深水橋梁裸露基巖大型雙壁鋼圍堰施工技術研究

摘要：雙壁鋼圍堰越來越廣泛地應用于河流、湖泊及海灣大型深水橋梁的基礎施工，特別是在水深較深、河床覆蓋層較薄或無覆蓋層的巖層地質(zhì)條件下，是一種最為經(jīng)濟合理的施工方法。根據(jù)滬昆客專湖南段沅江大橋的施工，探索與研究在水深26米、河床無覆蓋層的堅硬含礫砂巖、地質(zhì)條件復雜的條件下，采用大直徑圓形雙壁鋼圍堰施工深水橋梁基礎的工藝及方法。

關鍵詞：深水橋梁；雙壁鋼圍堰；裸露基巖

中圖分類號：U445文獻標識碼：A文章編號：1009-2374（2012）03-0106-06

一、工程概況

（一）橋位

滬昆客專長昆湖南段沅江大橋，位于湖南省懷化市中方縣銅灣鎮(zhèn)鏡內(nèi)，橋梁跨越沅江。橋梁總長長404.94m，跨度布置為88+168+88+40m雙線預應力混凝土剛構連續(xù)箱梁，主跨168米為目前鐵路橋梁T型鋼構連續(xù)箱梁最大跨度。其中1#、2#主墩為雙壁鋼圍堰加鉆孔樁深水基礎，承臺尺寸為24.8m×19.6m×5.5m，承臺底標高131.749～131.928m，承臺嵌巖最大深度1.5m。樁基2.5m大直徑鉆孔樁，樁長20m。

（二）水文地質(zhì)

橋址處雨水充足，年降雨量大位于銅灣水電站上游1.9km，屬發(fā)電蓄水區(qū)域。常水位152.50m、水深23.5～25.0m，施工最高水位確定為153.5m（五年一遇洪水位），水位及水流流速主要受下游電站控制，根據(jù)進場以來水位觀察最高水位未超過153m，洪水期水流流速未超過1m/s。

主墩墩位處地質(zhì)條件復雜，河床為裸露基巖，無覆蓋層。墩處巖質(zhì)為含礫砂巖、白云質(zhì)灰?guī)r。巖面傾斜最大傾角達45°，巖石強度均大于100MPa。因鋼圍堰封底厚度5m，最大爆破深度達到了8m。橋型布置見圖1：

圖1沅江大橋橋梁跨度布置示意圖 （單位m）

二、施工方案比選

根據(jù)工程地質(zhì)及施工水文條件，對承臺施工可以采用雙壁鋼圍堰先樁后堰法施工、雙壁鋼圍堰先堰后樁法施工及鋼圍堰入水方式進行比較和論證。

方案一：先樁后堰法施工。

先樁后堰法，先搭設鋼管樁鉆孔工作平臺；施工完樁基后，再利用樁的護筒施作圍堰，在墩位完成圍堰的拼裝、下沉、水下混凝土封底，之后施工承臺、墩身。此法的特點是：河床覆蓋厚便于樁基鋼護筒的打設，樁基施工完成后再進行鋼圍堰的施工，常采用形式為棧橋T接法。本橋的河床覆蓋層薄，鉆孔平臺鋼管樁及樁基的護筒很難固定，且打樁過程中易漏漿，施工比較困難，不適合本橋。

方案二：先堰后樁法施工。

先堰后樁法是先施工鋼圍堰，再施工樁基。該法對河床地質(zhì)條件要求小，尤其適合覆蓋層薄或無覆蓋層、水深較深，該工序相對簡單，可不修筑鋼棧橋，可利用鋼圍堰搭設施工平臺，不僅節(jié)約了鋼管樁、棧橋鋼材等材料還確保了平臺安全穩(wěn)定，可平行流水作業(yè)進行水下爆破施工，與方案一相比可節(jié)約鋼材用量300噸、施工安全性高、節(jié)約工期2個月有余。適合本工程，決定采用本方案。

鋼圍堰入水方式上選擇：滑道入水、浮運平臺入水及升降平臺入水。

滑道法（即岸邊拼裝入水）：滑道需伸入一定水深的河內(nèi)，以滿足龍門浮吊的吃水要求；滑道設-0.5%的縱坡，以便圍堰下滑。該法要求岸邊場地足夠大，能夠滿足圍堰的拼裝及滑道的設置，同時對設置龍門浮吊處的水深滿足圍堰的上浮。

浮運平臺法：在水中墩上游30m左右處、靠工作場地開闊的一岸修建臨時碼頭，要滿足底節(jié)鋼圍堰組拼的要求。然后利用租賃的中60浮箱（個數(shù)由鋼圍堰的大小決定）或自行在工廠焊制浮箱組成一定規(guī)模的浮運平臺，組拼完成后浮運至墩位處進行下一步施工。該法需租賃浮箱或加工浮箱，且浮運到墩位處需把鋼圍堰提吊懸空后抽出浮箱方能進行下步工序施工，顯然不適合本工程。

升降平臺法：由于工程所處地形狹隘，場地大小有限無法滿足滑道法入水。根據(jù)先堰后樁的思路，開創(chuàng)性的提出在上游約50米靠岸邊水中打設鋼管樁作為承重柱，貝雷片組拼承重梁，利用精軋鋼作為提吊桿，底節(jié)圍堰拼裝完成后，進行平臺的升降圍堰入水自浮。該法能充分利用鉆孔平臺材料，節(jié)省施工用料，施工方便可靠，該法在國內(nèi)屬于首次，實踐證明比較成功。

三、雙壁鋼圍堰結(jié)構設計

該橋承臺矩形尺寸長寬均比較大，墩位處沅江水位較深。同時考慮到河床地質(zhì)條件復雜，需水下爆破圍堰基槽、清渣后定位下沉鋼圍堰的特點。按照經(jīng)濟合理及可行的原則，選擇傳統(tǒng)的雙壁鋼圍堰結(jié)構形式，該形式相比矩形鋼圍堰，雖增加了爆破清渣量，但在如此深得水減少了圍堰內(nèi)部支撐的工程量，圓形鋼圍堰結(jié)構受力合理明確。一般來說水深大于10米采用圓形鋼圍堰比較經(jīng)濟合理，能較好的保證深水基礎施工質(zhì)量和安全，達到經(jīng)濟技術最優(yōu)化施工。

（一）雙壁鋼圍堰基本結(jié)構

圖2雙壁鋼圍堰整體結(jié)構圖

鋼圍堰為雙壁圓型，內(nèi)徑33m，外徑36m，內(nèi)外壁之間間距設為1.5m。根據(jù)承臺高程和水文資料計算鋼圍堰高度取為26m，結(jié)合結(jié)構要求和現(xiàn)場起重設備起重能力要求，鋼圍堰在豎向上設置為5節(jié)，從下至上分別為第一節(jié)至第五節(jié)，其高度分別為5.4m、5.4m、5.1m、5m和5.1m。依據(jù)現(xiàn)場水上起重工具起重能力限制在2×10t以內(nèi)的技術資料，在雙壁鋼套箱平面分塊上，將套箱設為18塊，最大塊重量基本控制在15t以內(nèi)，保證水上作業(yè)安全。雙壁鋼圍堰設計構造圖如圖2所示。

（二）雙壁鋼圍堰結(jié)構計算

利用MIDAS有限元軟件建立封底混凝土以上鋼套箱1/2模型，內(nèi)外壁板采用板單元，水平斜撐采用桁架單元，其余結(jié)構采用梁單元，底部施加固定約束，2側(cè)施加位移對稱約束。整體模型如圖3所示：

圖3雙壁鋼圍堰1/2模型圖

根據(jù)根據(jù)結(jié)構分析計算結(jié)果和經(jīng)濟性要求：

壁板：鋼套箱內(nèi)外壁板厚度δ=6mm。

水平斜撐：水平斜撐在立面上根據(jù)不同深度內(nèi)受力的不同分為兩種形式：分別為角鋼63×63×6、角鋼75×75×6。

豎肋：鋼套箱在立面上根據(jù)不同深度內(nèi)受力的不同，豎肋分為兩種形式：分別為∠70×50×6、∠90×56×7。

水平加勁肋：在頂部和底部節(jié)段采用TN200×200-8×13，在中部靠上的2個節(jié)段采用TN275×200-10×16，在受力最大的中部最下節(jié)段采用TN300×200-11×17。

隔倉板：隔倉板壁厚6mm，隔倉板豎肋為角鋼∠70×50×6，橫肋為角鋼∠63×63×6。

四、施工技術

（一）雙壁鋼圍堰（先堰后樁法）

施工工藝流程圖如圖4所示：

圖4雙壁鋼圍堰施工工藝流程圖

（二）雙壁鋼圍堰加工及首節(jié)下水工藝

1．雙壁鋼圍堰分塊加工。鋼圍堰平面均分為18塊，為提高鋼圍堰加工精度及規(guī)模化流水線作業(yè)，在鋼圍堰加工場設置胎模，每塊鋼圍堰均在胎模上加工。為防止焊接變形過大導致局部或整體尺寸超出設計圖紙，在圍堰加工前必須進行工藝性試驗確定焊接工藝及施焊原則。圍堰節(jié)塊各構件加工流程：在胎架上鋪設內(nèi)圍壁板→安裝水平肋→安裝水平桁架→安裝內(nèi)圍壁板豎肋→安裝隔艙板→鋪設外圍壁板→安裝外圍壁板豎肋→焊接內(nèi)部構件。見圖五鋼圍堰加工圖。

每塊圍堰焊接完成后，對圍堰的焊縫外觀、結(jié)構尺寸進行檢查，還必須進行煤油滲透試驗，不合格的鏟除重焊。每塊圍堰檢查合格后，方準出場。

圖5雙壁鋼圍堰加工圖

2．底節(jié)鋼圍堰拼裝、入水。底節(jié)鋼圍堰高度5.4米，總重量150t。結(jié)合工程所在地的地形、地貌及施工情況，我們首創(chuàng)性的采用“升降式拼裝平臺法”。在上游約50米靠岸邊施工了升降式拼裝平臺，該平臺平面尺寸為45×42m，通過鋼管樁、貝雷片作為承重構件。利用Ф32精軋鋼作為提吊桿，32t千斤頂作為頂升動力設備，頂升精軋鋼上的扁擔實現(xiàn)平臺升降，進行圍堰入水自浮。該法能充分利用鉆孔平臺材料，節(jié)省施工用料，施工方便可靠，實踐證明比較成功。見下圖6拼裝平臺上底節(jié)鋼圍堰拼裝圖。

為保證底節(jié)鋼圍堰安全順利的拼裝，對升降式平臺進行預壓獲取平臺變形參數(shù)。拼裝前在平臺上進行圍堰放樣，拼裝順序為由平臺變形值小向變形值大對稱拼裝，拼裝一塊點焊一塊并臨時固定，隨拼裝，隨調(diào)整，待全部合攏成型后，全面焊接并進行煤油滲透試驗。

圖6升降式拼裝平臺上底節(jié)鋼圍堰拼裝圖

（三）深水堅硬巖層水下爆破及清渣技術

圍堰直徑36m，爆破范圍直徑40m的圓。爆破范圍大，開挖深度深，總爆破開挖量6000多立方米。為減少爆破對周邊影響，采用了微差毫秒爆破技術。爆破參數(shù)選擇為：炮孔直徑90mm，垂直鉆孔孔距1.5m，排距2.0m，超深1.0m，單孔最大裝藥量30kg，最大單段裝藥量248kg。爆破孔位布置圖見圖7：

圖7深水水下爆破孔位布置圖

爆破網(wǎng)絡爆破采用單孔單響排間微差，非電力起爆網(wǎng)絡起爆實施方案。同孔的同段雷管采用并聯(lián)連接，孔與孔之間采用并聯(lián)連接，然后使用微差毫秒導爆管連接在8#防水金屬電雷管上進行起爆。為避免產(chǎn)生盲炮，每個孔設置兩個導爆管。

1．水下鉆孔。采用3臺CQ-100型潛孔鉆配合一臺中風壓空壓機形成鉆孔系統(tǒng)，使用GPS精確定位一次性成孔施工。鉆孔前先對需鉆孔位下130mm套管，套管下設完畢后下設鉆桿一次性精確成孔，成孔完畢后，外套管待裝藥堵塞完畢后取出進行下一孔作業(yè)。 鉆爆船水下鉆孔圖見圖8：

圖8鉆爆船水下鉆孔圖

2．水下裝藥、塞堵。水下炸藥采用了Φ90防水乳化炸藥。為方便裝藥，使用竹片夾緊、接長藥卷放并安放導爆管，然后使用粗尼龍繩吊放進孔內(nèi)，并使用Φ50PVC管接長把藥包撐壓至孔底。在護管口下放沙子、碎石的填塞物塞孔，塞孔完畢后提起套管把導爆索編號整理好。

3．水下爆破。在鉆爆船上把導爆索聯(lián)線，所有導爆索尾線綁扎在漂浮的油桶上。爆破前通知海事部門2艘警戒船并封航，連接8#防水金屬電雷管起爆，爆破完成后對爆破現(xiàn)場進行檢查確認無盲炮和安全隱患后解除警戒進行下排孔位鉆孔施工。

4．水下清渣。水下鉆爆完成后，選用50T履帶吊配3m3抓斗在一艘300t的駁船上進行清渣作業(yè)，駁船兩側(cè)為增加船體穩(wěn)定性加設兩封閉鋼護筒。清渣采用橫移挖寬，縱移挖長的方法進行，并用GPS進行定位測量。由于本工程爆破巖層較厚，為保證基底清渣平整度，采用分層開挖，以一抓斗的挖深為一層，逐層開挖清渣。開挖完成測量繪出基底標高圖并進行

驗收。

（四）雙壁鋼圍堰浮運、接高及下沉技術

浮運日期的選擇應與氣象部門聯(lián)系，在3級風以下，無雨的白天進行，浮運時通過海事部門協(xié)助封航，在上、下游派出防護巡邏船只保證安全。利用兩條導向船，兩船前后用兩組貝雷梁將套箱夾住，形成井字架，鋼圍堰浮運前用木楔子或5噸的手拉葫蘆把鋼圍堰加緊固定好。兩艘導向船均具有向前后行使的能力，動力為120馬力，足以浮運鋼圍堰，不需要拖輪。浮運時直接后行至墩位處，避免掉頭確保船頭迎水方向布置。

雙壁鋼圍堰就位固定后，利用兩條導向船上50t履帶吊環(huán)向?qū)ΨQ分塊拼裝。吊裝接高時，要隨拼裝，隨調(diào)整，在每條導向船上設置兩個5噸倒鏈，通過這四個倒鏈調(diào)整鋼套箱的位置。拼裝完一塊后需要手拉葫蘆旋轉(zhuǎn)鋼圍堰使待拼的下一塊鋼圍堰進入拼裝位置，每對稱拼裝完一塊旋轉(zhuǎn)一次鋼圍堰，直至全部拼裝完成。全部拼裝完成后，方可全面焊接并對焊縫進行煤油滲透試驗檢驗密封性。為保證焊縫的質(zhì)量，還進行了超聲波探傷檢測。本節(jié)施工完成后灌水至設計標高并預留干弦高度，同樣的方法接高下一節(jié)。雙壁鋼圍堰接高圖如圖9所示：

圖9雙壁鋼圍堰拼裝接高圖

（五）雙壁鋼圍堰定位技術

河床覆蓋層較薄或無覆蓋層，船只拋錨難度大，對鋼圍堰錨碇系統(tǒng)的設計尤為重要。多次討論研究最終確定利用定位船進行圍堰定位錨固。

1．錨碇系統(tǒng)的設計。計算鋼圍堰的動水壓力、鋼圍堰風阻力、導向船組水流阻力、定位船水流阻力、導向船組風阻力、定位船風阻力，在1m/s水流流速下算得主錨承受的拉力為268.8KN。鋼絲繩計算長度300m。根據(jù)計算及現(xiàn)場實際情況選用4個15t混凝土主錨，邊錨15t混凝土錨各一個，尾錨為15t混凝土八字錨。鋼絲繩選用6×19—28-1670，破斷力432KN的鋼絲繩。其中主錨與定位船間鋼絲繩長度不小于300m，定位船與鋼圍堰間距離不小于100m，尾錨與鋼圍堰距離不小于100m。具體布置見圖10錨定系統(tǒng)布

置圖。

圖10錨碇系統(tǒng)布置圖（單位m）

2．錨碇系統(tǒng)施工及圍堰定位。鋼圍堰浮運前，必須按設計要求和角度提前放樣拋錨。

（1）前定位船拋錨定位。用纜索把主錨落在拋錨船上，拋錨船把主錨運到錨定位置上游10米處后拋錨，然后用拋錨船對錨繩預拉。用另一艘托船把定位船牽引至錨定位置與主錨相連。

（2）同樣的方法拋設導向船的邊錨、尾錨。

（3）導向船組及圍堰由江邊碼頭浮運到墩位處，錨碇好導向船組調(diào)整收緊各錨繩、拉纜，使錨碇系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（4）鋼圍堰的著床定位是施工中重要而關鍵的工序，直接影響到圍堰最終的定位質(zhì)量。通過定位船上拉攬及導向船上設置的導鏈系統(tǒng)調(diào)整，實現(xiàn)套箱的精確定位。圍堰著床前，用全站儀觀測套箱頂上順橫橋向的兩個點，調(diào)整圍堰的傾斜和偏位，直到兩點的坐標與設計坐標基本相符為止，然后立即啟動抽水機間隔向18個隔倉均衡同時注水，使圍堰迅速下沉著床。圍堰下沉到位后潛水員下水探明圍堰底部著床情況，對底部刃腳與基底空隙用袋裝水泥賽墊，確保圍堰底部著床良好、穩(wěn)固。

（六）雙壁鋼圍堰大體積水下混凝土封底技術

1．封底平臺、鋼護筒安裝。結(jié)合后期鉆孔平臺利用封底平臺，在鋼圍堰著床穩(wěn)固后，開始搭設平臺。平臺采用貝雷梁頂鋪設22工鋼，貝雷梁共12道，每道兩片組用90型支撐架連接在一起。鋼護筒直徑采用Ф2.5m，壁厚1cm，沿護筒外壁周圈貼焊加強箍，加強箍寬度30cm，厚8mm，間距2～3m一道。每根護筒總重22.16t，浮吊起重能力無法滿足施工需要。我們設置了門式吊裝架，吊裝架高4.5m，利用卷揚機和滑輪組實現(xiàn)護筒的下放就位。

為確保護筒下放精確及在混凝土澆筑過程中不發(fā)生偏移，在護筒頂口設置了3層定位架，定位架懸掛在貝雷梁上。護筒內(nèi)底口拋填了5m高的砂袋，保證底口穩(wěn)固。為了讓鋼護筒更好的參與圍堰抗浮，在底節(jié)護筒外壁貼焊了22工字鋼，共2層。每層8個，每個50cm長。

2．大體積水下封底混凝土澆筑。封底混凝土施工前需要進一步確定，圍堰刃腳堵漏、鋼圍堰著床穩(wěn)固、鋼護筒安放位置的準確。雙壁鋼圍堰封底采用C30混凝土，封底厚度5m，設計方量3645m3，混凝土緩凝時間不小于32h，坍落度200～220mm。本次鋼圍堰封底面積大，封底砼施工難度大，混凝土采用了5#拌合站2臺120型拌合機拌合，現(xiàn)場采用一臺地泵加臂長17m的布料機、一臺汽車泵輸送混凝土，選擇了8臺10m3混凝土罐車運輸混凝土。現(xiàn)場共布設了16根導管，每根導管的作用半徑按7m考慮，導管位置不動。采用兩點同時灌注砼配合一次拔球的方法。封底砼的澆筑由小里程河床面低點開始向上游及大里程方向灌注砼即總體上由低處往高處、局部下游側(cè)往上游側(cè)的方向灌注。在澆灌過程中，要隨時測量灌注高度共布設59個測點，終測時加密測量，以防超灌或欠灌。見圖11 2#墩雙壁鋼圍堰封底施工布置圖。

圖112#墩雙壁鋼圍堰封底施工布置圖

（七）雙壁鋼圍堰拆除

在第二節(jié)底端距離底口40cm處，把Ф10mm鋼筋焊接在內(nèi)、外壁板面形成水下切割導盲線。在隔艙內(nèi)混凝土面以上70cm處設隔水板，在隔水板下沿切割導盲線切割后圍堰整體上浮。根據(jù)設備的起吊能力，然后逐節(jié)、逐塊切割、并吊裝運輸?shù)街付ㄎ恢?。最后一?jié)拆除利用墩身、梁部設置起吊支點吊裝切割。

五、經(jīng)驗與體會

（一）深水基礎圍堰施工方案確定

深水基礎圍堰施工方案的選擇是一個復雜的問題，尤其對本橋水深26m，河床無覆蓋層。項目進場初期聘請水文局對河床進行了地形、地貌掃描，也對河床地質(zhì)進行了勘探。為方案的必選提供了有力的依據(jù)。橋位處兩岸山勢陡峭、施工場地狹小，在鋼圍堰入水方式上開創(chuàng)性的提出了升降式拼裝平臺法。

（二）鋼圍堰加工必須精確無誤

分塊加工制作的各單元體時，其結(jié)構尺寸必須滿足設計要求，符合精度要求，要控制好兩個工序：一是下料要精確，必須以毫米控制，二是選擇合理的焊接工藝，絕不能將焊縫一次焊完，一次焊完會產(chǎn)生較大的變形，先點焊檢查各部位合格后再全面施焊。鋼圍堰拼裝焊接時道理相同。

（三）2#墩圍堰著床區(qū)清渣不到位

在2#墩圍堰著床過程中，因河床清渣不徹底，測量不精確，造成了2次反復對圍堰反抽水處理著床區(qū)基地。最終在最后一次處理中圍堰順利著床，這也說明了圍堰著床基底區(qū)必選一次開挖到位。由于水上測量定位難度較大，開挖平面范圍一般比鋼圍堰直徑大3～4m為宜，同時加強基底驗收，建議深水施工時雷達測深儀。

（四）鋼圍堰錨定系統(tǒng)

準確的鋼圍堰測量定位系統(tǒng)是保證圍堰成功的首要條件，本橋最初錨定系統(tǒng)方案采用交叉8字錨定系統(tǒng)，后考慮洪水期電站放水水流速度無法確定，改為了采用抵抗強水流的定位船進行錨定。該錨定系統(tǒng)對鋼圍堰精確定位非常有效，調(diào)整方便，造價較高。若在水流流速不大的情況下，可以采用交叉八字錨錨定系統(tǒng)，該錨定系統(tǒng)施工方便，造價較低。

（五）2#墩圍堰著床后出現(xiàn)傾斜

因2#墩河床面傾斜，圍堰刃腳著床區(qū)靠江心側(cè)與另一測高差1.5m，對該著床區(qū)進行了拋填片石處理。拋填頂面與設計標高基本一致。注水下沉著床后，圍堰頂標高基本一致。但在澆筑刃腳混凝土后，拋填片石區(qū)下沉了近30cm。后反抽水重新塞墊和拋填片石，調(diào)平了鋼圍堰。也就是說圍堰刃腳著床區(qū)一邊是硬底區(qū)另一邊需拋填片石找平，拋填片石及賽墊面根據(jù)拋填深度必須高出設計標高一定數(shù)值。

（六）鋼圍堰封底施工注意事項

鋼圍堰的封底是否成功決定著承臺的施工的成敗。首先必須保證圍堰刃角處的堵漏無遺漏點，同時在圍堰的刃角處的外圍拋填不小于1米高的片石護腳。再次對封底區(qū)內(nèi)的鋼圍堰內(nèi)壁、護筒外壁泥巴等清理干凈。要加強潛水員的責任心，確保刃角堵漏無問題。

六、結(jié)語

在水深26米、河床基本無覆蓋層，河床底巖石強度1000kPa的地質(zhì)條件下，進行了大面積的水下爆破、水下清淤清渣。采用36m直徑的圓形雙壁鋼圍堰，鋼圍堰拼裝接高、定位下沉及鋼圍堰封底施工，進而開展樁基、承臺施工。如此大直徑鋼圍堰、如此深的水進行橋梁基礎施工在國內(nèi)橋梁施工史上比較罕見，其封底混凝土厚度確定、圍堰抗浮穩(wěn)定、樁基參與抵抗浮力等施工工藝、技術及設計原理，還需在實踐中進行探索和研究。

參考文獻

[1]時天利，任回興，賀茂生．蘇通大橋雙壁鋼圍堰設計與施工[J]．世界橋梁，2007，（3）．

作者簡介：苗永平（1973-），男，山西河曲人，中鐵十七局集團第二工程有限公司工程師，研究方向：土木工程。

（責任編輯：劉晶）