湘江特大橋鋼圍堰施工技術(shù)

成宏永 楊長海

（齊河縣鐵道戰(zhàn)備舟橋處，山東 齊河 251100）

1 工程概況

新增石長鐵路湘江特大橋位于長沙市區(qū)西北14km的湘江西岸月亮島，大橋全長2557.17m，全橋共設(shè)57個墩，2個臺，其中湘江主河道主跨采用（63.65m+8×96m+61.5m）連續(xù)梁；下部結(jié)構(gòu)墩臺為樁基承臺、單線矩形橋臺，橋墩均采用圓端形橋墩，水中墩38#、39#、40#、41#、42#、43#承臺均入巖層2-5m，采用鋼圍堰施工。

湘江水屬季節(jié)性河流，隨季節(jié)性雨水變化水位變化較大，短時間內(nèi)可形成洪水，且40#～42#墩位于深水區(qū)有2孔通航航道，湘江通航等級為II（3）級航道，通航凈空10m，水中墩施工受通航影響，干擾較大。汛期和枯水季節(jié)水位變化達6米左右，風(fēng)險大。施工水位26.81m，河床標高19.31m～21.31m，河床呈“U”字形。湘江大橋線路方向近E-W向，江水流向近S-N向。

2 施工方案的比選

水中墩基礎(chǔ)施工分為“先樁后堰”與“先堰后樁”兩種方法：先樁后堰即先搭設(shè)水上鉆孔平臺進行鉆孔作業(yè)，待鉆孔樁完畢后再進行鋼圍堰施工，然后進行封底與承臺作業(yè)；先堰后樁即先進行鋼圍堰與封底施工，然后在鋼圍堰上布置鉆孔平臺進行鉆孔作業(yè)，待鉆孔樁完畢后直接在圍堰內(nèi)進行承臺作業(yè)。

從地質(zhì)圖可以看出，本工程墩位處覆蓋層較淺，平臺鋼管樁打入困難，立樁不穩(wěn)，搭建固定鉆孔平臺極為困難，存在很大的安全風(fēng)險；并且承臺大部嵌入巖層，須采用水下鉆孔爆破法進行開挖，不宜采用先樁后堰的施工方法。在該工程中采用先堰后樁的施工方法有以下幾個優(yōu)點：

（1）先堰后樁的施工方法可有效克服難以搭建固定鉆孔平臺和鋼護筒埋設(shè)困難、易漏漿的施工難題，實踐已證明該地址易塌孔漏漿；

（2）可在樁基施工前采用大爆破作業(yè)，大面積抓渣、清渣，充分發(fā)揮大型設(shè)備的性能，工效快、工期短；

（3）避免“先樁后堰”施工時，圍堰下沉著床時進行爆破作業(yè)對已完工的樁基可能造成的損傷，也避免了“先樁后堰”施工后，無法采用大型爆破和大面積抓渣的情況；

（4）利用下沉到位的雙壁鋼圍堰作為鉆孔平臺基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，僅需鋪設(shè)平臺面層即可進行鉆孔作業(yè)，可節(jié)約大量的平臺基礎(chǔ)（即鋼管樁）材料投入。

故采取先堰后樁施工法，先下沉鋼圍堰后，以圍堰為基礎(chǔ)搭設(shè)鉆孔平臺。因工期緊張，浮龍門安裝與圍堰加工及引爆清渣平行進行，因浮龍門可重復(fù)利用、浮平臺搭拆的簡便快捷等特點，擬采用浮龍門下沉 38#、39#、40#、41#、42#、43# 墩鋼圍堰，可在雨季來臨前完成施工圍堰施工任務(wù)。

3 施工方案

3.1 施工方案概述

本工藝使用了我處特有的六七式鐵路舟橋器材。利用2艘機動舟994頂推10t浮桅桿吊到墩位處上游拋水泥重力錨；在浮龍門空擋處用型鋼搭設(shè)鋼圍堰拼裝浮平臺，用機動舟頂推浮龍門到墩位處固定，鋼圍堰單元塊在加工場預(yù)制好后，用平板車與運輸船將圍堰單元塊運至施工墩位處，利用浮吊配合拼裝鋼圍堰，利用浮龍門將拼裝好的鋼圍堰下放到位之后，澆注圍堰井壁混凝土、撤出浮龍門、（搭設(shè)簡易平臺以及拼裝下一個墩位圍堰底節(jié)）、放置鋼護筒、水下混凝土封底，最后鉆孔平臺搭設(shè)。

3.2 圍堰運輸及下沉系統(tǒng)的簡介

3.2.1 水上起重機械：10t浮吊兩臺，由10節(jié)標準舟節(jié)（舟橋器材）拼組為吊機浮體，起重系統(tǒng)用桅桿吊桿件拼裝而成，共需2臺。施工準備階段可先拼裝浮吊；

3.2.2 水上運輸設(shè)備：租用100t的駁船運輸材料，利用我處器材994機動舟提供動力。

3.2.3 浮龍門：浮龍門結(jié)構(gòu)為16節(jié)中-60舟節(jié)（舟橋器材）及4個分水節(jié)（舟橋器材）組成四條舟體，將兩條舟體拼在一起組成一組，兩組舟體拉開16m（略大于圍堰寬度）空檔；將兩組舟體通過2組貝雷梁連接成整體（每組貝雷梁為3榀，用鉚栓鏈接，拆裝方便）；支墩為8根￠800鋼管樁；浮龍門橫梁采用兩組貝雷梁，每組貝雷梁為3榀；由4臺5t的慢速卷揚機提供動力，在貝雷梁上安裝4組4輪滑輪組，起重鋼絲繩經(jīng)過6次穿過滑輪組后安裝吊鉤組成起吊系統(tǒng)，經(jīng)檢算浮龍門結(jié)構(gòu)滿足受力的要求，浮龍門結(jié)構(gòu)見下圖（A圖為立面圖，B圖為側(cè)面圖）（單位：mm）。

A圖

B圖

3.2.4 浮平臺：浮龍門拼組完成后，在浮龍門空擋處安裝5組工字鋼，前、后各安裝一組3I36b長為24m工字鋼，中間安裝一組2I36b長為24m工字鋼，中間間隔各安裝一組2I36b長為18m，所有工字鋼用螺絲跟浮體鏈接固定，便以多次拆除與安裝。其中中間一組工字鋼拆除撤離難度較大，中間對接處采用發(fā)輪盤鏈接，降低作業(yè)難度，有力保障了施工安全。

4 施工工藝的說明

4.1 圍堰的加工

首先在加工場制作胎具，各種部位桿件集中下料，根據(jù)設(shè)計結(jié)構(gòu)將各桿件先組裝為一小單元塊（即將水平環(huán)板與水平橫撐及水平斜撐角鋼為一單元，隔艙板與其龍骨角鋼為一單元等），形成流水作業(yè)面，最后將各個單元組裝起來后，進行集中焊接，進而加快圍堰加工速度。

4.2 拋帶攬重力錨

經(jīng)后面計算已通過，在上游拋入2個重為8.5t的重力錨提供的錨碇力足夠克服浮龍門及圍堰的阻水力，一個墩位上下游各2個重力錨，在通過測量配合，用兩艘機動舟頂推浮吊拋重力錨。

4.3 鋼圍堰拼裝下沉施工

4.3.1 將加工好的單元塊進行檢查與試拼，合格后用平板車運送到碼頭裝船，最后通過運輸船與994機動舟運輸?shù)蕉瘴惶庍M行拼裝。

4.3.2 機動舟頂推浮龍門就位到墩位處后，進行底節(jié)圍堰的拼裝。首先根據(jù)圍堰外圍尺寸在浮平臺上放樣，為了拼裝方便可焊接擋板限位。利用浮吊完成圍堰底節(jié)的拼裝。

4.3.3 圍堰底節(jié)拼裝完成后，安排1人指揮，4人操作卷揚機，4人在4個吊點處觀察。吊起圍堰底節(jié)靜止觀察幾分鐘，然后利用2臺浮吊拆除浮平臺，利用前后浮平臺的型鋼做好前后及側(cè)面的限位裝置，將圍堰下放到水中。

4.3.4 圍堰的接高、下沉

計算底節(jié)圍堰的注水高度，底節(jié)圍堰處于懸浮狀態(tài)，向各個隔艙內(nèi)均勻注水，圍堰頂出水面好施工時停止注水，利用增減隔艙水來調(diào)節(jié)上有水對圍堰底沖擊造成的圍堰傾斜。

因船只過往較頻繁，水流波動較大。在上部梁貝雷桁架上安裝四個倒鏈與四根鋼絲繩，掛在圍堰的四個吊耳上，使得圍堰穩(wěn)固，便于接高施工。

圍堰接高時將單元塊對稱接高，防止圍堰傾斜。對位時第二節(jié)與底節(jié)各部桿件應(yīng)相對應(yīng)，符合設(shè)計尺寸的要求，各個隔艙板及壁板不漏水。隨著圍堰的接高，調(diào)節(jié)導(dǎo)鏈穩(wěn)固圍堰。

第二節(jié)拼裝焊接完成后，經(jīng)檢查各部位的密封性與焊接質(zhì)量合格后，向圍堰均勻注水繼續(xù)下沉，同上述接高第三節(jié)。

4.3.5 圍堰著床

當(dāng)套箱焊接完畢后，對套箱隔艙內(nèi)灌水同步下沉并糾偏，當(dāng)距河床標高50cm左右即停止灌水下沉，用全站儀觀測套箱頂上順橋向的兩個點，調(diào)整圍堰的傾斜和偏位，直到兩點的坐標與設(shè)計坐標基本相符為止，然后立即啟抽水機向隔倉同時注水，使圍堰迅速下沉。圍堰下沉過程中隨時用全站儀監(jiān)控圍堰頂面的4個觀測點，發(fā)現(xiàn)偏位，立即糾正。

4.3.6 澆注圍堰隔艙混凝土

圍堰隔艙混凝土澆注施工工藝水下混凝土封底相同，特別注意要控制相鄰隔艙混凝土高差，且應(yīng)從圍堰頂標高較大隔艙處澆注。澆注完成后撤出浮龍門，進行另一墩圍堰的下沉。

4.3.7 刃腳支墊及封堵

刃腳下到標高后，潛水員下水進行摸底探平，以確保鋼圍堰的穩(wěn)定。為保證封底混凝土的可靠性，防止混凝土流失，用袋裝水泥及砂子在封堵圍堰內(nèi)刃腳。

4.3.8 搭設(shè)平臺、安放護筒

支墊完畢后，在鋼圍堰頂部搭設(shè)平臺，通過測量確定預(yù)留鉆孔樁樁位，將護筒從預(yù)留孔下放至河床上，待護筒全部沉放固定完畢后，將護筒所有護筒鏈接起來成一整體，并且在護筒內(nèi)投放沙袋，確保護筒的穩(wěn)定的同時，防止水下封底時混凝土流入護筒內(nèi)。最后進行水下封底。

5 阻水力及錨固檢算

5.1 按照本方案基本計算數(shù)據(jù)

河面寬700m～1000m，平均水深為h=6m，水流速約為v=0.8m/s，桅桿吊浮體的外圍尺寸為：l1=129.6m，平均吃水h1=0.4m；浮龍門船外圍尺寸為l2=28m×28m，最大浸水深度 h2=0.7m，鋼圍堰尺寸為：l3=17.2m×14.4m，最大吃水深為h3=8m，出水面4.6m。

5.2 浮體阻水力的檢算

其中： V1—擠壓后水流速（m/s）;

n1—河床平均水深與浮墩吃水深度之比；

m—浮墩空隙距離與浮墩寬度之比；

u—水流擠壓系數(shù)，取0.9。

根據(jù)上式計算得墩位處水流速：V1=1m/s

圍堰著床瞬間阻水力最大工況計算：

式中：f：摩擦系數(shù)（鐵駁為 0.17，木船為 0.25）；S：駁船浸水面積，約為（m2）；L：浮體浸水線長（m）；B：船寬（m）；T：吃水深度（m）；V：船和水相對移動速度（m/s）φ：水流阻力系數(shù),直方體箱型船取30。F：駁船入水部分垂直水流方向的投影面積（m2），如果駁船截面垂直水流方向則為BT。

根據(jù)上式計算：

桅桿吊浮體阻水力R1=3.9kN：浮龍門阻水力R2=5.1kN；鋼圍堰著河床瞬間阻水力R3=42.9kN

水阻合力為：R=R1+R2+R3=51.9 kN

圍堰風(fēng)阻力：因風(fēng)向常年多為北風(fēng)，（跟逆水流方向），可不算。

用2個混凝土重力錨提供錨碇力，每根鋼絲繩所需錨碇里為：T1=51.9/2=25.95kN

5.3 錨固的檢算

采用活動水泥錨碇：錨定河段最大水深9m，河床有1m多的泥沙。

（1）重力錨尺寸為1.5m×1.5m×1.5m，用鋼筋錨與混凝土制作而成，每面伸出4個50cm槽鋼。錨重G=1.53×2.4t=8.1t

實際每個重力錨提供的錨碇力R實=43.2KN>25.95KN重力錨滿足要求。

（2）錨纜（繩）長度

公式中：R：總阻力（KN）；q：錨纜重量（KN/m）；h：河床到浮駁船頂面高度(m)；5h：錨纜躺在河床上的長度（m）；L：懸纜長度（m）。

取90m即可。

由于河道過往船只過多，實際取120m，Φ 22的鋼絲繩的破斷拉力為250kN，鋼絲繩的安全系數(shù)為：250/25.95=9.6，安全系數(shù)較大。

錨機拉力為30 KN>25.95KN，錨機拉力滿足要求。

6 結(jié)束語

實踐證明，本方案在實際操作中方便、快捷、可行。有效的縮短了施工工期，避免了季節(jié)性雨季和通航的影響，該方案滿足了緊張工期的同時，節(jié)約成本，提高效益?？晒╊愃骗h(huán)境工程的墩樁基施工參考。

［1］吳德馨,浮橋施工技術(shù)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2000.