钢沉井施工安全技术

9.2　钢沉井施工安全技术

9.2.1　施工方案

钢壳混凝土沉井钢壳在工厂分节分块制作，首节钢壳沉井高8m，在船台上拼焊完成后，通过滑道法下水，并浮运至桥位附近的临时码头；分节接高钢壳至38m，再整体浮运至墩位，利用定位系统精确定位并着床下沉；待达到一定埋置深度后浇筑钢壳夹壁混凝土，然后进行沉井吸泥下沉和混凝土沉井接高的交替作业；至沉井下沉至设计标高后，进行清基和封底。

1.钢沉井制作

钢沉井节段单元在工厂制造，首节钢沉井在船台拼装完成后采用滑道辅以大型浮吊方法下水，并浮运至桥位附近的临时码头；首节钢沉井整体浮运到墩位附近岸边接高，即采用浮吊拼装至14m后浇筑3.5m高的刃脚混凝土，继续接高剩余节段单元至38m后，整体浮运至墩位处临时锚固。

2.钢沉井浮运

根据所浮运钢沉井的结构、尺寸特点，结合客观环境条件，采用5艘拖轮拖运，额外配备1艘3600HP拖轮作为机动应急拖轮。

在浮运前首先要对桥位处历年的气象和水文资料进行分析，确定浮运最佳时机。然后测量人员通过对河床的长期检测，确定最佳浮运路线，并做好标记。然后根据沉井的总重量、吃水深度以及收集到的气象、水文资料等，确定浮运所需马力。最后召开协调会，明确组织分工、统一指挥等相关事宜。

3.钢沉井定位

大型沉井浮运至墩位后，需对其进行定位、调整。中塔沉井定位由常规“定位船＋导向船＋锚系”的柔性体系创新为“钢锚墩＋锚系”的刚性体系进行就位、调位。

沉井定位采取动态控制法，与沉井注水下沉同步进行，其施工步骤为：首先利用锚墩定位系统各个方向上的拉缆对钢沉井进行平面位置的调整定位；然后通过上下拉缆对钢沉井的垂直度进行调整或调整各隔仓的注水量来辅助调整沉井垂直度。沉井调位又分2个阶段进行：粗定位和精确定位。粗定位在沉井浮运到位，拉缆转换完毕之后进行；精确定位在沉井着床之前进行。

4.钢沉井着床

最后就是沉井的着床，这也是沉井施工最关键、最困难的一步。沉井着床分3个阶段：全断面均匀注水下沉，下游刃脚着床后的不均匀注水下沉，吸泥下沉至一定的稳定深度。另外，着床的时机一定要把握准确，选择原则是：着床时段的水流流速小、流态稳定，且维持时间较长，这样有利于钢沉井的精确定位及下沉。

9.2.2　钢沉井浮运

钢沉井在码头位置进行临时定位，采用2台200t大型浮吊分层接高至38m，再浮运至中塔墩设计墩位处定位。

1.浮运前的准备工作

（1）收集桥位处历年的气象和水文资料，特别是往年同期的气象和水文资料，通过分析确定浮运最佳时机，并做好近期天气预报的跟踪记录。

（2）测量人员通过对河床的长期检测，确定最佳的浮运路线，并做好标记。

（3）将临时定位船在墩位处抛锚定位，并将各锚缆系挂在临时定位船上。

（4）根据沉井接高至38m时沉井的总重量、吃水深度以及收集到的气象、水文资料等，对沉井浮运过程中的稳定性、浮运阻力进行计算，并确定浮运所需马力。

（5）召开由项目部、海事、轮舶公司等相关单位负责人参加的协调会，明确组织分工、统一指挥等相关事宜。

2.浮运设备

根据中塔钢沉井的结构、尺寸特点，结合客观环境条件，沉井浮运设备采用5艘拖轮，共计15200马力，另外配备3600HP拖轮1艘（扬州港拖轮），作为机动应急拖轮。宁港1号、宁港2号、宁港3号、宁港8号轮均采用偏绑形式，宁港9号轮为正顶，扬州港拖轮作为机动应急拖轮在附近水域待命。沉井拖轮编队布置见图9－3所示。

图9－3　钢沉井拖轮编队布置图

3.现场浮运

根据施工水域11、12月份的潮位曲线分析得出：在2007年11月11日高潮位时，水位标高可以达到315m，再结合实际的河床地形测量结果，浮运路线位置水深可以达到13～18m，符合沉井浮运1　116m吃水的要求，因此浮运时间定为2007年11月11日。

11月10日下午，5艘浮运拖轮开始进场，与钢沉井进行编队，拖轮采用1顶4绑的拖浮方式。11日6：00左右，在施工水域水位达到高平潮时，割除钢沉井上下游的临时锚缆，沉井编队从接高场地出发，开始浮运。浮运全程由测量船引航、护航船护航、扬州港的1艘3600HP全回转拖轮协助。由于事先准备充分，浮运过程十分顺利。8：30时，钢沉井成功浮运到泰州大桥中塔墩设计墩位处与临时定位船连接，随即开始进行转缆，在沉井上、下游主拉缆转换至沉井上后，拖轮散队离场，浮运施工结束。

9.2.3　钢沉井定位

1.沉井定位方案比选

沉井定位的施工方法分为锚定系统定位法和导向墩定位法两类，其中锚定系统定位法又分为双向定位船＋导向船定位法、定位船定位法和锚墩定位法。针对本工程的结构、环境特点，同时考虑到施工安全风险，对上述定位方法进行比选。

（1）双向定位船＋导向船定位法

该方案在上下游分设定位船和导向船锚缆系统，定位船调控导向船，导向船调控沉井。该方案的优点：锚定系统施工与钢壳制作同时进行；导向船可供起重设备安装和放置；工艺成熟，易控制工期。但是，也存在以下不足：其投入船舶比较多，且船舶改造量大，占用时间长，成本较高；导向船制约浮吊接近沉井，吊装作业受到影响；受沉井宽度控制，导向船之间的连接横梁体量庞大；系统受双向流影响，且为柔性体系，定位精度比较差。

（2）定位船定位法

该方案与方案（1）类似，在上下游分别设定位船锚缆系统，通过转换锚缆系统调控沉井，具有工艺成熟、施工方便、节约成本等优点。但是，没有可供设备安放的平台；随着沉井下沉，主拉缆需要不断倒缆、调整，直接作用于沉井的边缆也需要调整，施工不方便；而且，也是柔性体系，受双向流影响，定位精度比较差。

（3）锚墩定位法

该方案在上下游分设锚墩和拉缆系统，辅以横江向锚缆系统，实现沉井的调整和定位。该方案的优点：锚墩施工与钢壳沉井制作同时进行，易于控制工期；卷缆设备安装在锚墩上，调控操作便捷；刚性导向，安全可靠，定位准确；锚墩兼作临时防撞设施，有可能改造为永久防撞墩等。其不足在于：投入的设备和材料较多，成本相对较大；在沉井下沉过程中需要对主拉缆和边拉缆进行倒缆和调整；应用实例较少，施工方法尚不成熟。

（4）导向墩定位法

该方案在紧邻沉井的位置设导向墩，以拉缆系统调控沉井。导向墩可在上下游或横江向设置，亦可呈“U”字形布置。该方案的优点是：导向墩施工与钢壳沉井制作同时进行，易于控制工期；有较好的施工设备平台；沉井定位及调整方便等。但是，也存在以下不足：导向墩支撑桩会加剧河床冲刷，在易冲刷河床上施工安全风险比较大，且沉井下沉对导向墩也带来很大的安全风险；投入的设备和材料较多，成本相对较大；导向墩的支撑桩沉没精度也会给沉井下沉带来影响。图9－4为导向墩定位系统图。

图9－4　导向墩定位系统图

通过对上述4个方案的施工可行性、技术先进性、工期控制、经济性以及施工风险等进行全面比选，结合泰州大桥施工期河床冲刷试验结果等综合评估，选择了锚墩定位法作为沉井下沉方案。

2.沉井定位方案

钢沉井浮运到墩位处后，钢沉井的就位主要是利用上、下游锚墩上的卷扬机和滑车组对钢沉井上各个方向拉缆拉力进行控制，从而实现对钢沉井平面位置的调整定位。

（1）锚墩定位系统

通过对河床局部冲刷模型试验和沉井摆振机理分析，并结合实际情况，从施工工艺、施工风险、可操作性工期控制和技术经济性等方面进行比选分析，泰州大桥钢沉井定位工程采用“钢锚墩＋锚系”的半刚性定位系统。图9－5为泰州大桥锚墩定位系统图。

①定位锚墩

钢沉井的两个定位锚墩，分别布置在中塔桥墩位桥轴线上下游的170m处。上游锚墩结构采用20根斜率为5∶1的φ1200mm×14mm钢管桩作为桩基，顺水流方向3排间距分别为4m、7m、4m，横向5排间距均为6m。

②锚缆设置

在沉井的上下游正面，各布置4根主缆和2根下拉缆，在沉井南北侧各布置6个8t海军锚作为边锚，其中4个为边缆侧向边锚，2个为下拉缆侧向边锚。

图9－5　泰州大桥锚墩定位系统

相比于其他定位系统，该系统具有以下优势：

①系统刚度大，施工操控性强，同时能有效地抑制沉井在定位过程中的摆动现象。

②减少锚墩对沉井着床区域河床局部冲刷的影响。

③施工水域面积小，减少施工对航道的影响。

④上下游锚墩还兼顾防撞功能。

“钢锚墩＋锚系”的半刚性定位系统增强了系统的操控性，使沉井准确定位、精确着床。同时，该系统也有效抑制了沉井在施工中的摆动现象，降低了施工风险，为沉井的顺利下沉提供了有力的保障。

（2）沉井初定位

①转缆施工

所有锚缆在沉井浮运之前，已系挂在临时定位船上。钢沉井浮运到墩位处后，在拖轮的帮助下靠近临时定位船（采用200t浮吊）并临时绑定，然后按照先后顺序把已经系在临时定位船的主拉缆、边缆和下拉缆转到钢沉井系缆点上，并适当紧缆。转缆完成，用卷扬机调整每根拉缆拉力，严格控制每根缆绳受力，缆绳拉力通过传感器和拉力表进行双控。

②沉井初定位

钢沉井顺江向定位，通过调整设置在上下游的主缆缆力来控制，南北向定位通过调整沉井南北侧边锚缆绳缆力来控制，钢沉井的垂直度通过调整下拉缆和主缆缆力来实现。转缆完成后，首先利用锚墩平台上卷扬机系统调整上下游主拉缆缆力，进行顺位置调整，然后利用南北两侧边锚锚缆调整钢沉井横江位置。钢沉井就位时，严格控制每根拉缆的索力，对上下游下拉缆和主缆缆绳进行监控，随时调整每根缆绳受力，使缆绳受力均匀。与此同时，测量人员对沉井顶面高差做全面观测，若顶面高差过大应及时调整下拉缆和主缆，将钢沉井调平。沉井初步定位完成后，收紧边锚缆、下拉缆及主缆。

（3）定位测量

钢沉井定位时，平面位置和高程采用GPS测量全站仪校核的方法进行定位。在岸上设置GPS测基准站，然后用2～4台徕卡SR　530接收机分别置于沉井顶面的轴线控制点和4个角点上进行即时测量，同时用全站仪极坐标法进行校核，以此来保证沉井中心偏差在容许范围内。沉井的倾斜度和扭角都是通过测量4个轴线控制点高程和坐标推算出来的。

3.沉井定位下沉监测

沉井在施工过程中受到水流力、风力等外界因素的影响，很容易产生偏位、扭转、倾斜等。为了保证沉井基础施工的质量及安全，在沉井定位、着床、吸泥、接高、下沉、终沉、封底等全过程中，均采用数字化动态监控系统对沉井进行了实时监测。主要监测内容如下：

（1）几何姿态监测

在沉井顶面四周布设4个监测点，点位根据现场情况而定，设立测量点位标志。安装GPS接收机天线，与岸侧的GPS基准站组网。构成实时动态相对定位，各测点的GPS测量数据传输到监控中心，实时生成各测点的坐标和高程。通过计算分析，实时显示沉井顶面中心位置、标高、平面扭角、倾斜度等几何形态。采用GPS载波相位差分技术，几何信息的平面精度可达±1～±2cm，高程精度为±2～±3cm，完全能够满足沉井施工质量动态控制的需要。

（2）水下地形监测

沉井浮运前对墩位处进行了着床前的原始河床多波束扫测，定位着床和下沉过程中对外侧河床也进行了单、多波束扫测河床变化。对沉井内井孔采用测锤法监测。沉井自重加壁体内灌水配重着床入土约3.0cm后，上游冲刷达到5.5cm，下游淤积约2.5cm。随着隔仓内混凝土浇筑、混凝土沉井循环接高下沉，上游冲坑逐渐加深。最深时达到－27.0m。下游淤积逐渐增高，河床标高曾达到－10.0m，与河工模型试验基本吻合。沉井上游南边比北边冲深大1.5～2.5m。与流向和桥轴线夹角也基本吻合。根据沉井井孔内每1.5m一个测点绘制的床面等高线地形图，合理调整吸泥顺序与深度，保证了沉井底口的平面位置和整体倾斜度。

（3）锚缆受力监测

沉井主要依靠锚缆定位，锚缆是沉井抵抗水流力、波浪力和风力的主要承力部件，沉井失效会产生灾难性后果。由于流速、风速、波浪不断变化，沉井下沉时可能产生倾斜，锚缆受力也会相应变化。因此，需要对锚缆力进行动态监测，随时掌握锚缆受力状况，提供基础数据，并做出相应调整，确保其承力在许可范围。

9.2.4　钢沉井着床

1.沉井着床方案

（1）着床时机选择

着床时机选择原则是：着床时段的水流流速小流态稳定，且维持时间较长，有利于钢沉井的精确定位及下沉。钢沉井采取隔仓注水下沉着床，着床的时机为2007年12月1日高平潮时段。下沉方法采取向沉井各隔仓对称注水下沉，其关键在于对称、均匀、快速注水下沉。

沉井隔仓分4次注水过程，具体操作和时机如下：

①在涨潮之前提前注水

由于沉井注水方量大，不能在一个涨落潮期间内完成全部注水并着床，需提前注水。注水之前先调整锚缆进行首次精确定位，调整到位后对沉井提前注水。

②高平潮时注水

高平潮时流速变化率小，有利于沉井着床。在高平潮注水前，先通过调整各根锚缆的拉力对沉井进行第二次精确定位，调整到位后再对沉井注水。

③沉井着床发生倾斜时注水

水流对河床的冲刷，造成上、下游标高不一致，使沉井着床后易发生倾斜，通过向下游隔仓多注水和偏吸泥来调整沉井倾斜现象。

④沉井着床平衡后吸泥下沉至着床稳定

沉井着床后，局部位置还处于悬空状态，采用沉井下游隔仓吸泥，快速将沉井刃脚沉入泥面以下，确保沉井处于稳定状态。

（2）着床程序

沉井着床分3个阶段：全断面均匀注水下沉、下游刃脚着床后的不均匀注水下沉、吸泥下沉至一定的稳定深度。

①全断面均匀注水下沉

注水前首先通过调整锚缆对钢沉井进行首次精确定位，等沉井偏差在允许范围内后，在开始涨潮前2h（即6：00～8：00）开始对沉井提前注水。此阶段应对称均匀地向沉井隔仓内注水，严格控制每个隔仓内的水位高度。随着沉井的下沉，流水对上游河床的冲刷也逐渐加剧。当沉井下沉至刃脚距河床面高为110m时停止注水，让上游河床充分冲刷。

由桥区枯水期的流速与水文关系图可知，高平潮时流速变化率小对沉井着床有利，故高平潮注水是沉井着床之前注水的关键。在高平潮注水前，先通过调整各根锚缆的拉力对沉井进行第2次精确定位，等沉井偏差在允许范围内（10cm之内）立刻开始再次对沉井注水。此阶段注水要求快速、对称、均匀，使沉井下游快速着床。这里要特别强调的一点是，由于流水对上下游河床的冲刷不一样，上游冲刷大，下游冲刷小，使得上下游河床标高不一样，下游高，上游低，故沉井是下游刃脚先着床，上游仍处于悬空状态。此后，在下游主动土压力的作用下，沉井有往上游跑的趋势，故沉井着床前精确定位时，应向下游预偏一定的距离，以满足最后的精度要求。预偏量应根据水文条件及施工经验确定，本桥沉井预偏量控制在30cm左右。

②下游刃脚着床后的不均匀注水下沉

前面已经提到，由于流水对上下游河床的冲刷不一样，使得河床上、下游标高不一致，沉井下游刃脚先着床，上游则悬空。监控数据显示：沉井上游前沿河床标高在－1910m左右，沉井从上游第2排井孔中心起至沉井下游范围保持在原河床－1410～－1510m范围内，高差约为5m。为维持沉井的水平和平面位置，此时需要通过向沉井各个隔仓内不等量注水，并在下游辅助不对称吸泥，来调整沉井的平面高差。下游隔仓要多注水以抵消下游河床对刃脚的支承反力。此时监控单位要加强对河床地形、沉井空间姿态和平面位置的测量并及时将监控数据反馈给现场施工人员，以便指导施工。

③吸泥下沉至一定的稳定深度

等到沉井上游刃脚也接触河床，即沉井全断面着床后，应恢复全断面均匀注水至一定高度以增加沉井的重量。与此同时，上游隔仓也开始同步吸泥。要特别注意的是，由于此时沉井刃脚入土深度还不深，故吸泥时要以中间吸泥形成大锅底为原则，尽量避免对刃脚进行吸泥，以免造成翻砂。随着沉井入土深度的增加，沉井在摩阻力和浮力的作用下逐渐趋于稳定。此时吸泥下沉效率也在逐渐降低，光靠单纯的吸泥使沉井下沉已是十分有限，故当务之急是增加沉井的重量，即及时进行隔仓内井壁混凝土的填注，才有利于沉井的继续下沉。下沉越多，沉井的安全性越高。沉井着床见图9－6所示。

图9－6　沉井着床示意图

2.沉井着床安全技术措施

（1）一般偏位

一般偏位钢沉井着床后，在未下沉到足够深度前，很容易发生沉井偏位的情况。当沉井底口偏位值小于规范允许值时，我们将这种偏差视为一般偏位。一般偏位在下沉初期入泥深度较小时进行纠正，入泥深度越小，纠正就越容易，纠正的速度也越快。

纠正方法如下：首先，收紧偏位反方向的下拉缆和水平拉缆或边缆；然后，通过在偏位侧的吸泥，使沉井在缆索拉力的作用下，逐步向正确方向移动，直至偏差完全纠正。

（2）严重偏位

钢沉井着床后，如果定位偏差太大，仅靠纠偏措施很难保证其准确回复到设计位置。发生这种偏位时，一般采取将钢沉井浮起后，重新精确定位着床。在钢沉井下沉着床过程中，应严格控制注水量，使沉井稳步下沉，以便及时进行纠偏，防止严重偏位的情况发生。

（3）沉井扭转

沉井在着床时扭转往往是因为锚碇系统拉缆张拉力不均衡或斜向水流力的作用等原因造成的。沉井着床全过程必须由测量进行动态监控，一旦出现扭转，立即停止注水，并进行详细观测，确认沉井实际扭转方向及角度。沉井扭转角度较小时，可通过张拉侧向拉缆进行纠正；沉井扭转角度较大时，应将沉井浮起后，重新进行着床施工。

（4）沉井倾斜

沉井在着床时，如果加载不均衡，锚碇系统拉缆张拉力不均衡，河床不平整时，很容易发生倾斜。沉井倾斜度不大时，可以通过对沉井刃脚局部吸泥进行纠正，纠正困难时，还可利用沉井下拉缆进行辅助纠正；倾斜度较大时，应立即浮起，调整沉井姿态后重新下沉着床。

沉井着床施工，要杜绝倾斜度过大的情况出现，避免发生沉井沉没事故。造成沉井着床时倾斜度过大的主要原因有不平衡加载、河床不平整等。因此，沉井下沉过程中，必须随时进行监控，及时调整各隔仓的注水量，使沉井顶面保持水平，必要时，可在上游冲刷严重部位采取抛砂等河床防护措施。