巨型钢沉井整体制造出坞浮运施工工法.pdf
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1、1巨型钢沉井整体制造出坞浮运施工工法巨型钢沉井整体制造出坞浮运施工工法 1、前言1、前言随着高速铁路的不断发展,对桥梁基础的承载能力、变形特征和稳定性等要求越来越高,沉井基础由于具有整体性强、稳定性好,能承受较大的垂直荷载和水平荷载等优点,在近年的基础施工中被广泛采用,尤其是在地质条件的复杂和水深的水域。沉井基础设计与施工技术日益成熟,沉井基础的规模日益变大,主要呈现出截面大、高度高等特点。沪通长江大桥主航道桥采用双塔五跨连续钢桁梁斜拉桥,孔跨布置为(142+462+1092+462+142)m,为世界上跨度最大的公铁两用斜拉桥。主航道桥 6 个桥墩均采用沉井基础。主墩采用倒圆角的矩形沉井基础
2、,沉井顶面平面尺寸为 86.9m58.7m。倒圆半径为7.45m,沉井平面布置为 24 个 12.8m12.8m 井孔,主墩 28 号墩沉井总高 105m,主墩 29号墩沉井总高 115m,沉井下部为钢沉井,上部为混凝土沉井,其中 28 号墩钢沉井总高50m,主墩 29 号墩钢沉井总高 56m。图图 1主航道桥主墩沉井基础结构(单位:主航道桥主墩沉井基础结构(单位:m)沉井基础钢沉井部分在船厂制造,在船坞里组拼成整体,并采用船坞注水的方式使沉2井整体起浮,由拖轮拖带出船坞进行整体浮运至墩位。在钢沉井出坞过程中,创造性的运用了封闭部分井孔、气压增浮的方法,减小钢沉井的吃水深度以及浮运阻力,减小整
3、体浮运的难度。钢沉井的整体出坞浮运是目前国内同类型沉井施工中首创的施工工艺,其施工规模居国内前列。该施工工法不但取得了沉井施工工艺技术方面的突破,而且取得了良好的经济及社会效益。为了促进该施工方法在我国类似桥梁工程项目中得到推广应用,根据沪通长江大桥主墩钢沉井出坞浮运施工实践经验特编制本工法,供今后同类型沉井基础及类似施工结构参考借鉴。2 2、工法特点、工法特点2.1、钢沉井采用工厂分块制造,船坞节段拼装,整体浮运的施工技术,变水上施工为岸上施工,实现钢沉井整体工厂化、专业化制造,缩短工期,提高效率,使钢沉井的制造质量得到可靠保证。2.2、在钢沉井上封闭部分井孔,安装助浮措施。沉井助浮结构由封
4、闭井孔所用的助浮盖板和供气管路系统组成。在钢沉井出坞过程中,在封闭的井孔内打气增压,减小了钢沉井的吃水深度,避免在出坞和浮运过程中搁浅。同时,由于吃水深度的减小,在整体浮运的过程中,沉井所受到的水流阻力也大大减小,降低了整体浮运的难度。2.3、钢沉井整体浮运作业由 8 艘(其中 1 艘备用)拖轮共同完成。沉井尾部布置 3艘拖轮(36000HP),南北侧各布置 2 艘拖轮(44000HP),备用拖轮为 4000HP,共能提供拖带马力 38000HP。浮运过程中,7 艘拖轮共同完成钢沉井的出坞、直行、转弯、掉头等拖带步骤。2.4、钢沉井整体出坞浮运过程中,充分利用长江下游潮流的特点,根据长江涨落潮
5、的时间,因地制宜,制定出坞浮运的施工计划,保证了施工的安全。3 3、适用范围、适用范围3.1 适用于加工精度高、起吊拼装困难和水上安装接高工程量大的大型钢沉井基础。3.2 适用于位于航道或深水区域的大型钢套箱、双壁钢吊箱围堰结构。4 4、工艺原理工艺原理4.14.1钢沉井整体制造技术钢沉井整体制造技术钢沉井制造分为四个阶段进行:第一阶段为构件制造阶段,第二阶段为块段成型阶段,第三阶段为块段组拼,第四阶段为节段搭载、接高。3钢沉井节段制造场地位于桥位附近长江沿岸的船厂钢结构生产厂区内,片单元制造及块单元组拼均在厂区内钢结构加工车间及钢结构加工平台进行。单元块分块最大重量为62.2t,制造完成后由
6、平板运输车运输至船坞边上的拼装区。28#墩钢沉井共分为 245 个块单元、14 个吊装段(每个沉井节段平面分为 A、B 两个吊装段)进行加工制造;29#墩钢沉井共分为 315 个块单元、16 个吊装段进行加工制造。每个吊装段对称分布 16 个吊耳,每个吊耳各有两个吊孔,总计 32 个吊孔。码头区组拼平台可一次组拼两个钢沉井节段,完成后由 1600t 门吊整体起吊至船坞内整体拼装区进行总拼。4.4.2 2钢沉井助浮钢沉井助浮施工施工技术技术钢沉井助浮措施由助浮供气系统和助浮盖板结构组成。钢沉井共 24 个井孔,井孔尺寸为 12.812.8m,利用助浮盖板,封闭钢沉井 24 个井孔中的 12 个,
7、并向封闭井孔充气以达到增大钢沉井浮力,减小钢沉井吃水。为保证沉井的平衡性,12 个封闭井孔采用对称布置,且每个井孔内充气压力基本相等。助浮供气系统具有集中供气、单点控制的特点,不但能满足各助浮井孔同步充气、平稳起浮的要求,而且可以通过充气和放气,随时调整沉井的起浮姿态。4.34.3钢沉井出坞施工钢沉井出坞施工技术技术钢沉井在船坞内整体组拼完成,船坞长 580.0m,宽 139.0m,深 13.0m,船坞门坎高1.4m。钢沉井刃脚抄垫高 0.77m,钢沉井中隔墙抄垫高 1.27m,钢沉井中隔墙踏面支撑高2.57m。船坞底标高-7.8m,船坞门坎标高-6.4m,沉井刃脚抄垫标高-7.03m,沉井中
8、隔墙抄垫标高-6.53m,中隔墙踏面支撑标高-5.23m。钢沉井在船坞内整体组拼完成,在船坞内采用向坞内注水的方式起浮。沉井达到出坞条件后,打开坞门通江阀(共 18 根管子,直径 120cm),通过长江水自流方式进行注水。钢沉井出坞时,水位要满足 2 个条件,方能确保安全,一是钢沉井在自浮状态与抄垫的坞墩完全脱离;二是钢沉井出坞通过坞门时,要有一定的安全高度,不能与坞门坎相碰。因此,钢沉井出坞过程中,一方面通过助浮措施,减小沉井起浮的吃水深度;另一方面,要根据长江潮位的特点,选择在相对较高潮位的时间段进行出坞作业。4.4.4 4钢沉井整体钢沉井整体浮运浮运施工施工技术技术钢沉井在浮运过程中,根
9、据所受到的阻力大小,合理配置浮运拖轮的数量,利用拖轮4牵引将沉井拖带至墩位。浮运的过程中,根据长江潮流的特点,选择接近高平潮时间段出坞,避免沉井搁浅;落潮的过程中,顺流而下,减小拖轮拖带阻力;避开流速最大的时间段,选择流速变小的时间段进行调头,钢沉井的姿态易于控制。浮运时间的选择是钢沉井浮运成功的关键。5 5、施工工艺流程及操作要点、施工工艺流程及操作要点5.15.1钢沉井整体制造技术钢沉井整体制造技术5.1.15.1.1 施工工艺流程施工工艺流程图图 2钢沉井整体制造工艺流程钢沉井整体制造工艺流程5.1.5.1.2 2 操作要点操作要点(1)构件制造:钢沉井构件主要有拐角圆弧板的成型、吊耳板
10、的开孔、片单元、桁架单元。片单元主要是指钢沉井的外壁板结构,由钢板、角钢、加劲环组成。桁架单元主要由角钢和拼接钢板组成,根据结构形状图,可以分成四个种类:T 型桁架、矩形桁架、弧形桁架、立方体型桁架(十字隔墙处),其中弧形桁架采取在制造弧形块段时散拼的形式,其他桁架单独事先制造。以上 4 种构件采用工厂车间流水化施工生产,保证了各个构件的制造质量。5图图 3构件制造构件制造(2)块段制造:钢沉井块段分成三种类型分别制造:T 字型块段、圆弧形块段、十字型块段。钢沉井块段的制造精度,除了取决于焊接工艺,胎架的设置也至关重要。胎架必须要要有足够的刚度,防止制造过程中的变形。图图 4块段成型块段成型(
11、3)块段组拼:钢沉井首节段组拼在船坞内完成,其他节段在船坞边的平台上分 A、B 两个分段进行焊接,然后将分段吊装至已组拼完成的节段上接高。图图 5首节段组拼组拼首节段组拼组拼(4)节段搭载、组拼:块段组拼完成后,利用船坞 1600t 门式吊机进行起吊安装作业,相邻沉井节段的吊装块件竖向接缝错开布置。为方便沉井节段对位,每节沉井的顶口均设置若干个临时导向结构,沉井对位焊接后予以割除。钢沉井接高节段第 2 节段的最大吊装块件重量约 880t,其余标准节段的最大吊装重量约 650t。钢沉井整拼前,在船坞内的沉井拼装区域内安装沉井刃脚及隔墙位置布置足够的钢结构或混凝土坞墩。底节钢沉井在坞墩平台上组拼完
12、成后,清除井壁内各种杂质和浮锈,分仓灌注沉井刃脚混凝土。刃脚6混凝土总灌注量为 1300m3,其中沉井外壁刃脚混凝土高度为 2.5m,隔墙内混凝土灌注高度为 0.7m,加强刃脚的刚度,避免在节段拼装过程中,钢沉井变形。接高过程中,在沉井的纵横方向的轴线设置 12 个结构控制点,全程进行测量控制,并用拉线或红外线激光标点仪检查沉井的平面位置,用检定钢尺测量复核,以保证接高精度。图图 6节段搭载、接高节段搭载、接高(5)钢沉井在制造过程中,每道工序完成后,都需进行结构尺寸检验,包括:下料、桁架组装、片单元制造、块单元制造、分段制造、节段接高。所有焊接待焊缝金属冷却后进行外观检查,并填写检查记录备查
13、。所有焊缝不得有裂纹,末熔合、焊瘤、气孔、咬边、烧穿、头渣,未填满弧坑及漏焊等缺陷。钢沉井首节段拼装完成,进行沉井结构尺寸检查,焊缝进行外观和探伤检查,在合格的基础上,向沉井内灌水,进行水密试验,通过试验检验沉井隔舱的密封性,保证沉井的加工质量。沉井所有焊缝均通过煤油渗透检验、磁粉探伤检测或 UT 探伤检测等方法进行检验,避免缺陷焊缝的存在。5.5.2 2钢沉井钢沉井助浮施工助浮施工技术技术5.5.2 2.1.1 施工工艺流程施工工艺流程准备工作助浮盖板加工、安装管路、阀门气密性试验充气管路、充气阀门等安装助浮盖板水密性试验图图 7助浮系统安装工艺流程助浮系统安装工艺流程75.5.2 2.2
14、2 操作要点操作要点(1)助浮系统:钢沉井助浮系统由助浮供气系统和助浮盖板结构组成。(2)助浮盖板:助浮盖板由面板、分配梁、反压牛腿、沉井加固 4 个主要部分组成。面板、分配梁、反压牛腿这三个结构通过螺栓连接成可拆卸的整体结构。面板为 8mm 钢板,面板上部由角钢和钢板进行横向、竖向加劲,角钢间距 375mm,钢板间距 750mm。面板与沉井之间进行焊接,为保证助浮盖板满足密闭的要求,此处的焊接需满足气密性检验的要求。分配梁采用 H 型钢,有横向、竖向两种,竖向分配梁与横向分配梁之间通过螺栓连接牢固,横向分配梁与面板加劲角钢通过螺栓连接牢固,使分配梁结构与面板结构形成整体。反压牛腿安装在分配梁
15、的两端,与分配梁通过螺栓连接,同时反压牛腿与沉井井壁焊接,使得钢沉井与整个助浮结构形成一个整体。助浮盖板安装的位置,需要对钢沉井进行加固。助浮盖板安装高度为沉井刃脚向上 17.6m,即钢沉井第三节中间位置处。图图 8助浮井孔布置助浮井孔布置8图图 9助浮盖板助浮盖板(3)助浮供气系统:助浮供气系统由 2 台 23m3/min 空压机、主供气管、支供气管、气压表、支管阀门、盖板气阀。主供气管为 604 的无缝钢管,主供气管路在沉井顶面形成封闭回路,该主管封闭回路供气范围覆盖全部 12 个助浮隔舱。主供气管路中的压缩空气由供气支管引出,与盖板气阀连接,每根支管上安装有控制开关的球阀,以满足井孔充气
16、和放气的目的。水平管路负责将空压机的压缩气体分流到各个助浮井孔。竖向管路伸入助浮盖板以下,通过空压机提供的空气向助浮井孔内充气。图图 10助浮供气系统布置助浮供气系统布置9图图 11助浮供气管路及压力表助浮供气管路及压力表(4)助浮措施主要是通过向密闭井孔内注入空气以增大沉井的浮力,所以井孔的气密性是沉井助浮的关键,施工中对焊缝有着较高的要求。因此为了保证焊缝质量满足气密性施工要求,在助浮措施施工过程中主要通过超声波检测、磁粉探伤、煤油渗透探伤、抽真空等方式进行检测。船坞注水后沉井起浮前,对沉井封闭井孔密闭性进行检查,主要是通过观察盖板顶部的气泡来判断漏气情况并进行补焊。5.5.3 3钢沉井钢
17、沉井出坞施工出坞施工技术技术5.5.3 3.1.1 施工工艺流程施工工艺流程图图 12钢沉井出坞流程钢沉井出坞流程105.5.3 3.2 2 操作要点操作要点(1)出坞水位分析:在船坞内注水,钢沉井助浮以后,钢沉井刃脚底部高于钢沉井中隔墙抄垫及船坞门坎 0.5m,方可安全出坞,因此必须满足以下条件:1.4m(坞门坎高度 1.4m 与坞墩高度 1.27m 取较大值)+8m(沉井吃水)+0.5m(安全高度)=9.9m,即要求长江水位为 2.1m 以上。(2)助浮保压控制:出坞、浮运过程中需保证钢沉井吃水 8m,12 个助浮隔舱内的计算气压需达到 137.17kPa。为保证钢沉井在整个出坞、浮运过程
18、中姿态稳定,需对各助浮隔舱进行充气保压。保压控制主要通过以下两个方式:气压表监测控制每个助浮充气管路上均安装有压力表,可实时测量助浮隔舱内的气压大小。助浮隔舱计算气压为 137.17kPa,当压力表读数小于计算气压,则隔舱需要进行充气;当压力表读数大于计算气压,则隔舱需要进行放气。液位计监测控制根据计算结果可知,当钢沉井吃水深度为 8m,助浮隔舱气压为 137.17kPa 时,助浮隔舱内的水面高度距离刃角 4.283m,该数据可以间接地反应隔舱内的气压大小。当该距离大于 4.283m 时,则助浮隔舱内的气压偏小,需进行补气;当该距离小于 4.283m 时,则助浮隔舱内的气压偏大,需进行放气。该
19、距离可以通过液位计读数来反应。(3)钢沉井临时固定:注水前,将船坞内其他物件采用龙门吊吊出坞,钢沉井提前进行系缆定位,将钢沉井与船坞固定,以防止注水后沉井起浮后飘移。11图图 13沉井坞内临时固定布置沉井坞内临时固定布置(4)钢沉井出坞:各项准备工作做好后,船坞开始放水。船坞内注水高度达 8.3m 时,钢沉井刃脚吃水 7.5m,沉井中隔墙吃水 6.7m,此时查看压力孔气压情况,若未达到设计值,则开动助浮空压机做助浮试验,通过查看气压表及压力传感器数值变化,检查助浮效果。同时坞内继续放水,直至钢沉井起浮。此期间查看钢沉井起浮状况,并查看钢沉井气密性状况,助浮孔压力变化情况。钢沉井起浮后,做好沉井
20、原位起浮定位工作,并继续放水至坞内水深 9.9 米时,停止放水。当长江水位落至与坞内水位相平时,开始起浮坞门。拖轮编号,3 艘拖轮拖带开启坞门,将坞门拖带到码头泊位外档,并系缆连接固定。图图 14船坞内注水、钢沉井起浮船坞内注水、钢沉井起浮12图图 15开启坞门开启坞门当长江潮位达到+1.8m 时(沉井底高于坞坎 0.2m),即坞内水深达到 9.6m 时,解开钢沉井与船坞连接的 3#缆绳、4#缆绳,收紧 1#、2#、5#、6#缆绳,使沉井靠近西侧坞壁。拖轮进入船坞,4 艘拖轮分别按照设计位置与沉井系缆连接。待长江潮位涨至+2.1m 时(沉井底高于坞坎 0.5m),拖轮拖带沉井出坞。图图 16钢
21、沉井出坞钢沉井出坞135.5.4 4钢沉井钢沉井整体浮运整体浮运5.5.4 4.1.1 施工工艺流程施工工艺流程图图 17钢沉井浮运流程钢沉井浮运流程5.5.4 4.2 2 操作要点操作要点(1)浮运时机选择:钢沉井出坞拖带作业应充分考虑风、流对过往船舶航行的影响,选择合适的水文气象条件进行作业,钢沉井出坞后在航道中拖航航行应选择白天、平潮时间段,风力小于 5 级、能见距离大于 1500m 等条件下进行。(2)浮运路线:钢沉井浮运(拖航)路径从如皋熔盛 4 号坞经 FB1#、37#、36#-1、36#、桥施 6、桥施 5 至桥施 4-3#之间(原 34#浮北侧),向左转向到达目标点,航经福姜沙
22、北水道,浏海沙水道。由熔盛 4 号船坞浮运到沪通长江大桥桥址(原长江 34#黑浮北侧,现桥 4#黑浮和桥 5#黑浮之间北侧),全程约 11 余公里(5.9 海里)。图图 18沉井浮运航行路线沉井浮运航行路线14(3)浮运阻力:钢沉井在浮运过程中浮运阻力分为两部分,一部分是沉井自身受到的阻力,另一部分是浮运拖轮自身的阻力。根据浮运水域,水流、气象等特点,考虑在钢沉井吃水 8m、风速 6 级(13.8m/s)、对水流速 2.5m/s 纵向航行时为浮运控制性工况,此时浮运最大阻力 251t。钢沉井调头时,考虑对水流速 1.5m/s,最大拖航阻力为 122.5t。(4)浮运拖轮布置:钢沉井整体浮运采用
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