田 唯，劉建波，游新鵬

(1.中交第二航務工程局有限公司技術中心，武漢 430040;2.長大橋梁建設施工技術交通行業(yè)重點實驗室，武漢 430040)

1 前言

隨著國家進入“十二五”規(guī)劃時期，我國的基礎設施建設必將進入一個嶄新的時代。過去十多年里，我國陸續(xù)建成了潤揚長江大橋、杭州灣跨海大橋、蘇通大橋、舟山跨海大橋等重大建設項目，目前舉世矚目的港珠澳跨海工程亦正式啟動。根據我國公路交通網的規(guī)劃，越來越多的跨海峽通道將進入人們的視野。在已建成、建設中或規(guī)劃中的越江跨海工程中，下部結構的施工始終是橋梁工程建設中的重點、難點［1］，是橋梁建設者應該首要解決的難題。文章以已建成的工程為實例對塔和基礎的施工進行簡短的介紹。

2 工程概況

泰州大橋是國內首座三塔連跨懸索橋，其跨徑為390 m、1 080 m、1 080 m、390 m，主橋橋寬為33 m，設計車速為100 km/h，采用六車道高速公路標準。

大橋中間塔采用縱向“人”字形、橫向門式結構的鋼塔，塔高為 191.5 m，其橫橋向的斜率為39∶1 920。全塔沿豎向分為21個節(jié)段，依次為D0～D20，其中 D1、D4、D6和 D16節(jié)段為調整節(jié)段，用來調整橋塔的整體線性。中塔基礎采用方形圓倒角沉井基礎，高度為76 m，其中鋼結構部分和混凝土部分高度均為38 m，其總重量達16萬t。沉井的標準斷面尺寸為58 m×44 m，倒角半徑為9.8 m，終沉設計標高為－70.0 m。

中塔施工區(qū)域水深超過15 m，最大流速為2.81 m/s，且屬于雙向感潮河段，給施工帶來了很大的困難。沉井基礎于2008年9月1日下沉到設計標高，鋼塔于2010年3月31日全部吊裝完成。

3 基礎施工

3.1 沉井定位著床

目前，深水沉井定位的施工方法主要分為錨墩定位法、錨錠定位法和導向墩定位法三大類。根據國內外相關文獻資料［2，3］，對各種施工方法從施工工藝、施工風險、可操作性、工期控制和技術經濟性等進行綜合對比分析，并結合泰州大橋施工特點，該工程采用“鋼錨墩+錨系”的半剛性定位系統 (見圖1)［4］。相比于其他定位系統，該系統具有以下優(yōu)勢:

1)系統剛度大，施工操控性強，同時有效抑制沉井在定位過程中的擺動現象;

2)減少錨墩對沉井著床區(qū)域河床局部沖刷的影響;

3)施工水域面積小，減少施工對航道的影響;

4)上下游錨墩還兼顧防撞功能。

圖1 “鋼錨墩+錨系”半剛性定位系統Fig.1 Semi-rigid positioning system of“steel anchor-piers and anchor-cables”

沉井定位系統由上下游錨墩和24根拉纜組成，通過改變纜繩受力來調整沉井平面位置和垂直度。沉井定位的施工流程如下:沉井浮運至墩位處，拋錨→通過纜繩將錨錠、沉井和錨墩連接→沉井初定位→腔內注水下沉至刃腳距河床2 m→利用定位系統對沉井進行精確調位→擇機(枯水期、高平潮位)注水下沉，使沉井著床。

由于河床面局部遭沖刷，造成沉井下沉前呈前沖后淤的“S”形地勢，嚴重影響沉井著床后的精度。針對此特點，項目在施工前進行了河工模型試驗［5］，掌握了施工期間河床沖刷形態(tài)規(guī)律，并以此確定了沉井著床時的預偏量(設計值為向下游偏20 cm)。穩(wěn)定著床后，通過反復測量，沉井的平面位置向下游偏18 cm，定位精度為2 cm，實現了深水沉井準確定位與精確著床，解決了水深流急作用下深水基礎定位誤差大的難題。

3.2 沉井振動分析

南京長江大橋在施工建設中，其五號橋墩沉井基礎由于水流作用，導致其在定位過程中發(fā)生劇烈擺動，從而使錨錠系統中邊錨錨纜遭到破壞。根據國內外相關文獻資料，深水基礎在定位過程中，由水流作用易引起渦激振動(VIM運動)，給施工帶來極大的風險。針對此特點，利用大型流體軟件采用計算流體力學(creep fluent design，CFD)方法對沉井在施工期間的各種工況進行仿真分析［6］，其有限元模型見圖2。

圖2 沉井定位系統模型Fig.2 Model of caisson positioning system

通過計算分析，當流速小于0.8 m/s時，沉井擺振的軌跡呈“C”形，是因為沿來流方向的縱向力振動幅值很小，此時對運動起主導作用的是橫向力。當流速處于0.8～0.9 m/s之間時，擺振運動開始逐漸呈現模糊的“8”形。此時，縱向振蕩力的作用開始逐漸顯現，沿流方形的運動漸漸從小幅漂移變成小幅漂移基礎上的微幅振蕩。當流速大于0.9 m/s時，擺振運動開始出現非常明顯的“8”形。

為了解決沉井在定位過程中擺動過大的現象，在施工過程中應采取相應的抑振措施，對抑振措施的效果進行計算分析。通過加大纜繩拉力來增加定位系統剛度是有效抑制沉井擺動的方法之一，通過改變錨鏈長度來實現加大纜繩拉力。模型對錨鏈不折減、折減1 m、折減2 m和折減3 m四種工況進行分析，其計算結果見表1。

從表1可以看出，錨鏈長度折減得越多，預緊力越大，平衡位置向下游的縱漂越少。這是由于預緊力越大，錨泊系統對風、流定常作用的反力就越大。同時，橫蕩和縱蕩的幅值也隨著錨鏈長度的折減而減小，而橫蕩和縱蕩的周期則隨著折減長度的增加先增后減。

表1 錨鏈不同張緊力作用下沉井運動特征參數比較Table 1 Comparison of characteristic parameters of caisson movement under different tensioning of mooring cables

3.3 沉井吸泥下沉及終沉控制

中塔基礎地質主要以砂層為主，沉井下沉過程中主要以沖吸法空氣吸泥工藝為主，遇到特殊情況，采用潛水鉆機加以輔助。沖洗法吸泥工藝流程見圖3。

圖3 沖洗法吸泥工藝流程圖Fig.3 The process chart of irrigation mud suction construction

沉井高出河床面長度為21 m，且總重量達16萬t，在終沉階段容易發(fā)生突沉、超沉現象。針對此難點，在深入研究極限摩阻力和承載力的基礎上，采取“小鍋底”取土下沉方式和“分孔清基、分艙封底”的控制措施。沉井格艙分艙見圖4。沉井清基和封底的原則為對稱施工，其施工順序為Ⅰ區(qū)→Ⅱ區(qū)→Ⅲ區(qū)→Ⅳ區(qū)→Ⅴ區(qū)→Ⅵ區(qū)。沉井終沉到位時的刃腳標高為－70.108 m，僅比設計位置低0.108 m，有效防止了沉井超沉現象。

圖4 沉井格艙分艙Fig.4 Sketch of“Base clearing-off and base sealing for each bulkhead”of caisson

3.4 沉井施工監(jiān)控系統

沉井在施工下沉過程中，其空間幾何姿態(tài)受外界因素(水流、波浪和基礎沖刷等)影響不斷地發(fā)生變化，采用傳統的人工測量方式不能滿足施工要求。利用全球定位實時差分技術(global positioning system-real time kinematic，GPS-RTK)，研發(fā)相關配套軟件，集自動采集、分析和預測于一體的信息化監(jiān)測系統，對沉井著床和下沉節(jié)段結構中心偏位、整體垂直度、下沉量和扭轉角等幾何姿態(tài)進行實時監(jiān)測。

沉井從2007年12月1日著床至2008年8月31日下沉到設計位置，歷時9個月，比計劃提前了3個月。沉井終沉到位時，各項控制指標均小于設計允許值(見表2)。

表2 沉井終沉精度指標Table 2 Error of final sinking and positioning of caisson

4 中塔施工

4.1 首節(jié)段吊裝

塔底鋼塔柱與混凝土承臺采用螺栓錨固法的連接方式［7］，即將塔柱底節(jié)通過塔柱底板(承壓板)和預埋在基礎的混凝土中的大型錨固螺栓連接在一起。鋼塔首節(jié)段在兩個方向均具有一定的傾斜度，縱橋向和橫橋向的斜率分別為1∶4和39∶1 920，這給施工帶來了一定的難度。為確保吊裝的成功率，施工現場在吊裝前設置了定位導向支架進行輔助施工。

鋼塔首節(jié)段采用1 200 t起重船進行吊裝，見圖5。吊裝完成后，利用調位系統，通過全站儀精確定位，對各首節(jié)段絕對及相對坐標進行調整。首節(jié)段安裝工藝流程如下:定位導向支架安裝→首節(jié)段運輸至墩位處→起重船就位、拋錨→起重船起鉤，并對首節(jié)段空中姿態(tài)進行調整(與設計傾斜率相近)→起重船落鉤，利用導向架將首節(jié)段緩慢下放→臨時固結→通過調位系統對全部安裝完成的首節(jié)段進行精確調位→永久固結，并進行承壓板底壓漿。

圖5 鋼塔首節(jié)段安裝Fig.5 Installation of the first segment

4.2 調整節(jié)段安裝

鋼塔調整節(jié)段設置的主要目的是及時調整鋼塔整體安裝線性，以滿足工程設計的要求。節(jié)段調整的方法是通過在已安裝節(jié)段的頂面設置合適的墊片以改變傾角誤差，從而調整后續(xù)節(jié)段的平面誤差。該調整方法僅能改變當前節(jié)段端面傾角，而不能改變其平面誤差。通常情況下，鋼塔的線性主要取決于節(jié)段的制造誤差。但架設現場的安裝環(huán)境也是影響其整體線性的重要因素。在鋼塔的施工過程中，采用全過程的幾何控制方法［8］，將節(jié)段制造誤差、預拼裝線性和現場架設誤差進行統一分析，建立精度管理系統，有利地控制了誤差的發(fā)展。

基于以上原因，在調整節(jié)段安裝前須對已安裝完成節(jié)段的平面誤差和傾角誤差進行綜合評估，在設置合適的墊片后方可進行節(jié)段吊裝。調整節(jié)段安裝的施工順序大致如下:利用全站儀和精密水準儀(精度高)對已安裝完成節(jié)段進行測量，并確定最終誤差值→在已安裝節(jié)段頂面設置合理的墊片→節(jié)段吊裝，并進行臨時連接→對調整節(jié)段平面位置進行評估，滿足設計要求→永久拼接板現場匹配投孔→永久連接。在施工中，由于采用了墊片來進行后續(xù)節(jié)段平面位置及傾角的調整，該接縫處沒有金屬接觸率的要求，其荷載傳遞主要通過高強螺栓來實現。

4.3 一般節(jié)段安裝

為了加快鋼塔架設速度，全塔除了D1、D4、D6和D16節(jié)段外，其余均為一般節(jié)段。相對于調整節(jié)段，一般節(jié)段在吊裝前不需要設置墊片，但兩相鄰節(jié)段間必須滿足金屬接觸率大于50%的設計要求。施工中，往往用厚度為0.04 mm的塞尺進行檢測。

鋼塔下塔柱由于重量較大，采用起重船進行安裝。上塔柱節(jié)段采用MD3600起重設備進行吊裝，同時為了滿足起重要求，上塔柱D6～D17節(jié)段均沿縱橋向劃分為兩個節(jié)段，其余節(jié)段均采用一次性吊裝。

4.4 橫梁安裝

該橋塔共設置有上下兩道橫梁，其中下橫梁與D4節(jié)段連接，上橫梁與D18、D19和D20節(jié)段連接。

下橫梁施工采用起重船進行一次性整體安裝(見圖6)。由重力引起的鋼塔內傾和安裝累計誤差等造成鋼塔實際線性偏離設計線性，為實現下橫梁的順利安裝，需利用頂推系統對鋼塔的實際狀態(tài)進行調整。結合現場施工特點，將頂推系統設置在下橫梁支架上。在安裝下橫梁前，通過頂推系統將鋼塔調整至理想狀態(tài)(計算分析得出)，然后進行吊裝。下橫梁安裝的施工順序大致如下:對D4節(jié)段平面位置進行評估→利用頂推設備將鋼塔調整至理想狀態(tài)→起重船進行吊裝→下橫梁接近預定安裝位置→利用調整裝置對下橫梁位置進行微調，與D4節(jié)段側面端口進行匹配→臨時連接→拼接板現場匹配投孔→永久連接。

圖6 下橫梁整體安裝Fig.6 Overall installation of under-crossbeam

上橫梁節(jié)段長26 m，整體重量達490 t，MD3600起重設備無法實現一次性安裝。設計方將上橫梁劃分為4個節(jié)段進行逐段安裝(見圖7)，節(jié)段重量為97～108 t。上橫梁安裝前，同樣需要利用頂推系統將上塔肢調整至理想狀態(tài)(計算分析得出)。相對于下橫梁安裝，上橫梁安裝時保證4節(jié)段軸線處于同一直線上是安裝的主要控制因素。施工中采用后視法進行控制，即以上下游塔肢D20節(jié)段頂面中心為控制點，將全站儀架設于其中一控制點，后視另外一控制點，吊裝中每個節(jié)段頂面中心控制點位于由該兩控制點(D20節(jié)段頂面中心控制點)連成的直線上即滿足要求。

圖7 橫梁分節(jié)段安裝Fig.7 Overall installation of upper－crossbeam

5 結語

泰州大橋作為國內首座三塔連跨懸索結構，截止目前已完成索的安裝，下階段的工作將是鋼箱梁的安裝。中間塔施工是大橋建設的重難點，也開辟了國內深水大型沉井基礎施工的先例，其成功的施工經驗可歸納為以下幾點:

1)研發(fā)的“鋼錨墩+錨系”的半剛性定位系統，增強了系統的操控性，使沉井準確定位、精確著床，同時該系統也有效抑制了沉井在施工中的擺動現象，降低了施工風險，為沉井的順利下沉提供了有力的保障;

2)深水大型沉井終沉控制技術防止了終沉階段沉井易發(fā)生突沉、超沉等現象，成功地將沉井刃腳標高控制在－70.108 m，滿足設計要求;

3)研發(fā)沉井施工信息化監(jiān)控系統，首次實現沉井施工過程中空間幾何姿態(tài)的實時監(jiān)測，確保了沉井定位的準度和下沉的精度。

4)在鋼塔安裝過程中采用全過程幾何控制方法，將制造誤差、預拼裝線性和安裝誤差進行統一分析，最終將成塔后的垂直度誤差控制在1/15 000以下。

［1］左明福.公路橋梁深水基礎施工［J］.土工基礎，1999，13(2):1－5.

［2］楊其良.施工中的日本明石海峽大橋［C］//中國土木工程學會全國市政工程學術交流會.1998:287－295.

［3］劉自明，王邦楣，陳開利.橋梁深水基礎［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［4］楊 寧，肖文福，吉 林.泰州長江公路大橋中塔沉井定位方案研究［J］.橋梁建設，2009(4):64－68.

［5］南京水利科學研究院.泰州大橋中塔沉井基礎施工期局部沖刷及穩(wěn)定性試驗研究［R］.2007.

［6］上海交通大學.沉井振動分析機理研究報告［R］.2010.

［7］華 新，韓大章，周彥峰，等.三塔懸索橋人字型鋼中塔選型及關鍵構造設計［J］.中國工程科學，2010，12(4):37 －42.

［8］李 喬，卜一之，張清華，等.大跨度斜拉橋施工全過程幾何控制概論及應用［M］.成都:西南交通大學出版社，2009.