科技月创新成果展（1）| 水中超大台阶型沉井基础关键技术研究与应用

一、项目简介

常泰长江大桥是长江上首座集高速公路、城际铁路、一级公路“三位一体”的过江通道，主桥为1176m斜拉桥，是世界上跨度最大的斜拉桥，主塔采用沉井基础结构型式。

依托常泰长江大桥水中沉井基础建设，针对深水超大台阶型沉井基础建造过程中所面临的技术难题，本项目进行了如下研究：（1）提出超大水中沉井基础性能提升与设计理论方法，研发新型沉井基础结构和设计方法，解决水中超大沉井基础设计难题；（2）研究超大超深沉井下沉机理与精细化取土控制方法，提高了下沉阻力计算分析精度，下沉端阻力可控解除，解决了沉井易突沉与涌砂的难题；（3）研发沉井下沉核心取土装备与智能监控技术，解决盲区取土难题，并进行高效、精确、自动化取土，建立“感知-分析-决策-执行”的智能化闭环监控系统，实现沉井可视、可测、可控的高精度平稳下沉。

二、技术特点及创新点

1.技术特点

本项目围绕水中超大台阶型沉井基础建设需求，开展了超大水中沉井基础性能提升与设计方法、超大超深沉井下沉机理与施工技术及装备、沉井基础下沉施工智能化控制技术等三方面的研究，形成了包含新结构及设计方法、施工技术、专业装备、智能控制在内的核心技术，解决了大型水中沉井面临的设计、施工与控制方面的难题。

2.创新点

创新点1：首创了圆端台阶型沉井基础结构型式，揭示了其水动力特性及减冲刷机理，提出了沉井减冲刷关键构造，减少了入土深度约20%；揭示了运营期沉井基础地基土体局部剪切破坏机理，提出了考虑基础埋深和结构全尺寸效应的三维地基承载力修正计算方法，减小了基础结构规模。

创新点2：揭示了多隔舱沉井可控下沉与舱内土体开挖深度、支撑宽度相关性，提出了基于沉井刃脚结构与开挖土体三维效应的下沉端阻力精细化计算方法，研发了基于“极限宽度”的台阶渐进式取土控制方法，实现了下沉端阻力可控解除，解决了沉井突沉与涌砂的难题；提出了基于井侧土体应力松弛的下沉侧阻力精细化计算方法，提高了下沉阻力计算分析精度。

创新点3：研制了机械臂水下定点取土机器人、智能气举取土设备等系列核心取土装备与集群控制系统，实现了台阶渐进式（盲区）精确取土与控制；构建了基于数字孪生的智能监控体系，研发了下沉状态高精度感知及泥面三维形态数据快速处理技术，开发了基于改进CART—MLKNN算法的沉井施工智能决策算法及监控系统，实现了“感知-分析-决策-执行”的智能化闭环控制。下沉过程中垂直度优于1/150，终沉平面偏位小于8cm，垂直度达到1/2000，下沉效率提升50%，减人60%，实现了沉井可视、可测、可控的高精度平稳下沉。

三、推广应用情况

首创台阶型减冲刷减自重沉井，提出超深超大沉井基础地基承载力理论计算公式，实现了沉井设计优化，应用于世界最大跨度斜桥梁——常泰长江大桥沉井基础建造中，大大降低了施工风险及建设成本。

提出沉井下沉阻力精细化计算方法及“台阶渐进式”取土施工技术，研制核心取土装备，构建沉井下沉智能监控体系，已成功应用于常泰长江大桥沉井基础施工。

四、评价、专利和获奖情况

1.评价情况

该项目2022年3月通过湖北技术交易所评价，科技成果整体达到国际领先水平。

2.专利情况

研究成果获授权发明专利10项，实用新型专利17项，申请受理发明专利19项，获批软件著作权6项。

3.获奖情况

2022年荣获中交集团科学技术进步奖一等奖。

来源：水工环保技术部

作者：张磊