泰州大桥中塔沉井施工技术及质量控制

中铁武汉大桥工程咨询监理有限公司2013年06月泰州长江大桥主桥中塔沉井施工技术及质量控制主讲人：叶建良大型悬索桥施工技术系列讲座之中塔沉井施工重点、难点分析目录工程概况中塔沉井施工工艺介绍中塔沉井施工质量控制要点1.工程概况泰州长江公路大桥位于江苏省长江的中段，北接泰州市，南联镇江和常州市。主桥桥跨布置为390＋1080＋1080＋390m的三塔两跨悬索桥，主桥桥宽33m，设计车速100km/h，全线长约62.088km。1.1工程概况1.工程概况桥位地处长江下游感潮河段,江面宽约2.3Km。墩位处平均水深17m。据近10年来大通水文站流量统计：（1）沉井着床枯水期最大流量25000m3/s，平均最大流速1.1m/s；（2）沉井渡汛期，20％保证率的设计洪水流量91000m3/s，流速2.81m/s。土层从河床面以下依次为：细沙、粉沙、中粗沙及砂砾层，持力层为砂砾层。根据统计资料，桥址每年出现：大风日（≥8级）：11.9d雾日：34.4d雷暴日：32.3d1.2、自然条件中塔基础为水中沉井基础，沉井断面尺寸为58×44.4m，高76m，入土深度55.5米，为世界入土深度最大的水中沉井基础。沉井下部38m为钢混凝土结构,上部38m为混凝土结构。1.3中塔结构1.工程概况1）中塔钢壳沉井是在岸边浅水区接高至38m后浮运至墩位处吸泥下沉的。由于钢壳沉井高度达38m，体积庞大，加上受水文、气象、航运等综合因素影响，沉井浮运的风险高、难度大；2）由于墩位处水深、流急，沉井在着床及下沉过程中受水流、河床冲刷的影响，使沉井精确定位着床难度大，加上水流引起的河床局部冲刷，更加大了沉井在下沉过程中几何姿态控制的难度；3）河床冲刷试验表明，在最大平均流速2.81m/s（墩位处汛期最大流速）水流作用下，沉井局部冲刷深度达41m。为了确保沉井渡汛安全，沉井选择在2007年枯水期进行定位着床，并须实现2008年6月底长江汛期前下沉至-60m安全渡汛标高，工期紧、工序转换频繁，施工组织难度极大；4）经过计算，沉井下沉到设计标高时下沉系数仍然较大，如果吸泥下沉到设计高程后，再进行清基施工的话，一方面容易对沉井基底地层造成扰动，使地基承载力降低，另一方面也可能因沉井下沉系数大而使沉井继续下沉，进而大大增加了施工风险及后续工作的工作量。因此如何在沉井达到终沉前采取有效措施进行预控，使沉井在保持良好空间几何姿态下沉到位的同时基底又满足竣工验收要求，这是中塔沉井清基的最大难点。2.中塔沉井施工重点、难点分析★总体工艺流程（1）首节8米高钢沉井浮运至临时锚地（07.8.18）钢沉井接高至38米（07.11.05）38米高钢沉井浮运（07.11.11）钢沉井定位、着床（07.12.01）3.中塔沉井施工工艺★总体工艺流程（2）浇注井壁混凝土(08.1.16)沉井吸泥下沉(08.9.6)沉井砼接高（08.09.20）沉井封底（08.10.01）3.中塔沉井施工工艺1）浮运方案设计3.中塔沉井施工工艺——沉井浮运钢沉井在码头位置进行临时定位，采用2台200T大型浮吊分层接高至38米，再浮运至中塔墩设计墩位处定位，吸泥下沉。根据中塔钢沉井的结构、尺寸特点及计算的浮运阻力（980KN），结合客观环境条件，此次38米沉井浮运设备采用5艘拖轮拖运，共计15200马力，另外配备3600HP拖轮1艘（扬州港拖轮）作为机动应急拖轮。宁港1#、宁港2#、宁港3#、宁港8#轮均采用编绑形式，宁港9#轮为正顶，扬州港拖轮作为机动应急拖轮在编队附近水域待命。38m钢沉井宁港2＃拖轮宁港8＃拖轮宁港3＃拖轮宁港1＃拖轮上游岸侧宁港9＃拖轮扬州港拖轮2）现场浮运3.中塔沉井施工工艺——沉井浮运根据施工水域11、12月份的潮位曲线图分析得出：在2007年11月11日高潮位时，水位标高可以达到3.5米，再结合实际的河床地形测量结果，浮运路线位置水深可以达到13－18米，符合沉井浮运吃水的要求，因此浮运时间定为11月11日。11月11日早晨6：00左右，在施工水域水位达到高平潮时，割除钢沉井上下游的临时锚缆，沉井编队从接高场地出发，开始浮运。浮运全程由测量船引航、护航船护航、扬州港的1艘3600HP全回转拖轮协助。由于事先准备充分，浮运过程十分顺利。在上午8：30时，钢沉井成功浮运到泰州大桥中塔墩设计墩位处与临时定位船连接，随即开始进行转缆，在沉井上、下游主拉缆转换至沉井上后，拖轮散队离场，浮运施工结束。1）锚墩定位系统设计（1）3.中塔沉井施工工艺——沉井定位中塔沉井采用锚墩定位系统定位。相对于传统的定位船、导向船等定位系统，锚墩定位系统具有刚度大、定位精度高、操作空间大、调缆方便等优点。钢沉井的两个定位锚墩分别布置在中塔桥墩位桥轴线上下游170m处，每个锚墩平台上各布置了12台卷扬机和相匹配的滑车组与分别与12根φ54锚缆相连，其中在沉井的上下游正面各布置4根主缆和2根下拉缆，在沉井南北侧各布置6个8吨海军锚作为侧拉缆边锚。由于沉井每根缆绳受力不同，根据拉缆的受力情况不同，采用不同型号的卷扬机对拉缆进行调整。正面主拉缆采用两台同型号10吨（6＃、7＃）和两台同型号8吨（5＃、8＃）卷扬机，下拉缆和边缆用同型号5吨卷扬机。170米170米170米170米170米170米170米170米170米170米170米170米170米170米170米170米170米170米1）锚墩定位系统设计（2）3.中塔沉井施工工艺——沉井定位2）沉井初定位3.中塔沉井施工工艺——沉井定位钢沉井浮运到墩位处后，按照先后顺序把已经系在临时定位船的主拉缆、边缆和下拉缆转到钢沉井系缆点上，并适当紧缆。钢沉井顺江向定位通过调整设置在上下游的主缆缆力来控制，南北向定位通过调整沉井南北侧边锚缆绳缆力来控制，钢沉井的垂直度通过调整下拉缆和主缆缆力来实现。转缆完成后，首先利用锚墩平台上卷扬机系统调整上下游主拉缆缆力，进行顺江位置调整，然后利用南北两侧边锚锚缆调整钢沉井横江位置。钢沉井就位时严格控制每根拉缆的索力，对上下游下拉缆和上下游主缆缆绳进行监控，随时调整每根受力，使缆绳受力均匀。与此同时，测量人员对沉井顶面高差作全面观测，若顶面高差过大应及时调整下拉缆和主缆，将钢沉井调平。沉井初步定位完成后，收紧边锚缆、下拉缆及主缆。1）沉井着床期河床冲刷试验研究（1）根据泰州大桥中塔沉井施工期和钢沉井结构的特点，在中塔沉井施工前，采用系列模型延伸法对沉井基础在着床期间可能流速条件下的局部冲刷问题进行研究。沉井下沉状态沉井底部距床面高度（m）沉井迎水面行近流速（m/s）0.801.001.20着床前6无冲刷无冲刷无冲刷4﹤1.003.805.8023.605.207.50着床后0/7.10/3.中塔沉井施工工艺——沉井着床沉井着床期河床冲刷模拟实验表明，随着沉井的下沉，河床的局部冲刷在加剧，各种流速条件下沉井底口距离河床不同高度下的局部冲刷情况详见下表。根据上表，河工试验又着重研究了沉井着床期沉井底口距离床面2m时的河床冲刷情况，以便采取预偏及防护措施。1）沉井着床期河床冲刷试验研究（2）中断面-4-3.5-3-2.5-2-1.5-1-0.50348000350000352000354000356000358000360000362000364000XZ沉井距河床2m时局部冲刷形态(V=0.80m/s)上游侧上游侧沉井下游侧设计端点河床冲刷线沉井上游侧设计端点河工模型试验——沉井悬浮状态时河床局部冲刷3.中塔沉井施工工艺——沉井着床1）沉井着床期河床冲刷试验研究（3）水流方向34000034500035000035500036000036500080000850009000095000100000-5.5-5-4.5-4-3.5-3-2.5-2-1.5-1-0.500.511.5205000100001500020000中断面-6-5-4-3-2-101348000350000352000354000356000358000360000362000364000XZ沉井距河床2m时局部冲刷形态(V=1.00m/s)河工模型试验——沉井悬浮状态时河床局部冲刷3.中塔沉井施工工艺——沉井着床中断面-7-6-5-4-3-2-10348000350000352000354000356000358000360000362000364000XZ水流方向34000034500035000035500036000036500080000850009000095000100000-7.5-7-6.5-6-5.5-5-4.5-4-3.5-3-2.5-2-1.5-1-0.500.511.5050001000015000200001）沉井着床期河床冲刷试验研究（4）沉井距河床2m时局部冲刷形态(V=1.20m/s)河工模型试验——沉井悬浮状态时河床局部冲刷3.中塔沉井施工工艺——沉井着床2）沉井施工期河床的冲淤变化及防护措施试验（1）河工模型试验——沉井着床后局部冲刷不同流量条件下河床最大局部冲刷深度试验组号流量(m3/s)水深(m)流速(m/s)最大冲刷深度(m)11200016.100.804.122000016.461.006.633000017.001.209.2044300018.301.5013.856500019.302.0023.1068000020.102.3831.7079100020.632.8141.003.中塔沉井施工工艺——沉井着床2）沉井施工期河床的冲淤变化及防护措施试验（2）在1.2m/s流速条件下沉井着床后，局部最大冲刷深度约10m在2.81m/s流速条件下沉井着床后，局部最大冲刷深度大于40m3.中塔沉井施工工艺——沉井着床2）沉井施工期河床的冲淤变化及防护措施试验（3）沉井渡汛防护预案为确保沉井下沉过程中渡汛安全，要求沉井底口至冲刷面保持一定的安全深度，为此，分析在不同时段条件下，河床的冲刷深度对应施工计划的下沉深度关系，以确定河床防护的预案措施。冲刷线与沉井底口标高关系历时曲线3.中塔沉井施工工艺——沉井着床沉井渡汛防护预案沉井基础局部冲刷形态(Q=65000m3/s,V=1.96m/s)回填后沉井基础局部冲刷形态（Q=91000m3/s,V=2.81m/s)15cm～30cm块石回填3.中塔沉井施工工艺——沉井着床2）沉井施工期河床的冲淤变化及防护措施试验（4）3）沉井着床及施工期间河床冲刷状态及施工风险分析①若着床施工时的水流流速为0.8m/s，当沉井下沉至离河床面4m时，河床开始发生冲刷，深度＜1.0m；随着沉井底面离河床距离的减小及流速的加大，河床局部冲刷逐步加剧，冲刷坑在上游沉井第一排隔舱下偏上游，到一定深度后趋向于稳定，下游局部地区将有少量回淤现象；②当钢沉井第2、3、4排隔舱刃脚着床后，行径流速为1m/s时，沉井第1排隔舱及上游最大冲刷深度为7.1m，下游逐渐淤积；行径流速为1.2m/s时，上游最大冲刷深度将达到约10m；冲刷范围大致在距沉井中心线上游30m左右，下游70m左右，左右两侧各50m左右；③河工试验结果表明，在沉井下沉过程中流速超过1.2m/s时局部冲刷深度将超过10m，在20%保证率的设计洪水条件下，其局部最大冲刷深度甚至超过40m。明显的局部冲刷会严重危及沉井的安全与稳定，因此应在枯水期流速较小的时段进行沉井着床，同时通过对注水、吸泥的动态调整来保证沉井的平稳下沉。汛期到来之前，沉井必须下沉到最大冲刷线以下5m以上，方能确保沉井整个施工期的安全。3.中塔沉井施工工艺——沉井着床4）沉井着床施工——时机选择着床时机选择原则：着床时段的水流流速小、流态稳定，且维持时间较长，利于钢沉井的精确定位及下沉。根据上述原则，钢沉井选择在枯水期下沉着床。通过对枯水期钢沉井所在水域的潮汐特点及流速与水位的关系分析，桥位处涨潮历时3小时，退潮历时8小时，流速最小期间对应的是在高平潮，流速变化率小，有利于沉井的精确定位着床。因此，沉井着床时间选择在2007年11月30日左右时