低凈空條件下在役橋梁水中鋼圍堰設(shè)計(jì)和施工技術(shù)方案

■伍趙亮

（福建省高速公路養(yǎng)護(hù)工程有限公司，福州　350002）

低凈空條件下在役橋梁水中鋼圍堰設(shè)計(jì)和施工技術(shù)方案

■伍趙亮

（福建省高速公路養(yǎng)護(hù)工程有限公司，福州350002）

本文以廈漳高速西溪特大橋橋梁承臺(tái)維修加固工程為背景，介紹了低凈空條件下水中鋼圍堰的設(shè)計(jì)及施工技術(shù)。該技術(shù)的實(shí)施取得了良好的效果，總結(jié)了一些經(jīng)驗(yàn)，對(duì)將來(lái)類(lèi)似工程的實(shí)施具有一定的借鑒價(jià)值。

低凈空在役橋梁鋼圍堰設(shè)計(jì)與施工

1　工程概況

西溪特大橋?yàn)閺B漳高速公路跨九龍江西溪的一座特大橋梁，全長(zhǎng)1264.98m。上部結(jié)構(gòu)為：9×25m預(yù)應(yīng)力混凝土T型準(zhǔn)連續(xù)梁+35.4m+11×50m+35.4m預(yù)應(yīng)力混凝土箱型連續(xù)梁+17×25m預(yù)應(yīng)力混凝土T型準(zhǔn)連續(xù)梁，全橋分為5聯(lián)，15#～18#墩為水中墩；下部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土雙柱橋墩，下接承臺(tái)，承臺(tái)平面尺寸為6.4×5.2m，高2m，每個(gè)承臺(tái)下設(shè)4根直徑為Φ1.5m的鉆孔樁，承臺(tái)底位于沖刷線(xiàn)以上，屬于高樁承臺(tái)。其中14#～18#墩承臺(tái)出現(xiàn)不同程度的剪切、斜向裂縫，混凝土掉塊等病害，同時(shí)承臺(tái)還存在被過(guò)往船只撞擊的痕跡（見(jiàn)圖1～2），需進(jìn)行維修加固。

圖1　承臺(tái)裂縫

圖2　承臺(tái)被船撞擊

橋址地處九龍江下游，河槽受潮汐影響，南北兩岸筑有防洪堤壩，主流在堤壩內(nèi)擺動(dòng)。水流與路線(xiàn)成41°斜交，墩臺(tái)在主槽中順?biāo)骶€(xiàn)方向左右幅錯(cuò)位布置。橋下通航按五級(jí)（300t）航道標(biāo)準(zhǔn)。地震烈度為七度，按八度設(shè)防。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)水流速度一般為0～1.5m/s左右，由于施工現(xiàn)場(chǎng)位于入?？谇疑嫌尾贿h(yuǎn)處有水閘，在兩種因素的雙重作用下，九龍江在施工現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域具有如同海水一般的漲落潮現(xiàn)象。

圖3　鋼圍堰布置平面示意圖

2　鋼圍堰的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

施工現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域潮差較大，且鋼圍堰施工工藝具有結(jié)構(gòu)合理，適應(yīng)性強(qiáng)，安全可靠等特點(diǎn)，因此本工程采用鋼圍堰施工工藝進(jìn)行承臺(tái)加固。本次承臺(tái)加固需要在14#～18#墩進(jìn)行外包混凝土施工，通過(guò)水文資料調(diào)查，承臺(tái)加厚混凝土施工時(shí)橋墩處水深8～12m，因此采取在橋墩處安裝鋼圍堰，對(duì)圍堰內(nèi)清基封底抽水后，進(jìn)行承臺(tái)外包混凝土及墩柱外包混凝土施工。鋼圍堰平面布置圖見(jiàn)圖3。

2.1設(shè)計(jì)參數(shù)

鋼圍堰尺寸：內(nèi)口尺寸為8.0m×8.8m；鋼圍堰外沿尺寸為9.6m×10.4m；鋼圍堰壁厚0.8m；

鋼圍堰入泥深度 2.0m；鋼圍堰頂距高潮位距離0.86m。

2.2鋼圍堰基本要求

（1）鋼圍堰露出水面的高度不小于0.86m。

（2）鋼圍堰內(nèi)壁距加固后的承臺(tái)側(cè)面距離不小于0.60m。

（3）鋼圍堰入泥深度不小于2.0m。

（4）鋼圍堰塊與塊、節(jié)與節(jié)之間采用螺栓連接，便于循環(huán)周轉(zhuǎn)使用。

（5）鋼圍堰內(nèi)部不加橫撐。

2.3鋼圍堰所用材料

面板：δ=5mm；隔艙板：δ=5mm；縱向次梁：∠63×40× 5mm；水平環(huán)板：-10×200mm，-10×220mm；水平橫撐：［10；內(nèi)斜撐：I18。

2.4鋼圍堰計(jì)算模型

計(jì)算鋼圍堰總高度為12.8m，平面分為6節(jié)，空間分為4節(jié)，節(jié)段高度為4.6m、2.6m、2.6m、3.0m。詳見(jiàn)圖4和圖5。

圖4　橋墩鋼圍堰布置平面圖（單位：mm）

圖5　橋墩鋼圍堰布置立面圖（單位：mm）

2.5鋼圍堰結(jié)構(gòu)分析計(jì)算

在鋼圍堰沉入設(shè)計(jì)標(biāo)高，封底混凝土澆筑完畢達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，抽干鋼圍堰內(nèi)的水后，鋼圍堰處于高潮水位（3.640m）時(shí)為最不利工況，并根據(jù)最不利工況來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。

采用MIDAS/Civil2010對(duì)鋼圍堰進(jìn)行空間分析，面板及環(huán)板采用板單元，豎向支撐和橫撐采用梁?jiǎn)卧７謩e對(duì)整體單元、內(nèi)外壁板、豎撐、橫撐、環(huán)板、內(nèi)斜撐等進(jìn)行受力分析。詳見(jiàn)圖6。

圖6　鋼圍堰有限元分析模型

計(jì)算分析結(jié)果見(jiàn)表1。

2.6鋼圍堰的創(chuàng)新點(diǎn)

（1）鋼圍堰拼接采用無(wú)焊接的螺栓連接

一般鋼圍堰的連接均采用焊接連接，焊接連接拼裝和拆卸鋼圍堰施工技術(shù)要求高、施工難度大、施工周期長(zhǎng)、循環(huán)率低。為了縮短拼裝和拆卸鋼圍堰施工周期、降低施工難度、提高循環(huán)利用率，塊與塊、節(jié)與節(jié)之間連接采用無(wú)焊接的螺栓連接。

（2）鋼圍堰內(nèi)無(wú)橫撐

表1　鋼圍堰結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

一般大截面和深水位的鋼圍堰內(nèi)均加有橫撐。此鋼圍堰截面跨度大于10m，水深也大于10m。由于是在已有橋墩周?chē)钤O(shè)鋼圍堰，鋼圍堰內(nèi)增加橫撐不僅給鋼圍堰拼裝和拆卸帶來(lái)不便，還對(duì)原有橋墩有所影響。因此在鋼圍堰內(nèi)不設(shè)橫撐，巧妙的在受力最大節(jié)段的四個(gè)角點(diǎn)增加三道短斜撐來(lái)降低跨度減少鋼材用量，提高經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

3　鋼圍堰施工方案

由于本工程是在既有橋梁下進(jìn)行施工，橋下凈空低，作業(yè)空間小，大型施工船舶、機(jī)械等無(wú)法進(jìn)入橋下進(jìn)行鋼圍堰的吊裝。因此該鋼圍堰的施工不能采用常規(guī)的在水上平臺(tái)拼裝完成后，采用大型機(jī)械直接吊裝到位的方法。本工程采用在橋梁梁底板植入鋼筋吊環(huán)后懸掛手拉葫蘆，通過(guò)手拉葫蘆對(duì)鋼圍堰進(jìn)行逐塊吊裝、安裝。每一層鋼圍堰分為6塊，每塊通過(guò)可拆卸鋼板封閉鋼圍堰，使得鋼圍堰在水上懸浮后拉至施工點(diǎn)，通過(guò)手拉葫蘆進(jìn)行吊裝、拼接，逐層灌水配重下沉后，吸泥，封底。

3．1鋼圍堰吊裝及拆卸系統(tǒng)的安裝

鋼圍堰吊裝及拆卸系統(tǒng)由梁底吊環(huán)、鋼絲繩和手拉葫蘆共計(jì)三大部件構(gòu)成。其中梁底吊環(huán)是由Φ25 HRB235鋼筋在箱梁底板與翼板植筋形成吊裝環(huán)構(gòu)成；鋼絲繩為Φ32鋼絲繩；手拉葫蘆選取10t葫蘆。為了便于梁底板鉆孔施工，采用橋底吊籃進(jìn)行鉆孔作業(yè)的辦法。

鋼圍堰吊裝及拆卸系統(tǒng)的植筋點(diǎn)的選取根據(jù)鋼圍堰分塊在箱梁底板與翼板的投影線(xiàn)而定。由于鋼圍堰每節(jié)分為6塊拼裝而成，故安裝每塊兩個(gè)吊點(diǎn)每個(gè)吊點(diǎn)兩個(gè)植筋孔的方式進(jìn)行鉆孔植筋。箱梁底板共計(jì)16個(gè)吊裝點(diǎn)，每個(gè)吊裝點(diǎn)植25mm的整條U型螺紋筋，每個(gè)孔徑為30mm，孔深25cm，每個(gè)吊裝點(diǎn)兩個(gè)植筋點(diǎn)。

3．2鋼圍堰導(dǎo)向架安裝

鋼圍堰導(dǎo)向架是由I10的工字鋼作為前端導(dǎo)軌裝置，C10槽鋼作為骨架及連接裝置，L90角鋼作為內(nèi)部骨架及X型連接裝置和螺栓緊固件構(gòu)成。導(dǎo)向架通過(guò)在承臺(tái)上事先放線(xiàn)定點(diǎn)鉆孔植筋的方式錨固到承臺(tái)上。導(dǎo)向架在現(xiàn)場(chǎng)焊接而成，提前根據(jù)需要在加工場(chǎng)下料對(duì)位后，編號(hào)拖到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行焊接。

3．3鋼圍堰安裝

（1）第一層鋼圍堰通過(guò)在圍堰頂及兩側(cè)安裝可拆卸鋼板封閉，使得鋼圍堰成為一個(gè)密閉的空間，放入水中自懸浮，采用繩索拉至施工點(diǎn)后采用圍堰吊裝及拆卸系統(tǒng)的葫蘆下放鋼絲繩栓于每塊鋼圍堰吊裝點(diǎn)之上進(jìn)行起吊拼裝。鋼圍堰的拼裝順序是依次逐塊拼裝。拼裝方式為采用螺栓連接的方式。在各塊與節(jié)之間采用橡膠護(hù)墊進(jìn)行止水處理。

第一層鋼圍堰拼裝完畢后，懸吊系統(tǒng)安裝完成并經(jīng)檢查符合要求后。手拉葫蘆同時(shí)提升鋼圍堰，通過(guò)調(diào)節(jié)葫蘆的拉力，調(diào)整整節(jié)鋼圍堰的空間狀態(tài)，調(diào)節(jié)到適當(dāng)?shù)奈恢煤箝_(kāi)始下放鋼圍堰，使得圍堰基本維持自浮的狀態(tài)，然后開(kāi)始向第一節(jié)圍堰倉(cāng)內(nèi)注水，使得鋼圍堰上表面整體下沉到離水面約1m的位置停止下沉。詳見(jiàn)圖7和圖8。

（2）按照第一層運(yùn)輸、吊裝、拼裝基本同樣的方式安裝第二節(jié)鋼圍堰。在第一節(jié)固定的圍堰上對(duì)應(yīng)放上第二節(jié)相應(yīng)的單元，再通過(guò)螺栓連接。在進(jìn)行第二節(jié)鋼圍堰拼裝前，需在第一節(jié)鋼圍堰頂部節(jié)間環(huán)板上預(yù)先布置好橡膠護(hù)墊后再進(jìn)行鋼圍堰的下放。在接高時(shí)，單塊放松第一節(jié)的對(duì)應(yīng)位置的豎向約束（其他單元的吊點(diǎn)保留，并調(diào)節(jié)圍堰的空間狀態(tài)），留出和第2節(jié)對(duì)接的空間，在第2節(jié)鋼圍堰的角鋼連接件螺栓孔處，穿過(guò)鋼絲繩連接到導(dǎo)向架上鎖定，防止鋼圍堰在拼接過(guò)程中轉(zhuǎn)動(dòng)。

（3）按照第二節(jié)吊裝、拼裝同樣的方式安裝第三節(jié)、第四節(jié)鋼圍堰。

3．4鋼圍堰著泥下沉

（1）鋼圍堰的著泥需選擇在小潮時(shí)候，在鋼圍堰接高完成后，立即均勻灌水下沉。在鋼圍堰下沉過(guò)程中，圍堰吊裝及拆卸系統(tǒng)與鋼圍堰的連接要始終保持，通過(guò)手拉葫蘆與鋼絲繩控制鋼圍堰的下降速度。當(dāng)圍堰刃尖距河床0.5m左右停止灌水下沉，之后緩慢灌水，使圍堰均勻準(zhǔn)確著床。

（2）鋼圍堰下沉過(guò)程中要平衡灌水 ，如刃腳仍有部分懸空時(shí) ，可用吸泥機(jī)并高壓射水管沖射 ，直至雙壁鋼圍堰落穩(wěn)在河床。雙壁鋼圍堰著床后，用2臺(tái)吸泥機(jī)布置在圍堰的中心從中間逐步向刃角處對(duì)稱(chēng)分層吸泥。圍堰吸泥下沉?xí)r應(yīng)密切注意堰內(nèi)河床變化，確保圍堰內(nèi)河床平穩(wěn)下降，不出現(xiàn)翻砂、圍堰傾斜現(xiàn)象。

（3）圍堰壁內(nèi)灌注艙內(nèi)砂壓重，并結(jié)合圍堰導(dǎo)向架使圍堰平、穩(wěn)、正、直地下沉。砂注入時(shí)，應(yīng)前后、左右對(duì)稱(chēng)灌入，砂灌注速度一致，確保圍堰均勻下沉。吸泥過(guò)程中，用水泵不停地向圍堰內(nèi)補(bǔ)水，以保持圍堰內(nèi)、外水位相平或圍堰內(nèi)水位略高于圍堰外水位，防止內(nèi)外水頭差過(guò)大引起刃腳底翻砂，圍堰下沉過(guò)程中應(yīng)隨時(shí)用儀器觀測(cè)圍堰的偏位情況及時(shí)糾正，圍堰一邊下沉一邊調(diào)整，確保其始終在準(zhǔn)確位置下沉。

圖7　鋼圍堰拼裝

圖8　鋼圍堰下沉

4　施工的重點(diǎn)、難點(diǎn)

4.1高潮差、低凈空、高水深條件下的鋼圍堰水上施工

在役橋墩鋼圍堰施工本身就是一個(gè)業(yè)內(nèi)公認(rèn)的一個(gè)比較考驗(yàn)技術(shù)能力的施工技術(shù)。對(duì)于九龍江上的廈漳西溪大橋來(lái)說(shuō)，在此基礎(chǔ)之上，其又增加了漲落潮這個(gè)不穩(wěn)定因素的影響以及橋下不足10m凈空，橋下最深處水深達(dá)10m的這些情況直接增加了工程的難度系數(shù)。

4.2鋼圍堰懸掛拼裝

由于設(shè)備和操作空間的限制，鋼圍堰須分階段懸掛焊接拼裝，導(dǎo)致鋼圍堰對(duì)接時(shí)安裝就位十分困難?？紤]到精度和拼接的質(zhì)量要求非常高，加上鋼圍堰外側(cè)拼接沒(méi)有施工平臺(tái)，操作不便，根據(jù)實(shí)際情況，采取在鋼圍堰外側(cè)懸掛小型掛梯，然后由專(zhuān)業(yè)人員做好安全防護(hù)的前提下上掛梯拼接，此方式輕便，易于操作。

4.3鋼圍堰下沉著泥

鋼圍堰下沉著泥也是本工程的一個(gè)難點(diǎn)，由于江水的不斷漲落潮導(dǎo)致鋼圍堰本身的不穩(wěn)定性。對(duì)此鋼圍堰在導(dǎo)向架定位的輔助下，主要是通過(guò)高壓射水、吸石（吸小撿大）、配重（刀刃內(nèi)澆筑混凝土，圍堰其他位置灌水）下沉，圍堰內(nèi)的卵石采用人工或抓斗掏出。

5　結(jié)語(yǔ)

廈漳高速西溪特大橋承臺(tái)加固工程，橋下凈空低，施工難度大，采用該種鋼圍堰施工工藝，施工方便，定位準(zhǔn)確，質(zhì)量高，無(wú)滲漏現(xiàn)象。由于鋼圍堰內(nèi)施工空間充足，施工環(huán)境安全，且不再受江水潮位的影響，極大加快了承臺(tái)外包混凝土施工的速度，保證了施工質(zhì)量。該鋼圍堰的設(shè)計(jì)與施工工藝也可為今后相類(lèi)似的工程提供一個(gè)借鑒作用。

［1］JTJ04-2000，公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范［S］.

［2］JTGD06-2004，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］.

［3］鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)（第三版）［M］.北京.中國(guó)建筑工業(yè)出版社.2004.

［4］趙天法.強(qiáng)潮涌河段雙壁鋼圍堰設(shè)計(jì)及施工技術(shù).北京：路橋集團(tuán)國(guó)際建設(shè)股份有限公司.

［5］北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司.邁達(dá)斯鋼圍堰分析.