合福铁路铜陵长江大桥3#墩沉井施工计算与分析
2017-09-18
1 工程概况
铜陵长江大桥是新建合福铁路的控制性工程，大桥为公铁合建桥梁。大桥主桥采用跨度布置为（90+240+630+240+90）m五跨连续钢桁梁斜拉桥，墩号为1#～6#，其中1、6#墩为边墩，2、5#墩为辅助墩，3、4#墩为主墩，见图1。
1.1 3#墩沉井基础 大桥3#主墩基础位于河道北侧主河槽附近，该处河床面平均高程为-26.59m，平均水深约33m，采用圆端形沉井基础。沉井底口平面尺寸62.4m×38.4m，顶口平面尺寸64.0m×40.0m；总高度68m，顶高程为+6.0m，底高程为-62.0m；下部为50m高钢壳混凝土结构，上部18m为混凝土结构，沉入覆盖层为35.41m；封底混凝土厚度为12m。沉井钢结构重量约5000t，混凝土方量约7.3万方，整个沉井基础重约18万吨。沉井结构具体布置详见图2。
1.2 水文情况 主桥桥位所在河道属于感潮河段，水位受长江径流与潮汐双重影响，主要受长江径流控制，一般每年5～10月为汛期，11月～次年的4月为枯季，水位每日两涨两落，为非正规半日潮型，涨潮历时3个多小时，落潮历时8个多小时，水位年内变幅较大。
桥址断面20年一遇洪水水位12.01m（对应流速2.62m/s），10年一遇洪水水位为11.55m。
2009年实测最高水位+8.5m，2010年实测最高水位约+11.0m。
1.3 地质条件 3#墩墩位覆盖层厚约42m，自上而下依次为厚约8.2m的粉砂层，厚约13.7m的细圆砾土层（局部为砾砂），5.6m的粉质黏土层（局部夹杂），14.1m的细圆砾土层。基岩为强风化砂质泥岩和微风化砂质泥岩。
2 总体施工方案
钢沉井竖向分段加工制造，节段整体由大型船舶运输至桥址，采用大型浮吊整体起吊下放及接高。接高完成后选择合适的时机，井壁内注水下沉至设计高度，精确定位后着床，并吸泥下沉至稳定深度；分仓分次对称水下填充钢沉井井壁混凝土。
上部钢筋混凝土井壁采用翻模法分节接高。沉井采用不排水下沉方法，以大排量空气吸泥机下沉为主，高压射水及局部贴面爆破穿越胶结层等措施为辅。终沉后分仓浇筑大体积封底混凝土。
3 施工计算内容
铜陵长江大桥3#墩沉井规模巨大，施工时墩位处水深约40m，且处于长江汛期，存在定位精度要求高（设计要求倾斜度小于1/150，平面位置≤50cm），施工条件复杂，工期要求紧等特点，施工难度极大。为了确保沉井快速、安全，准确下沉到位，进行一系列合理准确的计算和分析并以此作为沉井施工方案的制定依据是十分必要的。 3.1 钢沉井接高状态浮体稳定计算 钢沉井总高度50m，竖向分成6个节段，平面上不分段，采用在墩位处大型浮吊整体下放入水及接高的施工方法。沉井在浮体状态下接高，需要对各个工况的浮体稳定性进行计算，保证沉井在接高过程中的安全。
浮体稳定计算的内容主要为沉井各个工况的重心位置计算、浮心位置计算、定倾半径计算、外力矩及浮体倾角的计算。其计算结果见表1。
浮体稳定应满足重心与浮心间距小于定倾半径的要求，且沉井在外力矩的作用下浮体倾角应小于6°，从沉井各个工况的浮体稳定计算结果来分析，沉井在浮体状态下接高是安全的，说明为了加快拼装速度而采用整体接高的方法是可行的。
3.2 钢沉井定位系统计算 根据钢沉井的施工规模，墩位处水深流急，航运繁忙等不利条件以及现有的设备资源情况，钢沉井精确定位采用设置预拉力的无导向船锚碇定位方法。
拟定的锚碇系统主要由主锚、尾锚、钢沉井边锚及侧向定位船、前后定位船及其边锚、连接钢沉井与前后定位船之间的拉缆等部分组成。施工图片见图3。
3.2.1 锚碇系统的计算参数取值：钢沉井拼装及精确定位需经历整个洪水期，精确定位考虑在8月底进行，计算施工水位按20年一遇+12.01m考虑，计算流速取2.62m/s；河床冲刷按冲刷至-34.7m考虑。
3.2.2 锚碇系统计算原则：主锚及尾锚计算考虑30%的预拉力；钢沉井边锚所受水流阻力按钢沉井迎水断面单位面积水流阻力50%计，另计风力。
3.2.3 锚碇系统计算方法及计算结果：钢沉井无导向船锚碇系统的计算方法，根据《公路施工手册・桥涵》[1]中有关锚碇计算部分，以及参考了芜湖长江大桥[2]及南京大胜关长江大桥[3]关于钢围堰精确定位锚碇系统计算资料。其计算荷载见表2。
锚碇系统中锚的类型均选择霍尔式铁锚，锚链选择普通有档锚链，钢丝绳选择纤维芯大直径型号，根据荷载计算结果来配置锚及锚绳的数量及型号，配置结果见表3。
3.3 钢沉井精确定位计算 钢沉井精确定位计算主要内容：第一为沉井在精确定位期间由于水流及水位变化所产生的定位精度变化值，为定位时机及环境条件的选择提供依据；第二需要计算定位系统的刚度，为锚力调整及定位调整措施制定提供依据；第三需要计算精确定位时沉井底距离河床的合适距离（沉井吃水深度），掌握沉井下沉着床过程定位系统发生变化的趋势及大小，为定位后沉井快速平稳着床提供理论依据。
采用Midas计算软件建立如图4所示的锚碇定位系统和钢沉井（刚体）空间模型。模型中，锚绳采用索单元模拟，定位船和沉井采用梁单元模拟，并取其刚度无穷大。锚碇与河床铰接，沉井底部和定位船设弹性竖向支承，考虑浮力产生的竖向刚度，水平方向不设约束。
3.3.1 定位精度计算结果及分析 定位精度的计算以+10.0m高程水位为初始状态进行模拟，当水位升高及流速增大的情况下，定位系统发生的偏移量即为其定位精度变化值，计算结果见表4。
由计算结果可得，钢沉井在水文条件发生变化时定位的精度随之发生较大的变化，所以精确定位之前需要掌握水文条件的变化规律，选择水文条件平稳的时段进行精确定位。
3.3.2 定位系统的刚度计算 定位系统的刚度以一个已知力加载到定位系统上所产生的位移量来计算，主要是为精确定位过程中锚力调整的量化提供依据。计算结果见表5。从刚度计算结果可得，在水文条件变化不大时，调整锚力即调整锚绳的预拉力对定位精度起到明显的调整作用。
3.3.3 精确定位时沉井吃水深度选择计算 精确定位时沉井的吃水深度选择是精确定位的重要内容。以不同的水文条件分别计算，得出定位系统锚绳受力变化的大小并以此制定相应的沉井可下沉距离，从而得到沉井精确定位时合理的吃水深度值，计算结果见表6。
从计算结果得到的数据并结合当时的水文条件，最终选择沉井底部距离河床3m的位置进行精确定位并快速下沉着床，达到了良好的效果。
另外，沉井着床还需要考虑河床冲刷对其着床后稳定的影响，需要根据河床冲刷计算及实测资料掌握变化趋势，计算上下游不同土压力对沉井稳定的影响，必要时事先做好抛填措施，防止沉井着床后发生较大的倾斜。
3.4 沉井下沉计算 沉井下沉应根据着床后的不同施工工况来分别计算，可分为沉井着床后的吸泥下沉计算，井壁混凝土填充及上部混凝土井壁接高后的吸泥下沉计算。
3.4.1 沉井下沉的计算方法
沉井下沉主要需要计算沉井下沉系数及下沉稳定系数等几个数值。
沉井吸泥下沉所受到的主要荷载为沉井井壁的侧面摩阻力、刃脚踏面及斜面的支反力及中间隔墙反力。
沉井下沉系数为沉井自重扣除浮力后的有效重量与侧壁摩阻力的比值，一般要求在1.05～1.25之间。
沉井下沉稳定系数为沉井自重扣除浮力后有效重量与侧模摩阻力、刃脚踏面及斜面的支反力及中间隔墙反力之和的比值，一般要求在0.8～0.9之间。
为了更好的指导沉井下沉时吸泥作业，还需要计算沉井刃脚支承及刃脚踏面支承的下沉系数计算，以便决定是否需要全部掏空或局部掏空刃脚来进行下沉。
3.4.2 沉井下沉计算结果及分析
以沉井上部混凝土井壁接高完成后进行吸泥下沉计算为例，其计算结果见表7。
由计算结果可知，沉井下沉系数为2.76，稳定系数为0.56，说明沉井可以下沉，但需要对吸泥深度及范围进行控制；而刃脚支承的下沉系数为1.13，说明吸泥时应保持刃脚周围的土体，将中间隔墙下方的土体吸出，沉井将可以安全下沉。
除了常规的下沉计算外，沉井吸泥下沉过程中还需要对沉井井壁混凝土灌注过程及上部混凝土井壁接高过程进行详细的计算分析，计算施工过程发生不同步加载情况对沉井自身稳定的影响，以保证整个接高及吸泥下沉在可控范围内进行。
4 结束语
铜陵长江大桥3#墩沉井施工是我国在40m水深且复杂地质条件下的深水设置式基础的成功实践，其下沉就位后的最终定位精度为：平面位置最大偏位10.4cm，倾斜度最大1/330，满足了规范和设计要求，取得了良好的社会经济效益。在沉井施工过程中的一系列理论计算及实践摸索是其顺利施工的保证，希望对以后的深水沉井基础施工能起到良好的借鉴效果。
参考文献：
[1]交通部第一公路工程局.施工技术手册・桥梁上册[M].北京：人民交通出版社，1993.
[2]罗瑞华，于祥君.芜湖长江大桥双壁钢围堰锚碇系统设计与施工[J].铁道标准设计，2002，（9），32-35.
[3]罗瑞华，于祥君.大型双壁钢吊箱围堰精确定位施工技术[J].交通科技，2007，（3）.
[4]段良策，殷奇主编.沉井设计与施工[M].上海：同济大学出版社，2006.
