泰州长江大桥位于江苏省泰州市和镇江、常州市之间,东距江阴长江公路大桥57公里,西距润扬长江公路大桥66公里,是我省“五纵九横五联”高速公路网和国家《长江三角洲地区现代化公路水路交通规划纲要》重要的过江通道工程。泰州长江大桥项目全长62.088公里,由北接线、跨江主桥、夹江桥和南接线四部分组成,其中,主桥为2×1080米的三塔两跨悬索桥,为世界首创。
泰州长江大桥悬索桥中塔为世界上高度第一的纵向人字型、横向门式框架结构钢塔,其基础采用世界上入土最深的水中沉井基础。在项目初步设计阶段,建设单位省大桥建设指挥部曾对中塔拟采用的沉井和群桩两种基础形式进行了比选。结果表明,这两种基础形式在设计和施工条件上都具备可行性。但考虑到中塔基础的受力特点,结合桥位区水文、地质条件及防撞要求,经研究数据显示,沉井基础的刚度大,抗震性能及抗船舶撞击力要明显优于钻孔桩基础,并且可以节省约37%的造价,最终决定中塔采用沉井基础。
中塔沉井基础为圆角矩形,平面长58米,宽44米,相当于半个足球场大;沉井底高程为-70米,总高度为76米,相当于25层楼高。沉井下部38米为双壁钢壳混凝土结构,上部38米为钢筋混凝土结构,平面上分为12个隔舱,共需浇筑混凝土约10万方,最终沉入19米深水和55米河床覆盖层,为世界上入土最深的水中沉井基础。中塔沉井所处的长江扬中河段为感潮河段,水面宽约2.2公里,水深约19米,水流受长江径流和潮汐双重影响,最大流速约2.5米/秒,河床的冲淤变化情况非常复杂。该河段地处长江冲积平原,沉井所处地层为覆盖层,厚度约200米,主要包括粉细砂、中砂、粗砂地层,综合环境复杂,对沉井精准下沉有较大影响。因此,该水中特大型沉井基础的施工管理和控制难度较其他工程要大的多。
为保证中塔沉井顺利施工,省大桥建设指挥部委托河海大学、南京水利科学院开展了泰州长江大桥桥墩冲刷模型试验、河工模型实验及大桥施工期局部冲刷研究,通过对钢沉井自浮运至墩位并开始下沉到稳定深度为止,河床的冲刷状态及冲刷线的情况开展深入研究,为确定沉井首次下沉的高度、是否需要采取河床稳定措施,以及沉井下沉着床施工提供了技术依据。研究结果表明,采用圆角矩形沉井时,河床高程为-15.4米,在300年一遇的洪水流量条件下,泰州长江大桥中塔墩位处的一般冲刷高程为-19.27米,局部冲刷高程为-59.57米。沉井持力层选用-68.88米以下的砾砂层,考虑到冲刷及河床变迁影响,沉井底面标高则采用-70.00米,为防止船舶撞击塔墩,沉井顶面露出最高通航水位以上,标高为+6.0米。
中塔沉井基础施工主要分为钢沉井片体工厂制作、钢沉井岸边接高、钢沉井整体浮运、钢沉井定位与着床、混凝土沉井接高与下沉交替进行,以及沉井清基封底施工等几个阶段。钢沉井总高38米,总重量约5000吨,共分为6个节段,底节高8米,其余节段高度为6米。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。
2007年8月17日,首节钢沉井整体浮运到泰州长江大桥墩位附近岸边接高,即采用浮吊拼装至14米后浇注3.5米高的刃脚混凝土,继续接高剩余节段单元至38米后,整体浮运至墩位处临时锚固。
在中塔钢沉井定位施工中,建设者们大胆创新,首创了“钢锚墩导向定位系统”:在中塔墩位上下游170米处各设置一座定位锚墩,沉井迎水面通过上下两层拉缆与锚墩平台上的滑车组及卷扬机连接,沉井南北侧各布置上下两层共6个边锚。边锚及边锚下拉缆通过沉井上的导向装置连接到锚墩平台的卷扬机。通过主拉缆、侧向边锚的共同作用,形成沉井锚碇定位系统。
中塔沉井基础施工对工期也有特别要求,必须选择枯水期、低流速条件下稳定着床,同时必须确保沉井汛前沉入稳定深度,实现安全度汛。施工过程中,在确认各项措施达到要求后,通过向钢沉井井壁内注水使沉井快速着落河床。着床时采取动态控制法,利用锚缆系统和各隔舱注水量调整钢沉井的平面位置及垂直度。期间,施工单位不断加强现场管理,强化质量、安全控制,仅用81天就同步完成了钢锚墩定位系统和钢沉井接高、刃脚浇筑、整体浮运,创出国内27米高干舷浮运纪录,确保了被誉为“神州第一沉井”的中塔钢沉井提前于2007年12月1日平稳精准着床。由于水流冲刷的原因,沉井总是上游冲刷、下游堆积,沉井在施工期间有往上游偏移的趋势,因此沉井在着床时必须向下游考虑一定的预偏量,中塔沉井着床时实际往下游预偏了18厘米,完全符合施工要求。
沉井吸泥下沉主要分三个阶段完成:
1、注水吸泥下沉:钢沉井着床后,向井壁内对称注水,并在井格内吸泥下沉至-26米深度;
2、浇筑钢沉井井壁混凝土并吸泥下沉:分次对称浇筑钢沉井井壁混凝土,吸泥下沉施工交替进行;
3、混凝土沉井接高下沉:采用翻模法逐节接高混凝土沉井,每接高1-2节下沉一次。汛期以前下沉至最大冲刷线以下5米,即-60米的稳定深度,以满足安全度汛要求。
沉井在下沉过程中,采取不排水取土工艺,主要采用空气吸泥和高压射水配合施工的冲吸法进行吸泥。12个隔舱配备12套吸泥设备,以加快工程施工进度。2008年6月30日,沉井下沉至-60米的稳定深度,实现了安全度汛。
2008年7月27日,沉井接高到76米后开始最后一次下沉,8月31日下沉至-70.0米设计标高。
省大桥建设指挥部坚持“尊重科学、团结奋斗、自觉奉献、勇创一流”的建设方针,依靠专家,组织施工单位、监理、设计和科研单位进行了多方案、多层次的技术攻关,克服了重重困难,历时两年,取得了中塔沉井基础关键技术的新突破,并在大型沉井的浮运、定位以及克服在长江中下游地区,河床冲刷不利条件下的着床技术等方面形成了系列创新技术成果。自主研发的“动态GPS测量系统”,采用了信息化施工监控方法,保证了沉井施工的安全和精度。沉井终沉到位后,沉井顶面平面位置向上游偏移12.7厘米、横江向偏移6.5厘米,扭转角14.9',垂直度1/360,均远远优于设计标准。泰州长江大桥中塔沉井基础施工技术工艺创新及其成功实施,开辟了深水超深巨型沉井施工新途径,其施工经验必将为大型桥梁等水下基础工程施工提供有益的借鉴。
2008年9月10日上午10时,泰州长江大桥中塔沉井基础进入最后的攻坚阶段——沉井封底施工。沉井封底厚度为11米,分6次进行,共需为沉井的12个井孔浇筑11米厚、共19000多立方米的水下混凝土,以封闭沉井底部,形成平稳坐落于河床地层的沉井整体。首先对中间两个井孔进行封底,持续30个小时,共浇筑混凝土3600多方。10月1日,沉井封底全部完成。
中塔沉井基础的另一个重要组成部分为承台,其平台尺寸为64.4米×50.4米,厚度为6米,共浇筑C40混凝土19000立方米。在承台混凝土浇筑前,首先安装钢塔柱D0段锚杆定位架,在定位架上精确调整锚杆位置并定位。承台分三层浇筑,每层厚度为2米,浇筑时,大体积混凝土采用低水化热水泥、双掺技术,并制定相应的温控措施,以保证混凝土质量。承台浇筑完成后,再分别浇筑4个塔座,塔座顶面预留5厘米,利用大型浮吊吊装D0段至塔座上,按照设计精度精确调整定位后固定。待D0段承压钢板安装后灌注高强度、无收缩水泥浆液,使钢塔D0段承压钢板与混凝土塔座充分连接。
2009年2月18日凌晨5时,随着最后一批混凝土浇筑入仓,泰州长江大桥中塔承台浇筑完成,世界上入土最深的水中沉井基础全部完工,泰州长江大桥工程首项世界纪录宣告诞生。