陸水河特大橋主墩鋼圍堰設(shè)計(jì)施工與裝備應(yīng)用

張琦　盛小勇　彭琳琳

摘 要：陸水河特大橋采用（88+160+88）m變截面連續(xù)箱梁橋，基礎(chǔ)為整體式承臺(tái)+群樁形式，橋址區(qū)處于陸水河一級(jí)階地地貌及構(gòu)造剝蝕崗地地貌區(qū)，所處河段無(wú)粘土覆蓋層，河床以下為砂卵石層，而設(shè)計(jì)采用埋置式承臺(tái)，進(jìn)入巖層約3.5m，且受下游在建船閘施工封航的影響，所有施工船舶無(wú)法抵達(dá)施工現(xiàn)場(chǎng)，無(wú)法按傳統(tǒng)的整體吊裝工藝進(jìn)行鋼圍堰施工，施工工期緊、難度大。本文以21#主墩承臺(tái)為例，對(duì)該墩鋼圍堰設(shè)計(jì)與施工工藝、設(shè)備選擇及使用進(jìn)行了詳細(xì)介紹，為后續(xù)類似工程提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：陸水河特大橋；主墩鋼圍堰；設(shè)計(jì)與施工

中圖分類號(hào)：TV5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006—7973（2017）04-0053-04

1 工程概況

陸水河特大橋位于咸寧市嘉魚縣以及赤壁市，主橋墩身采用等截面六邊形實(shí)體墩，基礎(chǔ)為群樁整體式承臺(tái)基礎(chǔ)，承臺(tái)尺寸14.7×14.7×4m，配9根直徑為2.2m的鉆孔灌注樁。

根據(jù)橋址施工條件及施工工期要求，陸水河特大橋下構(gòu)施工采用先圍堰后樁施工工藝。先行施工鋼圍堰可為后續(xù)樁基施工、承臺(tái)施工及上構(gòu)施工提供一個(gè)良好的工作平臺(tái)。其中主墩承臺(tái)采用雙壁鋼圍堰現(xiàn)場(chǎng)分節(jié)組拼吊裝的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)與施工。

2 橋址處自然條件

2.1 水文、地質(zhì)條件

橋址區(qū)處于陸水河一級(jí)階地地貌及構(gòu)造剝蝕崗地地貌區(qū)，微地貌為河床、河漫灘、一級(jí)階地、崗地。主墩承臺(tái)處河床以下為砂卵石層，砂卵石層層厚為3～5m，泥面標(biāo)高：17.9m。其下為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，鋼圍堰需沉放至強(qiáng)風(fēng)化巖層之上，砂卵石層側(cè)摩阻力約為100kPa，詳見(jiàn)圖1。

根據(jù)300年設(shè)計(jì)洪水頻率，本橋防洪設(shè)計(jì)流量為3000m3/s，最高通航水位32.44m，最低通航水位26m，設(shè)計(jì)洪水位32.1m，測(cè)設(shè)水位25.55m，設(shè)計(jì)水流流速1.5m/s。施工橋位下游21km處正在修建一處航電樞紐，施工期間對(duì)航道進(jìn)行了封閉，所有施工船舶無(wú)法抵達(dá)施工現(xiàn)場(chǎng)，鋼圍堰施工設(shè)備無(wú)法按傳統(tǒng)的整體吊裝施工工藝。

3 鋼圍堰設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

（1）設(shè)計(jì)荷載取值。設(shè)計(jì)流速：1.5m/s，封底混凝土容重：24kN/ m2，水的浮力10kN/ m2，靜水壓力10kPa，設(shè)計(jì)高水位： +26.5m，設(shè)計(jì)低水位：+25.5m，設(shè)計(jì)風(fēng)速： 17.1m/s（7 級(jí)），護(hù)筒直徑： φ2500，混凝土握裹力：135kN/m2，封底砼強(qiáng)度等級(jí)：C25。

（2）結(jié)構(gòu)參數(shù)取值。圍堰頂標(biāo)高：+28.0m，圍堰底標(biāo)高：+13.5m，承臺(tái)頂標(biāo)高：+19.8m，承臺(tái)底標(biāo)高：+15.8m，封底砼厚度：1.9m。鋼圍堰由型鋼和鋼板焊接而成，圍堰長(zhǎng)邊為34.5m，短邊16.8m，壁體厚度1m，其中刃腳高度1.3m，圍堰高度14.5m，從下至上分別為7.6m、6.9m。

3.2 鋼圍堰結(jié)構(gòu)布置

鋼圍堰由壁體、刃腳、插板和內(nèi)支撐組成。壁體和刃腳主要由隔倉(cāng)板、水平型鋼、水平直桿、水平斜桿、豎向加勁肋、內(nèi)外壁板、水平環(huán)板組成，詳見(jiàn)圖2：

3.3 鋼圍堰計(jì)算

3.3.1 計(jì)算工況

鋼圍堰計(jì)算工況共五個(gè)，包含鋼圍堰起吊下放工況、鋼圍堰下沉工況、鋼圍堰澆注封底混凝土工況、鋼圍堰抽水工況以及鋼圍堰澆注承臺(tái)工況，詳見(jiàn)表1。

3.3.2 計(jì)算結(jié)果

3.3.2.1 工況一：鋼圍堰起吊下放和下放計(jì)算

陸水河特大橋21#主墩承臺(tái)鋼圍堰采用現(xiàn)場(chǎng)拼裝、千斤頂下放工藝。本工況計(jì)算鋼圍堰第一節(jié)壁體起吊（無(wú)鋼管支撐）下放時(shí)壁體以及承重架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。下放時(shí)擬采用6 點(diǎn)吊。經(jīng)計(jì)算，各構(gòu)件位移及應(yīng)力均滿足要求。

3.3.2.2 工況三：鋼圍堰封底階段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算

本工況計(jì)算鋼圍堰澆筑1.9m封底混凝土?xí)r壁體強(qiáng)度（取設(shè)計(jì)高水位+26.5m，夾壁內(nèi)水位+21.1m）。建立鋼圍堰整體模型，假設(shè)在澆筑封底混凝土?xí)r，鋼圍堰頂口不發(fā)生位移變化，取鋼圍堰頂口邊界條件為鉸結(jié)約束。鋼圍堰承受自重，浮托力，靜水壓力，水流力，砼的側(cè)壓力，圍堰夾壁外側(cè)水對(duì)壁板靜水壓力。荷載布置圖及有限元模型圖詳見(jiàn)圖4。經(jīng)計(jì)算，各構(gòu)件位移及應(yīng)力均滿足要求。

3.3.2.3 工況四：鋼圍堰抽水階段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算

本工況計(jì)算鋼圍堰抽水時(shí)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度（高水位+26.5m，夾壁水位+21.1m）。圍堰抽水時(shí)，封底砼已達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，取封底砼與鋼護(hù)筒的接觸面為固結(jié)約束。鋼圍堰承受自重，浮托力，靜水壓力，水流力，圍堰夾壁外側(cè)水對(duì)壁板靜水壓力。

（1）抽水時(shí)壁體結(jié)構(gòu)分析

荷載布置圖及有限元模型圖詳見(jiàn)圖5。

（2）抽水時(shí)封底混凝土強(qiáng)度計(jì)算

封底砼各向主應(yīng)力如圖6所示：

由圖6可以看出，封底砼的最大拉應(yīng)力為0.636MPa，最大壓應(yīng)力為0.509MPa；封底砼等級(jí)取C25，其軸心抗壓強(qiáng)度為fc= 11.9 MPa，軸心抗拉強(qiáng)度為ft= 1.27MPa。故采用厚度為1.9m等級(jí)為C25的封底砼能滿足抽水后的封底砼抗彎強(qiáng)度要求。

（3）封底混凝土與鋼護(hù)筒握裹力計(jì)算

通過(guò)計(jì)算，各節(jié)點(diǎn)（鋼護(hù)筒）處的握裹力如表2所示：

鋼護(hù)筒所能承受最大握裹力：F =135×A =135×（π×2.5×1.9） = 2015kN。比較表格中的數(shù)據(jù)可以看出，除了節(jié)點(diǎn)編號(hào)為10048、10049、10050、10051 的鋼護(hù)筒握裹力不滿足要求外，其它鋼護(hù)筒握裹力能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

對(duì)不滿足握裹力要求的鋼護(hù)筒在封底處焊接剪力鍵單根護(hù)筒共布置剪力鍵8根，剪力鍵采用L80x6的角鋼，長(zhǎng)1.5m，具體布置見(jiàn)圖紙。增焊剪力鍵后的鋼護(hù)筒可抗握裹力為：F' =135×A' =135×（π×2.5×1.9 + 8×0.31×1.5）= 2517kN > 2346kN。綜上，經(jīng)焊接剪力鍵后，厚度為1.9m等級(jí)為C25 的封底砼能滿足抽水后的鋼護(hù)筒握裹力設(shè)計(jì)要求。

3.3.2.4 工況五：鋼圍堰澆注承臺(tái)階段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算

本工況計(jì)算鋼圍堰在+25.50m水位澆筑承臺(tái)2.0時(shí)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。鋼圍堰承重自重，浮托力，靜水壓力，水流力，砼的側(cè)壓力。荷載布置圖詳見(jiàn)圖8。

通過(guò)工況五及工況四荷載布置圖可以看出，澆筑首層承臺(tái) 2.0m時(shí)圍堰壁體的側(cè)壓值較抽水時(shí)?。ǔ樗畷r(shí)外壁板側(cè)壓值 54kPa，內(nèi)壁板側(cè)壓值 53kPa；澆筑首層承臺(tái)時(shí)外壁板側(cè)壓值 44kPa，內(nèi)壁板側(cè)壓值 33kPa），對(duì)壁體來(lái)說(shuō)是有利的。故不需再對(duì)圍堰壁體結(jié)構(gòu)加以計(jì)算。

經(jīng)比較，澆筑首層承臺(tái)時(shí)封底砼所受載荷較抽水時(shí)小，故封底砼強(qiáng)度以及鋼護(hù)筒所能提供的握裹力能夠滿足該工況下設(shè)計(jì)要求。

4 鋼圍堰設(shè)備選擇與施工

4.1 鋼圍堰分塊制作

考慮制作方便以及吊裝能力，鋼圍堰擬分成14節(jié)，在后場(chǎng)進(jìn)行分節(jié)、分塊制作。考慮到分塊壁體需在現(xiàn)場(chǎng)分別進(jìn)行組拼，分塊壁體的內(nèi)外壁板均需留有余量，并按照分塊示意圖進(jìn)行編號(hào)，參見(jiàn)圖9。

4.2 鋼圍堰現(xiàn)場(chǎng)拼裝

承臺(tái)鋼圍堰總高度14.5m，單個(gè)鋼圍堰最大重量約330t?？紤]鋼圍堰重量、水文及波浪等條件，第一節(jié)鋼圍堰在輔助平臺(tái)上（詳見(jiàn)圖9）。經(jīng)設(shè)備選型，采用70t履帶吊吊裝，然后用千斤頂整體起吊，割除牛腿，下放入水；然后進(jìn)行水上接高拼裝第二節(jié)鋼圍堰，然后注水或輔助取土的施工工藝下沉。

（1）首節(jié)鋼圍堰的拼裝應(yīng)首先吊裝上游一側(cè)第一分塊（作為定位分塊），然后依次擴(kuò)散進(jìn)行其它分塊的吊裝。定位分塊吊裝時(shí)倚靠靠模緩緩就位，然后吊垂線找正，并設(shè)置臨時(shí)斜撐以防止傾倒。定位分塊吊裝定位后，吊裝第二分塊，在距離定位分塊50mm處擺正放平。壁板分塊對(duì)接完畢后按吊裝順序進(jìn)行對(duì)接焊接。自下而上依次進(jìn)行環(huán)板及骨架對(duì)接縫、環(huán)板與壁板角接縫、夾壁內(nèi)壁板對(duì)接縫以及夾壁外壁板對(duì)接縫的施焊，環(huán)板對(duì)接縫按要求開(kāi)坡口進(jìn)行焊接，夾壁內(nèi)板焊完后外部用φ5mm碳弧氣刨清根后再行焊接。為了保證鋼圍堰外部安全作業(yè)，采用掛梯加吊籠的辦法進(jìn)行焊接及其它作業(yè)。首節(jié)圍堰具體拼裝順序?yàn)?4→1→2→3→4→5→13→12→11→10→9→8→6→7，具體見(jiàn)圖9。

（2）第一節(jié)鋼圍堰拼裝完成后，采用千斤頂起吊，割除拼裝平臺(tái)后下水。進(jìn)行第二節(jié)鋼圍堰拼裝施工，為防止鋼圍堰在拼裝過(guò)程中傾斜，第二節(jié)鋼圍堰采用對(duì)稱拼裝方式。拼裝順序?yàn)?→8→5→12→2→9→4→11→3→10→14→7→13→6，具體見(jiàn)圖10。

4.3 鋼圍堰下沉設(shè)備應(yīng)用及定位

圍堰下沉選擇在水流較平穩(wěn)時(shí)進(jìn)行，利用圍堰下放系統(tǒng)進(jìn)行下放，系統(tǒng)由千斤頂、精軋螺紋鋼、承重架等組成。鋼圍堰共設(shè)置了10個(gè)吊點(diǎn)，保證每個(gè)吊點(diǎn)最大承重在20t以內(nèi)。每個(gè)吊點(diǎn)處在承重架上布設(shè)一臺(tái)50穿心千斤頂，每個(gè)千斤頂配一根Φ32mm精軋螺紋鋼，詳見(jiàn)圖3。

首節(jié)圍堰拼裝完畢后，將千斤頂穩(wěn)定放在承重架上，使精軋螺紋鋼穿入千斤頂，與掛腿連接。在開(kāi)始下放前先根據(jù)各千斤頂在圍堰平衡下放時(shí)的荷載進(jìn)行逐一預(yù)拉作為整個(gè)系統(tǒng)的下放起點(diǎn)。然后將圍堰提起5～10cm并檢查圍堰上懸掛系統(tǒng)是否正常后割除拼裝懸臂梁。最后在現(xiàn)場(chǎng)總指揮統(tǒng)一指揮下，同時(shí)均勻操作千斤頂，使圍堰在導(dǎo)向系統(tǒng)作用下徐徐入水。每次千斤頂下放行程按5cm進(jìn)行控制，確保精軋螺紋受力均勻。當(dāng)每個(gè)千斤頂行程達(dá)到5cm時(shí)，對(duì)下沉機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢查，確保安全后按千斤頂行程下放。首節(jié)圍堰下水自浮后為增強(qiáng)刃腳剛度，需向圍堰艙內(nèi)澆砼C25砼。刃腳混凝土要求在2個(gè)小時(shí)內(nèi)完成，對(duì)稱均衡進(jìn)行澆筑刃腳混凝土。同時(shí)測(cè)量觀測(cè)圍堰的頂面高差，通過(guò)隔艙內(nèi)的混凝土量調(diào)平。圍堰澆筑刃腳混凝土后，為便于第二節(jié)鋼圍堰接高作業(yè)，需向圍堰夾壁內(nèi)注水，使其繼續(xù)下沉至指定標(biāo)高。

當(dāng)?shù)谝还?jié)鋼圍堰下沉至預(yù)定高程后，臨時(shí)錨固首節(jié)鋼圍堰，進(jìn)行水上接高第二節(jié)鋼圍堰。鋼圍堰拼裝完成后，進(jìn)行注水下沉和吸泥輔助下沉鋼圍堰至設(shè)計(jì)標(biāo)高。圍堰底層卵石含量為50%，粒徑一般為20-60mm，飽和，中密。覆蓋層厚度為3～5m，經(jīng)計(jì)算，圍堰內(nèi)取泥約2600m3。根據(jù)地質(zhì)情況和以往施工經(jīng)驗(yàn)，圍堰內(nèi)取泥采用空氣取泥機(jī)進(jìn)行取泥。為了防止吸泥時(shí)，突遇較大卵石阻礙圍堰下沉，造成圍堰偏斜，吸泥采用先在刃腳部門吸出一條深槽，再向圍堰夾壁艙內(nèi)注水入，使其下沉，邊吸邊沉，待圍堰順利下沉后，再進(jìn)行中間取土。

5 結(jié)語(yǔ)

陸水河特大橋主墩承臺(tái)由于受橋址地址條件及下游在建船閘施工封航的影響，工期緊、施工難度大。結(jié)合實(shí)際情況和施工經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)設(shè)備選型比較和現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)比選，采用雙壁鋼圍堰現(xiàn)場(chǎng)分節(jié)組拼吊裝的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)與施工，滿足常用設(shè)備和工藝需求，施工質(zhì)量、安全可控，施工工效高，可為后續(xù)類似工程提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。

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