嘉紹跨江大橋主塔承臺(tái)鋼圍堰施工技術(shù)

洪蘇科 張 敏 張 牧 劉德清

（1.嘉紹跨江大橋工程建設(shè)指揮部 紹興 312000； 2.武漢橋梁建筑工程監(jiān)理有限公司 武漢 430034）

1 工程概況

嘉（興）紹（興）跨江公路通道嘉紹大橋工程，全長(zhǎng)10.137km，主要由南岸水中區(qū)引橋、水中主橋、北副航道橋、北岸水中區(qū)引橋及北岸陸地區(qū)引橋等部分組成，為了減少對(duì)錢塘江大潮世界自然奇觀的影響，承臺(tái)采用深埋式，主航道橋?yàn)榱?dú)柱四索面分幅鋼箱梁斜拉橋，其跨徑布置為70m＋200m＋5×428m＋200m＋70m＝2 680m；索塔基礎(chǔ)采用圓形承臺(tái)，承臺(tái)頂面設(shè)計(jì)標(biāo)高為－4.5m，頂面基本保持與河床平。Z4～Z7索塔承臺(tái)直徑為40.6m，厚6.0m，下設(shè)32根直徑2.50 m的鉆孔灌注樁；Z3和Z8索塔承臺(tái)直徑為39.0 m，厚6.0m，下設(shè)30根Φ2.50m的鉆孔灌注樁。塔柱與承臺(tái)之間設(shè)置2.5m厚的棱臺(tái)形塔座，總體布置見(jiàn)圖1。

圖1 嘉紹大橋主航道橋總體布置

橋址位于錢塘江河口尖山河段，該段河床寬淺、潮強(qiáng)流急、涌潮洶涌，最大水深10m左右，為非正規(guī)半日淺海潮流，水位每日2次漲落，水流屬往復(fù)流，但不對(duì)稱性較明顯，漲潮流大于落潮流，橋址處無(wú)長(zhǎng)期潮位觀測(cè)站，依據(jù)橋址斷面2003年5月短期觀測(cè)資料，觀測(cè)期實(shí)測(cè)最高潮位5.45 m，最低潮位－3.15m，最大潮差8.59m，橋位附近涌潮流速可達(dá)9.0～10.0m／s。初勘揭示橋址區(qū)地層巖性上部為較厚的第四紀(jì)松散沉積物地層，下伏白堊系下統(tǒng)泥質(zhì)粉砂巖、砂礫巖風(fēng)化層，橋位區(qū)發(fā)育一層軟土，即淤泥質(zhì)亞粘土。該層軟土水域較厚，一般20～32m，為不良地質(zhì)層。

根據(jù)各種情況綜合考慮，承臺(tái)施工最終采用無(wú)底鋼圍堰技術(shù)，主要考慮以下因素：為減小阻水率，本工程承臺(tái)頂標(biāo)高較低，為－4.5m，基本埋入河床，施工受潮位及大潮差影響，作業(yè)較困難；由于橋位區(qū)強(qiáng)涌潮、大潮差、易沖刷的影響，承臺(tái)采用雙壁鋼圍堰工藝，鋼圍堰下沉技術(shù)難度極大，尤其是入泥階段對(duì)圍堰導(dǎo)向定位系統(tǒng)要求極高；圍堰沉放施工需避開(kāi)大潮汛時(shí)段，選擇在中小潮時(shí)進(jìn)行下沉作業(yè)；中小潮段，墩位處河床水深較淺，低潮時(shí)一般不足5m，空氣吸泥機(jī)吸泥效果極差。本文主要介紹鋼圍堰沉放施工技術(shù)。

2 鋼圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 鋼圍堰結(jié)構(gòu)形式

采用無(wú)底鋼圍堰施工，無(wú)底鋼圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由三大系統(tǒng)組成：側(cè)板鋼圍堰系統(tǒng)；導(dǎo)向內(nèi)撐系統(tǒng)；鋼圍堰下放就位系統(tǒng)。雙壁鋼圍堰結(jié)構(gòu)布置：鋼圍堰由內(nèi)外壁板、豎向次梁、環(huán)向鋼板、水平斜撐、井壁隔艙、連通管及其他附屬工程組成。雙壁鋼圍堰平面為圓形（以Z5為例），內(nèi)壁直徑40.6 m，外壁直徑43.6m，壁厚1.5m。鋼圍堰雙壁部分高度24m，單壁部分高度2.5m，總高度26.5 m，其中擋浪板高度1.5m，刃腳高度2.0m?？紤]到施工棧橋通行寬度及運(yùn)輸平板車裝載寬度高度限制、安裝及拆除的因素，鋼圍堰豎向分節(jié)高度為7.5m＋12m＋4.5m＋2.5m，圍堰每節(jié)分成16塊加工、安裝，每節(jié)標(biāo)準(zhǔn)段外弧長(zhǎng)8.56m。下沉至設(shè)計(jì)位置的鋼圍堰頂標(biāo)高為＋6.5m（不含擋浪板），底標(biāo)高為－18.0m。壁體重量約800t，加上配載約1 050t，分成16個(gè)相對(duì)獨(dú)立的水密艙。雙壁鋼圍堰總體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 雙壁鋼圍堰總體結(jié)構(gòu)

2.2 荷載組合及分項(xiàng)系數(shù)

鋼圍堰的主體鋼材均為Q235B鋼，整體下放吊點(diǎn)采用Q345C鋼，封底混凝土及隔艙內(nèi)混凝土的等級(jí)均為C20。荷載主要考慮自重、水壓力、浪壓力、土壓力。根據(jù)《水工建筑物荷載規(guī)范》，靜水壓力的作用分項(xiàng)系數(shù)采用1.0，動(dòng)水壓力的作用分項(xiàng)系數(shù)采用1.2，浪壓力的作用分項(xiàng)系數(shù)采用1.2，土壓力的作用分項(xiàng)系數(shù)采用1.2。圍堰驗(yàn)算荷載組合以最不利工況作為驗(yàn)算，即：組合＝自重＋1.0×靜水壓力＋1.2×動(dòng)水壓力＋1.2×浪壓力＋1.2×土壓力。根據(jù)對(duì)不同種工況的計(jì)算，結(jié)果表明鋼圍堰結(jié)構(gòu)整體滿足要求，在實(shí)際施工時(shí)，對(duì)艙壁混凝土頂端及隔艙板、連接板等周圍均需進(jìn)行加勁處理。

3 鋼圍堰沉放施工

3.1 施工方案

各墩鋼圍堰采用整體下放方案，單個(gè)鋼圍堰最大的整體下放重量約為1 050t，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和荷載分布，主墩圍堰采用8個(gè)吊點(diǎn)，每個(gè)吊點(diǎn)設(shè)置1臺(tái)350t千斤頂，每個(gè)墩配置1套中央控制系統(tǒng)。主要分4步：依靠自重下沉→注水下沉→艙壁混凝土澆注及吸泥下沉→最后一次艙壁混凝土澆注及吸泥下沉到位。

3.2 拼裝平臺(tái)的搭設(shè)

3.2.1 鉆孔平臺(tái)改裝

為了方便側(cè)壁安裝，項(xiàng)目開(kāi)工前需拆除鉆孔平臺(tái)周圍的懸臂平臺(tái)，而鉆孔平臺(tái)內(nèi)側(cè)則直接作為封底混凝土及側(cè)壁混凝土澆筑平臺(tái)使用，同時(shí)設(shè)置通道保證輔助平臺(tái)與內(nèi)側(cè)工作區(qū)的通暢。

3.2.2 側(cè)壁拼裝平臺(tái)安裝

側(cè)壁拼裝平臺(tái)設(shè)置位置主要考慮水位的影響、側(cè)壁下放工藝、拼裝工藝要求等因素。根據(jù)水文氣象條件，平均高潮位為4.02m，拼裝后采用整體下放工藝，側(cè)壁整體高度高，綜合以上因素，拼裝平臺(tái)設(shè)置在＋5.0m標(biāo)高位置，同時(shí)在此標(biāo)高處樁護(hù)筒之間采用直徑600mm×8mm的鋼管連接成整體（在樁基施工期間兼作水位連通管）。在低潮位時(shí)在外圍鉆孔灌注樁鋼護(hù)筒上焊接拼裝平臺(tái)，每個(gè)側(cè)壁單元平臺(tái)采用2組雙拼HM588×30型鋼，2組型鋼成八字形布置，將最外圍鋼護(hù)筒與平臺(tái)鋼管樁連接，同時(shí)在側(cè)壁中心處設(shè)置牛腿。

平臺(tái)安裝位置采用“十字撐”結(jié)構(gòu)、相應(yīng)加勁板對(duì)鋼護(hù)筒進(jìn)行局部加強(qiáng)。平臺(tái)外側(cè)搭設(shè)環(huán)形平臺(tái)，作為鋼圍堰的拼裝焊接工作平臺(tái)，環(huán)形平臺(tái)上設(shè)置拼裝腳手架，與側(cè)壁臨時(shí)固定，并在壁板拼裝線以外安裝欄桿，便于壁板施工中的人員行走。綜合考慮各種荷載的影響，單個(gè)牛腿需承受約100t左右的荷載。

3.3 鋼圍堰側(cè)壁拼裝

雙壁鋼圍堰側(cè)壁上下分成4節(jié)，平面位置分成16個(gè)單元塊，弧度為22.5度，側(cè)壁按分塊、分節(jié)進(jìn)行對(duì)稱拼裝。經(jīng)過(guò)預(yù)拼、水密性檢查，確認(rèn)符合要求后由平板車經(jīng)過(guò)棧橋運(yùn)至墩位，單元塊運(yùn)輸前需根據(jù)單元線形設(shè)置運(yùn)輸胎架，固定在平板車上，以防止其在起吊運(yùn)輸、裝卸、擱置過(guò)程中的局部變形。

3.4 導(dǎo)向定位系統(tǒng)的安裝

鋼圍堰導(dǎo)向系統(tǒng)原設(shè)計(jì)為導(dǎo)向鋼管加導(dǎo)向掛腿，后考慮導(dǎo)向鋼管強(qiáng)度較弱，改為直徑1.2m的鋼管樁，上端與鋼護(hù)筒焊接固定，下端打入土中8～10m。導(dǎo)向鋼管樁用振動(dòng)錘振沉就位。在導(dǎo)向鋼管內(nèi)灌填砂子，水振密實(shí)，在樁頂澆筑不少于2m厚混凝土。鋼管樁與鋼護(hù)筒之間采用型鋼焊接成整體，并對(duì)鋼護(hù)筒內(nèi)腔進(jìn)行加強(qiáng)，確保導(dǎo)向和護(hù)筒共同受力，鋼圍堰導(dǎo)向系統(tǒng)見(jiàn)圖3。鋼圍堰限位設(shè)置見(jiàn)圖4。

圖3 鋼圍堰導(dǎo)向系統(tǒng)

圖4 鋼圍堰限位設(shè)置

3.5 下放系統(tǒng)的布置

鋼圍堰整體下放采用連續(xù)千斤頂進(jìn)行，千斤頂布置在承臺(tái)外周接高的鋼護(hù)筒頂端的承重架上，護(hù)筒選取位置以承臺(tái)中心徑向?qū)ΨQ，接高后的鋼護(hù)筒頂標(biāo)高為＋15.0m；下端掛腿設(shè)置在壁體上。在拼裝平臺(tái)上拼裝成整體的鋼圍堰采用8臺(tái)350t連續(xù)千斤頂整體同步進(jìn)行下放，單個(gè)承重架頂只布置1臺(tái)千斤頂，單個(gè)吊點(diǎn)鋼圍堰整體下放承重架立面圖見(jiàn)圖5，鋼圍堰吊點(diǎn)形式見(jiàn)圖6。

圖5 鋼圍堰吊點(diǎn)形式

圖6 鋼圍堰整體下放承重架立面圖（單個(gè)吊點(diǎn)）

3.6 水密性試驗(yàn)

每節(jié)側(cè)壁焊接完成后下水前需進(jìn)行一次水密性試驗(yàn)，以保證其密封性、防止?jié)B水。水密性試驗(yàn)即用調(diào)制好的石灰漿涂刷焊縫處，然后用煤油滲透試驗(yàn)。如發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)，用氣刨清除后補(bǔ)焊，補(bǔ)焊處應(yīng)重新做密性試驗(yàn)。

3.7 刃腳混凝土澆注

首節(jié)圍堰拼裝、調(diào)試并焊接完成后即可澆注刃腳混凝土。刃腳混凝土標(biāo)號(hào)C20，澆注高度1.7m。刃腳混凝土采用溜槽直接泵送至每個(gè)隔艙內(nèi)，每個(gè)隔艙設(shè)一個(gè)澆注點(diǎn)。為了確?；炷翝沧①|(zhì)量，采用振動(dòng)棒振搗密實(shí)。為保證圍堰整體受力均勻，刃腳混凝土分東南西北4個(gè)方向?qū)ΨQ澆注。

3.8 連通孔設(shè)置

連通管的作用有4個(gè)：一是克服鋼圍堰下放過(guò)程中的浮力；二是保證吸泥下沉過(guò)程中圍堰內(nèi)外水面標(biāo)高保持一致；三是保證封底混凝土澆注后圍堰內(nèi)外水面一致，封底混凝土承受浮力一致；四是可以減少封底混凝土等強(qiáng)后抽水的工作量。共設(shè)置2類連通管：A類連通器將圍堰外與圍堰內(nèi)連通，B類連通器將圍堰內(nèi)與艙壁連通。

3.9 鋼圍堰分成4個(gè)階段

（1）第一階段。依靠自重下沉。鋼圍堰做完各項(xiàng)工藝試驗(yàn)及檢查后（主要檢查壁體結(jié)構(gòu)、定位系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)、下放系統(tǒng)、護(hù)筒與圍堰間是否有障礙物等），拆除拼裝平臺(tái)，并派潛水員在圍堰位置提前進(jìn)行水下探摸，確定是否有大塊混凝土塊、大型鐵件或其他影響下放的異物。選擇在白天漲潮的同時(shí)開(kāi)始離架正式下放。下放始標(biāo)高為＋5.0m，小潮汛時(shí)平均高平潮標(biāo)高為＋3.0m左右，漲潮1h后水位標(biāo)高在＋1.0m左右，此時(shí)流速已減緩，基本小于1.5m／s，因此根據(jù)下放速度，在1h后，圍堰可以入水。入水前應(yīng)控制下放速度，便于控制和調(diào)整早期的鋼圍堰平面位置和垂直度；隨著不斷的漲潮，流速越來(lái)越緩，可以更好地控制圍堰下沉姿態(tài)。圍堰入泥前泥面標(biāo)高約－8.0m左右，正常情況下2.5h內(nèi)可以入泥，此時(shí)基本到高平潮。

為了克服圍堰下沉過(guò)程中的浮力，圍堰自重下沉?xí)r將所有連通管均打開(kāi)，按照設(shè)計(jì)，圍堰入水3.2m后，海水可以自動(dòng)流入艙壁內(nèi)。經(jīng)計(jì)算，依靠自重，可以入泥約1m左右。圍堰自重入泥的姿態(tài)對(duì)后續(xù)下沉的平面位置及垂直度影響很大，因此，圍堰入泥著床前必須要通過(guò)定位系統(tǒng)及下放系統(tǒng)反復(fù)調(diào)整圍堰的位置，測(cè)量確認(rèn)符合要求后才允許入泥。如入泥后圍堰位置尤其是平面位置不符合要求，應(yīng)關(guān)閉B類連通器，抽出艙壁內(nèi)配重水，重新提起來(lái)調(diào)整準(zhǔn)確后再下放入泥。

（2）第二階段。注水下沉。圍堰自重入泥后，利用小潮汛鋼圍堰繼續(xù)下放，此時(shí)仍退潮，水流速度較慢，由于土層摩阻力及刃腳抗力的增大，鋼圍堰入土1m后無(wú)法利用自重及吸泥繼續(xù)下沉。經(jīng)計(jì)算，標(biāo)高－9.0m以上圍堰外側(cè)摩阻力462t／m，－9.0m以下528t／m，澆注艙壁混凝土增加重量267t／m，B類連通器關(guān)閉后注水可增加重量180t／m（高出圍堰外水位），刃腳抗力為1 750t／m。為了確保圍堰快速下沉，采用吸泥和注水配重相結(jié)合的辦法。關(guān)閉下層B類連通器，往鋼圍堰內(nèi)注水，確保艙壁內(nèi)水位比圍堰外高3m，同時(shí)在圍堰內(nèi)側(cè)對(duì)稱吸泥至刃腳底，此時(shí)圍堰可下沉到標(biāo)高－10.0m。同樣的辦法，當(dāng)艙壁內(nèi)水位高出6m，并吸泥到刃腳處可再下沉1m。

（3）第三階段。艙壁混凝土澆注及吸泥下沉。鋼圍堰依靠自重及注水、吸泥可以下沉到標(biāo)高－11.0m處，穩(wěn)定后關(guān)閉下層B類連通管，打開(kāi)其他連通管，開(kāi)始澆注艙壁混凝土配重并吸泥下沉。艙壁混凝土澆注前要慎重檢查圍堰平面位置和垂直度，并要確定圍堰外側(cè)沖刷情況。如處于小潮汛，且沖刷不大，可進(jìn)行艙壁混凝土澆注施工，若處于大潮汛或沖刷過(guò)大，應(yīng)繼續(xù)注水下沉或提前做好沖刷防護(hù)。艙壁混凝土首次澆注4m約760m3，標(biāo)號(hào)為C20，為保證對(duì)稱澆注，澆注點(diǎn)設(shè)16個(gè)，每個(gè)艙壁中心點(diǎn)設(shè)一個(gè)。布置4個(gè)3方漏斗。每次均至少4個(gè)澆注點(diǎn)對(duì)稱同時(shí)澆注，依次循環(huán)，直至澆注4m高。為了保證在混凝土初凝前澆注完成，混凝土供應(yīng)不得小于160m3／h。艙壁混凝土施工時(shí)采用全站儀對(duì)鋼圍堰進(jìn)行全過(guò)程監(jiān)測(cè)，若圍堰偏位，可通過(guò)調(diào)整混凝土灌注進(jìn)度進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠胶庑哉{(diào)整，直至混凝土灌注全部完成。各倉(cāng)澆注速度要基本保持一致。澆注時(shí)各隔艙混凝土頂標(biāo)高相差不超過(guò)0.5m。根據(jù)計(jì)算，澆注4m艙壁混凝土并注水6m，同時(shí)吸泥到刃腳底，可繼續(xù)下沉約2.5m到標(biāo)高－13.5m處。此時(shí)下層連通管全部關(guān)閉。在等強(qiáng)、吸泥下沉過(guò)程中，拼裝第三節(jié)雙壁鋼圍堰，同時(shí)準(zhǔn)備澆注第二次艙壁混凝土。

注意在大潮汛到來(lái)前1～2d做好沖刷防護(hù)工作，采用在圍堰四周拋1t／個(gè)的砂袋的方案進(jìn)行沖刷防護(hù)。為防止吸泥過(guò)程中圍堰下沉過(guò)多，超過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)高，控制圍堰下沉到－16.4m的標(biāo)高后暫不吸泥。

（4）第四階段。最后一次艙壁混凝土澆注及吸泥下沉到位。吸泥及配重下沉到－16.4m的標(biāo)高后，停止吸泥，穩(wěn)定后澆注最后4m高的艙壁混凝土。如艙壁混凝土澆注完后還不能下沉到位，則關(guān)閉上層B類連通管，在低潮時(shí)繼續(xù)向圍堰內(nèi)注水，讓圍堰緩慢下沉到位，避免下沉過(guò)多。通過(guò)計(jì)算，在最后4m艙壁混凝土澆注到位，注水6m高，并緩慢吸泥至1.1m（離刃腳底口約0.5m）處，圍堰可以下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高－18.0m。下沉到位后，將鋼圍堰側(cè)壁與鋼護(hù)筒的上定位臨時(shí)焊接固定，防止鋼圍堰在流水和涌潮沖擊下晃動(dòng)過(guò)大。圍堰外要連續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)，如沖刷過(guò)大要繼續(xù)進(jìn)行沖刷防護(hù)，圍堰內(nèi)泥面偏高部分采用吸泥機(jī)繼續(xù)吸泥，基本平整后由潛水員進(jìn)行基底平整、鋪設(shè)沙袋及彩條布等工作，為封底混凝土澆注做準(zhǔn)備。

4 施工幾點(diǎn)建議

（1）鋼圍堰沉放后期，配載加上去后，整體重量很重，因此，吊點(diǎn)局部需加強(qiáng)，保持足夠的剛度和強(qiáng)度，否則很容易變形。

（2）在鋼圍堰著床并穩(wěn)定之前，最好用水配載，不要急著用混凝土配載，因?yàn)橛盟漭d，如果偏位太多或出現(xiàn)其他事故無(wú)法糾偏時(shí)，還可卸載。

（3）在受潮水影響較大的地方施工，鋼圍堰下放時(shí)機(jī)宜選擇安排在大潮過(guò)后3～4d后進(jìn)行，以預(yù)留足夠的作業(yè)時(shí)間，滿足下一個(gè)大潮來(lái)臨前圍堰入土更大深度，盡量使刃腳不脫空。

（4）鉆孔樁施工階段的鉆渣、墩位河床泥面的高低差均會(huì)大大地影響圍堰初期的下沉速度和入泥穩(wěn)定，因此，需提前清理刃腳區(qū)域鉆渣，并盡可能減小泥面高差。

5 結(jié)語(yǔ)

嘉紹跨江大橋主塔承臺(tái)施工，其鋼圍堰施工技術(shù)采用無(wú)底超大型鋼圍堰吸泥沉放相當(dāng)成功，最終6個(gè)鋼圍堰沉放最大平面偏差為81mm，最大垂直度偏差為1／300，均滿足《嘉紹大橋?qū)Ｓ檬┕ぜ夹g(shù)規(guī)范》要求。該工藝為以后類似地區(qū)鋼圍堰施工提供了豐富寶貴的經(jīng)驗(yàn)，值得借鑒與推廣。