温州瓯江北口大桥中塔底节钢沉井下水施工方案

温州瓯江北口大桥中塔底节钢沉井下水施工方案

刘骥林陈婕

温州瓯江口大桥有限公司

摘要：温州瓯江北口大桥主桥为（215+2×800+275）m三塔四跨双层钢桁梁悬索桥，中塔采用沉井基础。本文提出了封底助浮滑移法下水方案，既满足了滑移法下水的要求，同时减小了浮运过程中水阻力，降低能耗节约成本，也规避了浮运过程中搁浅的风险。采用该方案后，该桥中塔底节钢沉井得以成功下水，实施效果良好。

关键词：双层公路桥梁；悬索桥；钢沉井；封底助浮；滑移下水；桥梁施工

1.概述

温州瓯江北口大桥为宁波至东莞国家高速公路（上层）和国道228线（下层）共线过江的双层公路桥梁，桥址位于甬台温高速公路温州大桥下游15km处，全长2178m；主桥为（215+2×800+275）m三塔四跨双层钢桁梁悬索桥，桥式布置形式如图1.1所示。主桥中塔纵桥向为A形、横桥向为门形钢筋混凝土刚性结构，塔高142m；中塔采用沉井基础，沉井下部为填充混凝土钢壳结构，上部为钢筋混凝土结构。沉井横桥向宽66.0m，纵桥向宽55.0m，总高68.0m,其中钢筋混凝土沉井高9m，钢沉井高59m，平面布置为21个11.36m×9.16m井孔，周边四角井孔设置成圆端形，形成连拱。

经过多方案比选论证，结合本项目抗台要求工期紧等不利客观因素，项目组决定钢沉井在大型船厂分节制造（共分为12节，由下至上第1节高8m，第2节高6m，3～12节高均为4.5m），底节钢沉井（由1～5节组成）在船台上组拼为整体后采用滑移法下水，浮运至桥址位置后逐节接高与隔舱混凝土浇筑交替进行，下沉至设计标高。本文以温州瓯江北口大桥中塔沉井施工为背景，主要讲述底节钢沉井下水施工方案及关键技术。

2.底节钢沉井封底助浮滑移法下水方案

为了满足在短时间内完成1.8余万吨钢沉井的加工制造，经过项目部多地调查研究，最终选择南通一家规模较大的船厂作为钢沉井加工制造的基地，并有可利用的先决条件——船台滑道，可避免传统气囊法下水前需对地基加固处理的环节，于是，首创性的提出了滑移法下水方案。

底节钢沉井自重8920t（包含施工辅助设施），经计算可知其吃水深度约为7.5m，钢沉井的下水受到水深条件限制，吃水过深，无法满足滑移法下水要求（吃水深度不得大于4m）；且浮运航线上局部水深仅为5m<7.5m，因此，底节钢沉井在自浮状态下无法满足整体浮运的要求。为了减小钢沉井的吃水深度，以满足滑移法下水，且可顺利的浮运到桥址位置，提出了封底助浮滑移法下水方案，即将25个井孔全部封底，在船台上采用滑移法下水。井孔封闭后经过计算可知沉井吃水深度为3.25m，满足滑移法下水和浮运要求。

3.底节钢沉井封底助浮滑移法下水施工技术

3.1.滑道系统

下水滑道系统由船台、滑板、止滑器及止滑器解除装置等组成。船台为采用Φ600PHC管桩处理后的钢筋混凝土条形基础，横断面为1.6×1.0m（宽×高），单条船台总长296m，坡度为1:20，船台末端标高为-2.0m，分三段组成，分别为水中段（60m），实体段（160m），架空段（76m），下水过程由六条船台承载沉井自重；单块滑板长7m，宽1.6m，单条船台上沉井长度范围需铺设9条滑板，下水时经体系转换，沉井自重由临时支墩承载转换为滑板承载；下水前，滑板与船台之间由止滑器约束，船台B、C、D上设置有10套止滑器，由钢丝绳串联后受控于止滑器解除装置；下水时，解除止滑器，在沉井自重分力作用下完成下水。

3.2.下水条件研究

3.2.1.沉井下水时机的选择

底节钢沉井井孔封底完成后总重量约10000t，自浮状态下吃水深度3.25m，船台最低点标高为-2.0m，满足下水时水位标高不得小于2.5m，结合船厂附近天生港潮汐规律（正规半日潮），下水时机选择在高平潮时段（水位+2.7m），沉井下水并完成与拖轮的拖带系缆工作后正好处于落潮时段，顺水而下，有利于沉井浮运。

3.2.2.沉井下水稳性分析

（1）艉浮稳性计算

沉井起滑点距离船台末端约102m，经计算，当沉井下滑115.87m时，沉井所受浮力约为7804.6t，浮心距离艏支点水平距离为36.8m，艏支点处沉井受力为10000-7804.6t=2195.4t，沉井中心距离艏支点为28.7m。

此时沉井所受浮力矩为：Mf=7804.6×36.8=287209tm，沉井所受重力矩为：Mg=10000×28.7=287000tm，Mg=Mf，沉井开始艉浮，此时，其重心距离滑道末端为18.6m，不会发生艉跌落，安全。

（2）平浮稳性计算

当沉井开始艉浮后，沉井在滑道上的倾角会逐渐减小，直至倾角为0°，以沉井艉浮开始，计算以5m为单位滑程时对应倾角如表3.1。

表3.1每5m滑程对应倾角统计表

由计算可知，沉井下滑154.8m时，沉井开始平浮，此时沉井艏支点距离滑道末端7.26m，不会发生艏跌落，安全。

3.3.滑移法下水相关计算

3.3.1.船台承载力计算

由上述艉浮稳性计算可知，开始艉浮时，沉井艏支点最大受力为2195.4t，假定按四条船台承载，考虑1.5的偏载系数，单条船台受力823.3t，由7m长滑板将荷载传递至对应4根管桩上，单根管桩的设计承载力为300t，共计可承载1200t荷载，船台承载力计算满足要求，实际施工时六条船台承载，安全储备大。

3.3.2.沉井局部受力计算

沉井开始艉浮时艏支点处所受荷载最大为2195.4t，将其转换为局部压力荷载作用于沉井隔墙底部，经建模计算钢沉井最大组合应力为150.2MPa，最大剪应力为84.4MPa，沉井局部受力计算满足要求。

3.3.3.沉井底封板受力计算

底封板分为两种类型，均由底板与背肋组成，其中底封板1在桥址位置浇筑完刃脚混凝土后拆除，需满足9m水头压力荷载，经计算，底封板1在设计荷载作用下最大有效应力为125.2MPa<170MPa，变形为26.0mm；底封板背肋最大组合应力为222.3MPa<240MPa，最大剪应力为36.9MPa<140MPa，满足要求。

底封板2在第二阶段运输过程中于半潜驳上切割与沉井脱离，下水及运输过程中需满足4.5m水头压力荷载，经计算，底封板2在设计荷载作用下最大有效应力为101.4MPa<170MPa，变形为17.6mm；底封板背肋最大组合应力为234.4MPa<240MPa，最大剪应力为64.7MPa<140MPa，满足要求。

3.4底节钢沉井下水施工步骤

（1）组拼底节钢沉井

钢沉井块体加工完成后，在船台上进行整体组拼，组拼过程沉井自重由临时支墩承载（共计750件临时支墩，底封板范围240件，隔墙底部及刃脚踏面范围510件），该阶段需确保沉井刃脚底部与船台之间预留42cm净距，以便组拼完成后滑板（厚40cm）顺利安装。

（2）安装滑板

经沉井各项试验检测合格后，清理船台顶面，涂抹黄油，安装滑板，采用楔块将沉井与滑板之间抄垫密实，并将滑板与止滑器约束固定。采用撑杆将每组船台顶面的滑板进行限位约束，以免下水过程偏离船台，同时将滑板的前端采用钢丝绳与沉井连接，以确保下水过程沉井连同滑板一起运动下滑。

（3）体系转换

将沉井自重由临时支墩承载转换至滑板承载。以沉井长轴方向向两侧由内而外对称进行，先解除底封板范围临时支墩，再解除隔墙底部临时支墩，最后解除刃脚踏面范围临时支墩，临时支墩解除后沉井自重由滑板承载。

（4）解除止滑器，下水

将10套止滑器串联后受控于止滑器解除装置，进行最后的检查，确保各环节均满足下水条件后解除止滑器，完成沉井下水。经项目组研究决定，最终选择在2017年5月16日4点38分下水。

4结语

温州瓯江北口大桥中塔底节钢沉井下水过程中，采用了封底助浮滑移法方案施工，底节钢沉井于2017年5月15日完成下水前的准备工作，5月16日4:38分成功下水，经过三个阶段的运输，于5月22日19:40成功浮运至桥址位置。采用封底助浮滑移法方案，可使大型钢沉井在既有船台上下水，节省地基处理费用，节约成本，且与传统气囊法下水相比，偏离预定轨迹的可能性小，更具有可操作性；同时规避了钢沉井在浮运过程中搁浅的风险，减少因水深不足而进行清理河道的工作，相应也减小了浮运过程中的水阻力，降低运输成本。钢沉井封底助浮滑移法下水在温州瓯江北口大桥底节钢沉井下水过程中得以成功应用，可为今后桥梁沉井施工提供参考借鉴。

参考文献

[1]JTG/TF50--2011，《公路桥涵施工技术规范》实施手册；

[2]JTGD63--2007，公路桥涵地基与基础设计规范；

[3]邱琼海.铜陵公铁两用长江大桥深水特大型沉井基础施工技术；

作者简介

刘骥（1990.4-），助理工程师，温州瓯江口大桥有限公司，研究方向：土木工程；

林陈婕（1994.3-），助理工程师，温州瓯江口大桥有限公司，研究方向：土木工程；