不等刃腳雙壁鋼圍堰在水中承臺(tái)施工中的應(yīng)用

穆 穎

中鐵建工集團(tuán)有限公司北京路橋分公司 北京 100070

目前，在深水基礎(chǔ)施工中，雙壁鋼圍堰因?yàn)榧庸ぶ谱鞅憬?、抗水壓等?yōu)點(diǎn)而應(yīng)用較為廣泛，是橋梁下部施工中的阻水結(jié)構(gòu)，其作用是通過四周倉壁、刃腳和封底混凝土圍水來承受較大的水壓，從而為深水基礎(chǔ)提供安全、無水的施工環(huán)境。但圍堰施工對(duì)河床面的平整度有著很大的要求。不等刃腳雙壁鋼圍堰與傳統(tǒng)的雙壁鋼圍堰相比，著床前水下爆破、清渣工作量小，施工安全簡(jiǎn)便，可有效縮短施工工期。因不等刃腳雙壁鋼圍堰根據(jù)河床坡面進(jìn)行設(shè)計(jì)，減少了圍堰自身鋼材用量和封底混凝土的數(shù)量，降低了施工成本，同時(shí)也免去了大量爆破對(duì)相鄰墩臺(tái)基礎(chǔ)及兩岸居民造成的不利影響[1-9]。

1 工程概況

州河鐵路特大橋全長(zhǎng)842.46 m，孔跨布置為4×32 m＋（72＋128＋72） m連續(xù)剛構(gòu)＋13×32 m預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋。全橋墩臺(tái)共計(jì)21個(gè)，最高墩47 m。主要施工內(nèi)容：橋梁下部基礎(chǔ)、墩臺(tái)身、連續(xù)剛構(gòu)懸灌梁。本橋位于河谷區(qū)，橋址處州河兩岸地勢(shì)陡峭，河水流量大。溝床為軟土，局部為粉質(zhì)黏土地覆蓋，溝床縱坡較大。根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件的充分了解，在此基礎(chǔ)上制定了不等刃腳雙壁鋼圍堰的施工方法。不等刃腳雙壁鋼圍堰在特定的工程環(huán)境下，能夠有效應(yīng)對(duì)河床坡度的變化，同時(shí)具有水下爆破量小、結(jié)構(gòu)用料省等其他圍堰無法比擬的優(yōu)勢(shì)。

2 工程重難點(diǎn)

不等刃腳雙壁鋼圍堰適用于水深＞10 m且河床坡度較大或河床面高低不平的深水基礎(chǔ)施工。河床覆蓋層較厚或是不允許水下爆破及有特定環(huán)保要求的深水基礎(chǔ)也可采用不等刃腳雙壁鋼圍堰進(jìn)行施工。不等刃腳雙壁鋼圍堰根據(jù)實(shí)際探測(cè)的河床面高程數(shù)據(jù)進(jìn)行少量爆破，通過圍堰四周不等刃腳和河床面相契合，有效地應(yīng)對(duì)河床坡度的變化，再利用封底混凝土在水中創(chuàng)造一個(gè)無水的施工作業(yè)面。

3 施工工藝流程

3.1 不等刃腳雙壁鋼圍堰施工工藝流程

首先對(duì)鋼圍堰著床基礎(chǔ)位置進(jìn)行摸底探測(cè)，并結(jié)合水文及地質(zhì)資料設(shè)計(jì)鋼圍堰，設(shè)計(jì)、驗(yàn)算完成后進(jìn)行施工。也可安排有經(jīng)驗(yàn)的潛水員水下勘察、測(cè)量。具體施工工藝流程如下：實(shí)際探測(cè)→根據(jù)探測(cè)結(jié)果設(shè)計(jì)不等刃腳雙壁鋼圍堰→加工、制作雙壁鋼圍堰→少量爆破河床并進(jìn)行清底→運(yùn)輸不等刃腳雙壁圍堰至施工現(xiàn)場(chǎng)→放樣、定位圍堰位置→按照設(shè)計(jì)圖紙逐步拼接、下放鋼圍堰→圍堰封底混凝土施工→抽水后開始深水基礎(chǔ)施工。

3.2 不等刃腳雙壁鋼圍堰總體設(shè)計(jì)方案

州河鐵路特大橋8#墩所處地形為1∶1.5陡坡，地質(zhì)為鈣質(zhì)泥巖，覆蓋層較薄。設(shè)計(jì)不等刃腳雙壁鋼圍堰前、后壁為雙壁鋼圍堰；側(cè)壁后半部分（即河床底高于承臺(tái)底部分）采用雙排φ508 mm×10 mm鎖扣鋼管樁，鋼管樁側(cè)壁通過堵頭板與后壁雙壁鋼圍堰之間采用螺栓連接；側(cè)壁前半部分（即河床底低于承臺(tái)底部分）雙壁鋼板圍堰與后側(cè)壁之間采用鎖扣相連。

圍堰平面形狀為矩形，內(nèi)長(zhǎng)23 m（承臺(tái)長(zhǎng)22.6 m），內(nèi)寬16.2 m（承臺(tái)寬14.8 m）。雙壁鋼板圍堰采用厚6 mm鋼板做內(nèi)、外壁面板，厚16 mm鋼板做橫梁桁架內(nèi)、外弦，[10型鋼做豎肋桿和支撐桿，刃腳開放并用厚10 mm鋼板加強(qiáng)。設(shè)計(jì)刃腳穿過全風(fēng)化鈣質(zhì)泥巖，與中風(fēng)化巖層接觸。圍堰水平內(nèi)支撐采用φ508 mm×10 mm鋼管，設(shè)置3層，上層和中層間距均為6.0 m，中層和下層間距為4.0 m，下層支撐在承臺(tái)頂標(biāo)高以上50 cm。3層水平內(nèi)支撐間設(shè)置豎向φ508 mm×10 mm鋼管樁（圖1）。

圖1 不等刃腳施工方案

3.3 不等刃腳雙壁鋼圍堰施工方法

3.3.1 不等刃腳雙壁鋼圍堰加工

1）材料要求：鋼料、焊劑、焊條等主要材料均應(yīng)符合主墩承臺(tái)雙壁鋼圍堰設(shè)計(jì)圖和現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的要求并附有出廠合格證。所用鋼材表面應(yīng)平整光潔，沒有疤痕、分層、夾渣壓入的氧化皮及其他影響強(qiáng)度的缺陷；工廠手工焊和工地手工焊所用焊條主要用J422酸性焊條。有些鋼材由于工期緊，短時(shí)間內(nèi)難以在市場(chǎng)采購到，可以向總工程師及設(shè)計(jì)部門申請(qǐng)，改變鋼材的型號(hào)尺寸，總工程師及設(shè)計(jì)部門全部同意后，才可以使用。

2）加工場(chǎng)地及起重設(shè)備要求：為了滿足從加工廠到橋墩位處的要求，需將圍堰分塊加工運(yùn)輸，除底節(jié)外，其余各節(jié)均為5 m標(biāo)準(zhǔn)節(jié)。鋼結(jié)構(gòu)加工廠場(chǎng)內(nèi)應(yīng)設(shè)置胎具焊接內(nèi)桁架以防扭曲變形，胎具外徑即為圍堰外壁半徑。場(chǎng)地內(nèi)還應(yīng)有單臺(tái)8 t起吊能力的吊機(jī)，以滿足焊接拼裝需要。

3）下料要求：鋼材下料精度按鋼結(jié)構(gòu)加工規(guī)范的有關(guān)要求執(zhí)行，鋼板下料用自動(dòng)切割機(jī)，鋼板切割后，實(shí)際切割線與預(yù)定切割線（號(hào)料線）的偏差不得超過1 mm，切割后的邊緣不得有裂紋及超過1 mm的缺棱?？紤]電焊收縮，雙壁鋼圍堰在弧長(zhǎng)方向下料時(shí)每單元應(yīng)加長(zhǎng)5 mm。焰割后應(yīng)清除表面的金屬毛刺、濺斑和熔瘤。鋼材要用紙板放樣配套才能下料，鋼板、型鋼下料前要求調(diào)直、檢查、編號(hào)。

4）焊接拼裝組成單節(jié)：雙壁鋼圍堰分塊制作，按豎向分節(jié)，其中前壁和側(cè)壁鋼圍堰分節(jié)相同，分節(jié)均為三大節(jié)，底節(jié)和中節(jié)均為10 m（各由長(zhǎng)5 m的兩小節(jié)構(gòu)成），頂節(jié)為5 m；后壁鋼圍堰分為兩大節(jié)，底節(jié)為8 m，頂節(jié)為5 m。橫向以每一個(gè)倉為單位分塊，寬5 m左右前后壁橫向均由5個(gè)倉構(gòu)成。在施工現(xiàn)場(chǎng)分塊匹配加工。鋼板電焊組拼和肋角定位點(diǎn)焊，所用焊接材料型號(hào)不得低于正式焊接所使用的焊接材料。點(diǎn)焊高度一般不宜超過設(shè)計(jì)焊高的1/2。長(zhǎng)度為50 mm，間距400～500 mm。鋼板在平臺(tái)上組拼時(shí)，先用手工點(diǎn)焊，再用自動(dòng)電焊機(jī)焊接，焊接順序應(yīng)先焊橫縫后焊縱縫。焊縫高度和長(zhǎng)度滿足施工組織設(shè)計(jì)要求。雙壁鋼殼每一單元在胎具內(nèi)施焊完一面之后，經(jīng)檢查認(rèn)可，然后將其翻身進(jìn)行另一面焊接，平時(shí)不得任意翻身。每一單元雙壁鋼殼組拼施焊完畢后，量出其輪廓尺寸進(jìn)行一些必要的修整。對(duì)各單元編號(hào)并填寫檢查表格進(jìn)行出廠前檢查驗(yàn)收。加工的圍堰塊段，其尺寸精度、表面平整度、焊接的密封性通過檢驗(yàn)合格后，方可投入使用。

5）焊縫質(zhì)量檢查：所有焊縫除滿足設(shè)計(jì)要求外，還應(yīng)在焊縫處正面用石灰水刷成白色，背面涂刷煤油，觀察其滲透情況。無煤油滲至正面，則為合格。否則鏟除焊縫復(fù)焊。焊縫尺寸及施焊順序的要求需按圍堰設(shè)計(jì)圖紙所規(guī)定的內(nèi)容進(jìn)行檢驗(yàn)。

3.3.2 不等刃腳雙壁鋼圍堰底節(jié)拼裝

1）鋼圍堰安裝前，對(duì)圍堰范圍內(nèi)河床進(jìn)行標(biāo)高測(cè)量，應(yīng)在鉆孔完畢后加密測(cè)點(diǎn)測(cè)量，隨時(shí)掌握河床標(biāo)高與設(shè)計(jì)圖紙變化情況，根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)河床進(jìn)行降低或回填處理，以滿足鋼圍堰刃腳均勻著床。

2）擺放圍堰Ⅰ22b#支承梁，凈距≤25 cm。

3）圍堰拼裝平臺(tái)應(yīng)滿足平整度要求，由測(cè)量組放出圍堰外輪廓邊線。圍堰單元在鋼結(jié)構(gòu)加工廠按設(shè)計(jì)圖和制造工藝分塊制造合格后，經(jīng)運(yùn)輸棧橋運(yùn)至墩位處拼裝。

4）根據(jù)加工廠對(duì)每節(jié)圍堰單元的竣工尺寸進(jìn)行組合和編碼，最終達(dá)到拼裝后的整體尺寸誤差為最小的目的。

5）利用25 t吊機(jī)拼裝焊接圍堰底節(jié)，施工過程中，為防止圍堰單元拼裝過程中傾覆，采用設(shè)置型鋼臨時(shí)支撐的方式，型鋼焊接在護(hù)筒和圍堰之間。底節(jié)圍堰拼裝完成后，在圍堰刃腳灌注高0.5 m的C25混凝土。

6）使用空氣吸泥機(jī)將底部泥土吸取干凈，從中間位置向兩側(cè)分段分層進(jìn)行，使鋼圍堰逐步豎直下沉。

7）分倉注水進(jìn)行水密試驗(yàn)，倉內(nèi)注水時(shí)，應(yīng)對(duì)稱進(jìn)行。灌水高度為9 m，若發(fā)現(xiàn)有滲漏處，用顏色筆（或石筆）做好記號(hào)，待放水后將焊縫鏟除，重新施焊。

8）在底節(jié)圍堰壁板上焊接雙層導(dǎo)向裝置，使之與鋼護(hù)筒保持一定間隙，以便約束圍堰的傾斜和位移。

3.3.3 不等刃腳雙壁鋼圍堰底節(jié)下沉和接高

1）鋼圍堰采用千斤頂下沉。先在樁基護(hù)筒和棧橋樁上安裝剛性門架，在門架的橫梁上安裝200 t穿心千斤頂，用精軋螺紋鋼作吊桿。千斤頂先空載頂出大部分活塞，再上緊螺帽頂起圍堰，然后落頂下沉。共安裝4臺(tái)千斤頂，前、后壁各2臺(tái)。安裝好的4臺(tái)千斤頂頂起圍堰底節(jié)1 m，其間，將阻擋圍堰落下的構(gòu)件拆除。

2）在同一時(shí)間，同一進(jìn)度中緩慢下放圍堰，在自身重力和浮力作用下，圍堰下落到水中平衡位置。

3）圍堰在接高過程中始終保持對(duì)稱，對(duì)圍堰壁板和支撐進(jìn)行調(diào)整、焊接，檢查合格即可加水下沉。

4）圍堰的中節(jié)位置拼裝與底節(jié)位置拼裝過程基本相同，圍堰的中節(jié)位置對(duì)接完成，在檢查驗(yàn)收合格后，開始加水下沉。加水要對(duì)稱進(jìn)行，并且在下沉過程中要盡量使圍堰頂面水平，下沉直至圍堰著床。著床前，測(cè)量圍堰的位置和傾斜度是否滿足承臺(tái)施工要求。調(diào)整好位置后，下沉使圍堰著床。

5）在鋼圍堰壁內(nèi)用風(fēng)壓吸泥機(jī)吸取河床表面的松砟，使圍堰繼續(xù)下沉。邊下沉邊糾偏，直至圍堰刃腳接觸到中風(fēng)化層。

6）圍堰著床注意事項(xiàng)：圍堰著床前，保證圍堰內(nèi)通過水壓保證調(diào)平，并且通過測(cè)量保證著床位置及刃腳在河床面上0.5 m處。著床后，需保證圍堰內(nèi)水位始終略高于外部水位，以免造成翻砂現(xiàn)象。必要時(shí)用水泵往圍堰內(nèi)部注水保持水位。使用空氣吸泥機(jī)將底部泥土吸取干凈，從中間位置向兩側(cè)分段分層進(jìn)行，使鋼圍堰逐步豎直下沉。如果圍堰未能整體下沉，則適當(dāng)擴(kuò)大吸泥范圍。

3.3.4 不等刃腳雙壁鋼圍堰頂節(jié)接高和下沉

在中節(jié)圍堰頂面拼裝焊接頂節(jié)圍堰。焊接順序及要求與中節(jié)對(duì)接時(shí)相同，拼裝焊接完成并檢查驗(yàn)收合格后，開始布設(shè)灌注隔倉內(nèi)水封混凝土設(shè)備。使用高壓射水設(shè)備，將圍堰的內(nèi)壁及鋼護(hù)筒的外壁反復(fù)沖洗，完成后使用空氣吸泥機(jī)清基，達(dá)到澆筑封底混凝土條件。水封混凝土采用C25，灌注時(shí)各隔倉對(duì)稱進(jìn)行。灌注過程中圍堰會(huì)繼續(xù)下沉，直到灌注完畢，圍堰下沉到位。

3.3.5 不等刃腳雙壁鋼圍堰封底

圍堰內(nèi)河心側(cè)（即河床低于承臺(tái)底標(biāo)高的地方），采用C25水下混凝土進(jìn)行封底。封底混凝土高度到達(dá)承臺(tái)底標(biāo)高，厚度為2.5 m。封底前用測(cè)量繩測(cè)河床標(biāo)高，當(dāng)?shù)陀诔信_(tái)底標(biāo)高2.5 m以上時(shí)，回填石砟至河床距承臺(tái)底標(biāo)高2.5 m處。潛水員下水檢查未回填石砟部分的鋼圍堰刃腳，如有局部刃腳懸空處，則由潛水員水工下用砂袋堵塞縫隙。

河床處理滿足要求后開始布設(shè)水封設(shè)備。封底混凝土灌注方法是用垂直導(dǎo)管法，來灌注水下混凝土。

在圍堰頂面布置3個(gè)下灰點(diǎn)，采用3根（每根長(zhǎng)約20 m）水封導(dǎo)管（河心側(cè)呈上、下游均布），另增1根備用，導(dǎo)管的底口高于河底20～30 cm，導(dǎo)管上口安裝下料斗（不小于3 m3）。

不等刃腳雙壁鋼圍堰導(dǎo)管全長(zhǎng)組拼完成后，用鋼尺準(zhǔn)確丈量長(zhǎng)度，做好標(biāo)記并編號(hào)。每根導(dǎo)管必須作0.6 MPa水密試驗(yàn)，經(jīng)檢查無漏水、破裂、變形才能使用。每根導(dǎo)管頂配備1 m短節(jié)不少于1節(jié)。

使用混凝土包作為隔水球，在每次“砍球”前先用準(zhǔn)備灌注的混凝土制作好隔水球，隔水球比導(dǎo)管內(nèi)徑稍小一點(diǎn)，使其能夠塞滿整個(gè)導(dǎo)管口，用一根鐵線將其捆扎牢固，將隔水包塞入導(dǎo)管口，將鐵線的另一頭吊掛固定在水封料吊邊上，待“砍球”時(shí)將鐵線切斷即可?；炷量偛鄣牡醵?、支腿及起吊扁擔(dān)千斤等，由于吊重較大，必須檢算強(qiáng)度是否符合要求。

封底之前，有關(guān)設(shè)施如封底平臺(tái)（利用圍堰內(nèi)支撐和鉆孔樁鋼護(hù)筒搭設(shè)）、儲(chǔ)料設(shè)備、測(cè)量設(shè)施等，應(yīng)安裝就位完畢，由項(xiàng)目部成立檢查組，全面進(jìn)行檢查。封底主電源使用主電路，備用電源采用1套發(fā)電機(jī)組。備用柴油發(fā)電機(jī)提前檢修試機(jī)，主電路等均由項(xiàng)目部檢查組在封底前進(jìn)行全面檢查。油料儲(chǔ)備充足。

混凝土工廠開盤和停盤、接力泵的開機(jī)和停機(jī)、導(dǎo)管“砍球”與停灌、施工中履帶吊機(jī)移位等，均由總指揮發(fā)出通知后再進(jìn)行，隊(duì)長(zhǎng)或現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)人為總指揮。

3.3.6 不等刃腳雙壁鋼圍堰抽水、支撐

在同條件養(yǎng)護(hù)混凝土試件強(qiáng)度到設(shè)計(jì)強(qiáng)度70%后，開始抽水。抽水共分3次完成。第1次抽水，使水面標(biāo)高低于圍堰上層內(nèi)支撐。安裝上層內(nèi)支撐。上層內(nèi)支撐安裝好經(jīng)檢查合格后，再進(jìn)行第2次抽水。

第2次抽水，使水面標(biāo)高低于圍堰中間層內(nèi)支撐位置，然后安裝中間層內(nèi)支撐，中間層內(nèi)支撐安裝完成后，安裝上、中層內(nèi)支撐之間的豎向支撐，使上、中層內(nèi)支撐連接成整體。安裝完成，經(jīng)檢查合格后可進(jìn)行下步第3次抽水施工。第3次抽水至圍堰底，抽水過程中應(yīng)隨時(shí)觀察鋼圍堰內(nèi)水位變化和圍堰結(jié)構(gòu)穩(wěn)定情況，如發(fā)生漏水現(xiàn)象，則采用撒砂等方法堵漏。如圍堰結(jié)構(gòu)穩(wěn)定異常則應(yīng)立即停止抽水作業(yè)，并對(duì)圍堰進(jìn)行臨時(shí)加固支撐。

不等刃腳雙壁鋼圍堰加固支撐完成后，即可進(jìn)入下道工序施工。

3.4 效益分析

本工程使用的不等刃腳雙壁鋼圍堰與其他形式圍堰相比，材料用量少，加工制作快。同時(shí)可適用于坡度較大河床面的深水基礎(chǔ)，大大減少水下爆破及清渣的工程量，節(jié)約了施工成本，同時(shí)也消除了爆破對(duì)周圍墩臺(tái)和當(dāng)?shù)卮迕駧淼牟焕绊憽?/p>

在工期緊、汛期急的情況下，有力地保證了施工進(jìn)度、生產(chǎn)安全，避免了大量機(jī)械設(shè)備和材料的投入，搶在河流汛期前完成了深水基礎(chǔ)施工，也為項(xiàng)目消除了不可預(yù)見的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)語

州河鐵路特大橋項(xiàng)目8#墩深水基礎(chǔ)采用不等刃腳圍堰施工，在業(yè)主工期緊、河水深、河床地形復(fù)雜的情況下，充分發(fā)揮了鋼圍堰因地制宜、制造方便、施工迅速、安全可靠等優(yōu)勢(shì)，保質(zhì)保量地按時(shí)完成了施工任務(wù)，取得了良好效果。可見，高、低刃腳雙壁鋼圍堰施工在深水橋梁建設(shè)中優(yōu)勢(shì)明顯，且在特定的工程環(huán)境下，能夠有效應(yīng)對(duì)河床坡度的變化，有著水下爆破量小、結(jié)構(gòu)用料省等其他圍堰無法比擬的優(yōu)越性。