李志辉， 樊立龙， 赵振丰

（中国铁建大桥工程局集团有限公司，天津 300300）

0 引言

设置沉井基础因其大型整体化、预制模块化、施工装备大型化、自动化等方面发展，减少施工难度、提高施工质量、提高施工工效，缩短工期、承载力高、整体刚度大等性能，已成为深海急流、强风浪等恶劣海洋环境下跨海桥梁修建基础形式［1］。设置基础由于具有众多优势，其建造技术也得到了很大的发展和应用，20世纪80～90年代开始在日本和丹麦等国外跨海连岛桥梁工程应用不断增多；在我国桥梁建设中，设置沉井基础应用较少，其中2006年建成的澎湖望安将军跨海大桥两个主墩设置基础直径22m，将预制好的沉箱拖至墩位灌水沉放，沉箱底部的空隙灌浆固［2］；2015年建成的大连星海湾跨海大桥锚碇基础设计采用设置沉箱，沉箱船坞内预制，拖至墩位处采用两个小沉箱、拖船以及吊船辅助配合精确定位安装［3］；2020年建成的芜湖长江公铁大桥3#墩沉井基础采用重型锚碇系统及调平系统进行精确定位着床［4］。随着深水设置基础的设计施工技术逐渐成熟，设置基础技术创新推广到水深、急流、软弱覆盖层的深海桥梁建设。

综合考虑西堠门公铁两用大桥地形、地质条件的适用性，金塘岛侧基础设计采用设置沉井基础［5］，文中主要通过分析沉井定位的时机、风险，制定风险措施，并对多种沉井定位方案进行优缺点分析，提出沉井施工注意事项，研究解决设置沉井施工难题。

1 工程概况

1.1 工程简介

拟建的西堠门公铁两用大桥为宁波至舟山铁路、甬舟高速公路复线跨越西堠门水道的共用跨海桥梁，连接金塘岛和册子岛。桥位处水域宽度为2.7km，最大水深93m，大于80m水深范围约700m，大于60m水深范围约1040m，西堠门公铁两用大桥通航船型按3万吨级考虑，单孔双向通航净宽为850m。

金塘岛侧4#主塔基础，位于碗盏礁，最大水深28m，高差5m裸岩，设置沉井基础，直径58m，高36m，结构见图1。

图1 设置沉井基础结构图（单位：mm）

西堠门公铁两用大桥桥址区属亚热带海洋季风气候，同时又属于大陆性气候向海洋性气候过渡区，风向有明显的季节性变化；是易受台风影响的地区，台风平均每年3.9个，瞬时风速＞40m/s，主要集中在7～9月，大桥10m高处100年一遇设计基本风速Vs10=44.8m/s。大桥金塘岛侧4#主塔基础，位于碗盏礁，最大水深28m；潮汐性质多为半日潮，重现期20年设计潮差4.52m；海区的潮流性质为不规则半日潮流，百年重现期设计流速4.3m/s，浪高达8.81m［6］。

1.2 施工重难点

受桥位处具有风大、浪急、水深特点，加上潮汐等因素影响，大直径钢沉井运输、定位以及下放安全风险大；钢沉井下放定位精度以及现场混凝土质量控制难度大。

2 沉井沉放时机与风险分析

2.1 时机分析

通过桥址区气象、水文资料，桥址区1月和11～12月强冷空气频繁，而8～10月为台风期。在不同月份风浪特性差别较大，在3～6月份有效波高小于0.9m的出现频率较多，均超过了80%，周期在3～6s出现频率超过了75%。在7～9月份波高普遍增大，且有6～9s的周期出现的频率也有所增加。

综合气象、水文条件，考虑现场施工安全，建议沉井定位和沉放选择风浪相对小的3～6月份，在提取数据的风浪分析同时可以看到，3、4和6月份也会出现6～7s的周期，在5月份也会出现7～8s的周期，但出现的频率比较低。从浮运、沉放过程沉井受力的分析可以得出，周期为8s时沉井受力是周期为5s时的2倍，相对长周期对拖轮自身的作业条件也会产生比较大的影响。可选择波高小于0.5m与周期小于5s同时满足时进行定位沉放作业。

2.2 风险分析

4#主塔基础位于水下暗礁碗盏礁处，水深约17～27m，采用设置沉井基础。钢沉井在工厂整体制造完成后，拖轮绑带拖运至桥位现场、锚碇定位、灌水下沉，并落底安放至已整平合格的地基上。

施工风险1：桥区处风大、多向不规则往复潮流等自然条件下承担风力、波流力等荷载，再加上过往船只的摆动影响，钢沉井在出船坞、长距离浮运、初步就位、定位系统转换、初步定位、精定位、注水下沉着床过程中存在安全风险。

施工风险2：沉井着床定位前，沉井受波浪海流产生的波浪力影响，定位着床过程存在平面位置偏差的风险。

施工风险3：沉井定位锚碇体系庞大，受涨落潮影响，存在定位系统受力不均和超载的风险。

2.3 施工风险措施

施工措施1：超大型波浪水槽内开展沉井浮运、沉放进行模拟试验，采用布尔运算在MOSES中建模如图2所示，并利用MOSES水动力软件分析受力特性，掌握沉井浮运全过程运动性能，提出控制沉井浮运稳定措施及浮运时机；通过规范计算、CFD数值模拟和部分组次下的物理模型试验验证相结合的手段，得到静水阻力及阻力系数，为后续选择拖航配置提供数据来源和技术支持。

图2 MOSES模型分析

施工措施2：实测并掌握沉井定位期间水文条件变化规律及其对沉井刚体平面位移影响规律，选着合适时段快速着床。

施工措施3：通过掌握多向潮流的变化规律，根据潮流的特点设计布置定位系统锚墩数量及结构，并针对定位系统在每个状态下分析计算，确保沉井施工各个状态下有效可控。

施工措施4：在沉井定位、沉放施工中，对沉井的定位、沉放着床施工中搭载沉井监控云平台，利用信息化手段确保实现沉井施工全过程的“可测、可视、可管、可控”。

3 沉井定位沉放方案

国内外修建公铁跨海大桥施工过程中面临大风、大浪、流急、裸岩地质等恶劣环境，考虑钢沉井定位、沉放施工承受的水流力及风力荷载，参考芜湖长江公铁大桥等［7］桥梁沉井定位、沉放施工经验，对混凝土重力锚定位［8］、靠墩+锚墩定位以及靠墩+锚墩+混凝土锚碇组合锚定位3种方案进行探讨分析。

3.1 混凝土重力锚定位

主锚共12个1000t混凝土重力锚，两侧对称布置，边锚共4个1500t混凝土重力锚，两侧对称布置，总共16个混凝土重力锚，如图3所示。

图3 混凝土重力锚定位布置图

混凝土锚碇与锚绳连接后，采用输船将混凝土锚碇（包含对应的锚链）运至设计位置附近时，再利用浮吊将锚碇吊放至设计位置，锚绳另一端拖至相应浮标处系在浮标上。

利用拖轮将钢沉井拖运至墩位附近。利用浮吊将锚碇拉缆与沉井相连，利用沉井上的卷扬机调整拉缆系统，使沉井精确定位，利用吸泥船清理下方淤泥，沉井注水下沉，直至着床。

3.2 靠墩+锚碇定位

总共布置4个锚墩，4个边锚平台和一个靠墩，锚墩和靠墩均采用6根2.2m钻孔灌注桩，桩顶采用钢筋混凝土承台，靠墩A和平台连成整体，如图4所示。

图4 靠墩+锚碇定位布置图

利用浮吊施工锚墩钻孔灌注桩，并在钻孔桩上浇筑承台。在沉井周边上端安装拉缆，在沉井周边下部安装边缆。其施工顺序：靠墩、锚墩施工→钢沉井下水拖至墩位下游→利用浮吊将拉缆F/F'与沉井连接→落潮时依靠拖轮及拉缆向墩位推进→利用浮吊将拉缆拉缆E/E'、G/G'、D/D'与沉井连接→连接边缆收缆平台B、C上的拉缆以及收缆平台H、I的拉缆→张拉边缆B'、C'、H'、I'靠近靠墩A并与沉井连接→调整边缆、拉缆，进行初定位→钢沉井注水下沉至定位状态→钢沉井精定位→确定时机注水着床。

3.3 靠墩+锚墩+混凝土锚碇组合锚定位

总共布置2个锚墩，4个混凝土锚，4个边锚平台和1个靠墩，锚墩和靠墩均采用6根2.2m钻孔灌注桩，混凝土锚采用1000t，桩顶采用钢筋混凝土承台，靠墩和平台连成整体，如图5所示。

图5 靠墩+锚墩+混凝土锚组合锚定位布置

锚墩基础采用钻孔灌注桩，锚墩平台采用混凝土结构。锚墩与沉井之间的拉缆及兜缆均采用钢丝绳，通过钢丝绳与沉井连接。其施工顺序：组合锚施工→钢沉井下水→拖轮就位与钢沉井连接→拖轮拖拉钢沉井至墩位处下游→利用浮吊及抛锚船牵引混凝土重力锚D、E、锚墩F、G上下拉缆与钢沉井连接→钢沉井缓慢靠近A锚墩并停泊→连接靠墩A及B、C、H、I边锚平台上下拉缆→钢沉井初定位→钢沉井注水下沉至定位状态→钢沉井精定位→确定时机注水着床。

3.4 方案优缺点

通过3种定位沉放方案进行分析，其定位沉放方案优缺点见表1。

表1 定位方案优缺点

选用何种定位方案，需考虑设置边缆能否调整沉井位置，并承担水流力及风力荷载，能否有效解决大直径钢沉井在定位沉放中受大风、急流的冲击从而引起大直径钢沉井精确定位沉放的难题，能否有效控制钢沉井的平面位置，实现钢沉井精确定位沉放［9］。

3.5 分析讨论

沉井浮运和下沉到设计位置后，其平面位置及垂直度都有严格的要求。因此要求沉井在着床前必须定位准确，通过分析研究沉井的自浮部分在水中受水流力、波浪力、风荷载等荷载的影响会在水中漂浮不定，为了保证沉井能够固定并能精确定位于一个设计指定的位置上，必须设置沉井的定位锚碇系统，以此来对沉井进行固定和位置的调整，方可保证沉井着床前定位精确，着床后平面位置及垂直度满足相关规范要求。综合考虑3种方案的施工难易程度、刚度、外界环境的影响、施工安全及质量等因素，推荐采用靠墩+锚墩+混凝土锚碇组合锚定位方案，具有刚度大、定位精度高、质量易得到保证。

4 结语

（1） 考虑桥址处恶劣施工环境，设置基础钢沉井浮运时间可以选在波高相对较小的3～6月份，通过气象和水文的预报系统找到波高小于0.5m，同时周期小于5s的小潮期进行作业。

（2） 在沉井下沉和定位过程中可针对沉井下沉不同位置时锚定系统受力分析进行研究，利用相关计算机软件等手段模拟分析沉井下沉不同位置时，在不同风、浪、流等动力条件下锚定系统受力以及沉井的运动量去指导现场施工。