摘要：本文以温州北口大桥项目南锚沉井施工为例，介绍在厚软基地质条件和周边环境受限的情况下，大型沉井施工塔机布置方案的优化和决策。
关键字：沉井、软基、塔机布置、优化
1概况
1.1施工简介
北口大桥南锚碇为重力式锚，其基础采用大型沉井结构，沉井顶面高程+4.0m、底标高-63.5m，置于密实卵砾石层。沉井长宽高分别为70m×63m×67.5m，共分四次接高和四次下沉。第一次接高由4节段组成，在高度达到23m后转换成第一次下沉施工，待沉井下沉至-15.5m后转换为第二次接高至38m，然后下沉-33.5m，第三次接高15m后转换下沉至-48.5m，以此类推，沉井施工累计接高67.5m且累计下沉至-63.5m后结束。
沉井首节为8m高的钢壳混凝土结构，钢壳以上均为钢筋砼结构，第2节高6m、第3节高4m、第4节至第11节均高5m，第12节高3.5m，末节高为6m。平面分为30个隔仓，单仓内壁尺寸为10m×10.84m（顺桥向/横桥向），沉井外围井壁厚2m，中间隔墙标准壁厚1.2m，第2节和第3节沉井隔墙及内侧面设置齿坎，以提升封底与井壁间的抗剪能力。
图1 沉井结构示意图
1.2地理环境
该项目地处灵昆岛北口江岸侧，沉井施工区域地基土质由海积淤泥质黏土、夹粉砂、淤泥和卵石等组成，其软基层平均厚度约40m，具有“高压缩性、易扰动性、承载力低”等特性。地下水主要分为潜水和承压水两类，工程地质条件差，首节钢沉井拼装前需对沉井隔墙附近地基进行砂桩、换填处理，以满足沉井接高施工承载要求。沉井北侧靠近瓯江堤岸，南侧为二道防波堤，东侧设置泥浆池，西侧为水上栈桥施工通道。沉井周边施工区域狭窄，阻碍因素多，为减少因地基不均匀沉降而影响施工，沉井周边便道则不考虑混凝土硬化，采用砖渣和预制砼板进行铺设，利于便道灵活调整。如图2所示：
图2 沉井概况
1.3设备布置选择
在地质条件和环境同时影响下，若采用桥门式起重机、固定式起重机、桅杆起重机均难以符合施工要求。首先沉井周边区域狭窄，而且沉井上面施工需同时布置门机、吸泥机等机械，无法布置占地面积大的起重机械；其次沉井尺寸较大，不易采用大型桥门机，其基础处理属于浩大工程，且成本投入巨大；再则沉井北侧约50m范围水域属于浅滩区，每天均会出现潮汐，无法采用大型浮吊船对沉井作业面进行全覆盖施工；臂架类起重机相对比较符合施工要求，其常见有履带起重机、汽车起重机及塔式起重机，因场地狭窄，安装塔式起重机更加合理。塔式起重机（简称“塔机”）具有“基础占地面积小、功效高、吊装覆盖面广、通用性好”等特点。
主要涉及吊装的有钢模板、门式起重机、布料机、集料斗及小型挖机等，详细见下表。
最大起重量是10t液压布料机安装，最大的起重力矩是16t门式起重机安装，在顺桥向沉井中心线至边的距离为35m，需塔机在能力范围内至少能满足8t重物吊装。沉井外侧设有降水井、排水沟和环形便道，其中降水井和排水沟占地宽度约5m，如图2（示意图）所示。
为保障施工进度和匹配生产规模，该沉井施工布置四台塔机，用于沉井施工两个工况，其一为沉井接高施工，塔机可正常使用；其二为沉井下沉施工，周边将出现涌土、塌方等现象，需优化塔机布置方案。参照类似项目施工经验和结合该工程施工工况，本文从几种不同的塔机布置方案进行分析。
2 塔机选型及布置方案
2.1塔机选型
若考虑在沉井外侧布置塔机，需错开排水沟和降水井（宽计5m），塔机可在距离沉井边10m处进行布置，最大吊距将增加至50m（对照表2），最大起重力矩为16t门机安拆（45m吊重8t）。根据市场现有塔机资源，可选择QTZ550型塔机（或能力相当其他规格），设备最大起重能力为25t，选择50m起重臂，该工况在45m处能起重10.39t＞8t，符合施工要求。四台塔机可分布在沉井每边中心线上，能均匀覆盖沉井吊装区域。若在沉井上面布置塔机，最大起重力矩为35m范围吊重8t，可选择QTZ315型塔机（或能力相当的其他规格），设备最大起重能力为18t，选用45m起重臂，在35m范围可起重9t＞8t，符合要求。
由于形成了群塔作业，为避免塔机碰撞，四台塔机安装高度需高低错开，同时控制塔机的整体安装高度，选择平头型塔机较为合适。
2.2塔机布置方案
2.2.1沉井外布置塔机
若在沉井外围布置四台塔机，其最小吊高为37.6m（沉井外露高度22.5m+门机高度9.5m+吊绳及钩头竖向5m+沉井顶面预留钢筋高度0.6m），则需QTZ550塔机最小高度为38m，按高低塔竖向安全距离不小于5m的要求，各塔之间应至少错开两个标准节高度（11m），则其余三台塔机高度分别为49m、60m、71m，该类型塔机所允许的最大独立高度为69m＜71m，最高塔机需安装附着才能安全使用。
图3 沉井外侧布置塔机示意图
平头塔机基础结构形式常见的有“固定式、压重式及行走式”三种，其中固定式塔机在沉井周边布置难度较大，需进行基础换填和硬化，或者进行打桩加固。因沉井下沉施工影响面广，其周围将出现大量涌土和塌方，会直接破坏基础（或造成基础桩倾斜）引起塔机倾覆。压重式塔机布置方式与固定式塔机相类似，但压重式塔机基础尺寸相对较大，需对基础应进行夯实、整平，在基础中心范围内铺设碎石，然后铺设路基箱，再安装十字底架和压重块，如图4所示。但压重式塔机布置方式仍然面临同样的风险。
图4 压重式基础示意图
以上两种方案均可在沉井下沉期间提前拆除塔机，待沉井转换为接高施工时，再重新处理地基和安装塔机，能有效降低安全风险，可在沉井下沉和接高工序转换过程，将反复进行地基处理和基础预埋，且这两种基础形式的塔机均需整体拆除和安装，耗时较长，还涉及到构件转运和占地存放问题，施工流程繁琐，不利于施工。
若采用行走式塔机，在沉井接高施工期间可正常使用，在沉井下沉时移开至安全区域停放，中途无需拆除和安装，能有效避免沉井下沉带来的安全风险。因沉井北朝瓯江，南侧为防波堤和水沟，东侧（瓯江下游方向）为泥浆池，均不适合铺设行走轨道，仅有西侧（瓯江上游方向）可布置塔机行走轨道。为保证塔机吊幅半径均匀覆盖沉井，其行走轨道应沿沉井南北两边平行布置。综合考虑成本和地基处理，可布置两道双轨，每条双轨上同时安装两台塔机，如图5所示。轨道边缘与沉井外墙边距为10m，塔机高度和臂长与前两种布置方式一致，仍需高低塔保持安全距离。
图5 行走式塔机布置示意图
此方案具有“战线长、轨道基础处理量大、成本高、交叉作业频繁”等特点，塔机整体高度较高，其中1台已超出最大独立高度，需特别设计行走机构。在沉井下沉期间还需及时拆除轨道，待工序转换为接高施工时，又需重新处理轨道基础，加上轨道较长，会阻断主栈桥施工便道，需特别设置轨道专线或错峰施工，地基处理工程量大，组织难度大。
2.2.2沉井上布置塔机
若将四台塔机布置在沉井上面，无需考虑沉井本身高度影响，QTZ315塔机最小高度满足15.1m吊高即可（门机高度9.5m+吊绳及钩头竖向尺寸5m+预留钢筋高度0.6m），四台相互错开三个标准节高度（9m），则塔机独立高度分别为16m、25m、34m和43m，均小于最大独立高度61m。为避免因不均匀载荷影响沉井姿态，结合塔机使用覆盖范围，将塔机分别安装在沉井的四个角上。如图6所示：
图6 沉井上面布置塔机
因沉井首节为钢结构，可选择在沉井第2节接高施工开始预埋基础节。为确保塔机施工安全，基础节下面采用型钢进行固定和支撑，并与沉井钢筋进行有效连接，再浇筑C35混凝土形成整体，应注意控制好基础节垂直度。在沉井每次接高时，塔机同时进行顶升加节，其下面的标准节将直接埋在钢筋混凝土中，作为永久性结构。
此方案塔机整体安装高度较低，设备布置相对集中，设备规格减小，起重臂缩短，稳定性相对较好，但受沉井下沉姿态影响较大，需实时监控和安全管控。
3方案对比分析
15缺点 安装高度较高，稳定性差、其中1台需安装附着、安全风险高、塔机选型偏大、地基处理频繁、成本高、安拆时间较长、需设专场堆放构件，对施工影响较大 安装高度较高，稳定性差、其中1台需安装附着、安全风险高、塔机选型偏大、地基处理频繁、需特制压重基础、成本高、安拆时间较长、需设专场堆放构件，对施工影响较大 安装高度较高，稳定性差，其中1台超过独立高度需特制行走基础，塔机选型偏大、轨道基础工程量大、占地面积大、交叉作业频繁、成本高、组织难度大，对施工影响较大 受沉井姿态影响大，需对沉井姿态实时监控，控制下沉姿态，面对突沉风险需提前拆除臂架和部分标准节
以上四种方案均需要其他起重设备辅助施工，其中方案1~3塔机安装高度较高，受沉井周边地基沉降影响，需频繁处理地基，且间隔时间长，对沉井施工进度有较大影响，加上设备成本相对较高，安全风险较大。方案4相比其他三种方案更具优势，设备选型相对减小，安装高度适中，标准节直接埋入沉井钢筋砼结构中，整体稳定性较好，且投入成本相对较低，北口大桥南锚沉井施工最终选择该方案。
4实际施工情况
实际施工过程中，需持续监控沉井姿态和地质变化情况，合理安排取土量和降水量，以控制沉井表面高度差，从而保障塔机的垂直度。在塔机上安装安全监控系统，实时掌握设备状态，定期观测塔机垂直度，随时掌握设备姿态。另外配备履带起重机辅助施工，可在沉井有突沉风险时及时拆除塔机臂架，以减少塔身弯矩载荷。
经施工实践证明，沉井下沉施工会经常引起周边涌土，其周边最大影响范围约50米，在这种厚软基层地质条件下，在沉井周边布置塔机的安全风险较大，选择在沉井上布置方案是可行的。
图7 沉井塔机施工现场（终沉到位）
5、结语
本文所述内容可供类似工程借鉴和参考，沉井施工塔机布置方案应持续总结和完善，以促进工程项目建设。
6、参考文献
［1］《塔式起重机》GB/T 5031-2008
［2］《塔式起重机安全规程》GB5144-2006
［3］《塔式起重机混凝土基础工程技术标准》JGJT 187-2019
［4］《塔式起重机使用说明书》
［5］《温州瓯江北口大桥南锚沉井接高及下沉施工技术方案》