沪通长江大桥主墩钢沉井浮运施工技术
2017-04-12
1 工程概况
沪通长江大桥是新建沪通铁路的控制性工程，大桥位于江阴长江公路大桥下游45km，苏通长江公路大桥上游40km，全长11km。其中主航道桥（26#墩～31#墩）采用双塔五跨连续钢桁梁斜拉桥，孔跨布置为（142+462+1092+462+142）m。主梁为三主桁结构，主塔为钻石型塔，塔高325m。六个桥墩均采用沉井基础。主航道桥桥式布置见图1。
主墩采用倒圆角的矩形沉井基础，28#墩沉井总高105m，钢沉井高50m；29#墩沉井总高115m，钢沉井高56m。主墩沉井基础结构见图2。
钢沉井平面尺寸为86.9m×58.7m，四周倒圆角半径为7.45m，沉井平面布置24个12.8m×12.8m井孔。钢沉井井壁采用双壁板隔仓结构，沉井外壁板厚1.8m，内壁板厚1.3m，井壁间通过隔仓板将井壁分为35个独立隔仓。28#墩钢沉井竖向分八层，高50m，重约13500t。29#墩钢沉井竖向分九层，高56m，重约15000t。
经过对多个方案比选论证，结合桥址区气象水文条件特点，主航道桥主墩钢沉井采用在工厂干船坞内制造、拼装成整体，浮运出厂，拖轮拖带浮运至墩位的方案施工。
2 钢沉井浮运可行性分析
2.1 浮运稳性分析
稳性定义：指船舶在外力矩作用下偏离其初始平衡位置而倾斜，当外力矩消失后能够自行恢复到初始平衡状态的能力。
（1）按船舶倾斜方向分类。可分为横稳性和纵稳性。横稳性指船舶绕纵向轴（x轴）横倾时的稳性，纵稳性指船舶绕横向轴（y轴）纵倾时的稳性。由于纵稳性力矩远大于横稳性力矩，故实际营运中不可能因纵稳性不足而导致船舶倾覆。
（2）按倾角大小分类。可分为初稳性和大倾角稳性。初稳性（小倾角稳性）指船舶微倾时所具有的稳性，微倾在实际营运中将倾斜角扩大至10°～15°；大倾角稳性指当倾角大于10°～15°时的稳性。
（3）沉井浮运稳性计算。沉井浮运过程中（沉入河床前）须验算横向稳定性。沉井浮体稳定倾角φ按下式计算[1]。
沉井稳性计算以主航道桥29#墩钢沉井为例，沉井浮运稳性计算结果见表1。
沉井在浮运时稳定性满足要求。
2.2 拖带阻力计算[2]
（1）阻力分类。浮体运动时，其总阻力Rt可以分为摩擦阻力Rf、黏压阻力Rpv和兴波阻力Rw，其表达式可以写为：
由于常规船舶黏压阻力一般所占比重不大，且实际上亦难以同兴波阻力分开，故通常把黏压阻力与兴波阻力合并在一起称为剩余阻力Rr。这样船体总阻力又可分为摩擦阻力Rf和剩余阻力Rr两部分。
（2）沉井拖航阻力计算。根据《海上拖航指南》附件2，沉井正常气象条件下（风力3～4级）的拖航水阻力公式列表计算：
考虑了被拖物的方形系数δ，浸水部分的船中横剖面积A2和拖航速度V。对《海上拖航指南》剩余阻力计算的形状修正，剩余阻力按下式计算：
按《海上拖航指南》在对水速度3.0m/s，拖航总阻力为2699.97
KkN，按经首尾形状修正后的《海上拖航指南》方法计算结果为3117.82KN。
3 拖轮配置方案
拖航阻力计算是近似的估算，拖航受气象、潮流、被拖物的吃水差、是否产生偏荡等因素影响。实际拖轮使用的过程中还需考虑拖轮的船龄、功率发挥状况、拖缆的强度及实际主机功率等。
沉井拖带浮运作业配置8艘Z 型（全回转）大马力拖轮，主拖合计34000Hp，备拖4000Hp，总计38000Hp。沉井浮运前进方向左右舷各配置两艘帮拖轮（6000Hp、4000Hp），沉井后方配置3艘顶推拖轮（1×6000Hp+2×4000Hp），1艘4000Hp拖轮作为备拖。拖轮配置见图3。
4 钢沉井浮运施工
4.1 拖航路线
钢沉井在桥址上游约5.6海里的江苏如皋境内某船厂制造，在该船厂4#干船坞内拼装成整体。拖轮拖带钢沉井从该船厂4#干船坞出发，沿着长江航道向下游移动，拖航路线为： 出4#船坞→穿越福姜沙水道→进入浏海沙水道→沿长江38#、37#、36-1#、36#、35#红浮顺江下行→预计到达29#墩位处→向右转向到达墩位。
拖航路线见图4。
4.2 航道信息
（1）福姜沙北水道概况。福姜沙北水道水域范围为长江FB#15浮到长江FB#1浮之间，FB#1至FB#7浮航道弯曲狭窄、水流湍急，FB#7浮至FB#15浮航道相对顺直，本航道航行区域为FB#1-FB#6浮。
（2）浏海沙水道概况。浏海沙水道的水域范围为长江#41浮长江#34浮之间，此段江面宽，深槽靠右岸，长江#37浮处下行转下20°左右，长江#38、长江#38-1两左右通航浮分别为大新专用航道、福姜沙北水道与浏海沙水道的分汊处，本水道属潮流河段，涨潮时有较强的溯江流，落潮流向右岸推压尤甚。
4.3 施工准备
（1）钢沉井完成制造，在船坞内拼装成整体，沉井定位系统、安全防护设施、施工照明系统等安装完毕，检验合格。
（2）提前在钢沉井系缆柱上安装拖带缆绳及连接卸扣，干船坞注水前，将钢沉井与船坞系缆固定，以防止注水后沉井起浮飘移。
（3）配备熟练的出坞协助人员，安排足够的人员来完成系、解缆工作。熟悉通讯设备的使用并预演。
4.4 浮运作业
（1）船坞注水。钢沉井起浮后，刃脚必须超出坞内抄垫坞墩及坞门坎高度，并留有一定安全高度后，方能安全出坞。坞底标高-7.8m（理论基准面），边坞墩高0.77m，中坞墩高1.27m，坞门坎高1.4m。则满足安全出坞水位为：沉井吃水深度+坞门坎高度（1.4m）+安全高度（0.5m）+坞底标高（-7.8m）。
（2）浮运作业。船坞放水至长江水位与坞内水位相平时，开启坞门。2#、4#、5#、6#、8#拖轮编队入坞，与沉井系缆连接，将钢沉井移至坞门口。
1#、3#、7#拖轮在坞门口等待，钢沉井移至坞门后。所有拖轮重新编队，1#～7#拖轮占设计位，与沉井系缆连接，8#拖轮解缆，处备拖位。如图5所示。七艘拖轮共同作用，按设计航行路线将钢沉井浮运拖带至桥位。
5 结语
主航道桥主塔墩钢沉井采用整体制造、拖轮浮运拖带至墩位的施工方案成功实施，为沪通长江大桥桥梁施工奠定基础，对类似的桥梁基础施工具有一定的参考价值。
参考文献：
[1]公路桥涵地基与基础设计规范（JTG D63-2007）.
[2]沪通长江大桥沉井拖航阻力计算方法.上海海事大学.
