[分享]温州瓯江北口大桥工程中塔沉井基础顺利封底

2019年11月5日，历时1000多个日夜，温州瓯江北口大桥工程中塔沉井基础顺利封底，这标志着全国首例伴随台风期影响的强潮河口深厚淤泥质黏土地层超大型沉井施工取得关键性的胜利。

瓯江北口大桥中塔沉井被喻为大桥的“定海神针”，是施工难度最高、工艺最复杂的关键部分，是我国首次在台风影响区域的强潮河口深厚淤泥质黏土地层中修建超大型沉井基础，尚无先例可循。通过前期的精心谋划、科研攻关、大胆探索，以及一系列施工工艺与工法的改进，沉井施工过程实现了万吨级下水、千里级浮运、厘米级定位、毫米级接高、高标准姿态终沉等系列创举，填补典型海区环境超大型水中沉井基础施工的空白，为我国跨海通道基础建设积累了宝贵经验。

温州瓯江北口大桥中塔沉井位于瓯江北汊水域，下覆40余米深厚淤泥及淤泥质黏土。设计阶段，通过大量的钻孔勘探、静力触探、物探等多种勘察手段，探究桥址区土体地质特性。面对高灵敏度和高触变性的勘察结果，设计单位在充分调研国内已建和在建水中沉井的基础上，果断在软土地层中采用全钢壳混凝土结构，并首次将Q345等级钢材作为钢壳沉井主体材料，为沉井下沉过程中的姿态控制和主体结构安全奠定了坚实基础。

沉井下沉过程中，钢壳沉井结构全过程提供了良好的水中作业平台。同时利用在钢壳沉井井壁注水、抽水的施工工艺，实现了姿态纠偏时的精准配重调整，对沉井下沉过程起到了较好的姿态调控作用。另外，在沉井快速下沉的过程中，沉井主体结构能够完全适应沉井在深厚淤泥质黏土地层中的下沉特性，结构应力、应变监控数据均较好满足了各项指标的要求。

沉井下沉过程充分验证了前瞻性设计的合理性，对于结构材质等级的合理提升，深厚软土地层的全钢壳混凝土结构设计理念，为后续超大型沉井基础设计提供了良好的借鉴。

钢壳沉井下水，是沉井施工第一个关键性控制节点，也是一个“开弓没有回头箭”的过程，对方案实施的成功率要求极高。温州瓯江北口大桥中塔钢壳沉井平面为圆角矩形，长66米，宽55米，圆角半径7米，高度59米，重1.8万吨。首节下水钢壳沉井重量超1万吨，远超此前气囊法、浮吊法钢壳沉井最大下水重量。

施工单位通过多次的方案研讨和论证分析，最终决定借鉴船舶滑道下水技术，挑战万吨级钢壳下水难题。在完成国内大型船厂广泛调研工作后，最终选择了在江苏南通韩通船厂进行钢壳加工制造，并在船台上进行首节下水钢壳沉井组拼工作。历时73天，在船台完成180块单元块组拼后，钢壳沉井高27.5米，重1.06万吨。2017年5月16日凌晨4点30分，北口大桥中塔钢壳沉井沿滑道缓缓滑入长江航道，下水过程历时36秒，沉井下滑平稳程度远超气囊法下水工艺，完成“万吨级”下水创举。

钢壳沉井制造场地位于江苏南通，距离桥址区约600余公里，如何实现万吨级钢壳沉井的远距离浮运，是摆在建设者面前的第二道难题。依然是在船舶领域，大型半潜驳船让难题迎刃而解。船长189.60米、型长180米、型宽47米、型深7米、空载吃水3.5米、排水量29000吨的“汉拿山”号轻松承载起万余吨的超大型钢壳沉井，沿近海航线，历时70余小时顺利到达温州圆屿锚地，完成“千里级”浮运创举。

北口大桥中塔钢壳沉井滑道法下水，半潜驳式浮运，不但刷新了沉井下水重量及浮运距离的纪录，更为重要的是，进一步推动了超大型钢壳沉井工厂化制造的进程。通过利用成熟的造船产业工厂、滑道下水技术，和大型运输船舶设备，系统性解决了超大型钢壳沉井加工制造和下水浮运问题，为后续类似工程的施工积累了宝贵经验。

瓯江北口大桥桥址区距离入海口仅2公里，属正规半日潮河口，日平均潮差4.5米，最大退潮流速2.8米/秒，涨潮流速2.0米/秒。为应对往复流强潮河口定位着床难题，北口大桥中塔沉井采用了“锚墩平台+重力锚”定位系统，由上下游锚墩、8个900吨重力锚，以及拉缆系统和收缆系统组成。2017年6月21日，在完成精确调索准备的前提下，利用短暂的高平潮期，通过迅速向沉井井壁隔舱注水，辅助实时几何姿态监控数据，实现沉井快速精准着床，底口中心偏移量小于5‰，树立精准着床新标杆。

桥址区位于浙江东南沿海，是台风严重影响区域，年平均受台风影响2.5次。沉井着床后便进入台风期，采用何种措施应对最大风力可能达到17级以上台风的影响，是中塔沉井施工面临的第三道难题。经过出水坝、挂板桩、抓力锚、孔内挂桩、抛石防护等多种方案的反复研究和比选，最终选择了在沉井周围20米范围内进行抛石防护的方案。抛石防护方案，前期为沉井抵抗台风影响提供了有效保障，后期有效约束了沉井下沉姿态，一定程度上辅助了下沉通道的形成。

在面对强潮河口复杂的水文地质环境下，中塔的钢壳沉井接高工作展示了水中精准施工的新高度。水中钢壳沉井接高工作，每个36块组成的节段，被在工厂分成三大块，由1200吨浮吊在现场整体安装。59米钢壳沉井接高完成，长边误差-16毫米，宽边误差-14毫米，对接边误差-18毫米，成功实现“毫米级”接高工作。

沉井下沉施工，在每一种不同的地质工况中，均会表现出不同的下沉特征。对于超大型沉井基础在深厚淤泥及淤泥质黏土地层中的下沉特征，在项目实施之前，一切都是未知数。面对高灵敏度和高触变性的软土地层，建设团队对最不利下沉工况进行了一遍遍的演算和分析。当2017年11月26日、12月1日、12月6日沉井连续出现三次快速下沉现象，单侧最大沉降量达到8米以上时，建设团队开始逐步认识到这类地层，沉井所特有的下沉特征，但是利用现有的经验公式，只能对静态平衡进行分析，不能用于下沉过程的动态分析。同时，沉井下沉之后处于一定的倾斜状态，刃脚周圈也存在着较大的高程差，因此必须采用更加精细化、精准化的计算方式和分析手段，研究沉井淤泥质黏土地层下沉机理。

建设团队引入了“刃脚应力比值法”的计算分析模型，考虑叠加沉井倾斜状态下，附加弯矩影响下的刃脚踏面局部应力分布情况，反演应力分布与下沉启动、终止间相关关系；针对淤泥及淤泥质黏土的触变特性，提出“侧阻失效”理论，动态考虑侧摩阻力对于沉井下沉的影响；建立“沉井-土层”耦合仿真计算模型，反演土体基本参数，用计算机反演分析沉井周边土体变化。通过一系列的分析研究，对于深厚淤泥及淤泥质黏土地层超大型沉井基础下沉机理有了更加深刻的认知，弥补了行业对于该类地层沉井下沉机理分析理论的空白。

淤泥及淤泥质黏土，作为沉井施工的特殊地质工况，给取土施工带来了极大的挑战，传统的吸泥手段在这种深厚淤泥层中取土效率甚低。面对黏性大，取土难等问题，项目部在不同土层条件创新了不同取土施工方案，在前期下沉阶段，项目部采取抓斗抓泥的方式有效取除了浅层淤泥；随着深度的增加，项目部自主研发了全新的绞吸机设备，用以取除-20米～-30米处淤泥质黏土；随着深度的进一步增加，项目部引入了正反循环钻机，配合不同的钻头改进措施，攻克了“黏钻”“胡钻”等难题，取除了更深标高处的淤泥质黏土、粉砂质黏土等。

沉井终沉标高位于卵石层以下2米，在卵石层的取土施工过程中，项目部通过改进钻机设备型号、增加钻头和钻杆直径、研发超大直径吸泥管等一系列措施，攻克了卵石堵管、局部卵石胶结等施工难点，对沉井底部的卵石进行了有效取除。

取土过程中，项目部还进行了大量设备的微创新和微改造，如配合改造的“T”形横向高压射水装备，消除了取土施工盲区的影响，利用前期井壁预埋的射水管进行了踏面取土施工，利用在钻杆上增设钢丝绳的方法清除井壁土体等。

另外，为了明确取土效果，测量井孔锅底形态，项目部不断改进深水测量技术，通过对8种不同水下测量方式的反复试验，实现了60米深水工况的三维可视化测量。通过对工艺工法的不断创新和改进，并配合精准的测量技术，最终形成了一套“钻、吸、扫、射”组合式取土工艺，克服了种种取土难题，顺利完成终沉施工。

在封底过程中，封底厚度达14米，有近4万方混凝土灌入水下60多米深的沉井底部，两艘拌和船需连续高效供应混凝土超过240小时。强潮海区作业环境、封底水位深、混凝土方量大、持续灌注时间长等特点，均给施工作业带来极大的挑战。通过优化封底施工方案，采用结构垫层封堵隔离的方案，顺利实现25个井孔独立高品质的连续灌注，比计划工期提前20天完成沉井超大体积混凝土封底施工，取得关键性节点的胜利。