常泰長江大橋主塔沉井出塢浮運施工關鍵技術*

張 磊，羅 英，尹東亞，韓鵬鵬

(1.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430040； 2.長大橋梁建設施工技術交通行業重點實驗室，湖北 武漢 430040； 3.交通運輸行業交通基礎設施智能制造技術研發中心，湖北 武漢 430040；4.中交公路長大橋建設國家工程研究中心有限公司，北京 100120； 5.江蘇省交通工程建設局，江蘇 南京 210004)

1 工程概況

常泰長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連續鋼桁梁斜拉橋，是世界上跨度最大的斜拉橋。該橋5號主塔基礎采用臺階形減沖刷減自重沉井基礎結構，是世界上最大的水中沉井基礎，也是世界上首座采用全鋼殼結構的沉井基礎[1]。沉井基礎平面呈圓端形，立面為臺階形，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，臺階寬9.0m。鋼沉井分36個井孔，外井壁厚1.8m，內井壁厚2.0m，內隔墻厚1.4m。

圖1 5號主塔沉井基礎結構

橋址處于長江感潮河段，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。漲潮歷時較落潮歷時短，全潮平均12.5h，一次漲潮歷時約4h，一次落潮歷時約8.5h。

2 鋼沉井助浮方案比選

5號主塔沉井首節高43m，制作時分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。在工廠內制作，并在干船塢內拼裝成整體后浮運至設計墩位。首節鋼沉井鋼殼重14 000t，刃腳混凝土重4 000t，施工荷載及附屬結構重1 500t，總重約19 500t。經計算可知，在自浮狀態下，鋼沉井吃水深度13.5m，受船塢和浮運線路水深限制，無法在自浮狀態下出塢和浮運，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稱加設封閉蓋板，以封閉井孔形成密閉氣艙，然后通過主動增壓系統向密閉氣艙內加壓注氣，從而減小鋼沉井的吃水深度，如圖2所示。此方案的優點為：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施工平臺。缺點為：①鋼沉井井孔密封范圍大，漏氣風險大；②自由液面不能產生恢復力矩，浮運穩定性相對較差；③密閉氣艙內加壓注氣后，中隔墻吃水淺，高壓氣體有一定的壓穿風險。滬通長江大橋29號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置封艙底板，通過增大鋼沉井排水面積減小鋼沉井吃水深度，如圖3所示。此方案的優點為：①僅對鋼沉井底部吃水范圍有水密性要求，漏水風險小；②截面慣性矩大，浮運穩定性好。缺點為：①封艙底板拆除屬于水下作業，水下切割、打撈作業難度大；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易對傳感器和刃腳造成損傷。楊泗港長江大橋2號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，通過浮箱的浮力減小鋼沉井的吃水深度，如圖4所示。此方案的優點為：①助浮措施拆除時無須水下切割，且切割工作量較小；②截面慣性矩大，浮運穩定性好。缺點為：①浮箱需設計、制作、安裝，施工周期長；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

根據常泰長江大橋5號主塔鋼沉井結構特點，對比3種助浮方案(見表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 鋼沉井出塢浮運施工關鍵參數分析

3.1 吃水深度分析

鋼沉井助浮后的吃水深度應依據船塢和航道的水深進行確定。

首節鋼沉井總拼所在船塢尺寸為543m×147m×13m(長×寬×深)，鋼沉井塢內拼裝時，坐落在船塢的塢墩上，如圖5所示。考慮出塢時潮位變化，在鋼沉井出塢作業時，塢內水深為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，經小型船舶上行航道浮運至設計墩位處。塢門至小型船舶上行航道區域水深最低約為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。所經水域和墩位處水深均超過10m，沉井采取助浮措施后，水深可滿足浮運要求。

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。鋼沉井浮運至墩位后，再拆除其余封艙底板。

3.2 助浮封艙底板設計

1)封艙底板布置 采用封底助浮形式，將鋼沉井36個井孔中的28個井孔增設封艙鋼底板(見圖6a)。經計算分析，28個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個封艙底板，如圖6b所示，鋼沉井吃水深度調整為8.5m后，再將鋼沉井浮運至橋墩位置，其余封艙底板待鋼沉井定位系統施工完畢后再進行拆除。

圖6 封艙底板布置

2)封艙底板結構設計 鋼沉井隔艙封艙板采用梁板式結構，面板采用8mm厚鋼板，主梁為HM588×300型鋼，次梁為HN350×175型鋼，每根主梁端部設置加勁板與鋼沉井刃腳內壁相連。主梁端部設置封邊鋼板，封邊鋼板頂部設置1圈環形板，環板與鋼沉井刃腳內壁間設置1圈環形角板。封邊鋼板與鋼沉井刃腳內壁間設置膨脹型止水條，封邊鋼板內側設置加強角鋼，如圖7所示。

圖7 封艙底板結構

3.3 浮運阻力與拖輪配置

1)浮運作業條件確定

根據橋位區域氣象、水文條件，確定鋼沉井出塢及航道內浮運邊界條件，如表2所示。

表2 鋼沉井出塢、航道內浮運邊界條件

2)浮運阻力計算

鋼沉井浮運過程中主要受風和水流的作用，由于鋼沉井結構尺寸大，浮運阻力大，必須對鋼沉井浮運阻力進行估算，從而合理配置拖輪。鋼沉井在浮運過程中為浮式結構，且浮運結構復雜，需合理計算鋼沉井定位階段受到的水流力、風荷載。

水流力計算綜合采用規范公式[7]、CFD數值模擬及模型試驗3種方法。3種方法鋼沉井計算得到浮運阻力分別為362，450，470kN。規范公式和CFD數值計算水流力與模型試驗結果相比較小，鋼沉井浮運阻力偏安全取470.0kN。風荷載按GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》[8]計算。

3)浮運總阻力與拖輪配置

根據計算，考慮一定安全系數，出塢過程中總阻力為1 467kN，航道內浮運過程中總阻力為 1 620kN， 如表3所示。

表3 鋼沉井出塢浮運過程總阻力

根據浮運阻力計算結果，首節43m高鋼沉井在航道內浮運過程中綜合阻力約1 780kN。為便于操作，確保航行安全，本次拖帶計劃由6艘4 000HP以上全回轉拖輪實施，另備用1艘3 600HP全回轉拖輪應急維護。船隊總拖帶力約3 370kN，安全系數為1.9，滿足要求。

4 鋼沉井出塢浮運施工步驟

4.1 封艙底板安裝

鋼沉井出塢前，預先安裝鋼沉井井孔內封艙底板及其附屬結構。附屬結構主要作用為方便封艙底板拆除作業，主要包括鋼絲繩、提升吊籃、豎向爬梯、浮漂，如圖8所示。

圖8 附屬結構

4.2 鋼沉井出塢

鋼沉井出塢過程主要包括鋼沉井塢內系纜、塢內注水鋼沉井起浮、塢門開啟、拖輪進塢編隊、拖帶鋼沉井出塢等工序。在鋼沉井出塢前應完成鋼沉井塢內系纜定位，在鋼沉井起浮時，應注意隨時收緊纜繩，防止鋼沉井注水后漂移，如圖9所示。

圖9 鋼沉井塢內系纜定位

當船塢注水至內外水位平衡后，打開塢門，鋼沉井前的2艘整船出塢。2艘整船出塢后，4艘拖輪進入塢內，進行拖輪塢內編隊，并將鋼沉井緩緩拖帶出塢，如圖10所示。

圖10 拖輪塢內編隊

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系泊，進行鋼沉井內圈共計12塊封艙底板拆除作業。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個工序。拆除前，需在船塢內預先將封艙底板頂面吊耳與井孔內預留的拆除吊耳通過保護鋼絲繩連接并拉緊，潛水員下到井孔內開啟封艙底板上的截止閥，使12個井孔內的水位與江面平齊，水位平齊后潛水員開始進行封艙底板四周連接板部位水下切割。

對水下切割完畢的封艙底板，將起重設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)后切除井孔內保護鋼絲繩上端吊耳，此時封艙底板自重由起重設備承受，如圖11所示。切除完畢后，緩慢下放封艙底板，平穩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。后續鋼沉井通過拖輪浮運離開塢門碼頭，利用浮式起重機將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

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號拖輪前面掛纜倒拖，4號拖輪(掛帶3纜)鋼沉井左舷后編隊，2號拖輪(掛帶2纜)左前編隊，6號拖輪后部頂推；鋼沉井離開碼頭約50m后，5號拖輪(掛帶3纜)右后編隊、3號拖輪(掛帶2纜)右前帶纜。拖輪編隊整體寬137.4m，長247.54m，與海事部門聯系溝通后，滿足鋼沉井拖帶要求，如圖12所示。編隊完畢后，在現場海巡艇及護航艇維護下，進行鋼沉井浮運作業。

圖12 鋼沉井拖輪編隊

4.5 墩位處拆除其余封艙底板

鋼沉井浮運到墩位處且定位系統施工完成后，開始進行其余封艙底板拆除施工。利用錨纜系統將鋼沉井向岸側偏移35m后固定，即可進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。再利用錨纜系統將鋼沉井向江心側偏移35m后固定，完成鋼沉井江心側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 結語

采用封底助浮方案，解決了鋼沉井出塢、浮運過程中的以下技術難題。

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

2)通過在碼頭臨時停靠拆除部分封艙底板的方式，解決了橋位處內圈12塊封艙底板難以拆除的施工難題。

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

常泰長江大橋5號主塔鋼沉井于2019年12月24日完成塢內制造，12月28日鋼沉井順利出塢并停靠塢門碼頭，完成12塊封艙底板拆除作業，2020年1月2日浮運至墩位。