深水裸岩环境下大型浮运沉井定位系统设计

Design of positioning system for large floating caisson in deep-water bare-rock environment

摘要

西堠门公铁两用大桥为主跨长1 488 m的斜拉‒悬索协作体系桥，其中4^#桥墩基础采用嵌入式设置沉井基础，沉井直径58 m，高37 m，采用浮运法施工，钢结构及附属浮运质量约9 870 t。针对深水裸岩环境下，定位船法和锚墩法存在定位水平刚度不足、施工难度大及施工成本高等问题，该文采用大吨位重力锚定位法开展沉井定位系统优化设计。研究设计了5种不同结构形式的锚缆体系，通过有限元计算方法，分析6种典型施工工况下各体系的索力最大值、位移、倾角等关键参数，阐明了不同锚缆体系的力学行为变化规律及其对定位系统的影响程度。结果表明：主缆双层锚缆、边缆单层锚缆（方案5）并无明显优势；对于单层锚缆体系（方案1~方案4），将上锚点下移对沉井的索力和位移控制相对有利。从施工控制的角度来看，上锚点位于沉井高度约1/2处（方案4）最具优势。在5种锚缆体系均满足设计要求的前提下，经综合比选，并兼顾成本控制与施工难度后，最终推荐上锚点位于沉井顶部的单层锚缆体系的方案（方案1）。

Abstract

The Xihoumen Rail-cum-Road Bridge is a hybrid cable-stayed-suspension bridge with a main span of 1 488 m. The foundation of Pier No. 4 is an embedded caisson foundation. The caisson has a diameter of 58 m and a height of 37 m and was constructed using the floating transportation method. The total floating-transport mass of the steel structure and appurtenances was approximately 9 870 t. To address the insufficient horizontal positioning stiffness, construction difficulty, and high cost associated with the positioning-vessel and anchor-pier methods in a deep-water, bare-rock environment, this paper adopted a large-tonnage gravity-anchor positioning method to optimize the caisson positioning system. Five anchor-cable systems with different structural configurations were designed. The finite element method was then used to analyze key parameters, including the maximum cable force, displacement, and inclination angle, for each system under six typical construction conditions and to clarify how the mechanical behavior of the different anchor-cable systems varied and affected the positioning system. The results show that the anchor-cable system with double-layer main cables and single-layer side cables (Scheme 5) has no obvious advantage. For the single-layer anchor-cable systems (Schemes 1-4), lowering the upper anchor point is relatively beneficial for controlling the cable force and displacement of the caisson. From the perspective of construction control, the scheme with the upper anchor point located at approximately half the height of the caisson (Scheme 4) is the most advantageous. Given that all five anchor-cable systems meet the design requirements, the single-layer system with the upper anchor point at the top of the caisson (Scheme 1) is ultimately recommended based on a comprehensive comparison that considers cost control and construction difficulty.

Graphical abstract

关键词

沉井基础 / 浮运沉井定位系统 / 重力锚 / 锚缆体系 / 深水裸岩

Key words

caisson foundation / floating caisson positioning system / gravity anchor / anchor-cable system / deep-water bare rock

0 引言

近年来，随着中国大跨径桥梁建造技术的发展^［1-3］，大型沉井基础形式因其承载力高、稳定性好等特点得到广泛应用^［4］，已成为深海急流、强风浪等恶劣海洋环境下桥梁修建优先考虑的基础形式^［5］。

西堠门公铁两用大桥采用主跨1 488 m斜拉悬索协作体系，桥面宽度为68 m。该桥的4^#主墩采用嵌入式设置沉井基础，实际施工面临深水、裸岩、强风、高浪和急流等恶劣自然环境，浮运施工的沉井定位系统受波流力、风力等外界因素的影响显著^［6-11］。不同锚缆体系对沉井定位提供的约束刚度不同，对外部约束的要求也不同，在选择锚缆体系时，需要综合考虑地形地质、施工条件等限制因素。因此，浮运沉井定位系统的设计受到多种复杂因素的影响，施工安全风险较高。本文针对深水裸岩环境下大型浮运沉井的定位方法及锚缆体系选型问题，开展了深入探讨与系统研究。

1 工程概况

西堠门公铁两用大桥系甬舟铁路及甬舟高速公路复线跨越西堠门水道的共用跨海桥梁，连接西侧金塘岛和东侧册子岛。桥位位于既有西堠门公路大桥以北约2.8 km处。主桥从西向东布置为（70+112+406+1 488+406+112+70） m斜拉‒悬索协作体系桥^［12］，如图1所示。

其中4^#主墩基础采用圆形嵌入式设置沉井结构，沉井直径58 m，高37 m，采用浮运法施工，沉井钢结构及附属浮运质量约9 870 t，如图2所示。4^#墩沉井范围内海床面高程为-25.0~-18.0 m，水深17.0~28.0 m，无覆盖层，岩层裸露为弱风化英安岩^［13］。

桥址区域属于台风区，年平均6级及以上大风天数305 d，8级以上大风天数45 d，9级以上大风天数14 d。桥区海流介于规则半日潮和不规则半日潮之间。百年一遇最高潮位+3.54 m（1985国家高程基准），最低潮位-2.60 m，最大潮差4.73 m，平均浪高3.78 m。百年一遇最大设计波高8.81 m，最大设计流速4.30 m/s；20年一遇最大设计波高8.13 m，最大设计流速4.08 m/s。最大水深超过90 m^［14］。

2 沉井定位方法的选择

浮运沉井的定位系统是沉井施工的重要组成部分。随着中国大型沉井基础的修建，沉井的定位技术也日趋成熟和完善，常用的定位方法包括定位船法、锚墩法和重力锚法^［15］。定位船法属于偏柔性的定位体系，主要适用于内河水流不大且流向稳定的环境。由于本项目面临深水、裸岩、强风、高浪和急流等恶劣环境条件，定位船法无法满足定位精度要求。相较于定位船法，锚墩法可以抵抗更大的水流阻力，且施工操作方便，但桥址区均为光板岩，最大水深达90 m，锚墩法面临水平刚度不足、施工难度大、施工成本激增等问题，因此锚墩法也不适用于该项目。而重力锚法受海水深度和光板岩地形的影响较小，且成本相对较低，很好地克服了锚墩法面临的施工难题。经综合比选（表1），大吨位重力锚定位法最具优势。

根据桥址地形情况，共布置12个大吨位重力锚（单个质量1 000 t），其中垂直于桥位方向的主缆设置8个（S1~S8），平行于桥位方向的边缆设置4个（N1~N4），平面布置如图3所示。

3 锚缆体系方案研究

3.1 施工工况与荷载条件

沉井整体浮运至桥位后，需依次将主锚及边锚缆绳连接至沉井并进行预拉，进行初步定位；然后向沉井隔舱内注水使沉井逐渐下沉，下沉过程中不断收缆；在距离基底约2 m时，通过锚缆对钢沉井精确定位，定位精度满足设计要求后快速注水下沉至着床状态。在整个施工过程中，沉井的受力状态可大致分为浮式系缆状态、注水下沉状态及精定位状态。根据水文特点和施工时段的划分，3种状态共6个工况所对应的荷载组合如表2所示。

对于浮式系缆状态，由于施工周期较长，关键在于大潮期间锚缆体系的最大索力值需满足缆绳承载力设计要求，此时可容许钢沉井产生较大的位移；对于注水下沉状态，随着钢沉井吃水深度的不断增加，水流荷载对锚缆体系的影响程度大大增加，因此必须选择流速较小的小潮期间进行注水下沉作业，以保证定位系统的安全和定位精度；对于精定位状态，钢沉井距离基床仅2 m左右，此时需要暂停注水，利用锚缆体系对钢沉井进行精确定位，使其定位精度满足设计要求。该状态对钢沉井的定位精度要求最高，是整个工序中至关重要的环节，因此需要选择流速最低的低平潮时段进行。

3.2 锚缆体系方案设计

国内外部分大型沉井的锚缆体系调研情况如表3所示。为探究不同锚缆体系的力学行为变化规律和对定位系统的影响程度，参考国内外部分大型沉井锚缆体系的施工经验，共选取5种方案进行计算分析，如表4所示。

方案1中，主锚及边锚均采用单层布置，锚缆经转向座后直接延伸至重力锚，锚缆连接方式如图4所示。方案2、方案3、方案4中，主锚及边锚均采用单层布置，但锚缆先通过沉井顶面的转向轮1后沿井壁向下，再经转向轮2后，向外延伸至大吨位重力锚，转向轮2分别位于沉井顶面向下H/5、H/3、H/2（H为沉井高度），锚缆连接方式如图5所示。方案5中，主锚采用主缆双层布置，即S1、S4、S5、S8锚缆先通过沉井顶面的转向轮1后沿井壁向下，再经转向轮2后，向外延伸至大吨位重力锚，转向轮2位于沉井顶面向下H/2；其余主缆及全部边锚采用单层布置，锚缆经转向座后，直接延伸至重力锚。

3.3 有限元计算及结果分析

采用Midas Civil有限元分析软件建立沉井定位系统整体模型。沉井自身采用板单元模拟；缆绳采用索单元模拟，规格为ϕ115-8×K49WS-钢芯1 770 MPa钢丝绳，破断力按9 000 kN考虑，并考虑水中自重的影响；沉井底部通过设置仅受压节点弹性支撑模拟浮力对沉井的影响；沉井所受的波流力、风力等荷载简化为集中荷载加载至沉井单元；涨落潮荷载通过添加强制位移模拟。模型计算按几何非线性考虑，有限元模型如图6所示。

5种方案各自对应的6种工况计算结果如图7所示。

由图7可知：在长期荷载的作用下，方案1~5施工过程中的最大索力值均出现在沉井浮式系缆阶段（工况1），单层锚缆（方案1~4）最大索力出现在N1锚缆，最大值为3 154 kN；主缆双层锚缆、边缆单层锚缆（方案5）最大索力出现在S1锚缆，最大值为3 273 kN。在注水下沉阶段（工况2~5），受短期荷载作用，各方案的最大索力比工况1减小约30%。在精定位阶段（工况6），受着床荷载作用，各方案的最大索力值比工况1减小约50%。因此，定位系统在浮式系缆阶段的施工风险高于注水下沉阶段和精定位阶段。

对图7数据进一步分析发现，各工况的最大索力值排序均为方案1>方案2>方案3>方案4，表明对于单层锚缆方案，随着上锚点下移，最大索力值呈小幅下降趋势，有利于沉井定位系统的施工安全控制。

为更清晰地描述各工况下最大索力值的变化情况，图8以方案1为例展示了各工况最大索力值的变化情况，亦呈现相似的规律。

方案5为主缆双层锚缆、边缆单层锚缆体系。计算结果表明：该方案对位移和索力的控制并无显著优势，但是该方案可以在沉井下沉过程中对垂直度进行一定程度的调整，在姿态控制方面具有较大的灵活性。

图9统计了精定位阶段各方案在着床荷载作用下的位移及倾角。精定位阶段沉井的位移和倾角的变化趋势相似，均为方案1>方案2>方案3>方案4，表明随着上锚点下移，定位系统对沉井位移的控制有利。方案1最大水平位移为315.7 mm，最大倾角为0.6°，均满足设计水平位移（H/100+250 mm）和垂直度（1%）的要求。现场施工应加强水文和气象条件的监测，合理选择施工窗口期，严格控制流速、波浪、风等施工边界条件。

3.4 锚缆体系方案选择及实践

从索力和位移控制来看，各方案均可满足要求。主缆双层锚缆、边缆单层锚缆（方案5）方案并无显著优势；对于单层锚缆方案，上锚点下移时（方案2~4）对沉井的索力和位移的控制相对有利，其中方案4从施工控制角度最具优势。但上锚点下移后，锚缆需要采用两个转向轮进行导缆，不仅增加了沉井结构加固费用，也增大了挂缆施工难度。

大吨位重力锚定位法的收缆平台仅能设置在沉井顶面，而沉井顶面为ϕ58 m的圆形，有效收缆区间长度更为有限，仅为45 m。因此应严格控制缆绳长度，若缆绳过长，注水下沉过程中收缆区间行程不足导致缆绳失效。缆绳长度的限制进一步增加了挂缆难度，缆绳越短，则挂缆时缆力越大，在此背景下，方案4挂缆施工难度极大。方案1将上锚点设置于沉井顶面，缆绳通过转向座导缆，结构简单、受力明确，便于现场挂缆操作。在定位精度均满足设计要求的前提下，经综合比选（表5），尽管方案4从施工控制角度最具优势，但基于降低施工成本和现场挂缆施工难度的考虑，最终采用方案1。

本项目所研究的4^#墩沉井已于2024年3月初浮运就位，并于2024年4月中旬顺利着床。方案1锚索体系现场应用情况如图10所示。在沉井浮式状态、注水下沉及着床等关键施工阶段，定位系统均保持安全平稳的运行状态，保证了钢沉井最终着床精度满足水平位移≤H/100+250 mm、垂直度≤1%的设计要求。

4 结论

大吨位重力锚定位法能有效克服深水裸岩环境下面临的水平刚度不足、施工难度大及施工成本高等问题，在施工可行性和经济性方面具有较大优势。本文通过有限元分析方法，对深水裸岩环境下大型浮运沉井定位系统的不同方案进行了性能评估和对比分析。得出以下结论：

（1） 在浮式系缆阶段（工况1），索力达到最大值，单层锚缆方案（方案1~4）的最大索力范围为3 154~2 864 kN，其中方案1的最大索力值为3 154 kN，方案4为2 864 kN；主缆双层锚缆、边缆单层锚缆方案（方案5）的最大索力值为3 273 kN，略高于单层锚缆方案。在注水下沉阶段（工况2~5），各方案最大索力值较工况1减小约30%；而在精定位阶段（工况6），最大索力值较工况1减小约50%。

（2） 位移和倾角分析结果表明：方案1~4的位移和倾角均满足设计要求，其中方案1的最大水平位移为315.7 mm，最大倾角为0.6°。在单层锚缆方案中，随着上锚点的下移（方案1~4），索力和位移的控制效果略有改善，但施工难度和成本相应增加，例如，在方案2~4中，需要采用2个转向轮进行导缆。方案5虽然在姿态控制方面具有一定的灵活性，但在索力和位移控制方面并无明显优势。

（3） 在索力和定位精度控制满足设计要求的前提下，综合考虑施工安全、成本及操作难度等因素，沉井顶部单层锚缆体系方案（方案1）最具优势。

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基金资助

江苏科技大学博士科研启动基金资助项目(1792932408)