台阶形钢沉井外接围堰设计与施工

王超，张克，李福弘

（1.长大桥梁建设施工交通行业重点实验室，湖北 武汉 430040；2.中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司，湖北 武汉 430040）

1 工程背景

常泰长江大桥路线起自泰兴市六圩港大道，跨长江主航道，经录安洲，跨长江夹江，止于常州市新北区港区大道，路线全长10.03 km，其中公铁合建段长5 298.2 m，普通公路接线长4 730.8 m。

大桥主墩采用钢沉井作为基础，主桥5号墩沉井基础结构为钢壳内填充混凝土形成，平面呈圆端形，立面为台阶形，沉井底面尺寸为95.0 m×57.8 m（横桥向×纵桥向），圆端半径为28.9 m；顶面尺寸为77.0 m×39.8 m（横桥向×纵桥向），圆端半径为19.9 m；台阶宽度9.0 m。沉井顶高程+7.0 m，底高程为-65.0 m，挡墙顶高程-22.0 m。沉井总高72.0 m，总重约为18 405 t，5号墩沉井基础见图1所示。

外接围堰顶高程-1.0 m，底高程-65.0 m，高64.0 m[1-2]。为保证承台无水施工环境，在外接围堰外井壁上设置外接围堰临时设施，用以挡水施工。

桥位处最高通航水位为+5.8 m，最低通航水位为-0.7 m，最大流速2.11 m/s，作业工况风速按20.8 m/s考虑。

5号墩沉井位于主航道区北侧，墩位地势较为平稳，高程-13.46～-15.01 m，覆盖层厚度大于180 m。河床表层为Q4松散状粉砂，层厚不均，厚1.6～4.8 m，工程性质差。

图1 沉井基础图（mm）Fig.1 Foundation diagram ofcaisson(mm)

2 工程难点及解决措施

研究表明，台阶形沉井能有效减少沉井下沉深度，缩小承台平面尺度，降低沉井工程规模。台阶形沉井也客观上造成了作业面不连续、影响船只靠泊、设备支撑难等问题。沉井位于长江繁忙航道，属于感潮河段，水文地质条件复杂，汛期流速大，河床易冲刷、地层不均匀，沉井下沉安全风险及姿态控制难度大；沉井为台阶形，外圈取土需要考虑外接围堰受力，且沉井埋置深，终沉后外接围堰因回淤会受回淤土侧压力影响；水上施工作业空间小，外接围堰需要考虑设置外挂作业平台，且满足靠船要求；外接围堰的设计需要兼顾沉井夹壁混凝土浇筑，且承台施工时能起到挡水作用；外接围堰需要考虑拆除。

为确保沉井安全可靠可控下沉，综合考虑安全性及经济效益，针对以上技术难点及特点，一方面深入研究该区域水文地质条件，分析作业工况，考虑沉井范围内预开挖，确保沉井初期顺利下沉且后期外接围堰不受土压力影响。另一方面充分考虑取土时沉井顶面的设备、作业荷载及功能需求，合理选择设计条件，优化围堰结构设计，确保外接围堰满足现场需求，力求功能性与经济性相对合理。

3 外接围堰设计及结构特点

外接围堰作为沉井下沉及承台施工的辅助结构，一方面作为取土设备的支撑结构发挥作用，并提供了作业平台、操作空间及人员通道；另一方面在承台施工期间作为挡水结构，为承台提供干施工作业环境；最后，水上施工作业面小，对施工船舶依赖程度较大，船舶种类较多，涉及到运输船、浮吊船、交通船等，外接围堰为船舶停靠提供系缆点。

外接围堰的结构布置采用双壁结构，外轮廓与沉井外轮廓一致，夹壁厚度为1.2 m，外接围堰总高为29 m，分次接高，接高高度分别为8 m、21 m；外接围堰内侧通过内支撑与沉井连接，外壁底部与沉井焊接；内支撑共设1层斜撑和7层水平撑，内支撑采用双排钢管撑，方便隔墙夹壁混凝土浇筑，内支撑之间采用钢管连接。

外接围堰主要构件材料类型如表1。

外接围堰结构布置如图2所示。

表1 外接围堰主要构件材料Table 1 Main componentmaterials ofexternal cofferdam

图2 外接围堰结构布置（mm）Fig.2 Structure layoutofexternalcofferdam（mm）

4 外接围堰结构计算分析

结合外接围堰取土下沉、夹壁混凝土浇筑、承台施工、盖板安装等各个环节，充分考虑施工过程中外接围堰的荷载条件，运用三维有限元分析方法对外接围堰在以下3个工况进行数值分析，找出薄弱部位，加强安全保障，确保外接围堰的施工安全[3-8]。

4.1 工况分析

工况1：第1次接高8 m外接围堰后沉井内注水吸泥工况。

工况2：第2次接高21 m外接围堰后沉井内抽水浇筑承台工况。

工况3：沉井终沉后，安装沉井外圈39 m处井孔盖板，平衡内外水头，间隔每2个井孔保留第1层斜撑及水平撑，拆除其余所有内支撑。

4.2 有限元模拟分析

本计算采用有限元软件ANSYS计算程序模拟分析各工况结构的强度，外接围堰结构复杂，模型建立时壁板、隔舱板、箱梁腹板、水平环板采用Shell63单元，竖向加劲肋、水平加劲肋、内支撑采用Beam188单元。

各工况的计算模型如图3所示。

图3 各工况计算模型Fig.3 Calculation models ofvarious operating conditions

通过模拟计算，外接围堰各构件的最大应力及变形情况如表2所示。

表2 计算结果Table 2 Calculation results

外接围堰各构件均采用Q355B材料，通过计算，各构件强度及刚度均满足设计要求以及规范要求。

5 外接围堰施工方法

根据外接围堰总体施工流程，外接围堰在制造厂分层（底层8 m、顶层21 m）、分段制造，现场安装条件具备后，按需求顺序将外接围堰块段船运至桥址，起重船分块吊装，分层安装。承台施工完成，待长江进入枯水期后将外接围堰切割分块拆除。外接围堰总体施工工艺流程见图4。

图4 外接围堰总体施工工艺流程Fig.4 Overallconstruction process flow ofexternal cofferdam

外接围堰安装完成后，在围堰顶部设置取土平台，平台可供安装气管、水管、排泥管、托线槽、龙门吊轨道等；外接围堰侧壁上设置靠船件供船只靠泊，箱梁处设置拉耳可供船舶系缆；外接围堰外壁处可设置斜梯或竖梯形成人员通道。

6 结语

台阶型沉井施工过程中，不可或缺的需要用到外接围堰，其作用贯穿了沉井作业的取土下沉、夹壁混凝土浇筑、承台施工、盖板安装等。在外接围堰的设计过程中充分考虑了外接围堰作为取土设备及操作平台的支撑结构、承台施工的挡水结构、上下人员通道、船舶停靠等各种功能，为方便沉井夹壁混凝土浇筑设计了双排内支撑结构且水平加劲肋方向及间距与沉井水平加劲肋一致。外接围堰的施工采用工厂分块制造、现场拼装的施工方法，外接围堰拼装完成后有效的形成了作业面，为设备的安装及通道的形成提供了有利条件。结合现场使用情况，形成如下建议：

1）外接围堰大部分为薄壁结构，桥址地处感潮地带，潮差较大，需要持续跟踪潮水对壁板的腐蚀情况。

2）沉井下沉过程中可能出现姿态倾斜的情况，外接围堰多承受竖向荷载，倾角对围堰的影响尚需结合竖向荷载进一步研究。

3）外接围堰所处航道繁忙，往来船舶速度快、数量多，是外接围堰的重大危险源之一，做好航道标识、巡逻等工作是沉井安全施工的必要保障。