合福鐵路銅陵長江大橋3#墩沉井施工計算與分析
2017-09-18
1 工程概況
銅陵長江大橋是新建合福鐵路的控制性工程，大橋為公鐵合建橋梁。大橋主橋采用跨度布置為（90+240+630+240+90）m五跨連續(xù)鋼桁梁斜拉橋，墩號為1#～6#，其中1、6#墩為邊墩，2、5#墩為輔助墩，3、4#墩為主墩，見圖1。
1.1 3#墩沉井基礎(chǔ) 大橋3#主墩基礎(chǔ)位于河道北側(cè)主河槽附近，該處河床面平均高程為-26.59m，平均水深約33m，采用圓端形沉井基礎(chǔ)。沉井底口平面尺寸62.4m×38.4m，頂口平面尺寸64.0m×40.0m；總高度68m，頂高程為+6.0m，底高程為-62.0m；下部為50m高鋼殼混凝土結(jié)構(gòu)，上部18m為混凝土結(jié)構(gòu)，沉入覆蓋層為35.41m；封底混凝土厚度為12m。沉井鋼結(jié)構(gòu)重量約5000t，混凝土方量約7.3萬方，整個沉井基礎(chǔ)重約18萬噸。沉井結(jié)構(gòu)具體布置詳見圖2。
1.2 水文情況 主橋橋位所在河道屬于感潮河段，水位受長江徑流與潮汐雙重影響，主要受長江徑流控制，一般每年5～10月為汛期，11月～次年的4月為枯季，水位每日兩漲兩落，為非正規(guī)半日潮型，漲潮歷時3個多小時，落潮歷時8個多小時，水位年內(nèi)變幅較大。
橋址斷面20年一遇洪水水位12.01m（對應(yīng)流速2.62m/s），10年一遇洪水水位為11.55m。
2009年實測最高水位+8.5m，2010年實測最高水位約+11.0m。
1.3 地質(zhì)條件 3#墩墩位覆蓋層厚約42m，自上而下依次為厚約8.2m的粉砂層，厚約13.7m的細(xì)圓礫土層（局部為礫砂），5.6m的粉質(zhì)黏土層（局部夾雜），14.1m的細(xì)圓礫土層?；鶐r為強風(fēng)化砂質(zhì)泥巖和微風(fēng)化砂質(zhì)泥巖。
2 總體施工方案
鋼沉井豎向分段加工制造，節(jié)段整體由大型船舶運輸至橋址，采用大型浮吊整體起吊下放及接高。接高完成后選擇合適的時機，井壁內(nèi)注水下沉至設(shè)計高度，精確定位后著床，并吸泥下沉至穩(wěn)定深度；分倉分次對稱水下填充鋼沉井井壁混凝土。
上部鋼筋混凝土井壁采用翻模法分節(jié)接高。沉井采用不排水下沉方法，以大排量空氣吸泥機下沉為主，高壓射水及局部貼面爆破穿越膠結(jié)層等措施為輔。終沉后分倉澆筑大體積封底混凝土。
3 施工計算內(nèi)容
銅陵長江大橋3#墩沉井規(guī)模巨大，施工時墩位處水深約40m，且處于長江汛期，存在定位精度要求高（設(shè)計要求傾斜度小于1/150，平面位置≤50cm），施工條件復(fù)雜，工期要求緊等特點，施工難度極大。為了確保沉井快速、安全，準(zhǔn)確下沉到位，進行一系列合理準(zhǔn)確的計算和分析并以此作為沉井施工方案的制定依據(jù)是十分必要的。 3.1 鋼沉井接高狀態(tài)浮體穩(wěn)定計算 鋼沉井總高度50m，豎向分成6個節(jié)段，平面上不分段，采用在墩位處大型浮吊整體下放入水及接高的施工方法。沉井在浮體狀態(tài)下接高，需要對各個工況的浮體穩(wěn)定性進行計算，保證沉井在接高過程中的安全。
浮體穩(wěn)定計算的內(nèi)容主要為沉井各個工況的重心位置計算、浮心位置計算、定傾半徑計算、外力矩及浮體傾角的計算。其計算結(jié)果見表1。
浮體穩(wěn)定應(yīng)滿足重心與浮心間距小于定傾半徑的要求，且沉井在外力矩的作用下浮體傾角應(yīng)小于6°，從沉井各個工況的浮體穩(wěn)定計算結(jié)果來分析，沉井在浮體狀態(tài)下接高是安全的，說明為了加快拼裝速度而采用整體接高的方法是可行的。
3.2 鋼沉井定位系統(tǒng)計算 根據(jù)鋼沉井的施工規(guī)模，墩位處水深流急，航運繁忙等不利條件以及現(xiàn)有的設(shè)備資源情況，鋼沉井精確定位采用設(shè)置預(yù)拉力的無導(dǎo)向船錨碇定位方法。
擬定的錨碇系統(tǒng)主要由主錨、尾錨、鋼沉井邊錨及側(cè)向定位船、前后定位船及其邊錨、連接鋼沉井與前后定位船之間的拉纜等部分組成。施工圖片見圖3。
3.2.1 錨碇系統(tǒng)的計算參數(shù)取值：鋼沉井拼裝及精確定位需經(jīng)歷整個洪水期，精確定位考慮在8月底進行，計算施工水位按20年一遇+12.01m考慮，計算流速取2.62m/s；河床沖刷按沖刷至-34.7m考慮。
3.2.2 錨碇系統(tǒng)計算原則：主錨及尾錨計算考慮30%的預(yù)拉力；鋼沉井邊錨所受水流阻力按鋼沉井迎水?dāng)嗝鎲挝幻娣e水流阻力50%計，另計風(fēng)力。
3.2.3 錨碇系統(tǒng)計算方法及計算結(jié)果：鋼沉井無導(dǎo)向船錨碇系統(tǒng)的計算方法，根據(jù)《公路施工手冊・橋涵》[1]中有關(guān)錨碇計算部分，以及參考了蕪湖長江大橋[2]及南京大勝關(guān)長江大橋[3]關(guān)于鋼圍堰精確定位錨碇系統(tǒng)計算資料。其計算荷載見表2。
錨碇系統(tǒng)中錨的類型均選擇霍爾式鐵錨，錨鏈選擇普通有檔錨鏈，鋼絲繩選擇纖維芯大直徑型號，根據(jù)荷載計算結(jié)果來配置錨及錨繩的數(shù)量及型號，配置結(jié)果見表3。
3.3 鋼沉井精確定位計算 鋼沉井精確定位計算主要內(nèi)容：第一為沉井在精確定位期間由于水流及水位變化所產(chǎn)生的定位精度變化值，為定位時機及環(huán)境條件的選擇提供依據(jù)；第二需要計算定位系統(tǒng)的剛度，為錨力調(diào)整及定位調(diào)整措施制定提供依據(jù)；第三需要計算精確定位時沉井底距離河床的合適距離（沉井吃水深度），掌握沉井下沉著床過程定位系統(tǒng)發(fā)生變化的趨勢及大小，為定位后沉井快速平穩(wěn)著床提供理論依據(jù)。
采用Midas計算軟件建立如圖4所示的錨碇定位系統(tǒng)和鋼沉井（剛體）空間模型。模型中，錨繩采用索單元模擬，定位船和沉井采用梁單元模擬，并取其剛度無窮大。錨碇與河床鉸接，沉井底部和定位船設(shè)彈性豎向支承，考慮浮力產(chǎn)生的豎向剛度，水平方向不設(shè)約束。
3.3.1 定位精度計算結(jié)果及分析 定位精度的計算以+10.0m高程水位為初始狀態(tài)進行模擬，當(dāng)水位升高及流速增大的情況下，定位系統(tǒng)發(fā)生的偏移量即為其定位精度變化值，計算結(jié)果見表4。
由計算結(jié)果可得，鋼沉井在水文條件發(fā)生變化時定位的精度隨之發(fā)生較大的變化，所以精確定位之前需要掌握水文條件的變化規(guī)律，選擇水文條件平穩(wěn)的時段進行精確定位。
3.3.2 定位系統(tǒng)的剛度計算 定位系統(tǒng)的剛度以一個已知力加載到定位系統(tǒng)上所產(chǎn)生的位移量來計算，主要是為精確定位過程中錨力調(diào)整的量化提供依據(jù)。計算結(jié)果見表5。從剛度計算結(jié)果可得，在水文條件變化不大時，調(diào)整錨力即調(diào)整錨繩的預(yù)拉力對定位精度起到明顯的調(diào)整作用。
3.3.3 精確定位時沉井吃水深度選擇計算 精確定位時沉井的吃水深度選擇是精確定位的重要內(nèi)容。以不同的水文條件分別計算，得出定位系統(tǒng)錨繩受力變化的大小并以此制定相應(yīng)的沉井可下沉距離，從而得到沉井精確定位時合理的吃水深度值，計算結(jié)果見表6。
從計算結(jié)果得到的數(shù)據(jù)并結(jié)合當(dāng)時的水文條件，最終選擇沉井底部距離河床3m的位置進行精確定位并快速下沉著床，達到了良好的效果。
另外，沉井著床還需要考慮河床沖刷對其著床后穩(wěn)定的影響，需要根據(jù)河床沖刷計算及實測資料掌握變化趨勢，計算上下游不同土壓力對沉井穩(wěn)定的影響，必要時事先做好拋填措施，防止沉井著床后發(fā)生較大的傾斜。
3.4 沉井下沉計算 沉井下沉應(yīng)根據(jù)著床后的不同施工工況來分別計算，可分為沉井著床后的吸泥下沉計算，井壁混凝土填充及上部混凝土井壁接高后的吸泥下沉計算。
3.4.1 沉井下沉的計算方法
沉井下沉主要需要計算沉井下沉系數(shù)及下沉穩(wěn)定系數(shù)等幾個數(shù)值。
沉井吸泥下沉所受到的主要荷載為沉井井壁的側(cè)面摩阻力、刃腳踏面及斜面的支反力及中間隔墻反力。
沉井下沉系數(shù)為沉井自重扣除浮力后的有效重量與側(cè)壁摩阻力的比值，一般要求在1.05～1.25之間。
沉井下沉穩(wěn)定系數(shù)為沉井自重扣除浮力后有效重量與側(cè)模摩阻力、刃腳踏面及斜面的支反力及中間隔墻反力之和的比值，一般要求在0.8～0.9之間。
為了更好的指導(dǎo)沉井下沉?xí)r吸泥作業(yè)，還需要計算沉井刃腳支承及刃腳踏面支承的下沉系數(shù)計算，以便決定是否需要全部掏空或局部掏空刃腳來進行下沉。
3.4.2 沉井下沉計算結(jié)果及分析
以沉井上部混凝土井壁接高完成后進行吸泥下沉計算為例，其計算結(jié)果見表7。
由計算結(jié)果可知，沉井下沉系數(shù)為2.76，穩(wěn)定系數(shù)為0.56，說明沉井可以下沉，但需要對吸泥深度及范圍進行控制；而刃腳支承的下沉系數(shù)為1.13，說明吸泥時應(yīng)保持刃腳周圍的土體，將中間隔墻下方的土體吸出，沉井將可以安全下沉。
除了常規(guī)的下沉計算外，沉井吸泥下沉過程中還需要對沉井井壁混凝土灌注過程及上部混凝土井壁接高過程進行詳細(xì)的計算分析，計算施工過程發(fā)生不同步加載情況對沉井自身穩(wěn)定的影響，以保證整個接高及吸泥下沉在可控范圍內(nèi)進行。
4 結(jié)束語
銅陵長江大橋3#墩沉井施工是我國在40m水深且復(fù)雜地質(zhì)條件下的深水設(shè)置式基礎(chǔ)的成功實踐，其下沉就位后的最終定位精度為：平面位置最大偏位10.4cm，傾斜度最大1/330，滿足了規(guī)范和設(shè)計要求，取得了良好的社會經(jīng)濟效益。在沉井施工過程中的一系列理論計算及實踐摸索是其順利施工的保證，希望對以后的深水沉井基礎(chǔ)施工能起到良好的借鑒效果。
參考文獻：
[1]交通部第一公路工程局.施工技術(shù)手冊・橋梁上冊[M].北京：人民交通出版社，1993.
[2]羅瑞華，于祥君.蕪湖長江大橋雙壁鋼圍堰錨碇系統(tǒng)設(shè)計與施工[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2002，（9），32-35.
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[4]段良策，殷奇主編.沉井設(shè)計與施工[M].上海：同濟大學(xué)出版社，2006.
