2019年11月5日
歷時1000多個日夜
國家級橋梁工程-溫州甌江北口大橋工程
中塔沉井基礎順利封底
標誌著
全國首例伴隨颱風期影響的
強潮河口深厚淤泥質黏土地層
超大型沉井施工取得關鍵性勝利
甌江北口大橋中塔沉井被喻為大橋的「定海神針」，是施工難度最高、工藝最複雜的關鍵部分，是我國首次在颱風影響區域的強潮河口深厚淤泥質黏土地層中修建超大型沉井基礎，尚無先例可循。通過前期的精心謀劃、科研攻關、大膽探索，以及一系列施工工藝與工法的改進，沉井施工過程實現了萬噸級下水、千裡級浮運、釐米級定位、毫米級接高、高標準姿態終沉等系列創舉，填補典型海區環境超大型水中沉井基礎施工的空白，為我國跨海通道基礎建設積累寶貴經驗。
創新設計 軟土地層全鋼殼混凝土結構
溫州甌江北口大橋中塔沉井位於甌江北汊水域，下覆40餘米深厚淤泥及淤泥質黏土。設計階段，通過大量的鑽孔勘探、靜力觸探、物探等多種勘察手段，探究橋址區土體地質特性。面對高靈敏度和高觸變性的勘察結果，設計單位在充分調研國內已建和在建水中沉井的基礎上，果斷在軟土地層中採用全鋼殼混凝土結構，並首次將Q345等級鋼材作為鋼殼沉井主體材料，為沉井下沉過程中的姿態控制和主體結構安全奠定了堅實基礎。
沉井下沉過程中，鋼殼沉井結構全過程提供了良好的水中作業平臺，同時利用在鋼殼沉井井壁注水、抽水的施工工藝，實現了姿態糾偏時的精準配重調整，對沉井下沉過程起到了較好的姿態調控作用。另外，在沉井快速下沉的過程中，沉井主體結構能夠完全適應沉井在深厚淤泥質黏土地層中的下沉特性，結構應力、應變監控數據均較好滿足了各項指標的要求。
沉井下沉過程充分驗證了前瞻性設計的合理性，對於結構材質等級的合理提升，深厚軟土地層的全鋼殼混凝土結構設計理念，為後續超大型沉井基礎設計提供了良好的借鑑。
跨行借鑑 萬噸沉井下水浮運新創舉
鋼殼沉井下水，是沉井施工第一個關鍵性控制節點，也是一個「開弓沒有回頭箭」的過程，對方案實施的成功率要求極高。溫州甌江北口大橋中塔鋼殼沉井平面為圓角矩形，長66米，寬55米，圓角半徑7米，高度59米，重1.8萬噸。首節下水鋼殼沉井重量超1萬噸，遠超此前氣囊法、浮吊法鋼殼沉井最大下水重量。
施工單位通過多次的方案研討和論證分析，最終決定借鑑船舶滑道下水技術，挑戰萬噸級鋼殼下水難題。在完成國內大型船廠廣泛調研工作後，最終選擇了在江蘇南通韓通船廠進行鋼殼加工製造，並在船臺上進行首節下水鋼殼沉井組拼工作。歷時73天，在船臺完成180塊單元塊組拼後，鋼殼沉井高27.5米，重1.06萬噸。2017年5月16日凌晨4點30分，北口大橋中塔鋼殼沉井沿滑道緩緩劃入長江航道，下水過程歷時36秒，沉井下滑平穩程度遠超氣囊法下水工藝，完成「萬噸級」下水創舉。
鋼殼沉井製造場地位於江蘇南通，距離橋址區約600餘公裡，如何實現萬噸級鋼殼沉井的遠距離浮運是擺在建設者面前的第二道難題。依然是在船舶領域，大型半潛駁船讓難題迎刃而解。船長189.60米、型長180米、型寬47米、型深7米、空載吃水3.5米、排水量29000噸的「漢拿山」號輕鬆承載起萬餘噸的超大型鋼殼沉井，沿近海航線，歷時70餘小時順利到達溫州圓嶼錨地，完成「千裡級」浮運創舉。
北口大橋中塔鋼殼沉井滑道法下水，半潛駁式浮運，不但刷新了沉井下水重量及浮運距離的記錄，更為重要的是進一步推動了超大型鋼殼沉井工廠化製造的進程。通過利用成熟的造船產業工廠、滑道下水技術，和大型運輸船舶設備，系統性解決了超大型鋼殼沉井加工製造和下水浮運問題，為後續類似工程的施工積累了寶貴經驗。
精準著床、平穩渡臺 颱風影響區強潮河口沉井施工新標杆
甌江北口大橋橋址區距離入海口僅2公裡，屬正規半日潮河口，日平均潮差4.5米，最大退潮流速2.8米/秒，漲潮流速2.0米/秒。為應對往複流強潮河口定位著床難題，北口大橋中塔沉井採用了「錨墩平臺+重力錨」定位系統，由上下遊錨墩、8個900噸重力錨以及拉纜系統和收纜系統組成。2017年6月21日，在完成精確調索準備的前提下，利用短暫的高平潮期，通過迅速向沉井井壁隔艙注水，輔助實時幾何姿態監控數據，實現沉井快速精準著床，底口中心偏移量小於5‰，樹立精準著床新標杆。
橋址區位於浙江東南沿海，是颱風嚴重影響區域，年平均受颱風影響2.5次。沉井著床後便進入颱風期，採用何種措施應對最大風力可能達到17級以上颱風的影響，是中塔沉井施工面臨的第三道難題。經過出水壩、掛板樁、抓力錨、孔內掛樁、拋石防護等多種方案的反覆研究和比選，最終選擇了在沉井周圍20米範圍內進行拋石防護的方案。拋石防護方案，前期為沉井抵抗颱風影響提供了有效保障，後期有效約束了沉井下沉姿態，一定程度上輔助了下沉通道的形成。
在面對強潮河口複雜的水文地質環境下，中塔的鋼殼沉井接高工作展示了水中精準施工的新高度。水中鋼殼沉井接高工作，每個36塊組成的節段被在工廠分成三大塊，由1200噸浮吊在現場整體安裝。59米鋼殼沉井接高完成，長邊誤差-16毫米，寬邊誤差-14毫米，對接邊誤差-18毫米，成功實現「毫米級」接高工作。
科學研究 開拓下沉分析新機理
沉井下沉施工，在每一種不同的地質工況中，均會表現出不同的下沉特徵。對於超大型沉井基礎在深厚淤泥及淤泥質黏土地層中的下沉特徵，在項目實施之前，一切都是未知數。面對高靈敏度和高觸變性的軟土地層，建設團隊對最不利下沉工況進行了一遍遍的演算和分析，但是當2017年11月26日、12月1日、12月6日沉井連續出現三次快速下沉現象，單側最大沉降量達到8米以上時，建設團隊開始逐步認識到這類地層，沉井所特有的下沉特徵，但是利用現有的經驗公式，只能對靜態平衡進行分析，不能用於下沉過程的動態分析。同時，沉井下沉之後處於一定的傾斜狀態，刃腳周圈也存在著較大的高程差，因此必須採用更加精細化、精準化的計算方式和分析手段，研究沉井淤泥質黏土地層下沉機理。
建設團隊引入了「刃腳應力比值法」的計算分析模型，考慮疊加沉井傾斜狀態下附加彎矩影響下的刃腳踏面局部應力分布情況，反演應力分布與下沉啟動、終止間相關關係；針對淤泥及淤泥質黏土的觸變特性，提出「側阻失效」理論，動態考慮側摩阻力對於沉井下沉的影響；建立「沉井-土層」耦合仿真計算模型，反演土體基本參數，用計算機反演分析沉井周邊土體變化。通過一系列的分析研究，對於深厚淤泥及淤泥質黏土地層超大型沉井基礎下沉機理有了更加深刻的認知，彌補了行業對於該類地層沉井下沉機理分析理論的空白。
多管齊下 攻堅高效取土、封底新工藝
淤泥及淤泥質黏土，作為沉井施工的特殊地質工況，給取土施工帶來了極大的挑戰，傳統的吸泥手段在這種深厚淤泥層中取土效率甚低，面對黏性大，取土難等問題，項目部在不同土層條件創新了不同取土施工方案，在前期下沉階段，項目部採取抓斗抓泥的方式有效取除了淺層淤泥；隨著深度的增加，項目部自主研發了全新的絞吸機設備，用以取除-20米~-30米處淤泥質黏土；隨著深度的進一步增加，項目部引入了正反循環鑽機，配合不同的鑽頭改進措施，攻克了「黏鑽」、「胡鑽」等難題，取除了更深標高處的淤泥質黏土、粉砂質黏土等。
沉井終沉標高位於卵石層以下2米，在卵石層的取土施工過程中，項目通過改進鑽機設備型號、增加鑽頭和鑽杆直徑、研發超大直徑吸泥管等一系列措施，攻克了卵石堵管、局部卵石膠結等施工難點，對沉井底部的卵石進行了有效取除。
取土過程中，項目部還進行了大量設備的微創新和微改造，如配合改造的「T」型橫向高壓射水裝備消除了取土施工盲區的影響，利用前期井壁預埋的射水管進行了踏面取土施工，利用在鑽杆上增設鋼絲繩的方法清除井壁土體等。
另外，為了明確取土效果，測量井孔鍋底形態，項目部不斷改進深水測量技術，通過對8種不同水下測量方式的反覆試驗，實現了60米深水工況的三維可視化測量。通過對工藝工法的不斷創新和改進，並配合精準的測量技術，最終形成了一套「鑽、吸、掃、射」組合式取土工藝，克服了種種取土難題，順利完成終沉施工。
在封底過程中，封底厚度達14米，有近4萬方混凝土灌入水下60多米深的沉井底部，兩艘拌合船須連續高效供應混凝土超過240小時。強潮海區作業環境、封底水位深、混凝土方量大、持續灌注時間長等特點，均給施工作業帶來極大的挑戰。通過優化封底施工方案，採用結構墊層封堵隔離的方案，順利實現25個井孔獨立高品質的連續灌注，並較計劃工期提前20天完成沉井超大體積混凝土封底施工，取得關鍵性節點的勝利。
作者 / 潘濟
作者單位 / 溫州甌江口大橋有限公司