超百米深水跨海大桥沉箱基础结构及施工方法

摘要

本发明公开了一种超百米深水跨海大桥沉箱基础结构及施工方法，所述沉箱基础结构自底向顶，面积逐渐减小，呈台阶型布置，所述沉箱基础结构的底面积根据桥梁上部结构荷载确定，所述沉箱基础结构的顶面积设置为大于桥梁墩身面积。本发明利用沉箱基础的转体，结合沉箱基础着床前需注水的特点，来实现基础结构形式从小吃水到大吃水的转变，从而避免建造超深船坞和疏浚过深航道的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及桥梁深水基础领域。更具体地说，本发明涉及一种超百米深水跨海大桥沉箱基础结构及施工方法。

背景技术

随着国家基建水平的不断增强，涌现了越来越多的世界级桥梁，这些桥梁建设的范围也正逐渐从内河拓展到了海洋，如港珠澳大桥、杭州湾跨海大桥、中马友谊大桥等等。在跨海桥梁施工中，一大突出的特点便是水深过大，传统的桩基设计难以施工。过大的水深将导致桩基悬臂长度过长，施工精度难以满足要求，同时存在安全性风险；同时跨海桥梁主跨一般距离陆地较远，长距离的现浇混凝土运输难度较大。沉箱基础在海外桥梁基础施工中应用广泛，其可在工厂预制，通过拖轮拖运到桥址处下沉，可完成基础结构的快速施工。然而这种沉箱结构重量较重，需要较大深度的船坞及航道，方可保证结构的顺利浮运。面对琼州海峡最大水深约100米，以及直布罗陀海峡最大水深约300米等结构，往往不能适用。综上所述，需要研究一种适应超百米水深的桥梁深水基础结构形式及施工方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种超百米深水跨海大桥沉箱基础结构及施工方法，利用沉箱基础的转体，结合沉箱基础着床前需注水的特点，来实现基础结构形式从小吃水到大吃水的转变，从而避免建造超深船坞和疏浚过深航道的问题。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种超百米深水跨海大桥沉箱基础结构，所述沉箱基础结构自底向顶，面积逐渐减小，呈台阶型布置，所述沉箱基础结构的底面积根据桥梁上部结构荷载确定，所述沉箱基础结构的顶面积设置为大于桥梁墩身面积。

优选的是，所述沉箱基础结构为钢混结构。

优选的是，所述沉箱基础结构为轴对称结构。

优选的是，所述沉箱基础结构在高度方向需进行分舱，并保证各舱室水密。

优选的是，所述沉箱基础结构各个台阶为圆端形或圆柱形。

优选的是，所述沉箱基础结构设置有注水孔。

本发明还提供了一种超百米深水跨海大桥沉箱基础结构的施工方法，包括以下步骤：

步骤一、沉箱基础结构在船坞内预制，预制时以沉箱基础结构六个表面中投影表面积最大的那一面，作为与地面的接触面进行预制；

步骤二、对船坞进行注水，注水后通过水的浮力，将沉箱基础结构浮运而起；

步骤三、通过拖轮浮运，将沉箱基础结构从浅水区域拖运到深水区域；

步骤四、通过锚系在深水基础桥址处，系固沉箱基础结构，使沉箱基础结构在深水基础桥址处，可随波浪进行摇荡，但不会在风力、水流力和二阶波浪力作业下偏离出施工范围；

步骤五、自沉箱基础结构底部到设计舱室，逐个舱室对沉箱基础结构进行注水，注水过程中，沉箱基础结构将在水重量的偏心作用下，发生倾斜，注水量足够时，沉箱基础结构将从水平变成竖直状态；

步骤六、沉箱基础结构竖直后，此时沉箱基础结构吃水较大，但仍未着床，张紧沉箱基础结构锚系，增强对沉箱基础结构运动的约束，继续对沉箱基础结构进行加水或加砂，进行定位终沉。

优选的是，所述步骤一中，所述沉箱基础结构在船坞内预制，当船坞设计水深过小或航道水深过小，将沉箱基础结构在船坞内预制一部分，并在海上有一定波浪掩护的深水进行剩余部分的预制。

优选的是，当桥址附近无船坞，可选择合适场地，放坡开挖，加固地基，进行降水，形成临时船坞，并进行沉箱基础结构的预制。

优选的是，所述锚系为重力锚。

本发明至少包括以下有益效果：

一、避免了建造超大水深船坞，避免了对航道的过多疏浚，降低了工程成本。

二、浮运时较大的水线面积，增加了大型沉箱浮运过程中的稳定性，保证了施工安全。

三、选用台阶型圆端形沉箱，降低了水流力和波浪力，减少了海底冲刷，使工程设计及施工难度变小。

四、对沉箱进行高度方向分舱，更好地借鉴了船舶工程的特点，创新结构形式和施工方法，使超百米水深的跨海桥梁建造变得可行。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1是本发明超百米深水跨海大桥沉箱基础结构设计示意图；

图2是本发明沉箱基础结构预制后浮运的示意图；

图3是本发明注水转体过程中的沉箱姿态示意图；

图4是本发明沉箱基础结构着床后的姿态示意图。

附图标记说明：1着床进水口，2分舱水密板，3转体进水口，4水线面，5海床面。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本申请的沉箱基础结构特别适用于大型沉箱，同时也可应用于小型沉箱，大型沉箱是指最大边长长度大于50m的沉箱。

如图1所示，一种超百米深水跨海大桥沉箱基础结构，所述沉箱基础结构自底向顶，面积逐渐减小，呈台阶型布置，所述沉箱基础结构的底面积根据桥梁上部结构荷载确定，所述沉箱基础结构的顶面积设置为大于桥梁墩身面积，更优的是沉箱基础结构的顶面积稍大于桥梁墩身面积即可，从而减少沉箱基础结构随承受的水流力及波浪力，降低巨型沉箱基础结构所引起的局部冲刷，并缓解沉箱基础结构的定位误差。

超百米深水跨海大桥沉箱基础结构的另一个实施例中，所述沉箱基础结构为钢混结构，从而降低材料费用，并保证较好的防腐性能，提供良好的结构强度。

超百米深水跨海大桥沉箱基础结构的另一个实施例中，所述沉箱基础结构为轴对称结构，从而减小施工过程中转体的难度。

超百米深水跨海大桥沉箱基础结构的另一个实施例中，所述沉箱基础结构在高度方向通过分舱水密板进行分舱，并保证各舱室水密，从而实现沉箱高度方向的重心调配，从而实现沉箱结构的顺利转体。

超百米深水跨海大桥沉箱基础结构的另一个实施例中，所述沉箱基础结构各个台阶为圆端形或圆柱形，圆端形即两端为半圆，中间为矩形的形状。是因为圆端形或圆柱形台阶的沉箱基础结构在水流力约为矩形沉箱的1/4，从而减小沉箱基础结构的定位难度。如图1所示，沉箱基础结构的顶部舱室设置为圆柱形结构，剩余舱室设置为圆端形结构。

超百米深水跨海大桥沉箱基础结构的另一个实施例中，所述沉箱基础结构设置有注水孔，所述注水孔包括着床进水口和转体进水口。如图1所示，沉箱基础结构顶部舱室的顶部设置着床进水口，沉箱基础结构剩余舱室的侧面均设置转体进水口。

如图2～4所示，一种超百米深水跨海大桥沉箱基础结构的施工方法，包括以下步骤：

步骤一、沉箱基础结构在船坞内预制，预制时以沉箱基础结构六个表面中投影表面积最大的那一面，作为与地面的接触面进行预制。当船坞设计水深过小或航道水深过小，将沉箱基础结构在船坞内预制一部分，并在海上有一定波浪掩护的深水进行剩余部分的预制。当桥址附近无船坞，可选择合适场地，放坡开挖，加固地基，进行降水，形成临时船坞，并进行沉箱基础结构的预制。

步骤二、对船坞进行注水，注水后通过水的浮力，将沉箱基础结构浮运而起，该面沉箱基础结构面积较大，吃水较小，一般可控制在15m以内，如图2所示为沉箱基础结构预制后浮运以及水线面示意图。

步骤三、通过拖轮浮运，将沉箱基础结构从浅水区域拖运到深水区域。

步骤四、通过锚系在深水基础桥址处，系固沉箱基础结构，使沉箱基础结构在深水基础桥址处，可随波浪进行摇荡，但不会在风力、水流力和二阶波浪力作业下偏离出施工范围。所述锚系为混凝土重力锚，但也不排除使用大吨位大抓力锚或其他结构形式。

步骤五、自沉箱基础结构底部到设计舱室，逐个舱室对沉箱基础结构进行注水，注水过程中，沉箱基础结构将在水重量的偏心作用下，发生倾斜，注水量足够时，沉箱基础结构将从水平变成竖直状态。需要说明的是，转体过程中，沉箱结构受到一定的偏心荷载，需结合具体受力，保证沉箱基础结构的刚度，若无法保证结构的刚度时，需要在沉箱基础结构上设置一定的支撑结构保证结构的刚度，支撑结构可以是竖向加强钢肋板、钢板、型材等刚性结构。

步骤六、沉箱基础结构竖直后，此时沉箱基础结构吃水较大，但仍未着床，张紧沉箱基础结构锚系，增强对沉箱基础结构运动的约束，继续对沉箱基础结构进行加水或加砂，进行定位终沉，使沉箱基础结构底部着床，着落海床面，此时沉箱基础顶部的着床进水口还在水线面以上。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。