深水基礎(chǔ)雙壁鋼圍堰下河計(jì)算與浮運(yùn)定位技術(shù)

摘 要：以跨長(zhǎng)江的某重載鐵路大橋鋼圍堰輔助工程為背景，系統(tǒng)介紹了深水基礎(chǔ)施工用雙壁鋼圍堰施工設(shè)計(jì)要點(diǎn)，開(kāi)展了鋼圍堰下河過(guò)程計(jì)算，分析了圍堰下河速度及可能性，并通過(guò)分析高清視頻影像得出了圍堰下河入水深度和時(shí)間的關(guān)系曲線，為同類工程鋼圍堰下河設(shè)計(jì)計(jì)算提供參考。鋼圍堰浮運(yùn)及定位測(cè)量結(jié)果表明，鋼圍堰穩(wěn)定性良好，設(shè)計(jì)位置與實(shí)測(cè)位置相差普遍小于3cm，最大不超過(guò)5cm，滿足設(shè)計(jì)及相關(guān)規(guī)范要求，為該大橋深水基礎(chǔ)施工奠定了良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：基礎(chǔ)；雙壁鋼圍堰；下河設(shè)計(jì)；浮運(yùn)與定位

1 概述

深水基礎(chǔ)施工是衡量橋梁施工技術(shù)水平的一個(gè)重要標(biāo)志。國(guó)外經(jīng)常采用雙壁鋼圍堰（Double Wall Cofferdam，簡(jiǎn)稱DWC）來(lái)施工橋梁深水基礎(chǔ)、長(zhǎng)度較短的碼頭和水中結(jié)構(gòu)物。國(guó)外采用的雙壁鋼圍堰主要有兩種類型：鋼板圍焊的雙壁鋼圍堰以及雙壁鋼板樁圍堰，前者應(yīng)用數(shù)量較后者少。雙壁鋼板樁圍堰作為雙壁鋼圍堰的一種類型，在歐洲和美洲以及亞洲的日本應(yīng)用最為廣泛。位于美國(guó)加州的Carquinez 海峽大橋跨越薩克門(mén)托河，由于水太深，無(wú)法使用常規(guī)圍堰，采用在陸地上預(yù)先制作雙壁鋼圍堰，然后采用駁船浮運(yùn)就位，使施工更加方便、安全，且效率更高，比合同工期提前3個(gè)月完成。美國(guó)阿拉斯加州庫(kù)鉑河上的庫(kù)鉑大橋（Cooper RiverBridge），美國(guó)喬治尼亞州Brunsiwick港口附近的The Sidney Lanier大橋，哥斯達(dá)尼加的Tempisque River大橋等則是采用鋼板樁雙壁鋼圍堰進(jìn)行基礎(chǔ)施工的代表作。在國(guó)外，圍堰不僅用于深水基礎(chǔ)的新建工程，而且也經(jīng)常用于既有結(jié)構(gòu)物的修復(fù)。位于日本東京附近的KOU大橋在神戶大地震期間受到損壞，為了縮短維修所用的時(shí)間，盡快恢復(fù)交通，承包商在下部結(jié)構(gòu)的修復(fù)和加固中就采用了雙壁鋼板樁圍堰，修復(fù)工作迅速而有效完成[1，2]。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外有關(guān)雙壁鋼圍堰的研究文獻(xiàn)較為豐富。王書(shū)偉等重點(diǎn)探討了深水基礎(chǔ)圍堰方案的選型、圍堰（包括異形鋼圍堰）設(shè)計(jì)要素及海洋環(huán)境中的圍堰應(yīng)用[3-5]；并簡(jiǎn)要介紹了其受力檢算重點(diǎn)；周文海等從施工的角度探討了鋼吊圍堰的方案設(shè)計(jì)、加工制造要求、施工工藝等過(guò)程中的關(guān)注重點(diǎn)[6，7]；張開(kāi)聰?shù)戎攸c(diǎn)探討了不同形狀及附加結(jié)構(gòu)的鋼圍堰施工技術(shù)[8-10]；蘇杰等則開(kāi)展了鋼圍堰結(jié)構(gòu)的三維有限元計(jì)算分析[11，12]；重點(diǎn)研究圍堰的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性以及封底混凝土，可以說(shuō)涵蓋了圍堰受力分析的各個(gè)方面；張峰等則介紹了圍堰施工中常見(jiàn)問(wèn)題的處理方法[13]。已有的研究成果，大多集中在圍堰設(shè)計(jì)、受力計(jì)算及工藝流程上，而對(duì)圍堰下水的設(shè)計(jì)計(jì)算研究則相對(duì)較少，工程類比及經(jīng)驗(yàn)因素較多?；谶@一現(xiàn)狀，以某公鐵兩用長(zhǎng)江大橋主墩的鋼圍堰為工程背景，探討圍堰下河設(shè)計(jì)計(jì)算及施工技術(shù)，以期對(duì)類似工程提供一定的借鑒依據(jù)。

2 圍堰設(shè)計(jì)構(gòu)造簡(jiǎn)介

某長(zhǎng)江公鐵兩用特大橋設(shè)計(jì)里程DK27+299.091～DK33+616.763，全長(zhǎng)6317.8m；主橋鐵路按雙線、公路按一級(jí)公路四車(chē)道設(shè)計(jì)。主橋?yàn)椋?8+182+518+182+98）m雙塔鋼桁斜拉橋（圖1）。3#、4#墩為斜拉橋主墩，采用先圍堰后平臺(tái)施工方法。其中3#墩采用雙壁鋼吊箱圍堰，4#墩采用鋼套箱圍堰。

3#墩雙壁鋼吊箱圍堰設(shè)置為圓端形，平面尺寸為68.2m（橫橋向）×40.0m（順橋向）×18m（高），壁厚2m，初步擬定于枯水期施工承臺(tái)，圍堰最大抽水水位+34.0m，封底混凝土厚4.5m，圍堰底高程為+11.0m。圍堰由側(cè)板、底板、底隔艙、內(nèi)支架、吊掛系統(tǒng)和導(dǎo)環(huán)組成，鋼材均采用Q235B，總重約3200噸。圍堰井壁排水面積為351m2，為減少圍堰自重吃水深度，圍堰內(nèi)設(shè)置雙壁底隔艙，底隔艙排水面積為380m2，底節(jié)圍堰在自重下吃水深度為3.96m（不包括底龍骨高度0.5m）。3#墩圍堰下河共布置Ф1.2×15m氣囊48條，先布置24條氣囊作為支承氣囊，圍堰重量全部支承在24條氣囊上時(shí)，氣囊工作高度為0.72m，大于鋼凳高度0.6m，鋼凳可以安全移除。待鋼凳全部移除后，再按照設(shè)計(jì)間距補(bǔ)充其余氣囊，并充氣，使48條氣囊均勻受力氣囊工作高度1.0m。

3 圍堰入水速度及可能性分析

3.1 圍堰入水過(guò)程計(jì)算假定

（1）圍堰自重忽略坡度影響；（2）圍堰剛度相對(duì)很大，假定為一剛體；（3）氣囊作用高度不變；（4）在較短距離里，圍堰為勻變速運(yùn)動(dòng)，其加速度變化可忽略；（5）在較短距離里，圍堰所受水阻力不變；（6）圍堰入水過(guò)程中，圍堰入水角不變。

3.2 圍堰入水計(jì)算原理

（1）牛頓第二定律：即物體的加速度跟物體所受的合外力F成正比，跟物體的質(zhì)量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同。

（2）運(yùn)動(dòng)學(xué)定理，即位移與速度的關(guān)系式：

（3）浮力計(jì)算：根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，建立三維實(shí)體，結(jié)合各個(gè)工況下水長(zhǎng)度截取體積。

3.3 計(jì)算分析

3.3.1 圍堰入水前。圍堰前端距離水口15m時(shí)，在圍堰前端鋪設(shè)氣囊，脫拉纜，圍堰起滑瞬間速度為V0。圍堰開(kāi)始勻加速運(yùn)動(dòng)至剛?cè)胨鏁r(shí)，圍堰的速度為V1，見(jiàn)圖3。起始階段，圍堰的力學(xué)平衡關(guān)系式如下：

聯(lián)立式（1）、式（2），可以解出圍堰剛?cè)胨鏁r(shí)的速度V1。

3.3.2 圍堰入水后。圍堰入水后，每前行5m作為一個(gè)工況。以第一個(gè)工況的詳細(xì)計(jì)算過(guò)程為例（圖4），第一次前行5m后圍堰的速度V2，圍堰的力學(xué)平衡狀態(tài)為：

聯(lián)立式（3）、式（4），可以解出圍堰入水前進(jìn)5m后的速度V2（見(jiàn)表1），以此類推，逐步求出前進(jìn)過(guò)程中各個(gè)階段的下水速度（表1）。

分析表1中圍堰入水的速度可知，圍堰下滑全部入水后的速度為1.3m/s，此即意味著圍堰能夠順利下滑入水。實(shí)際觀測(cè)表明，圍堰入水非常迅速，圍堰前端入水至達(dá)到吃水深度穩(wěn)定總計(jì)歷時(shí)約4s，下河過(guò)程順利。

4 圍堰浮運(yùn)到位后的定位技術(shù)

4.1 圍堰的定位設(shè)計(jì)

4.1.1 錨碇設(shè)施布置及主要技術(shù)參數(shù)。3#墩鋼吊箱圍堰錨碇系統(tǒng)采用前、后定位船加重錨體系。底節(jié)圍堰掛樁時(shí)，圍堰頂高程為+39.0m，此時(shí)圍堰底高程為+21.0m，按照工期安排，定位時(shí)最大水位按+34.0m、最大流速按2.0m/s、最大入水深度按13m設(shè)計(jì)錨碇系統(tǒng)。前定位船采用1艘800t鐵駁，后定位船采用1艘400t鐵駁；主錨靠江側(cè)采用3個(gè)8t霍爾錨、靠岸側(cè)采用3個(gè)50t地壟，尾錨靠江側(cè)采用2個(gè)8t霍爾錨、靠岸側(cè)采用2個(gè)50t地壟，前、后定位船邊錨靠江中心側(cè)采用2個(gè)3t霍爾鐵錨；靠江灘側(cè)前、后定位船各設(shè)置2個(gè)地壟，其中一個(gè)為10t地壟，另外一個(gè)與圍堰邊錨共用，為30t地壟。

4.1.2 錨繩連接順序及連接方式。圍堰就位后錨繩連接基本順序?yàn)椋呵袄|L1#～L4#→圍堰邊錨13#（下）、11#、14#（下）、12#→后拉纜L1'#～L4'#→圍堰邊錨15#（下）、17#、16#（下）、18#。

4.2 圍堰定位技術(shù)

4.2.1 定位前的準(zhǔn)備工作。（1）前、后定位船固定座、馬口安裝。（2）前、后定位船滑車(chē)組穿鋼絲繩并與固定座連接。（3）前、后定位船卷?yè)P(yáng)機(jī)、發(fā)電機(jī)安裝。（4）主錨1#～6#、前定位船邊錨7#～10#分別連接后放在前定位船上并運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)。尾錨23#～26#、后定位船邊錨19#～22#分別連接后放在后定位船上并運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)。（5）利用拋錨船依次將圍堰主錨、圍堰尾錨、前、后定位船邊錨拋至設(shè)計(jì)位置。（6）所有錨繩都松至水下，特別是后定位船邊錨20#、22#，避讓浮運(yùn)路線。

4.2.2 圍堰浮運(yùn)到位及初定位。（1）鋼圍堰底節(jié)制造拼裝完成，轉(zhuǎn)向馬口、系纜樁、頂推架、調(diào)錨設(shè)施等安裝完成，圍堰帶上前拉纜L1#、L2#、L3#、L4#，后拉纜L1'#、L2'#、L3'#、L4'#，圍堰邊錨錨繩11#～18#（預(yù)先穿過(guò)對(duì)應(yīng)的圍堰轉(zhuǎn)向馬口并打梢于圍堰上）共16根，圍堰下水浮運(yùn)至前定位船后約80m處（中心距，見(jiàn)圖5）。（2）前拉纜L1#、L2#、L3#、L4#過(guò)至前定位船與滑車(chē)組系結(jié)、初收緊，圍堰浮運(yùn)拖輪退出。（3）將圍堰邊錨繩11#、12#、13#、14#一頭過(guò)至前定位船與對(duì)應(yīng)的滑車(chē)組連接，12#、14#錨繩另一頭與霍爾錨錨繩連接，11#、13#錨繩另一頭與地壟連接固定。（4）圍堰溜放到設(shè)計(jì)位置處，偏差設(shè)計(jì)位置小于5米，且位于上游，并初收緊圍堰邊錨11#、12#、13#、14#錨繩。（5）將圍堰后拉纜L1'#、L2'#、L3'#、L4'#過(guò)至后定位船與滑車(chē)組系結(jié)。（6）將圍堰邊錨繩15#、16#、17#、18#一頭過(guò)至后定位船與對(duì)應(yīng)的滑車(chē)組連接，16#、18#錨繩另一頭與霍爾錨錨繩連接，15#、17#錨繩另一頭與地壟連接固定。（7）后定位船初收緊尾錨、邊錨，并初收緊后拉纜L1'#、L2'#、L3'#、L4'#及圍堰邊錨15#、16#、17#、18#錨繩。（8）底節(jié)圍堰中心位置調(diào)整、初定位（與設(shè)計(jì)位置偏差小于10cm）。

4.2.3 圍堰的精確定位。（1）定位精度分析。鋼圍堰的定位，需要精確調(diào)整圍堰的平面位置、扭轉(zhuǎn)、垂直度。圍堰的位置，應(yīng)保證之后的鉆孔樁、承臺(tái)施工能滿足施工規(guī)范及驗(yàn)收規(guī)范的要求，即群樁鉆孔樁孔位中心偏差小于±100mm；承臺(tái)長(zhǎng)、寬、高的尺寸偏差小于±30mm、承臺(tái)軸線偏差小于±15mm、承臺(tái)前后、左右邊緣距設(shè)計(jì)中心線尺寸偏差小于±50mm。（2）圍堰垂直度調(diào)整。圍堰的雙壁艙分為若干個(gè)互不連通的隔艙，可通過(guò)注水下沉或排水上浮來(lái)調(diào)整圍堰整體標(biāo)高，也可通過(guò)在不同的隔艙注水或排水來(lái)調(diào)整圍堰四個(gè)角點(diǎn)的相對(duì)高差。（3）圍堰的扭轉(zhuǎn)調(diào)整。圍堰的平面扭轉(zhuǎn)偏差較大時(shí)，則先進(jìn)行扭轉(zhuǎn)偏差的調(diào)整。首先將圍堰的邊錨繩放松，暫不帶緊；如果圍堰整體偏下游時(shí)，先將圍堰D角處的拉纜慢慢放松，同時(shí)B角的拉纜慢慢收緊，將圍堰的扭轉(zhuǎn)偏差控制在5cm內(nèi)；如果圍堰整體偏上游，則放A角的拉纜，收緊C角的拉纜；再預(yù)收緊邊錨繩。（4）圍堰橫橋向位置調(diào)整。在圍堰經(jīng)過(guò)扭轉(zhuǎn)調(diào)整后，圍堰的縱、橫橋向軸線已平行于墩軸線。當(dāng)圍堰偏下游時(shí)，先同時(shí)慢慢放松后定位船的尾錨索，同時(shí)收緊前定位船主錨索，將圍堰向上游拉，調(diào)整至圍堰軸線與墩軸線上下游偏差在5cm以內(nèi)，調(diào)整時(shí)要注意保持各錨索的受力均勻。（5）圍堰順橋向位置調(diào)整。圍堰順橋向位置的調(diào)整主要通過(guò)收緊或放松圍堰的邊錨來(lái)調(diào)整。（6）圍堰定位步驟。圍堰錨碇系統(tǒng)形成→圍堰浮運(yùn)到位→圍堰出定位→圍堰的精確定位（利用錨碇系統(tǒng)對(duì)圍堰位置進(jìn)行調(diào)整、定位，圍堰定位時(shí)應(yīng)遵循先調(diào)整圍堰頂面標(biāo)高，后調(diào)整平面位置和扭角的原則）。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)某重載鐵路跨江大橋基礎(chǔ)施工用3#鋼吊箱圍堰、4#鋼套箱圍堰的設(shè)計(jì)要點(diǎn)（底托板、后拉錨點(diǎn)及地龍、下河坡道、斷纜及起滑等）做了詳細(xì)介紹，重點(diǎn)開(kāi)展圍堰下河各階段的氣囊受力計(jì)算、圍堰下河各階段的速度及入水可能性分析，以及根據(jù)圍堰入水過(guò)程的最大深度確定疏浚水域等問(wèn)題，高清視頻錄像分析表明，下河過(guò)程的鋼圍堰入水深度和下河計(jì)算結(jié)果基本吻合。圍堰定位測(cè)試結(jié)果表明，圍堰的浮運(yùn)、定位過(guò)程設(shè)計(jì)合理、控制措施得當(dāng)，定位精度較好的滿足了設(shè)計(jì)及相關(guān)規(guī)范要求，為大橋的基礎(chǔ)施工提供了保證，對(duì)促進(jìn)我國(guó)深水復(fù)雜地質(zhì)條件下橋梁基礎(chǔ)施工技術(shù)起到了一定作用。

參考文獻(xiàn)

[1]黃宏偉，張東梅，等.國(guó)內(nèi)外橋梁深基礎(chǔ)形式現(xiàn)狀[J].公路交通科技，2002，19（4）：60-64.

[2]劉自明.孟加拉國(guó)帕克西橋工程總結(jié)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2007.

[3]張瑞軍，王梓夫，等.武漢軍山長(zhǎng)江公路大橋異形鋼圍堰設(shè)計(jì)[J].橋梁建設(shè)，2000（4）：26-28.

[4]陳忠.牌頭浦陽(yáng)江特大橋深水基礎(chǔ)圓形雙壁鋼圍堰設(shè)計(jì)[J].鐵道建筑技術(shù)，2012，4：29-32.

[5]王國(guó)良，張志傳.鋼套箱圍堰施工技術(shù)在海洋施工環(huán)境中的應(yīng)用[J].鐵道勘察，2007（2）：85-88.

[6]周文海，張志國(guó).流水河大橋4號(hào)墩雙壁鋼吊箱的設(shè)計(jì)與施工[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2008，3：88-90.

[7]黃定.雙線鐵路雙壁鋼吊箱圍堰設(shè)計(jì)與施工[J].鐵道建筑，2012，2：35-37.

[8]楊從娟，向敏.鋼套箱圍堰的沉放就位施工技術(shù)[J].鐵道建筑，2001（4）：33-35.

[9]皮軍云，潘軍，譚紅波.安慶長(zhǎng)江大橋3號(hào)墩鋼套箱圍堰施工技術(shù)[J].鐵道建筑技術(shù)，2010，10：5-10.

[10]李陸平，尤繼勤，王吉連.蔡家灣漢江特大橋深水基礎(chǔ)鋼套箱圍堰施工技術(shù)[J].橋梁建設(shè)，2010，1：59-62.

[11]蘇杰.深水基礎(chǔ)吊箱的有限元計(jì)算分析研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2013，3.

[12]許成林，郭靖宇，等.深水基礎(chǔ)鋼圍堰結(jié)構(gòu)受力分析[J].安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，5（7）：8-11.

[13]張峰.津浦線淮河鐵路特大橋鋼圍堰施工中若干問(wèn)題的處理辦法[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2005，2：53-55.

作者簡(jiǎn)介：韓興權(quán)（1972，4-），工程師。