橋梁深水基礎(chǔ)鋼-混圍堰設(shè)計(jì)與施工技術(shù)在軌道交通中的應(yīng)用

王 成

(中國(guó)鐵建投資集團(tuán)有限公司， 北京 100000)

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橋梁深水基礎(chǔ)鋼-混圍堰設(shè)計(jì)與施工技術(shù)在軌道交通中的應(yīng)用

王 成

(中國(guó)鐵建投資集團(tuán)有限公司， 北京 100000)

鋼-混圍堰是大中型橋梁深水基礎(chǔ)施工的大型臨時(shí)設(shè)施。以重慶軌道環(huán)線鵝公巖軌道專用雙塔雙索面自錨式懸索橋橋塔基礎(chǔ)圍堰設(shè)計(jì)與施工為實(shí)例， 論述在軌道交通中首次使用的混凝土圍堰和雙壁鋼圍堰相結(jié)合的圍堰形式，以及該鋼-混圍堰設(shè)計(jì)、加工制作、組拼及下沉施工的技術(shù)要點(diǎn)。

筑島帷幕注漿 鋼-混圍堰 施工技術(shù) 自錨式懸索橋

城市軌道交通中特大跨度橋梁的占比不大，但卻具有控制性的地位。其中，懸索橋由于合理地利用梁、塔和高強(qiáng)度拉索各自的材料和力學(xué)特點(diǎn)，在跨越大的障礙或河流時(shí)常作為優(yōu)選橋形之一。在大跨度懸索橋橋塔基礎(chǔ)的施工中，深水基礎(chǔ)的施工存在諸多技術(shù)困難。文獻(xiàn)[1-7]分別介紹了不同橋形不同環(huán)境下圍堰的加工、運(yùn)輸、拼裝、下沉及封底等方面的施工技術(shù)。以重慶軌道環(huán)線鵝公巖軌道專用雙塔雙索面自錨式懸索橋橋塔基礎(chǔ)圍堰設(shè)計(jì)與施工為實(shí)例，論述在軌道交通中首次使用的混凝土圍堰和雙壁鋼圍堰相結(jié)合的圍堰形式，及其設(shè)計(jì)、加工制作、組拼及下沉施工等技術(shù)要點(diǎn)。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

鵝公巖大橋全長(zhǎng)1 629.823 m(含引橋)，是為跨越長(zhǎng)江而設(shè)的輕軌專用橋，主橋?yàn)?50+210+600+210+50) m雙塔雙索面自錨式懸索橋，橋長(zhǎng)1 120 m。主墩基礎(chǔ)采用18根φ3.0 m鉆孔灌注樁，樁間距6.0 m，樁長(zhǎng)16 m；承臺(tái)為啞鈴形截面，橫向總長(zhǎng)48.5 m，縱向?qū)?7 m，承臺(tái)厚5 m。

主橋兩個(gè)主塔均位于水中，西岸主塔處河床在長(zhǎng)江枯水期可露出水面，東岸主塔處河床常年處于水下，基礎(chǔ)及主塔施工需采用圍堰法施工?？傮w施工方案為筑島帷幕注漿止水，機(jī)械靜態(tài)破碎開挖承臺(tái)基坑，下圍堰、鋼護(hù)筒及封底，然后進(jìn)行樁基、承臺(tái)及塔柱的施工。

1.2 氣象資料

橋址區(qū)空氣濕潤(rùn)，多年平均氣溫18.3 ℃，極端最高氣溫43 ℃，極端最低氣溫-1.8 ℃。降雨集中在5～9月。

1.3 工程地質(zhì)資料

水中承臺(tái)圍堰深度范圍河床底層為：第四系全新統(tǒng)人工填土、卵石土，侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組砂巖層。位于長(zhǎng)江沙磧斜坡地段，屬河流侵蝕、堆積河谷岸坡地貌。

1.4 水文資料

鵝公巖大橋橋位處常水位175 m，水深14 m，施工水位165 m，波浪高1.4 m，西岸主塔承臺(tái)以下水深3 m，東岸主塔承臺(tái)以下水深3.5 m。

2 鋼-混圍堰設(shè)計(jì)

2.1 混凝土圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主塔基礎(chǔ)鋼圍堰采用鋼-混結(jié)合，底部為混凝土圍堰，上部接兩個(gè)獨(dú)立環(huán)形雙壁鋼圍堰。東、西兩岸高程分別為+154.50 m和+161.50 m，東、西兩岸混凝土圍堰頂高程為+165.00 m和+170.00 m，總高分別為10.5 m和8.5 m。東、西兩岸混凝土圍堰長(zhǎng)分別為60.389 m和59.377 m，寬28 m?；炷羾叻只A(chǔ)和墻身兩部分，基礎(chǔ)為封底混凝土層，內(nèi)徑為23.3 m，外徑為29.3 m，壁厚3 m；墻身部分內(nèi)徑為24 m，外徑為28.6 m；中間設(shè)置直線段，長(zhǎng)度為9.14 m?；炷羾邇?nèi)部布設(shè)鋼筋(如圖1)。

圖1 混凝土圍堰平面示意

2.2 鋼圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

混凝土圍堰頂部接獨(dú)立的兩個(gè)圓形鋼圍堰，東、西兩岸高分別為23 m和18.1 m，頂高程分別為+187.90 m和+188.10 m，鋼圍堰之間通過(guò)單壁圍堰進(jìn)行連接。圓端內(nèi)徑為25 m，外徑為28 m，直線段長(zhǎng)32.4 m(如圖2)。

圖2 鋼圍堰平面示意

雙壁鋼圍堰內(nèi)、外壁板均采用8 mm和6 mm厚鋼板，壁板上采用角鋼豎肋和環(huán)形板加強(qiáng)，兩壁板之間采用隔倉(cāng)板和水平環(huán)形桁架連接，以使內(nèi)外井壁組合成整體。

鋼圍堰首節(jié)段與混凝土圍堰頂預(yù)埋件進(jìn)行焊接，并在底部0.6 m范圍內(nèi)圍堰壁內(nèi)、外填充混凝土，壁板豎肋、水平桁架、豎向桁架均采用角鋼和槽鋼。

東塔鋼圍堰頂高程為+188 m，混凝土圍堰頂高程為+165.00 m，混凝土圍堰底高程為154.50 m，鋼混圍堰總高33.5 m，采用10.5 m混凝土結(jié)構(gòu)，23 m鋼結(jié)構(gòu)。鋼圍堰沿高度分為4個(gè)節(jié)段，鋼結(jié)構(gòu)4.9 m首節(jié)段(L100角鋼)+2×6.6 m標(biāo)準(zhǔn)段(L100角鋼)+4.9 m頂節(jié)段(L80角鋼)。首節(jié)底高1 m范圍為加強(qiáng)段，所有桿件均采用雙肢結(jié)構(gòu)，每節(jié)圍堰在平面上分為12塊，9個(gè)隔艙。

西岸鋼圍堰頂高程為+188.1 m，混凝土圍堰頂高程為+170.00 m，混凝土圍堰底高程為161.50 m，鋼混圍堰總高26.6 m。鋼圍堰沿高度分為3個(gè)節(jié)段，圍堰高34 m，采用4.8 m首節(jié)段(L100角鋼)+6.6 m標(biāo)準(zhǔn)段(L100角鋼)+4.9 m標(biāo)準(zhǔn)段(L80角鋼)。首節(jié)底高度1 m范圍為加強(qiáng)段，所有桿件均采用雙肢結(jié)構(gòu)，每節(jié)圍堰在平面上分為12塊，9個(gè)隔艙。

2.3 設(shè)計(jì)考慮荷載

(1)水平荷載：靜水壓力、流水壓力、主動(dòng)土壓力、波浪力、風(fēng)力、土壓力；

(2)垂直荷載：圍堰自重、圍堰側(cè)壁填充砼自重、灌水自重、封底砼自重、水浮力、封底砼與護(hù)筒黏結(jié)力、鋼圍堰與側(cè)壁土黏結(jié)力。

2.4 設(shè)計(jì)檢算

根據(jù)新型圍堰的結(jié)構(gòu)形式，主要對(duì)以下方面進(jìn)行檢算：

(1)雙壁鋼圍堰在164 m、176 m、183 m和188 m不同水位時(shí)期四種工況的結(jié)構(gòu)桿件檢算；

(2)混凝土圍堰結(jié)構(gòu)、預(yù)埋件以及整體變形檢算；

(3)鋼-混圍堰整體抗傾覆穩(wěn)定性、整體抗滑移穩(wěn)定性檢算；

(4)鋼-混圍堰整體抗浮計(jì)算。

2.5 檢算結(jié)果

根據(jù)橋位處地質(zhì)、水文、地貌條件，采用橋梁空間結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件，對(duì)鋼-混圍堰高度、截面尺寸及預(yù)埋件進(jìn)行空間分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 鋼-混圍堰應(yīng)力、變形控制計(jì)算結(jié)果

由表1可看出，檢算結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

3 鋼混圍堰施工

施工工藝流程如圖3所示。

圖3 鋼-混圍堰施工工藝流程

3.1 混凝土圍堰施工

(1)鋼護(hù)筒埋設(shè)

根據(jù)樁位位置埋設(shè)鋼護(hù)筒。鋼護(hù)筒采用16 mm厚鋼板卷制而成，埋設(shè)高度4.5 m，履帶吊吊裝就位，利用型鋼進(jìn)行頂部連接，底部埋設(shè)鋼筋立柱固定。

(2)混凝土圍堰鋼筋施工

φ16 mm鋼筋、間距25 cm布置成環(huán)形鋼筋網(wǎng)片，內(nèi)部構(gòu)造筋間距50 cm布置。

(3)混凝土施工

圍堰混凝土采用分層、分段、分臺(tái)階澆筑。第一層為嵌巖混凝土澆筑層，嵌入完整中風(fēng)化巖層，深度厚度不小于1 m，第二、三層高2 m，第四層安裝預(yù)埋件，澆筑高度80 cm，剩余部分待首節(jié)鋼圍堰安裝完成后，與60 cm隔艙混凝土一同澆筑，確保鋼混結(jié)合不漏水。預(yù)埋件為型鋼骨架及環(huán)板，定位精度：高程±5 mm，水平位置±10 mm。

(4)鋼圍堰施工

鋼圍堰通過(guò)履帶吊直接進(jìn)行起吊、安裝，與預(yù)埋件焊接而成。鋼混連接的關(guān)鍵是控制鋼圍堰面板、豎肋與預(yù)埋件環(huán)板焊縫長(zhǎng)度，飽滿度，焊角高度等技術(shù)指標(biāo)。

3.2 鋼圍堰施工

雙壁鋼圍堰集中在工廠分塊制作，通過(guò)船只運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)拼裝。首節(jié)段根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水位情況，在工廠分塊加工后運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，應(yīng)按車間內(nèi)編號(hào)順序進(jìn)行組拼。

(1)分塊制作工藝要求

嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)加工圖要求進(jìn)行材料計(jì)算、備料、加工和設(shè)備的選型搭配，以及圍堰整體水下浮運(yùn)的準(zhǔn)備工作。

為提高鋼圍堰加工精度，形成規(guī)?；魉€生產(chǎn)，在鋼圍堰加工場(chǎng)設(shè)置胎架，每塊均在胎架上制作。制定嚴(yán)格的焊接工藝，減少焊接變形，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)和焊接工藝評(píng)定。

對(duì)加工完成的塊件，應(yīng)按照設(shè)計(jì)及相關(guān)規(guī)范要求的頻率進(jìn)行焊縫無(wú)損探傷檢查，不合格的應(yīng)予以返工或補(bǔ)修。

每塊鋼圍堰焊接完畢后，內(nèi)外壁板、隔艙板焊縫必須進(jìn)行煤油滲透試驗(yàn)。煤油滲透試驗(yàn)檢驗(yàn)方法為：焊縫外涂白堊粉漿，晾干后再刷煤油，0.5 h后檢查，無(wú)煤油滲漏斑點(diǎn)為合格。否則滲透處必須鏟除重焊。

圍堰加工制作單位應(yīng)提供詳盡的自檢資料，質(zhì)檢人員、施工主要負(fù)責(zé)人和設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行嚴(yán)格檢查驗(yàn)收，經(jīng)簽字后方可出場(chǎng)。

(2)鋼圍堰拼裝

東、西兩岸雙壁鋼圍堰首節(jié)分別高4.8 m和6.6 m，采用旱地拼裝法，直接在基坑內(nèi)拼裝。圍堰塊件在工廠加工制作，經(jīng)驗(yàn)收合格后，由船運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組拼。

首節(jié)段組拼工藝要求:①吊拼首節(jié)第一分塊，將兩端線對(duì)準(zhǔn)分塊線，底腳外壁對(duì)準(zhǔn)所做邊緣線標(biāo)記，在圍堰外壁吊垂線，并與環(huán)板臨時(shí)焊接固定。②吊裝第二個(gè)分塊與第一分塊相接，調(diào)整對(duì)準(zhǔn)邊緣線并豎向調(diào)整各環(huán)形水平桁架和內(nèi)外壁板，焊接固定，測(cè)量上口半徑或內(nèi)壁尺寸偏差。③按編號(hào)依次逐塊吊、拼、焊、連，直至圍堰成型，此時(shí)應(yīng)檢查圍堰平面尺寸、豎直度等，偏差值應(yīng)在設(shè)計(jì)及規(guī)范允許范圍內(nèi)。④首節(jié)鋼圍堰焊拼成整體后，應(yīng)對(duì)圍堰進(jìn)行直徑、傾斜度、結(jié)構(gòu)等的全面檢查。

首節(jié)鋼圍堰就位后，應(yīng)全面檢查鋼圍堰尺寸、焊縫和吊掛結(jié)構(gòu)，并履行下沉前的簽證手續(xù)。

鋼圍堰接高工藝:鋼圍堰接高需根據(jù)水位情況而定，旱地施工時(shí)可利用兩臺(tái)50 t履帶吊進(jìn)行對(duì)稱逐塊接高。高水位時(shí)，通過(guò)50 t浮吊來(lái)實(shí)現(xiàn)接高。先采用點(diǎn)焊固定，確認(rèn)位置合格后再全面焊接。同一節(jié)12塊之間的桁架必須保持閉合，以保證整體受力安全。壁板采用搭接焊或貼板焊接，焊縫必須做煤油滲透試驗(yàn)檢查。組拼焊接時(shí)，對(duì)于水平焊縫施焊，如拼裝前圍堰直徑差為負(fù)，則先焊接外壁板水平焊；如拼裝前圍堰直徑差為正，則先焊接內(nèi)壁板水平焊。各節(jié)、塊圍堰先點(diǎn)焊組拼成整體，然后對(duì)圍堰的直徑、傾斜度及圍堰結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量、檢查，合格后方能全面實(shí)施焊接。焊接時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)及相關(guān)規(guī)范要求，按照一定順序?qū)ΨQ進(jìn)行。圍堰焊接完畢后，應(yīng)對(duì)焊縫進(jìn)行檢查，對(duì)壁板和隔艙板進(jìn)行煤油滲透檢查，不合格的應(yīng)予以補(bǔ)焊。

第二節(jié)圍堰拼裝完成后，依次接高剩余節(jié)段。鋼圍堰接高的施工順序?yàn)椋汉概R時(shí)工作平臺(tái)——在前一節(jié)焊接導(dǎo)向——起吊塊件對(duì)位——各塊件水平焊縫點(diǎn)焊——修整及配切——各塊件豎向焊縫點(diǎn)焊——內(nèi)外水平環(huán)板對(duì)接施焊——水平焊縫施焊——內(nèi)外壁板豎向焊縫施焊——其余焊縫施焊——檢驗(yàn)。

(3)組拼精度控制

塊件放置在鋼圍堰頂面的水平頂環(huán)板上，平面上有一定的調(diào)整余地。塊件定位以隔艙板為參照物。

圍堰塊件安裝精度控制如式(1)

式中d——圍堰設(shè)計(jì)公稱內(nèi)徑；

h塊——塊件實(shí)測(cè)高度；

Δ1——焊接直徑收縮量，取30～60 mm；

Δ2——圍堰頂設(shè)計(jì)內(nèi)徑與實(shí)測(cè)內(nèi)徑的差值；

t——塊件實(shí)測(cè)壁厚。

(4)隔艙壁混凝土澆筑

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水位情況，綜合考慮水頭差和圍堰抗剪需要，井壁內(nèi)需充填1 m高混凝土。該充填混凝土為水下混凝土，通過(guò)輸送泵泵送，導(dǎo)管法澆筑。澆筑時(shí)應(yīng)分艙、對(duì)稱、等速進(jìn)行。導(dǎo)管的提升與移動(dòng)利用浮吊進(jìn)行，澆筑中要注意隨時(shí)測(cè)量混凝土面高程，并根據(jù)設(shè)計(jì)要求控制艙內(nèi)外水頭差。

3.3 鋼護(hù)筒安裝及封底混凝土灌注

鋼-混圍堰封底C30混凝土厚度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)巖石情況而定，將圍堰內(nèi)清理至中風(fēng)化巖層表面即可，并進(jìn)行清洗，確?；炷量芍苯优c基巖結(jié)合。

4 結(jié)束語(yǔ)

鋼圍堰在深水基礎(chǔ)施工中使用較為廣泛，但混凝土圍堰和雙壁鋼圍堰相結(jié)合的圍堰形式為首次在本項(xiàng)目上實(shí)施。結(jié)合筑島、帷幕止水，給鋼混圍堰施工創(chuàng)造了有利的旱地施工作業(yè)條件，同時(shí)結(jié)合總體施工方案、水文、工期等綜合因素，采用鋼混結(jié)合形式的圍堰結(jié)構(gòu)，既能保證圍堰施工功能和質(zhì)量，又降低了施工難度，提高了施工功效，且便于后期拆除。混凝土圍堰和雙壁鋼圍堰相結(jié)合的圍堰形式，適用范圍廣泛，有廣泛的推廣空間。

[1] 余本俊.大型鋼沉井整節(jié)段制造、運(yùn)輸與現(xiàn)場(chǎng)接高施工技術(shù)[J].橋梁建設(shè)，2013，43(2):110-115

[2] 周文.漢宜鐵路蔡家灣漢江特大橋168號(hào)主墩雙壁鋼圍堰施工技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2010(10):80-83

[3] 程晨.南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋主橋4號(hào)墩雙壁鋼吊箱圍堰整體吊裝設(shè)計(jì)與施工[J].橋梁建設(shè),2008(4):20-23

[4] 王貴春，皇甫昱.橋梁深水基礎(chǔ)雙壁鋼圍堰施工技術(shù)分析[J].鐵道建筑，2007(8):22-24

[5] 郭立君.蚌埠淮河鐵路特大橋深水基礎(chǔ)雙壁鋼圍堰施工技術(shù)[J].鐵道建設(shè)，2004(1):25-29

[6] 傅瓊閣.深水基礎(chǔ)鋼圍堰施工技術(shù)[J].中外公路，2005，25(4):128-130

[7] 趙興寨，張斌斌，劉蓓.襄樊漢江五橋雙壁鋼圍堰分層分塊施工技術(shù)[J].鐵道建筑，2011(12):31-33

[8] 周永興，何兆益，鄒毅松.路橋施工計(jì)算手冊(cè)[M].北京：人民交通出版社，2001

Design and Construction Techniques of Deepwater Steel-concrete Composite Cofferdam in Urban Railway Transit Bridges

WANG Cheng

2016-09-05

1672-7479(2016)06-0094-04

U445.4； U445.5

B