创新：解析“水天桥塔[+]”
——写在泰州大桥中塔首节钢箱塔柱扎根沉井基础时
□奔腾

    2009年5月17日，乘着全国“两会”的东风，和着江苏“两个率先”的健步，载着部、省专家组视察的激励，循着省指挥部第三战役的号角，伴着中交二航喜获“中国最具影响力企业”的鞭策，我公司承建的泰州长江大桥中塔又传捷报：随着液压系统按照张拉顺序，均衡张拉第4个塔座上预埋的34根锚杆，对每根锚杆首次施加150吨的拉力，使首节钢箱塔柱与塔座锚固密连一体，顿现出钢塔从此牢牢扎根“世界水中最深沉井”的瑰丽新姿。只见座落在井顶四角2米高塔座上的钢塔四肢，呈辐射向心收敛，苍劲指向蓝天。那玉质塔座与银白塔柱春晖四溢，犹如中华神剑出鞘，宛若埃菲尔铁塔基座般雄浑，彰显出“泰桥人”践行科学发展观的结晶，展现出中国迈上建桥强国新的例证，标志着中塔步入迭加钢塔记录，将以初现“水天桥塔[+]”为新中国六十华诞增添喜庆。

水天桥塔1+1

    泰州大桥中塔“水天[+]”,虽不可与陈景润大师解析数学皇冠宝石的“1+1”同语，却是苏通大桥主塔水中与天上两项世界纪录“1+1”的中国接续，是当今中国桥梁建设的新闻[+]。所不同的是，苏通大桥是群桩基础之最、混凝土桥塔之最，泰州大桥是水中沉井基础之最、钢箱桥塔之最。还是让我们从泰州大桥说起，一道来探究中塔“水天[+]”的创新解析。
    泰州大桥，是我国公路骨干网络跨越长江天堑的新通道，联结泰州、镇江和常州市。其主桥为三塔悬索桥，属世界首创，跨径布置390+1080+1080+390=2940米，桥宽33米，双向高速6车道，极具科技创新型、资源节约型、环境友好型的创意特征：巧妙利用“w”形河床，仅在江心设置中塔，南、北塔建在岸边，以千米双主跨越江，大幅缩短了主跨径，节省了建设投资；江面只有中塔基础阻水，维护了河势稳定，维持了上、下主航道分行的现状，与自然与航运和谐友好。
    然而，三塔千米跨径悬索桥的桥型创新，使中塔不同于以往桥塔，蕴含系列前沿关键技术，成为全桥控制性工程。中塔承受着两侧千米主跨的荷载，且须适应一跨满载、一跨空载的设计极端状态，要求基础体态庞大、深层埋置、坚如磐石，要求塔身高大挺立、刚柔相济、稳如泰山。这种结构规模空前又与综合复杂环境、建设标准超常交织集合，使得科技创新、破解难题成为创造“水天[+]”的源泉与灵魂。
    结构规模空前。沉井截面井口为64.4×50.4米，井身为58×44米，刃脚为58.4×44.4米；井体高76米，由38米钢箱段上接38米混凝土段组合；在17米深水中，沉入海平面以下70米地层，是“世界水中埋置最深的巨型沉井”。钢箱塔身高达192米，且结构三维精巧：两根人字形塔柱，交点以下柱高72米，4肢以4：1的纵坡与塔座锚固；两柱相向内倾3650：69，柱顶与柱底中心间距分别达35.8米、42.7米；塔柱截面硕大，横桥向为5米，纵桥向的斜腿段为6米、过渡段与直线段为15.614—9.672—6米渐变；柱间以箱式上、下横梁联成门字形塔身，“人”与“门”、既高又大的钢箱塔身亦属世界之最。
    综合复杂环境。桥区位于长江下游感潮、开敞河段，水文、气象、地质、航运等施工环境综合复杂：中塔处于2100米江面中心，水深达17米，大汛流速达2.81米/秒，洪汛期长，大潮接续；频受台风袭扰，常刮阵性8级大风，多大雾、暴雨、霜雪；河床地质松软，沉井易冲刷、易突沉；两侧紧贴主航道，日过往船舶达3000艘，且施工须穿越主航道，建塔与航运的关联性强。中塔施工又对这些综合复杂环境因素异常敏感。
    建设标准超常。桥型世界首创、中塔结构特征、一流品质定位，使其超常精准：沉井平面偏位不大于50厘米，倾斜度不大于1/150，扭转角不大于1度；塔柱的倾斜度偏差不大于1/4000，塔墩中心距偏差不大于±2毫米，塔顶高程偏差不大于10毫米。这对于结构量变质变、环境异常敏感的中塔，剧增了科技含量与实施难度，也更具“水天[+]”的魅力。

深水沉井磐石基

    结构、环境与标准等工程特征集合，使中塔水中沉井面临诸多难点与风险：前所未有的体态与埋深，无成熟技术借鉴；井区水深流急，沉井下沉受双向水流、河床冲刷的影响，实施难度大；钢壳沉井体积庞大、高达38米，整体浮运难度大；沉井对水文、气象、航运等因素敏感，精确定位难度大；沉井着床下沉阻水，引致河床局部冲刷与淤积，地层松软易突沉，沉井的几何姿态控制难度大；迎着长江洪汛大潮开工，必须选择年底枯水期有利条件着床，且须确保次年汛前沉至－60米稳定深度安全渡汛，这两个规避风险的关键节点工期，使技术与组织的难度更大。
    鉴此，这支以擅长技术创新担负重任的团队，自觉遵从省指挥部的科学组织，与设计、监理、检测、海事等参建各方通力合作，尊重科学、尊重专家、博采众长，珍惜“政府引导、施工龙头、产学研相结合”的创新体制，营造“管理者、工程师、能工巧匠三结合”的创新机制，整合中外技术资源，4次专家咨询评审，动态优化方案，超前解析河床冲淤规律、沉井姿态监控、钢壳沉井浮运、沉井定位着床、沉井接高下沉等5项关键技术，在创新中克难化险，引领各工序始终顺利，又好又快建成了水中沉井之最。
    对策好施工期河床冲淤。通过河工模型试验，研究沉井定位至沉入稳定深度的河床冲淤变化，为沉井安全精准下沉提供理论导向。依据着床后流速1.2米/秒时局部冲刷深度深度10米、流速2.81米/秒时局部冲刷深度大于40米，选定枯水期着床、次年汛前沉至－60米稳定深度，并相应控制沉井波动性与底部安全性，制定河床防护应急预案。
    研发出沉井数字化动态监控系统。实时监控沉井的几何姿态与物理状态，维系沉井安全、攸关沉井精度，一旦超出范围将无法回归、铸成大错。研发的GPS与传感器采集、数字化动态监控系统，实时可靠生成传输沉井中心位置、标高、扭角、垂直度、河床地形与井底状态等几何姿态数据，以及井底阻力、井壁压力、拉缆索力、隔舱水量等物理数据，通过数据分析及时调控沉井，“电子眼”保证了沉井全过程受控，并为分析改进沉井施工技术提供了完整的原始信息。
    巨型沉井浮运就位技术。钢沉井截面达58×44米，为确保首次下沉超过冲刷深度，选择井高38米。开工又适值汛期，传统的井位处接高方法，既不安全，又不能满足当年枯水期着床的必须。通过对浮运期流速、风压、吃水深度、井壁与隔舱阻力的分析，计算各种工况的稳定性，进行沉井浮运就位系统设计，采取与锚墩拉缆定位系统同步实施，优化为岸边临时锚地接高、干浇混凝土增强整体浮运稳定性、3艘4000马力拖轮浮运、锚墩拉缆灵巧转缆定位、隔舱注水平稳就位。从而，节约了2个月工期，保证了安全实施与提前着床，并创造了4200吨巨型沉井27米干舷浮运就位的纪录。
    沉井定位着床技术。针对传统的“定位船＋锚碇”柔性定位体系对水文、气象、航运、精度的适应性差，且易致沉井自激摆振等不足，采取嫁接钢管桩码头结构创新，在井位上、下游冲刷区外设置钢锚墩，替代定位船承受沉井定位阻力，形成半刚性的“钢锚墩＋锚系”定位体系。根据河床冲淤分析，选择12月低水位、小流速、稳流态、高平潮时段，通过实时信息化监控缆力与井姿，在锚墩上操控沉井各向拉缆，向隔舱对称、平衡、快速注水局部入床；分析冲淤、调整姿态后，隔舱偏心注水、井内偏心吸泥，至沉井入床4米、井底3/4与河床面平稳接触，实现了安全、快捷、精准着床。且锚墩经改造作为永久防撞墩，又节约了投资。
    沉井接高下沉技术。钢沉井入床引致冲淤加剧，必须抢在汛前以5个月接高下沉至－60米稳定深度安全渡汛，并尽快终沉封底永久稳定，要求接高下沉的非常效率各环节不得发生半点障碍。通过分析下沉各项参数，对策接高下沉工艺，采用翻模分5次接高、4次下沉混凝土沉井，在井顶布置接高与下沉双重设备交替，采用气举法与钻吸法、先核心区后周边区顺序，实施全断面“大锅底”与分井洞“小锅底”匹配吸呢，监控下沉系数、河床冲淤与井底支承状态，保持刃脚以上土层厚度，防止井底穿透、满足接高稳定，在持续暴雪、浓雾、大风的气象下，以平均接高0.3米/天、下沉0.6—1米/天的高效率“零障碍”确保了安全渡汛。又优化分井洞清基终沉、封底技术，分6次对称分洞清基，避免了突沉与超沉，并在刃脚抛填碎石封堵层，分6区平衡浇筑19500方混凝土，实现了－70米水中11米厚度封底。
    创新破解难题，技术引领施工，战胜了结构、环境、标准等集成风险。从2007年7月23日钢沉井接高，到2008年10月1日沉井封底，仅用429天，并以沉井偏上游12.7厘米、偏南6.5厘米、垂直度1/364、扭转角14.9分等远优于设计标准，安全、优质、高效、节约地建成了世界水中最沉沉井；形成了《深水、超深、巨型沉井施工成套技术》，为类似工程的规划、设计与实施提供了借鉴；锚墩定位技术已申报国家级发明专利，沉井施工技术已推荐国家级工法。

倚天钢塔泰山躯

    结构、环境与标准等工程特征的集合，也使高大钢箱桥塔安装面临诸多难点与风险：钢塔高、刚度小，多阵性大风与跨台风期施工，须避免风致振动；节段重、体态大、吊距远、吊高大，且国内首次采用12米长、“哈弗式”节段安装，对起重设备有特殊要求；几何线型、无应力、无扭转等安装标准高；首节钢柱与混凝土基础，采用空间倾斜锚杆群锚固，基准定位难度大；人字形塔柱结构，合龙段精密定位难度大；上、下横梁与塔柱联成门字形，高空三维定位难度大；钢塔对风力、光照、温度、湿度等环境更为敏感，施工监测控制难度大。
    为此，在指挥部的引领下，这支承建过十几座世界级高塔的团队与相关方凝心聚力，超前一年调研中外先进技术与装备资源，把握安装技术方案与监测控制两条主线，聚焦塔柱锚固、合龙段、下横梁、上横梁等安装与控制的关键节点，优化方案、更新装备、细化工艺、科学监控。并经3次专家咨询评审，形成精致化的安装与监控作业指导书。从而，以锚杆群与承台施工顺畅搭接，以高效率、高精度完成首节吊装与塔柱锚固，以下塔柱、下横梁安装平台搭成，步入人字塔柱安装，朝着钢箱桥塔之最冲击。
    监测控制体系化。引入精度管理、无应力安装、全过程控制理念，从“逐步分析、顺序优化、阶段目标线形”上计划控制，从“节段制作、滚动试拼、误差补偿”上制造控制，从“理论坐标、实时测量、环境修正、参数识别、误差评处”上安装控制；建立“监控数据库管理系统”，资源共享，信息畅通，逐段指令安装、线形评估修正；设置4道调节缝，横撑主动顶推，消除累积差误，保障首节段、合龙段、下横梁、上塔柱、上横梁安装精度；研发出开阔水域、超高钢塔的几何物理数据信息监测系统，实时监测线形、应力、风力、温度和基础沉降指标，用分析软件和分析模型修正。
    塔柱锚固技术。首节塔柱与塔座采用螺杆法锚固连接，柱底压力通过承压板传递到承台，弯矩与剪力由螺杆传递。针对塔柱、支承面与螺杆群皆为三向倾斜，人字双肢、双柱四肢的基准定位精度标准高，特制定位支架系统，对每肢34根长而重（直径130毫米、长10.184米）的螺杆群精密定位，并复测控制；采用高性能1200吨起重船、专用吊具和导向牵引装置，使首节D0塔柱在20毫米间隙下顺适穿过螺杆群、座落至塔座，并通过三向液压系统使4肢无扭转、基准匹配、精准定位；通过大比尺3组模型试验，优选承压板与塔座之间压注高强无收缩水泥浆，优化配合比与压浆工艺，使三维支承斜面严密接触、气泡率小于5%；采用液压系统程序控制，顺利完成了安装期锚杆群均衡首次张拉（每根150吨、每肢5100吨拉力）。
    下塔柱与下横梁安装技术。下柱D1至D4段、横梁及上柱D5段，皆为既长又重构件（D5段长15米、重496吨、安装高度达74.26米、重496吨/横梁长31.39米、宽14.85米、高4.94米、重497吨、安装高度57.9米），且下柱节段三维倾斜，选用国内先进的1000吨起重船吊装，以两主钩不同提升高度调整节段4：1的人字倾斜，以特制吊具调整人字内倾度。为满足线型平顺、无应力安装，D1—D3顶口各设置一道液压主动横撑及节段精密调控系统；D4段（高10.775米重470吨）为人字形合龙段与横梁匹配联“门”，选择在D3顶口设置8对支座液压顶升精密调位系统，以便捷操控塔柱线形与合龙精度；在横梁下方设置接梁支墩，以主动横撑微微撑开双柱接收横梁，通过三向液压系统与D4节段精确匹配联结成“门”。
    上塔柱与上横梁安装技术。上柱D6至D20段、上横梁，最大吊重143.81吨、安装高度192米，选用国际最大功能的MD3600塔吊，经过适应性改造后用于吊装，满足起升高度210米、20米吊幅起吊160吨、30米吊幅起吊86.8吨、非工作风速达60米/秒、工作风速达20米/秒的要求。针对上柱柔性大的特征，自下横梁上搭设支架、设置主动横撑与调位系统，控制线型与精度；上横梁分为三片，左、右两片分别与塔柱锚固，中间片与之拟合匹配。
    此时此刻，笔者站在江心沉井基础上，注目钢塔4肢“中华倚天剑出鞘”，仰视钢管桁架安装平台高高耸立，联想七月流火时人字双柱与硕大横梁联成“神州钢塔凯旋门”，畅想枫叶醉红时钢塔封顶造就“世界桥塔埃菲尔”，我作为一名建设者，心潮澎湃、豪情满怀，我们中国人自主创新，造就了由两项世界纪录叠合、顶天立地270米的桥塔中国“人”!