安慶長江鐵路大橋主塔4#墩雙壁鋼圍堰施工技術(shù)

曹士運

摘要：4#墩是安慶長江鐵路大橋斜拉橋安慶側(cè)主塔墩，主塔墩采用雙壁鋼圍堰施工承臺，先整體浮運圍堰到位，后建立鉆孔平臺，介紹雙壁鋼圍堰的制造、下河、定位、下沉等施工方法。

關(guān)鍵詞：長江大橋、主塔墩、基礎(chǔ)、雙壁鋼圍堰、汛期施工、施工技術(shù)

概述

安慶長江大橋是南京至安慶城際鐵路和阜陽至景德鎮(zhèn)鐵路的重要組成部分，位于安慶前江口匯合口處下游官山咀附近。安慶長江鐵路大橋全長2996.8m，其中主橋為鐵路四線，采用跨度為101.5+188.5+580+217.5+159.5+116m的兩塔鋼桁梁斜拉橋。4#墩是斜拉橋安慶側(cè)主塔墩。

工程概況

4#主塔基礎(chǔ)采用Ф3.4m/3.0m變徑鉆孔樁基礎(chǔ)。承臺采用圓形承臺，直徑51m，厚度為8m。承臺頂高程為-6.0m。

基礎(chǔ)施工采用雙壁鋼圍堰法，圍堰高41.4m，外直徑為56m，內(nèi)直徑52m，共分四節(jié)段施工。圍堰總重4097t，每節(jié)平面分塊32片。第一節(jié)（底節(jié)部分）高10.3m；第二節(jié)高12.9m；第三節(jié)高14.2m；第四節(jié)高4m。

4#墩圍堰吸泥下沉施工計劃在7-10月份，該月份內(nèi)施工水位較高，為洪水的多發(fā)季節(jié)，水流急，流速快，吸泥下沉工程量大，總吸泥量達到30000m3，下沉幅度大，下沉深度達到12.269m。

地質(zhì)概況

橋址區(qū)位于安慶盆地內(nèi)，盆地基巖由上白堊統(tǒng)宣南組砂礫巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂巖組成。而本橋址區(qū)大部分覆蓋第四系全新統(tǒng)沖積層，包括粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉細砂等，東岸壟崗區(qū)覆蓋第四系更新統(tǒng)粘性土，基巖為白堊系宣南組泥質(zhì)粉砂巖夾礫巖 、泥巖等。

4#墩位于河床中，河床標高為-8.751m，沖刷后實際河床-15m，施工水位為+11.78m，水深20.531m，表部覆蓋厚約18m粉細砂，上覆第四系地層呈松散～中密狀，承載力低，不能作為大橋的基礎(chǔ)持力層，下伏泥質(zhì)粉砂巖等，巖面埋深適中，工程性能較好,微風化基巖是主橋較好的基礎(chǔ)持力層。

工程巖土設計參數(shù)值

水文情況

本橋設計洪水位為+17.645m，常水位為+9.545m，最高通航水位為+16.505m，最低通航水位為+1.845m。10年一遇洪水位15.88m。一般每年5～10月為汛期，11月～次年4月為枯水期。

歷年實測最高水位：16.80m（1954.08.1，黃海，下同）

歷年實測最低水位：1.62m（1929.01.20）

施工方法

圍堰制造、下河

4#墩雙壁鋼圍堰平面為圓形，制造完成后采用浮吊法整吊下河。

圍堰制造

鋼圍堰在鋼結(jié)構(gòu)工廠分塊制造，在加工廠經(jīng)試拼并驗收合格后利用船舶運輸至現(xiàn)場后進行組拼。鋼圍堰側(cè)板單元件由內(nèi)、外壁板、隔倉板及水平桁架及豎肋等部件組焊成型。為保證外輪廓尺寸的準確性及控制焊接質(zhì)量和變形，借助于胎架組拼及施焊，胎架應具有足夠剛度，以防止單元構(gòu)件在組焊過程中變形。各胎架的精度應力求一致，以保證不同胎架組焊出來的產(chǎn)品其尺寸具有一致性。

分片焊接順序：內(nèi)外圍壁正反面焊縫焊接→內(nèi)結(jié)構(gòu)焊接→內(nèi)結(jié)構(gòu)與外圍壁焊接→翻身→內(nèi)結(jié)構(gòu)與內(nèi)壁焊接。

.鋼圍堰現(xiàn)場整體拼裝

底節(jié)現(xiàn)場拼裝位置選用在橋位6#墩下游側(cè)350m處的淺水區(qū)，利用三艘1500噸平板駁（船長75m、寬13m、型深3.5m，兩頭有生活住房及拋錨房，中間甲板長56.0m）搭建底節(jié)鋼圍堰拼裝平臺（見圖1），在平臺上進行底節(jié)圍堰拼裝。拼裝起吊設備為250t浮吊和50t浮吊各1艘。

圖1.底節(jié)鋼圍堰拼裝布置圖

底節(jié)圍堰下河

根據(jù)根據(jù)鋼圍堰底節(jié)重量，選用鎮(zhèn)航工818號1200t浮吊起吊下水?？紤]吊點設計時以盡量減少對圍堰結(jié)構(gòu)的影響為基本思路，設計8個吊點，起吊時采用4根吊索對稱懸掛在2只主鉤上。

施工作業(yè)流程為：浮吊拋錨定位→調(diào)整角度→落鉤連接→起吊→下放→浮推就位→定位錨輔助掛纜→浮吊退場。

圍堰起吊后，利用安裝好的圍堰平臺臨時錨固系統(tǒng)及1200t浮吊的絞錨系統(tǒng)，分別將圍堰拼裝平臺和1200t浮吊向安慶側(cè)及池州側(cè)各平移30m，下放底節(jié)鋼圍堰至圍堰底口接近水面，將圍堰與駁船平臺側(cè)面的將軍柱用纜繩連接，邊下放圍堰邊收緊纜繩，直至圍堰下放至水面呈自由漂浮狀態(tài)，待圍堰與拼裝平臺連接牢靠后，再松吊鉤。

圍堰定位

4#墩鋼圍堰采用無導向船的前后定位船及自身的邊錨錨碇系統(tǒng)定位。底節(jié)鋼圍堰浮運前，前后定位船應拋錨初步定位，待底節(jié)鋼圍堰浮運至墩位附近后，進行第二階段拋錨定位，并將圍堰調(diào)整至設計位置。

圍堰浮運

4#墩圍堰底節(jié)在橋址下游350處下河后，浮運至墩址處定位，其余三節(jié)在墩位接高安裝。

浮運步驟：

（1）主拖及幫拖就位，解除導向船臨時錨碇；

（2）在海事和河道部門的維護下，由拖輪拖曳底節(jié)鋼圍堰沿預定航線開始浮運；

圖2.

（3）按照圖示線路（圖2）浮運至后定位船處，脫離池州側(cè)拖輪，臨時固定于后定位船將軍柱上；

（4）利用?？吭诔刂輦?cè)的50T浮吊將拉纜L1#過至圍堰上，將18#、28#錨繩從后頂位船過渡到圍堰上；

（5）脫離主拖及安慶側(cè)拖輪，利用拋錨船輔助將拉纜L2#、17#、27#錨繩過渡到圍堰上；

（6）將后拉纜L9#、L10#后定位船上，拋錨船拋19#、20#、25#、26#邊錨并經(jīng)圍堰馬口過至前、后定位船；

（7）后定位船溜放至設計位置。初步收緊邊錨、拉纜，調(diào)整圍堰位置；

（8）拋圍堰剩余錨碇（見圖3）并將錨繩過至相應位置系結(jié)，全面調(diào)整各錨繩、拉纜，對錨碇系統(tǒng)逐級施加預拉力，精確定位鋼圍堰。

圖3.錨碇系統(tǒng)布置圖

圍堰下沉

4#墩雙壁鋼圍堰下沉施工方案采用在圍堰上布設6臺吸泥機，圍堰內(nèi)采用對稱布置避開其它機械設備的原則，鋪設吸泥管道，圍堰內(nèi)采用兩臺臺每小時250方的吸砂船進行空氣吸泥下沉，空氣吸泥下沉到21m后，進行清基封底，完善基礎(chǔ)施工工作。

2.4.1下沉計算

2.4.2水中下沉

圍堰在著床之前，處于懸浮狀態(tài)，此階段的圍堰在水中下沉較容易，圍堰接高，驗收合格后，向井壁內(nèi)灌水，克服水的浮力，并根據(jù)圍堰位置情況調(diào)整好拉纜及圍堰邊錨的受力，圍堰即可平衡下沉。圍堰接高是按照對稱拼裝的原則，對應塊段同時安裝，在向圍堰井壁內(nèi)注水時，也應遵循對稱加載的原則，對稱的隔艙，同時灌水，且流量一致，以防圍堰傾斜。在向隔艙灌水時控制相鄰隔艙的水頭差不大于2m。

2.4.3精確定位、著床

圍堰的精確定位和著床在圍堰下沉過程中起到?jīng)Q定性的作用，受到水流速度、圍堰處河床的沖刷和淤積等不定因素的影響。在著床前應仔細測量圍堰四周一定范圍內(nèi)及圍堰內(nèi)外的河床標高，并繪制出河床等高線圖及上、下游剖面圖。根據(jù)測量的河床最新資料，確定著床時對策，如上、下游高差過大，可利用吸泥機局部抽吸整平河床。

著河床前圍堰隔艙內(nèi)壓水調(diào)平，并測量定位，圍堰刃腳在河床面上0.5m左右，中心的里程符合規(guī)范規(guī)定的偏差范圍以內(nèi)。頂節(jié)鋼圍堰接高并經(jīng)驗收合格后，選擇在水位較穩(wěn)定時段，采用井壁內(nèi)迅速注水加重的方法下沉，每個隔艙布置一臺水泵，同時開動進行均勻注水，使圍堰刃腳盡快切入河床。

2.4.4覆蓋層中下沉

圍堰在覆蓋層中下沉的阻力來自兩個方面，一是刃尖下土的正面阻力，二是圍堰外壁與土層間的摩阻力。圍堰在覆蓋層中下沉就是消除或減少刃尖下的正面阻力，靠圍堰的自重克服外壁的摩阻力而下沉，而消除或減少正面阻力的方法就是從圍堰內(nèi)吸泥除土，降低圍堰內(nèi)泥面高程。

圍堰在覆蓋層中下沉因注意以下幾點：

⑴、圍堰著床后，結(jié)束了懸浮狀態(tài)，進入覆蓋層下沉施工，其初期是最容易產(chǎn)生傾斜和位移的階段，應以調(diào)平、糾偏、校正位置為主，要根據(jù)圍堰內(nèi)實測泥面的情況，決定在圍堰內(nèi)的吸泥部位。吸泥部位應視圍堰的傾斜情況，使圍堰高的一邊首先下沉并逐步使圍堰頂面調(diào)平，要一面測量，一面吸泥調(diào)平下沉。

⑵、當圍堰調(diào)平后，傾斜率小于1%時，可在圍堰內(nèi)均衡吸泥，這時圍堰中心處泥面可低于刃尖2m，刃尖處泥面應與刃尖平齊，不宜低于刃尖。

⑶、在下沉過程中，要不斷調(diào)整圍堰的傾斜和位移。在糾正傾斜和位移前，應先摸清情況，分析原因，然后采取相應的措施。

⑷、糾正傾斜的方法一般都是采取在圍堰傾斜的一側(cè)單獨進行吸泥，即在圍堰高的一側(cè)吸泥，使泥面降低，消除了正面的支承，使圍堰高的一側(cè)下沉量大于低的一側(cè)。但這種糾正傾斜的方法，如果掌握不當，即成為“矯枉過正”，使圍堰形成交替傾斜的狀況，因此，糾正傾斜時，必須十分注意。

⑸、為了避免圍堰產(chǎn)生傾斜和位移，圍堰外四周河床高差不宜過大。如發(fā)現(xiàn)此種情況后，應立即采取拋石防護及整平河床等措施，并應注意將吸泥機向河床較低處出泥棄土。

⑹、鋼圍堰在下沉過程中和下沉完畢后， 將引起水流流態(tài)的變化，導致主墩附近河床加快局部沖刷，故此在泥吸下沉中容易出現(xiàn)砂涌。大量翻砂將會引起嚴重的不良后果，一是可能造成圍堰傾斜，二是由于流砂急驟涌入圍堰內(nèi)，圍堰內(nèi)部水頭迅速上升，形成圍堰內(nèi)外水頭高差懸殊，使圍堰破壞。因此在圍堰下沉過程 ，應盡量避免翻砂現(xiàn)象的發(fā)生。

⑺、及時掌握圍堰內(nèi)的吸泥濃度及泥面高差，吸泥時每2小時測一次圍堰內(nèi)泥面高度，并根據(jù)圍堰內(nèi)中的泥面情況繪制等高線圖及時分析，隨時調(diào)整吸泥部位。

⑻、保證對圍堰內(nèi)的補水，保持圍堰內(nèi)外水頭平衡或圍堰內(nèi)水頭高于圍堰外，值班人員應隨時觀察圍堰內(nèi)外水位高度，圍堰內(nèi)水頭不得低于圍堰外。

⑼、為指導圍堰下沉，必須做好記錄工作，將圍堰下沉的有關(guān)資料隨時記錄在專用的記錄表中。為了及時掌握圍堰下沉動態(tài)，在吸泥下沉時，對圍堰的刃腳標高、傾斜率、位移，圍堰內(nèi)外水位、圍堰外河床面標高等數(shù)據(jù)測量記錄，并對數(shù)據(jù)進行綜合分析。

安慶長江鐵路大橋4#墩圍堰在2009年10月2日制造安裝完成，開始精確定位下沉，到2009年10月17日下沉到位。在下沉過程中由于圍堰處河床面的沖刷和淤積，圍堰刃腳處上下游河床高差達到6m。綜合分析圍堰處河床及地址情況后，在著床前采用一艘吸砂船在圍堰下游位置對河床進行平整，采用吸砂船對河床進行平整效果較好，與采用吸泥機方案相比效率大大提高，在三天內(nèi)完成了對河床的平整工作。此圍堰由于平面尺寸特大，吸泥下沉工程量龐大，吸泥下沉時對方案不斷經(jīng)行比選優(yōu)化，采用在圍堰內(nèi)布設6臺直徑273mm吸泥機和一艘吸砂船的綜合施工方法。吸砂船在圍堰內(nèi)吸泥時機動靈活，在吸泥時不用起重設備配合工作效率較高；采用此法施工日均完成圍堰下沉深度達到0.82m，大大縮短了圍堰吸泥下沉的施工工期，降低了施工成本。

結(jié)束語

安慶長江鐵路大橋4#墩雙壁鋼圍堰為同類圍堰之最，在汛期下河、浮運、定位、吸泥下沉、精確就位的成功實施，有力地保證了深水基礎(chǔ)施工的順利進行，為以后此類圍堰的施工提供了參考，特別是在有汛期圍堰施工要求的時候提供了寶貴的施工經(jīng)驗。特別注意的是，汛期在圍堰精確定位和著床下沉過程中，圍堰位置完全靠前后定位船和圍堰邊錨系統(tǒng)控制，因此在圍堰錨碇設計和施工中必須充分考慮錨碇系統(tǒng)受力安全。圍堰定位過程中要根據(jù)水位的漲落等情況及時調(diào)整錨纜的長度，使錨碇系統(tǒng)始終處于良好的受力狀態(tài)。

參考文獻：

《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》人民交通出版社，JTJ041-2000

《公路橋涵施工手冊》人民交通出版社 ， 1999

《蕪湖長江大橋大跨低塔斜拉橋板桁組合結(jié)構(gòu)建造技術(shù)》中國鐵道出版社，2004

注：文章內(nèi)所有公式及圖表請以PDF形式查看。