陶樂黃河特大橋主墩雙壁鋼圍堰設(shè)計(jì)與施工

潘志明

(中鐵十九局集團(tuán)第四工程有限公司,內(nèi)蒙通遼 028000)

1 工程概況

陶樂黃河特大橋位于寧夏回族自治區(qū)北部,行政范圍屬于石嘴山市陶樂縣、平羅縣,以黃河為自然分界,河?xùn)|屬于陶樂縣,河西屬于平羅縣。橋梁設(shè)計(jì)全長(zhǎng)1770m。全橋的跨徑組合為:(35×30+60+5×90+60+5×30)m=1 770m。主橋的跨徑組合為:(60+5×90+60)m,主橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。

39號(hào)、40號(hào)墩為水中大跨主墩,采用群樁承臺(tái)基礎(chǔ)。39號(hào)墩 14根鉆孔灌注樁,直徑 1.8m,40號(hào)墩 10根鉆孔灌注樁,直徑 1.8m,承臺(tái)平面均為八角形狀。39號(hào)墩承臺(tái)外形結(jié)構(gòu)最大平面尺寸為 1 685 cm×1 565 cm,頂面高程為 1 096.184 m,底面高程為1093.184m,承臺(tái)厚度為 3.0m。40號(hào)墩承臺(tái)外形結(jié)構(gòu)最大平面尺寸為 1 685 cm×1 100 cm,頂面高程為 1 093.497m,底面高程為 1 090.497m,承臺(tái)厚度為 3.0 m。陶樂黃河大橋主墩承臺(tái)采用雙壁鋼圍堰進(jìn)行設(shè)計(jì)施工(圖1)。

2 施工方案的確定

設(shè)計(jì)采用鋼套箱圍堰進(jìn)行承臺(tái)施工。考慮這種圍堰在水壓力作用下,只產(chǎn)生環(huán)向軸力,可不設(shè)內(nèi)支撐,因此能提供足夠的施工空間,鋼套箱圍堰的內(nèi)徑比承臺(tái)外徑稍大,在灌注承臺(tái)混凝土?xí)r,可作為承臺(tái)模板使用。另外,由于其截面可以導(dǎo)流,因此抗水流能力強(qiáng),對(duì)于流速較大的深水施工十分有利。

3 橋址處自然條件

3.1 水文條件

300年一遇最高水位1 099.96m,流量8 520m3/s,平均流速 1.26m/s;100年一遇最高水位 1 099.69m,流量 7 370m3/s,平均流速 1.21m/s;10年一遇最高水位 1099.17m,流量 4 900m3/s,平均流速 1.09m/s。汛期為 7、8、9三個(gè)月,平均每年 11月 24日至下一年 1月 14日為冰凌期,封河時(shí)水位較封河前水位平均上漲1.5～2.0 m。測(cè)時(shí) (2003年 8月 22日)水位1096.95m。通航水位 1 099.17m(相當(dāng)于 10年一遇洪水位)。常水位 1097.77m(Q=1 050m3/s)。施工水位 1 098.684m。

3.2 地質(zhì)條件

主墩河床地質(zhì)條件自上而下依次為細(xì)砂、粉砂、亞黏土,細(xì)砂層為大橋的主要持力層。

3.3 河床沖刷

(1)河床高程:39號(hào)墩為 1 096.975m,40號(hào)墩為1094.460m。

(2)沖刷:一般沖刷,上層土壤平均粒徑 0.239 mm,一般沖刷后最大水深 9.12m;局部沖刷:群樁基礎(chǔ)取中層土壤平均粒徑 0.239mm,沖刷為 4.23m。總沖刷深度:15.35m(包括 2m天然沖刷)。

4 鋼圍堰設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)設(shè)計(jì)荷載取值。流水?dāng)嗝嬖O(shè)計(jì)流速 1.21m/s;封底混凝土容重 23 kN/m3;水的容重 10 kN/m3;靜水壓力 10kPa;細(xì)砂容重 18 kN/m3。

(2)設(shè)計(jì)荷載組合。水平荷載:靜水壓力 +流水壓力 +土壓力 +其他;豎直荷載:鋼圍堰自重 +配重 +封底混凝土自重 +浮力 +其他。

(3)結(jié)構(gòu)參數(shù)取值。考慮施工 10 cm的誤差,鋼圍堰平面為圓形結(jié)構(gòu),雙壁鋼圍堰壁厚為 1.2m,39號(hào)墩鋼圍堰內(nèi)徑為 20.2m,外徑為 22.6m,刃腳高為 1.2 m,總體高度為 8.4m;40號(hào)墩鋼圍堰內(nèi)徑為 17.40m,外徑為 19.80m,刃腳高為 1.2m,總體高度為 12.0m。

4.2 強(qiáng)度計(jì)算(圖2)

圖2 封底抽水后鋼圍堰計(jì)算荷載模式

鋼圍堰吸泥下沉?xí)r,圍堰內(nèi)保持水面高程與圍堰外水位高程大致相同(邊射水邊吸泥)。圍堰下沉到設(shè)計(jì)高程,進(jìn)行水下混凝土封底,封底混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后,抽水進(jìn)行承臺(tái)施工,此時(shí)圍堰各桿件受力最大。計(jì)算結(jié)果見表1、表2。

表1 39號(hào)墩鋼圍堰最大受力計(jì)算結(jié)果 MPa

表2 40號(hào)墩鋼圍堰最大受力計(jì)算結(jié)果 MPa

4.3 鋼圍堰計(jì)算方法及模式

計(jì)算模型分析:將鋼圍堰面板所承受的水壓力轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)力,節(jié)點(diǎn)力方向垂直于各構(gòu)件,按實(shí)際情況,桿件賦予了各自的材料特性,同時(shí)將豎向鋼箱模擬在模型中。計(jì)算內(nèi)容:鋼圍堰在水平水壓力、土壓力和浮力作用下,對(duì)鋼圍堰整體進(jìn)行計(jì)算,分析水平桁架、豎向桁架等。

由于具有顯著的抗病毒活性，脂氨基酸（lipoamino acids）已經(jīng)引起研究人員的重視。某些酰基氨基酸衍生物也被報(bào)道可以抑制流感神經(jīng)氨酸酶（influenza neuraminidase）[159]。一些Nα-棕櫚?；陌被?肽當(dāng)并入模型膜內(nèi)，會(huì)影響轉(zhuǎn)變溫度（transition temperature）（從雙層向六角聚集的轉(zhuǎn)變）。

約束條件:封底后鋼圍堰底為固接,水平桁架和豎向桁架節(jié)頭為固接。

4.4 鋼圍堰結(jié)構(gòu)布置(圖3、圖4)

圖3 39號(hào)墩雙壁鋼圍堰平面、立面(單位:cm)

圖4 40號(hào)墩雙壁鋼圍堰平面、立面(單位:cm)

39號(hào)墩雙壁鋼圍堰平面呈圓形,內(nèi)徑 20.2 m,外徑 22.6m,刃腳高為 1.2m,總體高度為 8.4m。根據(jù)起吊和運(yùn)輸能力,把鋼套箱在高度上分節(jié),除刃腳(高1.2m)外,分為 3節(jié),各節(jié)高均為 2.4m。鋼套箱在平面分成 8塊,各塊圓心角 45°,外弧長(zhǎng) 8.875 m,內(nèi)弧長(zhǎng)7.933m。鋼圍堰內(nèi)、外壁板和隔艙板厚度 δ=5mm;水平加勁肋 10mm×160mm,第一節(jié)至第三節(jié)豎向間距分別為 300、400、600mm;水平環(huán)形桁架弦板為 10 mm×200mm+16mm×110mm,腹桿為75mm×75 mm×6mm,水平環(huán)形桁架豎向間由第一節(jié)至第三節(jié)分別為 600、800、1 200 mm;豎向加勁肋63mm×63 mm×5mm,間距為 296mm(外壁板上)、264mm(內(nèi)壁板上);鋼套箱內(nèi)外壁板間設(shè)豎向桁架,弦桿75mm×75mm×6mm,腹桿63mm×63mm×5mm,節(jié)間長(zhǎng)度為 1 200mm,豎向桁架間距為 4 438mm(外壁上)和3967mm(內(nèi)壁上);鋼套箱豎向設(shè) 8個(gè)隔艙,隔艙板板厚 δ=5mm,水平加勁肋63mm×63mm×5mm,豎向間距為 300、400、600mm。

40號(hào)墩雙壁鋼圍堰平面呈圓形,內(nèi)徑 17.40m,外徑 19.80m,刃腳高 1.2 m,總體高度 12.0m。根據(jù)起吊和運(yùn)輸能力,把鋼套箱在高度上分節(jié),分為 5節(jié),各節(jié)高均為 2.4 m。鋼套箱在平面分成 8塊,各塊圓心角 45°,外弧長(zhǎng) 7.775m,內(nèi)弧長(zhǎng) 6.833m。鋼圍堰內(nèi)、外壁板和隔艙板厚度 δ=5 mm;水平加勁肋 10mm×160mm,第一節(jié)至第三節(jié)豎向間距為 300 mm,第四節(jié)間距為 400mm,第五節(jié)間距為 600mm。水平環(huán)形桁架弦板第一、二節(jié)為 10mm×200mm,間距 600mm,第三、四節(jié)為 10mm×200mm+16mm×110mm,間距為600、800 mm,第五節(jié)為 10 mm×200mm,間距 1 200 mm;腹桿為75mm×75mm×6mm。水平環(huán)形桁架豎向間距第一、二、三節(jié)為 600mm,第四節(jié)為 800mm,第 5節(jié)為 1 200mm。豎向加勁肋63mm×63mm×5 mm,間距為 311mm(外壁板上)、273mm(內(nèi)壁板上);鋼套箱內(nèi)外壁板間設(shè)豎向桁架,弦桿75mm×75mm×6mm,腹桿63mm×63mm×5mm,豎向桁架設(shè)置在隔艙板中間,共有 8副;鋼套箱豎向設(shè) 8個(gè)隔艙,隔艙板板厚 δ=5mm,水平加勁肋63mm×63 mm×5 mm,豎向間距:第一 、二節(jié) 600mm,第三節(jié) 300mm,第四節(jié) 400mm,第五節(jié) 600mm。

5 鋼圍堰施工

鋼圍堰采用岸上分塊加工,通過水上運(yùn)輸設(shè)備運(yùn)至墩位處,在水中平臺(tái)上焊拼。加工過程中嚴(yán)格控制質(zhì)量,實(shí)行工序控制,每完成一個(gè)工序的工作,經(jīng)檢驗(yàn)合格后再進(jìn)行下一道工序的施工。加工完一節(jié)即在岸上進(jìn)行試拼裝,以減小加工過程中的人為誤差和累計(jì)誤差。鋼圍堰施工工藝流程見圖5。

圖5 鋼圍堰施工工藝流程

5.1 鋼圍堰吊裝塔架搭設(shè)

利用對(duì)稱的 4根鉆孔樁護(hù)筒(或在承臺(tái)范圍內(nèi)對(duì)稱地打設(shè) 4根鋼管樁)作為鋼圍堰起吊塔架基礎(chǔ),將護(hù)筒或鋼管樁接高,再在鋼護(hù)筒或鋼管樁上布設(shè)工字梁并在工字梁端頭設(shè)吊點(diǎn)用于起吊鋼圍堰。在吊裝塔架的工字梁的吊點(diǎn)上安裝 8臺(tái)容許起重量為 200 kN的倒鏈葫蘆作為起重設(shè)備。圍堰拼裝平臺(tái)搭設(shè)原鉆孔樁平臺(tái)上進(jìn)行改造,搭設(shè)鋼圍堰拼裝平臺(tái),在拼裝平臺(tái)上加工、拼裝鋼圍堰。

吊裝塔架的吊裝設(shè)備為 8臺(tái) 200 kN倒鏈葫蘆,上端掛在工字梁的懸臂端的吊環(huán)上,下端掛在鋼圍堰上的吊環(huán)上,按鋼圍堰最大節(jié)重 1 500 kN,每個(gè)吊點(diǎn)的實(shí)際吊力為 187.5kN。

5.2 鋼圍堰的拼裝、下沉

5.2.1 拼裝

(2)鋼圍堰按序號(hào)逐塊連接拼裝接高,拼裝時(shí)必須以圍堰中心為對(duì)稱拼節(jié),保證鋼圍堰的整體穩(wěn)定及倒鏈葫蘆的均衡吊力。鋼圍堰接高完成后靠自重下沉到一定的深度時(shí)即不再下沉,這時(shí)就要給鋼圍堰增加配重使之克服浮力下沉到河床一定深度;增加配重的辦法是向鋼圍堰雙壁之間注水、填砂或者澆筑混凝土,使鋼圍堰及內(nèi)部填充體的重力大于鋼圍堰的浮力而繼續(xù)向河床下沉。在向鋼圍堰內(nèi)填充配重物時(shí)要保證配重均勻、鋼圍堰下沉均勻。

5.2.2 鋼圍堰吸泥下沉

鋼圍堰底部刃腳進(jìn)入河床后鋼圍堰開始下沉緩慢直至不再下沉,這時(shí)就要在鋼圍堰內(nèi)射水吸泥使其下沉到達(dá)設(shè)計(jì)高程。利用空壓機(jī)、吸泥泵、高壓射水裝置吸泥,在鋼圍堰雙壁間注水及灌注混凝土配重,使鋼圍堰緩慢下沉至設(shè)計(jì)高程。

5.2.3 鋼圍堰糾偏

鋼圍堰在配重下沉和內(nèi)部吸泥下沉過程中總是由于各種不均勻、不平衡因素而使鋼圍堰產(chǎn)生傾斜現(xiàn)象,在鋼圍堰的較高側(cè)內(nèi)部射水吸泥是糾正鋼圍堰傾斜現(xiàn)象的辦法。鋼圍堰在下沉過程中總是在邊下沉、邊測(cè)量、邊進(jìn)行射水吸泥糾偏,直至到達(dá)設(shè)計(jì)高程。

5.3 鋼圍堰封底

鋼圍堰下沉到位后,搭設(shè)封底平臺(tái),采用剛性導(dǎo)管法灌注水下混凝土。39號(hào)墩封底凈面積為 285m2左右,厚度 2.5m,總方量為 720m3,根據(jù)導(dǎo)管的作用半徑和施工經(jīng)驗(yàn)計(jì)算得出需要布設(shè) 13根導(dǎo)管;40號(hào)墩封底凈面積為 240m2左右,厚度 3.0m,總方量為 720 m3,根據(jù)導(dǎo)管的作用半徑和施工經(jīng)驗(yàn)計(jì)算得出需要布設(shè) 10根導(dǎo)管?；炷僚浜媳戎袚郊泳從齽?混凝土初凝時(shí)間可達(dá) 24h左右。封底混凝土的澆筑順序?yàn)?先周邊,后中間。

6 雙壁鋼圍堰施工注意事項(xiàng)

(1)鋼圍堰及胎具制做的有關(guān)加工細(xì)節(jié)必須符合橋規(guī)中鋼結(jié)構(gòu)部分有關(guān)規(guī)定,對(duì)焊縫及輪廓尺寸須進(jìn)行嚴(yán)格檢查,以確保焊縫的焊接質(zhì)量。浮運(yùn)下水前必須做水密性試驗(yàn)。

(2)拼裝平臺(tái)要保證水平。拼裝鋼圍堰時(shí)要保證圓曲線準(zhǔn)確、對(duì)正、垂直。鋼圍堰拼組時(shí)應(yīng)先將各塊點(diǎn)焊成型,待對(duì)其高度、傾斜度及結(jié)構(gòu)情況檢查簽證驗(yàn)收合格后方可全面施焊。

(3)鋼圍堰下沉前進(jìn)行清基工作時(shí),應(yīng)認(rèn)真探明河床地貌情況,以便最后確定鋼圍堰下沉著床方案。

(4)鋼圍堰下沉?xí)r注意:起重時(shí)注意 8個(gè)吊點(diǎn)時(shí)時(shí)保持同步,即保持鋼套箱的水平起吊。鋼圍堰放入水中后要時(shí)時(shí)保持鋼圍堰處于浮力小于重力狀態(tài),即要保持倒鏈葫蘆時(shí)時(shí)處于張力狀態(tài)。向鋼圍堰內(nèi)加配重時(shí)要保證對(duì)稱均勻施加。將鋼圍堰放入水中時(shí),8臺(tái)倒鏈葫蘆要同步撤載,保證受力均勻、平穩(wěn)。鋼圍堰上接高時(shí),隨著底層鋼圍堰的受力而不斷地、均勻地松弛倒鏈葫蘆,使鋼圍堰整體均勻地沉入水中。

(5)鋼圍堰下沉就位,在刃角處封堵后,由潛水員再次探測(cè)清基情況,以防基巖覆蓋物過多,影響封底效果。

(6)在澆筑水下封底混凝土前要精確探明基底各部位的高程,先澆筑低處的封底混凝土,以免高處導(dǎo)管內(nèi)混凝土往低處流淌造成導(dǎo)管底口脫空或埋入的厚度過薄,致使導(dǎo)管底口進(jìn)水發(fā)生質(zhì)量事故。并遵循從一側(cè)向另一側(cè)或從周圍向中間的原則,以免基底浮泥及封底頂面的浮漿集中在圍堰邊緣。同時(shí)在澆筑過程中,隨時(shí)測(cè)量澆筑高度,以防超澆或欠澆。

7 結(jié)語(yǔ)

陶樂黃河公路特大橋主墩承臺(tái)由于受局部沖刷和冰凌期等自然條件的影響,工期緊、施工難度大,經(jīng)過對(duì)圖紙、河床高程、水位高程及浪高的細(xì)致分析,結(jié)合實(shí)際情況和施工經(jīng)驗(yàn),采用雙壁圓形鋼圍堰進(jìn)行設(shè)計(jì)施工,大大縮短工期加快進(jìn)度。工期提前 20 d,且效益顯著。

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