3-长大桥梁深水超大型沉井基础施工成套关键技术研究

江苏省长江公路大桥建设指挥部中交第二航务工程局有限公司南京水利科学研究院2011年4月长大桥梁深水超大型沉井基础施工成套关键技术研究项目概况与工程难点基于工程难点的研究内容工程实践成果与创新点经济与社会效益主要完成人情况目录项目概况和工程难点泰州大桥概况泰州大桥位于长江江苏段的中部,跨江主桥采用跨径2*1080米的三塔两跨悬索桥桥型方案,为世界首创。中塔和南北锚锭均采用沉井基础，南北塔为桩基础。项目概况和工程难点中塔沉井基础概况中塔基础采用了世界上入土最深的水中沉井基础。沉井平面尺寸为58×44米，高76米，下部38m为钢壳-混凝土结构，上部38m为钢筋-混凝土结构，整个沉井基础下沉深度达到-70米。项目概况和工程难点桥位地处长江下游感潮河段，为双向流河道，桥址处河床断面呈浅“W”形；施工区域水深流急，航道繁忙，中塔墩位处水深达17.9m，断面最大流速达2.81m/s；覆盖层厚，约-200米才见基岩，河床主要为粉细砂层，结构持力层为砂砾层。复杂的水文地质条件项目概况和工程难点面临的工程难点桥位地处长江下游感潮河段,水深、流急，河床主要为粉细砂层，沉井在着床和下沉阶段受水流冲刷的影响，如何保证其平稳着床和安全渡汛；在水流、风及过往船舶引起的波浪作用下，沉井易发生摆动，如何保证其精确定位；墩位区最大水深为17.9米，河床面以上沉井自由高度高、下沉系数大，如何防止终沉阶段突沉、超沉等现象；沉井下沉期间状态变化频繁，常规测量方法周期长，数据处理缓慢，信息反馈滞后，如何通过下沉过程中的实时监测及时了解沉井姿态以便采取工程措施。项目概况和工程难点基于工程难点的研究内容工程实践成果与创新点经济与社会效益主要完成人情况目录研究内容I：沉井着床和下沉期河床冲淤变化及应对措施研究难点一：如何解决沉井平稳着床与下沉期的安全渡汛。解决思路：通过河工模型实验，研究出不同流速条件下河床冲刷形态及冲淤变化规律，确定沉井着床时机及相关工程措施。提出沉井在汛期前须下沉的深度以保证安全渡汛。基于工程难点的研究内容基于工程难点的研究内容沉井悬浮状态局部冲刷最大深度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/流速小于1.0m/s，沉井着床后，底部泥面大部分未被冲刷，着床姿态稳定。流速超过1.2m/s,沉井底部大部分未与河床接触，需对床面进行动态护底稳定。-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)河床冲刷线-6-5-4-3-2-101348000350000352000354000356000358000360000362000364000沉井距河床2m时局部冲刷形态(V=1.0m/s)河床冲刷线-7-6-5-4-3-2-10348000350000352000354000356000358000360000362000364000Z沉井距河床2m时局部冲刷形态(V=1.2m/s)河床冲刷线研究内容I：沉井着床和下沉期河床冲淤变化及应对措施研究在钢沉井选择在枯水期高平潮时着床，实际流速为0.82m/s，冲刷对沉井稳定影响小，不需采取预防护措施;冲刷引起的前冲后淤，要求沉井着床时向下游设置一定的预偏量，实设预偏量为20cm；着床过程中采用隔仓不等量注水、改变上下游锚缆力等措施调整沉井倾斜。沉井稳定着床沉井距河床2m沉井初着床基于工程难点的研究内容研究内容I：沉井着床和下沉期河床冲淤变化及应对措施研究在1.2m/s流速条件下沉井着床后下沉阶段，局部最大冲刷深度约10m在2.81m/s流速条件下沉井着床后下沉阶段，局部最大冲刷深度约40m基于工程难点的研究内容研究内容I：沉井着床和下沉期河床冲淤变化及应对措施研究根据汛期水文条件，通过模型实验，研究出最大流速条件下河床冲刷形态，确定不采取预防护措施时，沉井安全渡汛的下沉最小深度为60m；工程预案：汛期时，如果沉井下沉深度不足以保证沉井施工安全时,可采用大粒径块石进行局部防护，确保沉井渡汛安全。汛期河床冲刷形态(v=2.81m/s)，冲刷深度为41m回填后沉井基础局部冲刷形态(v=281m/s)15cm～30cm块石回填基于工程难点的研究内容研究内容I：沉井着床和下沉期河床冲淤变化及应对措施研究实际冲刷形态与试验预测的冲刷形态基本一致。实测结果显示，下沉阶段最大流速为1.64m/s时，沉井冲刷深度最深为17.8m，不需进行河床防护。在丰水期到枯水期过程中，冲刷变化幅度小，河床稳定，未采用人工防护。沉井底口标高与冲刷曲线关系基于工程难点的研究内容研究内容I：沉井着床和下沉期河床冲淤变化及应对措施研究沉井施工期河床冲刷形态试验值与实测值对比验证。沉井基础局部冲刷试验形态图沉井基础局部冲刷实测形态图沉井状态试验结果实际冲刷流速(m/s)流量(m3/s)冲刷深度(m)流速(m/s)流量(m3/s)冲刷深度(m)着床初期0.8120004.10.82128003.2稳定着床1.2300009.21.2300009.1汛期2.06650023.11.644970017.8基于工程难点的研究内容研究内容I：沉井着床和下沉期河床冲淤变化及应对措施研究研究内容II：定位系统研究难点二：如何保证沉井精确定位。解决思路：对不同的定位方案进行了比较；通过数值仿真分析，对悬浮状态下沉井在水流与风的耦合作用下的摆动机理展开研究；研发了“钢锚墩＋锚系”的半刚性定位体系，并提出了相应的抑振措施。基于工程难点的研究内容研究内容II：定位系统研究——方案比选定位方法导向船定位导向墩定位锚墩定位优点系统具有较宽作业面，施工安全；施工工期较短；施工工艺成熟，安全风险小。系统刚度较大，沉井调整易操作；施工水域小，对航道基本无影响；导向墩材料可重复利用；施工工期较短系统刚度较大，沉井调整易操作；上下游锚墩对墩位处河床冲刷无影响，且可作为永久防撞锚墩；施工水域小，对航道基本无影响；施工工期较短缺点施工水域大，对航道影响大；施工成本较大；沉井施工期间受外界影响摆动导向墩加剧墩位处河床冲刷，对沉井着床不利；国内相关工程实例很少，风险较大。前期施工成本较大；国内尚无相关工程先例，风险较大。图例应用实例南京长江大桥美国新格林维尔桥无基于工程难点的研究内容首次采用CFD(计算流体力学)技术对沉井摆振机理进行分析，详细分析了各影响因子，并对沉井定位系统进行了优化设计。从系统刚度变化角度对传统的定位船方案和锚墩+锚系方案进行了对比研究。研究内容II：定位系统研究基于工程难点的研究内容锚墩方案沉井运动轨迹定位船方案沉井运动轨迹定位方案方案运动形态平衡位置(m)振荡幅值(m)振荡周期(s)定位船方案纵荡(Surge)-1.453.4584.3横荡(Sway)04.8170上下游锚墩方案纵荡(Surge)-1.882.3882横荡(Sway)04.4162.5两种定位方案沉井运动参数比较相比定位船方案，采用上下游锚墩方案沉井振荡幅值偏与振荡周期均偏小；从抑振角度考虑，采用上下游锚墩定位方案比较合理。从锚缆预紧力控制角度对锚墩+锚系方案进行了抑振效果的数值仿真验证。研究内容II：定位系统研究边缆预紧力增加10吨边缆预紧力增加20吨基于工程难点的研究内容边缆预紧力增加30吨1212——下游锚墩——上游锚墩33——锚缆系统抑振措施制止初始摆动防止正反馈机制的形成改变系泊系统自振频率远离涡泄频率增加系统阻尼降低系统自振频率增大系统刚度增大系统自振频率平衡重止摆船半刚性定位系统施加缆绳预紧力泰州大桥中塔沉井定位方案研究内容II：定位系统研究——抑振措施基于工程难点的研究内容研究内容III：终沉控制技术难点三：如何防止沉井在终沉阶段突沉、超沉等现象。解决思路：对沉井极限摩阻力与端阻力的计算取值问题展开研究，根据理论值与实测值对比结果，确定沉井终沉阶段的下沉系数；通过分析，大锅底清基会产生突沉或终沉标高难以控制，为了防止沉井突沉和控制沉井终沉标高，突破性的采用“分孔清基、分舱封底”的施工工艺；基于工程难点的研究内容研究内容III：终沉控制技术——计算方法验证沉井施工阶段沉井刃脚状态理论计算值实测数据端阻力（太沙基）摩阻力（经验值）下沉系数端阻力摩阻力下沉系数第二次吸泥下沉全刃脚14329169002.0219210208561.57第三次吸泥下沉全刃脚19347340211.6120582439221.33第四次吸泥下沉全刃脚15486442381.4314701628041.17极限摩阻力采用工程经验值，比实测值偏小；沉井端阻力采用简化太沙基公式，其理论计算值与实测值比较接近，验证了该计算方法合理；由于摩阻力取值偏小，理论下沉系数比实测下沉系数偏大。基于工程难点的研究内容控制方法传统控制方法“分孔清基、分舱封底”控制方法优点一次性清基及封底，混凝土质量易控制，且施工工序简单适用于大型沉井终沉施工；采用“小锅底”状态，刃脚接触面积大，能有效控制突沉、超沉等现象缺点仅适用于小型沉井终沉施工；采用“大锅底”状态，刃脚接触面积小，易发生突沉、超沉等现象分孔清基，分舱封底，施工工序交替转换，较复杂研究内容III：终沉控制技术采用“分孔清基、分舱封底”控制方法，沉井未出现突沉、超沉现象。基于工程难点的研究内容研究内容IV：实时监控系统难点四：如何实现沉井下沉过程中的实时监测。解决思路：研发了基于GPS-RTK技术的信息化实时监控系统。基于工程难点的研究内容研究内容IV——实时监控系统监测软件几何监测子系统：沉井的高程、平面位置、垂直度、扭转角等几何状态、水下地形；物理监测子系统：上下游锚缆力、侧壁摩阻力和刃脚端阻力进行实时监测数据采集和传输自动化，控制系统每5s进行一次数据采集，每20s进行一次数据分析。监测仪器基于工程难点的研究内容测量方法常规人工测量实时监控系统优点测量精度高；设备成本及维护费用低能实现对沉井几何姿态（高程、平面位置、扭转和倾斜）、沉井周边水下地形、上下游锚缆力、侧壁摩阻力和刃脚端阻力监测等各项参数实时监测；几何测量时，控制点同步测量；监控系统工作界面可视化程度高缺点仅能实现对沉井沉井几何姿态（高程、平面位置、扭转和倾斜）监测；几何测量时，控制点测量不同步，且不能进行实时监控。设备成本及维修费用相对较高研究内容IV——实时监控系统基于工程难点的研究内容项目概况和工程难点基于工程难点的研究内容工程实践成果与创新点经济与社会效益主要完成人情况目录首节段钢沉井制作钢沉井岸边接高钢沉井浮运钢沉井定位着床吸泥下沉终沉到位沉井封底沉井接高工程实践沉井施工工艺流程序号项目允许偏差终沉状态1平面偏位沉井顶口≤50cm偏上游11.4cm；偏南2.4cm；2垂直度ix≤1/1501/630iy≤1/1501/444.1整体垂直度≤1/1501/3633扭角≤1°10.8′沉井终沉定位控制精度工程实践依托工程节省工期3个月项目概况和工程难点基于工程难点的研究内容工程实践成果与创新点经济与社会效益主要完成人情况目录成果与创新点知识产权成果省部级工法一项——“深水超深巨型沉井施工工法”研发软件一套——“沉井下沉信息化监测系统V1.0”成果与创新点1）系统研究了河床冲淤变化规律，研究了水流、风及耦合作用下沉井的摆动机理。首次研发了“沉井钢锚墩+锚系”导向定位系统，攻克了深水沉井精确定位和平稳着床的工程难题；2）提出了“分孔清基、分舱封底”的施工技术，成功解决了深水超大型沉井终沉控制难题；3）研发了信息化监控系统，首次对沉井施工全过程的几何状态、受力状态、河床冲於变化等进行实时可视化监控，确保了深水超大型沉井精确平稳下沉到位。创新点项目概况和工