滬通長江大橋主墩鋼沉井浮運(yùn)施工技術(shù)
2017-04-12
1 工程概況
滬通長江大橋是新建滬通鐵路的控制性工程，大橋位于江陰長江公路大橋下游45km，蘇通長江公路大橋上游40km，全長11km。其中主航道橋（26#墩～31#墩）采用雙塔五跨連續(xù)鋼桁梁斜拉橋，孔跨布置為（142+462+1092+462+142）m。主梁為三主桁結(jié)構(gòu)，主塔為鉆石型塔，塔高325m。六個(gè)橋墩均采用沉井基礎(chǔ)。主航道橋橋式布置見圖1。
主墩采用倒圓角的矩形沉井基礎(chǔ)，28#墩沉井總高105m，鋼沉井高50m；29#墩沉井總高115m，鋼沉井高56m。主墩沉井基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)見圖2。
鋼沉井平面尺寸為86.9m×58.7m，四周倒圓角半徑為7.45m，沉井平面布置24個(gè)12.8m×12.8m井孔。鋼沉井井壁采用雙壁板隔倉結(jié)構(gòu)，沉井外壁板厚1.8m，內(nèi)壁板厚1.3m，井壁間通過隔倉板將井壁分為35個(gè)獨(dú)立隔倉。28#墩鋼沉井豎向分八層，高50m，重約13500t。29#墩鋼沉井豎向分九層，高56m，重約15000t。
經(jīng)過對多個(gè)方案比選論證，結(jié)合橋址區(qū)氣象水文條件特點(diǎn)，主航道橋主墩鋼沉井采用在工廠干船塢內(nèi)制造、拼裝成整體，浮運(yùn)出廠，拖輪拖帶浮運(yùn)至墩位的方案施工。
2 鋼沉井浮運(yùn)可行性分析
2.1 浮運(yùn)穩(wěn)性分析
穩(wěn)性定義：指船舶在外力矩作用下偏離其初始平衡位置而傾斜，當(dāng)外力矩消失后能夠自行恢復(fù)到初始平衡狀態(tài)的能力。
?。?）按船舶傾斜方向分類?？煞譃闄M穩(wěn)性和縱穩(wěn)性。橫穩(wěn)性指船舶繞縱向軸（x軸）橫傾時(shí)的穩(wěn)性，縱穩(wěn)性指船舶繞橫向軸（y軸）縱傾時(shí)的穩(wěn)性。由于縱穩(wěn)性力矩遠(yuǎn)大于橫穩(wěn)性力矩，故實(shí)際營運(yùn)中不可能因縱穩(wěn)性不足而導(dǎo)致船舶傾覆。
?。?）按傾角大小分類。可分為初穩(wěn)性和大傾角穩(wěn)性。初穩(wěn)性（小傾角穩(wěn)性）指船舶微傾時(shí)所具有的穩(wěn)性，微傾在實(shí)際營運(yùn)中將傾斜角擴(kuò)大至10°～15°；大傾角穩(wěn)性指當(dāng)傾角大于10°～15°時(shí)的穩(wěn)性。
?。?）沉井浮運(yùn)穩(wěn)性計(jì)算。沉井浮運(yùn)過程中（沉入河床前）須驗(yàn)算橫向穩(wěn)定性。沉井浮體穩(wěn)定傾角φ按下式計(jì)算[1]。
沉井穩(wěn)性計(jì)算以主航道橋29#墩鋼沉井為例，沉井浮運(yùn)穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果見表1。
沉井在浮運(yùn)時(shí)穩(wěn)定性滿足要求。
2.2 拖帶阻力計(jì)算[2]
?。?）阻力分類。浮體運(yùn)動時(shí)，其總阻力Rt可以分為摩擦阻力Rf、黏壓阻力Rpv和興波阻力Rw，其表達(dá)式可以寫為：
由于常規(guī)船舶黏壓阻力一般所占比重不大，且實(shí)際上亦難以同興波阻力分開，故通常把黏壓阻力與興波阻力合并在一起稱為剩余阻力Rr。這樣船體總阻力又可分為摩擦阻力Rf和剩余阻力Rr兩部分。
（2）沉井拖航阻力計(jì)算。根據(jù)《海上拖航指南》附件2，沉井正常氣象條件下（風(fēng)力3～4級）的拖航水阻力公式列表計(jì)算：
考慮了被拖物的方形系數(shù)δ，浸水部分的船中橫剖面積A2和拖航速度V。對《海上拖航指南》剩余阻力計(jì)算的形狀修正，剩余阻力按下式計(jì)算：
按《海上拖航指南》在對水速度3.0m/s，拖航總阻力為2699.97
KkN，按經(jīng)首尾形狀修正后的《海上拖航指南》方法計(jì)算結(jié)果為3117.82KN。
3 拖輪配置方案
拖航阻力計(jì)算是近似的估算，拖航受氣象、潮流、被拖物的吃水差、是否產(chǎn)生偏蕩等因素影響。實(shí)際拖輪使用的過程中還需考慮拖輪的船齡、功率發(fā)揮狀況、拖纜的強(qiáng)度及實(shí)際主機(jī)功率等。
沉井拖帶浮運(yùn)作業(yè)配置8艘Z 型（全回轉(zhuǎn)）大馬力拖輪，主拖合計(jì)34000Hp，備拖4000Hp，總計(jì)38000Hp。沉井浮運(yùn)前進(jìn)方向左右舷各配置兩艘?guī)屯陷啠?000Hp、4000Hp），沉井后方配置3艘頂推拖輪（1×6000Hp+2×4000Hp），1艘4000Hp拖輪作為備拖。拖輪配置見圖3。
4 鋼沉井浮運(yùn)施工
4.1 拖航路線
鋼沉井在橋址上游約5.6海里的江蘇如皋境內(nèi)某船廠制造，在該船廠4#干船塢內(nèi)拼裝成整體。拖輪拖帶鋼沉井從該船廠4#干船塢出發(fā)，沿著長江航道向下游移動，拖航路線為： 出4#船塢→穿越福姜沙水道→進(jìn)入瀏海沙水道→沿長江38#、37#、36-1#、36#、35#紅浮順江下行→預(yù)計(jì)到達(dá)29#墩位處→向右轉(zhuǎn)向到達(dá)墩位。
拖航路線見圖4。
4.2 航道信息
（1）福姜沙北水道概況。福姜沙北水道水域范圍為長江FB#15浮到長江FB#1浮之間，F(xiàn)B#1至FB#7浮航道彎曲狹窄、水流湍急，F(xiàn)B#7浮至FB#15浮航道相對順直，本航道航行區(qū)域?yàn)镕B#1-FB#6浮。
?。?）瀏海沙水道概況。瀏海沙水道的水域范圍為長江#41浮長江#34浮之間，此段江面寬，深槽靠右岸，長江#37浮處下行轉(zhuǎn)下20°左右，長江#38、長江#38-1兩左右通航浮分別為大新專用航道、福姜沙北水道與瀏海沙水道的分汊處，本水道屬潮流河段，漲潮時(shí)有較強(qiáng)的溯江流，落潮流向右岸推壓尤甚。
4.3 施工準(zhǔn)備
?。?）鋼沉井完成制造，在船塢內(nèi)拼裝成整體，沉井定位系統(tǒng)、安全防護(hù)設(shè)施、施工照明系統(tǒng)等安裝完畢，檢驗(yàn)合格。
?。?）提前在鋼沉井系纜柱上安裝拖帶纜繩及連接卸扣，干船塢注水前，將鋼沉井與船塢系纜固定，以防止注水后沉井起浮飄移。
（3）配備熟練的出塢協(xié)助人員，安排足夠的人員來完成系、解纜工作。熟悉通訊設(shè)備的使用并預(yù)演。
4.4 浮運(yùn)作業(yè)
（1）船塢注水。鋼沉井起浮后，刃腳必須超出塢內(nèi)抄墊塢墩及塢門坎高度，并留有一定安全高度后，方能安全出塢。塢底標(biāo)高-7.8m（理論基準(zhǔn)面），邊塢墩高0.77m，中塢墩高1.27m，塢門坎高1.4m。則滿足安全出塢水位為：沉井吃水深度+塢門坎高度（1.4m）+安全高度（0.5m）+塢底標(biāo)高（-7.8m）。
?。?）浮運(yùn)作業(yè)。船塢放水至長江水位與塢內(nèi)水位相平時(shí)，開啟塢門。2#、4#、5#、6#、8#拖輪編隊(duì)入塢，與沉井系纜連接，將鋼沉井移至塢門口。
1#、3#、7#拖輪在塢門口等待，鋼沉井移至塢門后。所有拖輪重新編隊(duì)，1#～7#拖輪占設(shè)計(jì)位，與沉井系纜連接，8#拖輪解纜，處備拖位。如圖5所示。七艘拖輪共同作用，按設(shè)計(jì)航行路線將鋼沉井浮運(yùn)拖帶至橋位。
5 結(jié)語
主航道橋主塔墩鋼沉井采用整體制造、拖輪浮運(yùn)拖帶至墩位的施工方案成功實(shí)施，為滬通長江大橋橋梁施工奠定基礎(chǔ)，對類似的橋梁基礎(chǔ)施工具有一定的參考價(jià)值。
參考文獻(xiàn)：
[1]公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（JTG D63-2007）.
[2]滬通長江大橋沉井拖航阻力計(jì)算方法.上海海事大學(xué).
