鋼浮筒浮平臺拼裝大型雙壁鋼圍堰施工技術(shù)

湯德強 ，楊波 （中鐵十局集團濟南鐵路工程公司，山東 濟南 250000）

0 前言

目前大直徑鉆孔樁基礎(chǔ)廣泛應用于大跨度橋梁主墩深水基礎(chǔ)，鉆孔樁承臺深水基礎(chǔ)施工廣泛采用“先堰后樁”方案，大型雙壁鋼圍堰施工常采用兩種方法：①圍堰底節(jié)在碼頭上拼裝利用氣襄承托拖拉（或起吊）下水；②在大噸位平板駁船組拼浮平臺上拼裝底節(jié)、用攏門吊（或大型水上吊裝設(shè)備）起吊下水，圍堰下水后浮運至現(xiàn)場進行定位、拼接、下沉等作業(yè)。在蘭渝鐵路新井口嘉陵江特大橋81號主墩深水基礎(chǔ)施工中，首次采用鋼浮筒浮平臺進行雙壁鋼圍堰底節(jié)拼裝及下水施工，取得了較好的技術(shù)經(jīng)濟效果。

1 工程概況

新井口嘉陵江特大橋是蘭渝鐵路客線與渝利貨車外繞線合建的特大橋，引橋部分客、貨線雙線橋分建，在跨江處合并為四線橋，其中客線雙線橋長2534 m，貨車（單）雙線橋長3865.5 m，四線橋部分長1301 m，四線主橋跨江段橋跨布置及結(jié)構(gòu)：（64+64）mT構(gòu) +（84+152+76）m連續(xù)剛構(gòu) +（64+64）m T構(gòu)。81#主墩基礎(chǔ)設(shè)計鉆孔樁32根，樁徑2.5 m，樁長為33 m，按梅花形布置。承臺為圓弧端形，尺寸為45 m×20 m×4 m，承臺底標高為161.15 m，施工水位175 m,雙壁鋼圍堰尺寸為48.5 m×23.5 m×18 m，壁厚1.5 m。

嘉陵江屬于長江一級支流，水位受季節(jié)性降雨變化較大，雨季河水湍急。橋址處枯水季節(jié)江面寬度約350 m，汛期寬度可達約500 m，最大水深達約47 m以上，最大流速為V[1/20]=3.8 m/s，最高水位為H[1/20]=192.69 m。橋址處河床大部分基巖裸露，表層局部有沉積砂卵石土層，厚1 m～2 m，其下為弱風化泥巖夾砂巖。深水基礎(chǔ)施工必須避開汛期。

圖1 鋼浮筒拼裝平臺平面示意圖

2 工藝原理

鋼浮筒浮平臺拼裝大型雙壁鋼圍堰是“先堰后樁”的一種施工方法，是利用鋼護筒封端制成密閉的鋼筒作為浮體，再拼裝成大型浮動施工平臺，在浮平臺上拼裝底節(jié)鋼圍堰后，分批向鋼浮筒內(nèi)注水使平臺下沉，底節(jié)圍堰自浮后移至墩位處進行上層圍堰拼裝、注水下沉及著床等作業(yè)。浮平臺入水前一部分鋼浮筒分批抽離上岸，另一部分沉入水中，鋼圍堰移開下水地點后采用充氣排水的方法使其浮升至水面，鋼浮筒上岸整修后再用于鉆孔樁施工。

3 浮平臺設(shè)計

3.1 鋼浮筒平臺結(jié)構(gòu)

鋼浮筒平臺主要由鋼浮筒、貝雷梁拼裝而成。鋼浮筒采用直徑2.8 m的鉆孔樁鋼護筒兩端封堵后制成，長度分為9 m、13 m兩種規(guī)格。在鋼圍堰兩側(cè)直線壁板下分別垂直布設(shè)5根9 m長浮筒，浮筒位于圍堰豎向箱柱下（塊件拼縫處），間距6.75 m。在鋼圍堰兩圓弧端下順橋向各設(shè)2根31 m長浮筒，間距6 m，每根由3節(jié)浮筒按照9 m+13 m+9 m形式拼接而成。在鋼圍堰直線壁板兩側(cè)各設(shè)一組貝雷梁（每組2片），將所有鋼浮筒聯(lián)結(jié)成整體，形成鋼圍堰拼裝浮動平臺。

3.2 浮力驗算要點

鋼浮筒浮平臺的自重G主要為鋼浮筒、封端板、貝雷梁、拼裝墊梁等構(gòu)件自重組成，承受的荷載W主要由底節(jié)圍堰自重及施工機具及人員等施工荷載組成，鋼浮筒浮平臺的總浮力F由鋼浮筒提供。為保證浮平臺安全，滿載后吃水線宜控制在鋼浮筒圓截面直徑附近，即滿足G+W≈F/2。此時浮平臺抵抗不均衡荷載的能力較強，干弦高度亦能滿足圍堰拼裝施工要求（見圖1）。

3.3 貝雷梁檢算要點

圍堰壁板分割成若干節(jié)段進行吊裝，分割板塊水平長度與鋼護筒間距尺寸相同，吊裝時使每個板件兩端支承在浮筒上。拼裝按照先直線段后圓弧段及直線段按照由中間向兩端對稱的順序進行。貝雷梁檢算按照吊裝中間2塊和吊裝中間4塊壁板兩種工況進行分析計算。在拼裝中部2塊（或4塊）壁板并焊連后，在浮力及壁板兩側(cè)防傾覆斜拉線的作用下，壁板下3個（或5個）浮筒與壁板緊貼，即吃水深度相同（浮力相同），已拼壁板兩端以外部分的貝雷梁按懸臂梁進行強度及撓度檢算。

4 鋼浮筒平臺制做及拼裝工藝要點

4.1 鋼浮筒制做及密閉性試驗

用于深水基礎(chǔ)的大直徑鉆孔樁鋼護筒焊接質(zhì)量能滿足浮筒的要求，因此可直接用來制成鋼浮筒。2.8 m直徑的鋼護筒兩端采用10 m m厚鋼板焊接封端，并在每節(jié)浮筒中部（壁板下）設(shè)置一道米字型角鋼加強支撐，防止在吊裝壁板時浮筒產(chǎn)生局部變形，鋼浮筒下水前應按工作壓力的1.5倍進行密閉性試檢驗，合格后方可使用。

4.2 鋼浮筒平臺拼裝

鋼浮筒浮平臺應在近岸淺水區(qū)分組塊進行拼裝，然后再組拼成整體。本工程鋼浮筒分成4個組塊進行拼裝，兩側(cè)直線段壁板下各5根9 m長浮筒為A組塊，兩個圓弧端壁板下各2根31 m長浮筒為B組塊，組塊B長浮筒按9 m+13 m+9 m順序用法蘭連接。組塊拼裝時，在浮筒兩端封端板中上部設(shè)置一道水平連接桿（[22槽鋼），將各浮筒按設(shè)計間距連接成整體，兩根浮筒之間設(shè)置水平交叉拉桿（鋼筋Φ25），使組塊形成平面穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。拼裝好的組塊用鋼絲繩臨時系于岸上錨樁上，全部完成后將4個組塊連接成整體，利用錨碇系統(tǒng)進行臨時固定，然后吊裝貝雷梁組。2組貝雷梁對稱布置于直線壁板的內(nèi)外側(cè)，每組貝雷梁由2片組成，中心間距0.9 m，2片之間每隔3 m設(shè)一道橫向垂直支撐架，上弦每隔3 m設(shè)置一片水平支撐架。貝雷梁下弦用槽鋼與鋼浮筒扣連。在壁板兩側(cè)與貝雷梁之間鋪設(shè)1.0 m寬走道，以方便操作。

5 鋼浮筒浮平臺拼裝工藝要點

5.1 拼裝墊梁鋪設(shè)

鋼套箱圍堰兩側(cè)壁板直線下各設(shè)置2組墊梁，墊梁中心間距與壁板相同（1.5 m）。每組墊梁由2根工字鋼I 32 b組成，中心間距0.3 m，用10 m m鋼板進行連接。墊梁段在岸上分段加工，運至平臺上進行接長，整體定位調(diào)平后，用鐵件與鋼護筒扣連。鋼套箱圍堰兩端圓弧壁板下各設(shè)置9根墊梁，墊梁長9.0 m，間距2.0 m，采用I 32 b工字鋼，用鐵件與鋼護筒扣連。全部墊梁必須在同一平面上，保證底節(jié)圍堰順利拼裝。

5.2 鋼圍堰底節(jié)拼裝

在拼裝墊梁上放出鋼圍堰的輪廓尺寸線。拼裝鋼圍堰底節(jié)時，按照先直線后圓弧的順序進行，直線段由中部向兩端對稱拼裝，合攏塊設(shè)在兩端圓弧段的中部。直線段塊件拼裝時，在壁板重力和浮力的共同作用下，平臺（貝雷梁）中部向下彎曲，兩端上翹，一側(cè)壁板拼裝后浮筒下沉而發(fā)生平臺傾斜，因此在拼裝壁板時，按照通過向未加載的浮筒注水或壓重的方式，減少彎曲并基本達到整體平衡。

壁板吊上平臺后，用倒鏈進行精確定位及垂直度校正，用千斤頂支頂加支墊的方式進行標高調(diào)整。中間2塊壁板吊上平臺后，通過向兩端浮筒注水使3個承力浮筒基本平衡，精確調(diào)整并將2塊壁板焊連后，即排除平衡水，再進行下一塊吊裝。

圓弧段拼裝時，根據(jù)合攏塊的實際尺寸進行放線，攏口尺寸比合攏塊略大5 m m～10 m m，嚴格控制攏口兩側(cè)的塊件拼裝的垂直度，保證攏口上下尺寸一致。合攏塊吊裝時，保持緩慢垂直插入，中途發(fā)生插入困難時，不得強行下插，避免卡死，待查明原因處理解決后再重新插入。

圍堰底節(jié)拼裝完成后，嚴格檢查所有焊縫的質(zhì)量，并進行滲透性檢驗，確認合格后，方可進行下水作業(yè)。為防止底節(jié)下水時由于局部不均衡下沉產(chǎn)生變形，采取臨時加強措施，即在四個角部采用630 m m×10 m m螺旋鋼管設(shè)置臨時加強斜撐桿，增強圍堰的整體性和直線段壁板的側(cè)向穩(wěn)定性。

6 底節(jié)圍堰下水要點

6.1 下水地點選擇

為保證底節(jié)圍堰下水后，鋼浮筒平臺打撈及底節(jié)圍堰自浮后接高拼裝同時進行，下水地點應離開墩位，具體地點選擇在墩位下游附近。必須對圍堰下水范圍內(nèi)河床進行詳細探查，避免河床局部存在突出巖石影響圍堰下水。

底節(jié)圍堰拼裝完成后，嘉陵江井口段封航2 h，用2艘400 t拖輪將底節(jié)圍堰和平臺浮運到下水點，在墩位下游附近用錨碇系統(tǒng)進行定位。下水地點水深需滿足下列條件：

其中：D——鋼護筒直徑

h1——拼裝墊梁高度

h2——圍堰自浮吃水深度

6.2 注水系統(tǒng)設(shè)置與安裝

注水下沉系統(tǒng)由進水管、出氣管、水泵、閥門、集中控制柜組成。進水管伸入浮筒內(nèi)底部，出氣管底位于浮筒內(nèi)上部，進水及出氣管道貼近浮筒頂面處安裝控制閥門，并用高壓軟管引至圍堰壁板上部固定。水泵采用小型潛水泵，懸掛設(shè)在圍堰的外側(cè)，在水泵出水管處設(shè)閥門，然后與進水管連接。高壓軟管留足浮筒下沉及排水浮升作業(yè)所需長度?？刂乒癜卜庞诠ぷ鞔希駜?nèi)水泵控制開關(guān)與水泵、管道對應編號。鋼浮筒平臺注水前，對注水系統(tǒng)進行調(diào)試，檢查各臺水泵單位時間的出水量，并據(jù)此對水泵出口處的控制閥開啟程度進行調(diào)節(jié)，全部調(diào)試達到一致后進行標記。

6.3 設(shè)置附加浮筒

由于設(shè)置墊梁的原因，當鋼浮筒全部沒入水中時，鋼浮筒提供的浮力不再增加，此時圍堰尚未入水，由于圍堰不能及時地提供浮力而造成整體加速下沉，直至圍堰入水提供浮力才能逐步達到新的平衡。為減緩整體下沉速度，在圍堰兩端B組塊浮筒兩端上部各增加一個直徑0.8 m、長8 m的附加浮筒，并與主浮筒可靠連接，以保證圍堰緩慢入水。

6.4 底節(jié)圍堰下水

本工程鋼浮筒浮平臺根據(jù)計算，僅B組塊平臺鋼浮筒提供的浮力已大于總荷載，因此底節(jié)鋼圍堰下水時，先對直線段壁板下A組塊平臺10根鋼浮筒分兩批對稱注水下沉及抽離。然后再對圓弧端B組塊平臺鋼浮筒注水下沉，底節(jié)圍堰自浮后，將B組塊平臺鋼浮筒注水沉至水底。主要操作要點如下。

①鋼浮筒注水過程必須隨時觀測圍堰角部頂面標高，當發(fā)生不均勻下沉時，通過調(diào)整各浮筒的注水量進行調(diào)平控制，保證平臺下沉過程基本保持平穩(wěn)，并做好浮平臺整體下沉量的記錄。

②計算每批浮筒脫離平臺時的注水量與平臺整體下沉量的關(guān)系，當平臺整體下沉量接近達到該批浮筒脫離計算注水量時暫停，解除該批鋼浮筒與墊梁、貝雷梁等相關(guān)連接，再開始注水，并注意觀察浮筒脫離情況，當間隙滿足抽離要求時即停止注水，將浮筒進水口和出氣口處閥門關(guān)上，摘除管道后，由人工將浮筒緩慢推出平臺范圍，用小型機動船將浮筒拖到岸邊。

③底節(jié)圍堰浮平臺兩端的B組塊平臺是由2根31 m長浮筒組成，每根浮筒由3節(jié)互不相通的浮筒連接，必須先對中間浮筒加注至計算注水量后方可對兩端浮筒進行注水，以減小不平衡力矩對圍堰整體平穩(wěn)的影響。

④當浮筒頂面接近入水時，應暫停注水。平臺及圍堰上的工作人員撤離到工作船上后，再繼續(xù)采取緩慢間隔注水，每隔3 m i n～5 m i n停頓觀測一次圍堰頂面水平、下沉量及下沉速度，出現(xiàn)異常時即停注調(diào)整，直到圍堰底入水。

⑤從圍堰底部入水時起，注水下沉過程是體系內(nèi)重量和浮力同步增加的過程，即隨著浮筒內(nèi)的注水重量不斷增加，底節(jié)圍堰隨著下沉浮力也等量增加，系統(tǒng)內(nèi)浮力和重量始終保持平衡。當圍堰下沉至自浮深度時，浮筒再緩慢間隔適量注水，使平臺脫離后即可停止注水，同時關(guān)閉進水及排氣管上端閥門，平臺沉落至水底。

底節(jié)圍堰下水作業(yè)完成后拆除水泵，將沉入水底的浮筒上的進水及排氣管上端移到工作船上，清理現(xiàn)場，為圍堰移位作準備。

7 底節(jié)圍堰移位

底節(jié)圍堰下水自浮后，利用上游主錨，通過卷揚機收緊主錨鋼絲繩進行牽引，同步放松尾錨，將底節(jié)圍堰牽引到墩位處。采用錨碇系統(tǒng)定位后進行上節(jié)圍堰拼裝、注水下沉著床等作業(yè)。

8 浮平臺充氣排水浮升

底節(jié)鋼圍堰浮運離開下水地點后，即可對沉入水底的B組塊鋼浮筒進行充氣排水浮升作業(yè)。充氣排水浮升系統(tǒng)由充氣管、出水管、空壓機、分氣缸、閥門、氣壓表、控制柜組成。作業(yè)時用空壓機向B組塊兩端的4個浮筒充氣排水，使其平臺整體上浮。其施工要點主要包括如下幾個方面。

充氣管和排水管安裝：利用B組塊長浮筒兩端浮筒注水時的排氣管作充氣管，并將其與空壓機系統(tǒng)進行連接，安裝好經(jīng)校驗合格的壓力表。排水管利用浮筒注水時的進水管，在其上端接約1.5 m長的鋼管，鋼管固定在工作船上的支架上，鋼管出口設(shè)45°彎管，可將水排至船外。

平臺浮升作業(yè)：充氣排水系統(tǒng)安裝完畢后，將空壓機的排氣量放在低檔位后啟動空壓機，檢查系統(tǒng)的運行情況，確認排水管有氣體（或水）噴出后，將空壓機的送氣開關(guān)由低檔逐步向高檔位調(diào)節(jié)，直到排水管噴水。當出水壓力過大時，可適當調(diào)低風壓。隨著浮筒內(nèi)的排出水量大于沉入水底的平臺總重量時，平臺便整體上浮，直至平臺漏出水面0.5 m左右即可停止。

停止充氣排水后，解除充氣排水系統(tǒng)后用機動小船將浮平臺拖至岸邊，用水泵將浮筒內(nèi)剩余水排出，然后將平臺解體運送上岸，浮筒整修復原后用于鉆孔樁施工。

9 結(jié)語

鋼浮筒浮平臺利用鉆孔樁鋼護筒和鉆孔平臺所需構(gòu)件、材料加工拼裝而成，圍堰拼裝下水完成后，鋼浮筒修整復原后再用于鉆孔樁施工，降低了鋼材及周轉(zhuǎn)性材料的消耗量，施工成本大幅降低，取得了較好的經(jīng)濟效益。

注水下沉作業(yè)及充氣排水浮升打撈作業(yè)，采用常用的水泵、空壓機等小型機具設(shè)備，均具有設(shè)備簡單、操作簡易、下水速度均勻可控、安全可靠等特點。

用鋼浮筒浮平臺拼裝施工組織快，在底節(jié)圍堰加工完成前即可完成，不占用工期，大大縮短工期。

鋼浮筒浮平臺拼裝雙壁鋼圍堰在橋址現(xiàn)場進行施工，對施工環(huán)境要求不高，不需要圍堰拼裝碼頭、大噸位平板駁船、大型吊裝設(shè)備等，只要水深滿足鋼圍堰下水自浮即可。鋼圍堰拼裝施工均在淺水區(qū)域進行，避開了主航道，且不需封航進行長距離浮運，減少了對水上交通運輸?shù)挠绊憽?/p>