩定位方案。

4 結論

通過技術可行性、經濟性、施工操作性三方面對比分析可知，錨樁+重力式邊錨定位方案在各個方面均優于錨墩定位方案。該方案具有結構受力明確、設備材料可重復使用、易于施工的特點，但需要配套研發大噸位收纜裝置及配套系統。

錨樁+重力式邊錨在施工過程中的實際應用，證明了該方案在水深流急的復雜水域工況下是能夠滿足超大型鋼沉井定位施工需要的，且經濟性、施工可操作性非常好，有很好的推廣價值。