深水基礎雙壁鋼圍堰施工方案及關鍵技術論述

■蔣 思

（福建新路達交通建設監(jiān)理有限公司，南平 353000）

0 工程概況

西芹大橋工程位于福建省南平市延平區(qū)境內(nèi)，是南平市區(qū)往南平西站的重要通道和高鐵站配套項目，北接205國道，南接行健路，大橋全長402.5m，1×43m預應力混凝土簡支箱梁+1×233.2m下承式鋼箱拱橋+3x36m預應力混凝土連續(xù)剛構(gòu)+14.5m鋼筋混凝土門式剛構(gòu)。全橋有 3個臺和 4個墩，其中 0#、5#、6#為橋臺，1#、2#為主橋橋墩位于西溪主河道內(nèi)，3#、4#為引橋橋墩，墩身承臺為低樁承臺，及承臺面在河床線以下，為深水基礎。大橋平面布置圖見圖1。

圖1 西芹大橋平面布置圖（單位：m）

1 深水基礎雙壁鋼圍堰施工方案的選用

在山區(qū)河流中建造橋梁深水基礎，其圍堰工程的選擇有很多，常用的有土石草袋圍堰、有底套箱圍堰和鋼板樁圍堰等技術方案。

根據(jù)地勘資料和現(xiàn)場實地勘查，南平西芹大橋1～4#橋墩位于河道內(nèi)，河床無覆蓋層，均為質(zhì)地堅硬裸露的中風化、微風化花崗巖，現(xiàn)場地質(zhì)情況見圖2。河道寬約300～350m，河床面高差起伏較大，受上游水口電站發(fā)電和雨季泄洪影響，河道水位驟起驟落，橋梁下部結(jié)構(gòu)施工受嚴重制約，施工難度大。

由于工程水文地質(zhì)條件復雜及施工環(huán)境苛刻，西芹大橋主墩采用“先堰后樁”施工工藝，即在圍堰上搭設樁基施工平臺。鑒于雙壁鋼圍堰施工方案具有工廠預制現(xiàn)場拼接，施工周期短；可作為承臺擋水結(jié)構(gòu)，也可作為鉆孔平臺的支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，本工程選擇雙壁鋼圍堰施工方案。

圖2 裸巖地質(zhì)

2 西芹大橋雙壁鋼圍堰的施工方案介紹

2.1 結(jié)構(gòu)設計

大橋雙壁鋼圍堰套箱內(nèi)板平面尺寸按照承臺平面每端加寬10cm作為套箱定位誤差調(diào)整量，鋼套箱內(nèi)徑為12m，外徑為15m，內(nèi)外壁間距1.5m。根據(jù)現(xiàn)場的地形條件及圖紙要求，1#墩鋼套箱沿高度方向分為5節(jié)，節(jié)段高度為3.2+1.5+3.3×3=14.6m。每節(jié)分為8塊（環(huán)形均分），內(nèi)外面板均采用δ=8mm厚熱軋鋼板。刃腳高2m，角度為45°，刃腳外壁采用δ=16mm厚熱軋鋼板進行加強。為保證雙壁鋼圍堰下沉階段能夠均衡下沉，鋼套箱按照節(jié)塊，設置8個隔艙，隔艙之間采用δ=6mm厚熱軋鋼板進行隔離，以便階段拼裝下沉過程中注水使用。雙壁鋼圍堰頂部采用I36大型工字鋼進行橫向支撐，以增強雙壁鋼圍堰的整體性，支撐梁沿圍堰環(huán)向每5m設置一道。

1#鋼圍堰總高為14.6m，高度方向分為5節(jié)，第一節(jié)刃腳段高3.2m，第二節(jié)雙壁加強段高1.5m，雙壁擋水段高3.3m，共三節(jié)，共9.9m。主墩鋼圍堰結(jié)構(gòu)圖見圖3。

圖3 主墩鋼圍堰結(jié)構(gòu)圖

2.2 雙壁鋼圍堰加工制作及運輸

鋼圍堰為大型鋼結(jié)構(gòu)，為了保證施工質(zhì)量，采用工廠加工預制。為了便于制造及運輸，鋼圍堰平面分艙、高度分節(jié)，劃分后的單元艙節(jié)即為“鋼圍堰單元件”，由內(nèi)、外壁板、隔艙板及內(nèi)支撐、豎向加勁肋等部件組焊成。鋼套箱的連接均采用焊接，其鋼板的拼接采用熔透剖口焊，型鋼拼接時其翼緣需要用厚度不小于10mm的鋼板搭接，焊縫質(zhì)量按二級焊縫標準，并進行密水性檢查。

鋼圍堰分節(jié)段預制加工完成后，從預制加工廠通過大型平板運輸車運至施工現(xiàn)場。圍堰節(jié)段運至現(xiàn)場后，進行分塊組裝節(jié)段，為了保證鋼圍堰的結(jié)構(gòu)平整度，在施工現(xiàn)場設置底胎膜架，采用混凝土澆筑成型，保證胎膜的承載能力。

2.3 雙壁鋼圍堰的吊裝

鋼圍堰采用采用岸上定點牽引，400t吊車陸地吊裝，定位著床。利用河岸場地地形，在岸邊安裝地錨點。鋼圍堰最重底節(jié)約52t，400t履帶吊可以滿足吊裝要求。鋼套箱底節(jié)拼裝完成后，400t履帶吊就位，將鋼圍堰底節(jié)起吊后，吊裝至1#主墩墩位緩慢下放鋼圍堰底節(jié)，鋼套箱靠自身浮力懸浮于河面上。此時履帶吊不脫勾，通過四個方向四個地籠拉住鋼套箱 （對中兩個抽心錨進行輔助），在上、下游采用兩艘駁船頂住鋼圍堰并加固，以限制鋼圍堰漂移范圍，駁船上、下游各設4個重約10t的重力錨進行定位，安排測量人員對鋼套箱進行測量，然后通過地龍纜繩上手拉葫蘆對鋼套箱進行細部微調(diào)就位。就位完成后對鋼套箱隔窗進行加水，一般情況下，每次分艙對稱注水的總量能使鋼圍堰下沉到焊接面距水面約2m。

每個鋼套箱設采用八點吊，設置8個臨時吊耳，吊耳設置在八個隔艙板位置，吊耳與內(nèi)壁進行焊接，同時為加強吊耳處整體穩(wěn)定，隔艙板與內(nèi)壁之間采用兩塊加勁板進行豎焊。套箱節(jié)段吊耳：吊耳設置在內(nèi)壁面板與吊架相交處，本工程鋼套箱吊裝最大重量52t（含吊架），每個節(jié)段設置8個吊耳，鋼絲繩角度60°，則單個吊耳最不利負載為 52×1.2/（3×sin60°）=12t（考慮最不利吊裝 6 點負載和1.2的動載系數(shù)）。吊架平面圖以及吊耳結(jié)構(gòu)圖見圖4、圖 5。

圖4 吊架平面示意圖

圖5 吊耳結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)吊耳選用的計算，吊耳與橋面板的焊縫需承載120kN的拉力。鋼絲繩夾角60°。

則吊耳與橋面板焊縫應力計算：（N 表示吊耳豎向受力，大小為 120×sin60°=103.9kN）=103.9×103/（0.75×15×300×4=7.7N/mm2＜205N/mm2正應力滿足強度要求。（N表示吊耳水平受力，大小為120×cos60°=60kN）=60×103/（0.76×15×300×4）=4.25N/mm2＜120N/mm2剪切應力滿足強度要求。

綜上所述，吊耳強度滿足相關規(guī)范要求。

2.4 鋼圍堰定位下沉

第一節(jié)鋼套箱入水自浮后（見圖6），檢查鋼套箱是否有漏水現(xiàn)象。若有，必須補焊處理，同時檢查整個鋼套箱的平面尺寸和垂直度，以便在拼裝下一節(jié)鋼套箱能及時進行調(diào)整。

圖6 第一節(jié)鋼圍堰入水

底節(jié)鋼套箱就位至設計位置并加水調(diào)整到適當位置后，上面各節(jié)段按照底節(jié)拼裝方式在拼裝平臺依次整體拼裝成環(huán)形，采用400t履帶吊對鋼圍堰分節(jié)段進行接高，見圖7。

圖7 鋼圍堰接高錨固

兩節(jié)鋼圍堰對攏后，工作人員檢查上下兩節(jié)圍堰的接縫是否密貼，各隔艙分隔線是否對齊，岸上的儀器觀測人員通過儀器檢測上下兩節(jié)是否在同一條直線上，檢查無誤后，電焊工開始焊接。焊接結(jié)束后，檢查焊縫的水密性，如有滲漏應及時補焊。

接口內(nèi)、外壁板不吻合的部位進行特殊處理，保證接高后的圍堰不漏水，上下垂直，圓順，滿足尺寸要求。接高節(jié)段時，防止圍堰傾斜，保持鋼套箱的平衡。接高完畢，在接高焊縫的上下各50cm處，用角鋼沿內(nèi)壁板一周焊兩道水平加勁肋，以保證鋼套箱接頭的強度。

鋼圍堰下沉、著床工作盡量安排在水位低、流速小的時間段進行。圍堰精確定位的施工，注水下沉至圍堰距河床面1m處，停止下沉。利用前后定位船控制系統(tǒng)進行第一次精確定位，此時主要調(diào)整圍堰的平面位置。然后圍堰繼續(xù)下沉至河床面0.5m處，進行第二次精確定位。確定圍堰平面位置無誤后，精確測量圍堰刃角下抄墊座位置的深度，潛水工水下預先放置抄墊鋼凳，圍堰下沉著床。若著床以后平面位置或垂直度超過規(guī)范規(guī)定值過大時，進行圍堰艙壁抽水，使圍堰上浮，通過前后定位船控制系統(tǒng)重新定位圍堰平面位置，調(diào)整抄墊高度高度來調(diào)整垂直度。

圍堰的平面位置在著床之前，通過地龍牽引系統(tǒng)精確調(diào)整。通過收緊放松前后定位錨繩完成，例如當圍堰偏下游時，先同時慢慢放松下游尾錨，同時收緊前錨，將圍堰向上游拉，調(diào)整至圍堰中心線上下游偏差在5cm以內(nèi)。在調(diào)整時要注意保持各錨繩的受力均勻。

若圍堰著床后垂直度不滿足要求，則利用圍堰內(nèi)壁抽水，使圍堰上浮，在圍堰周圈預設的抄墊點中，進行水下抄墊。然后再次定位、著床。如此重復，直至圍堰垂直度達到設計要求。

2.5 鋼圍堰混凝土封底

鋼圍堰封底混凝土采用垂直導管法進行多點灌注。為保證混凝土的流動性和延長封底混凝土的初凝時間，采用C30水下不分散混凝土，以滿足施工需要（水下不分散混凝土為普通混凝土參加TW-NA復合型水下不分散混凝土外加劑拌合而成）。封底混凝土采用商品混凝土，混凝土罐車運送到現(xiàn)場，采用汽車泵進行輸送。

2.5.1 導管的布設

根據(jù)鋼圍堰的尺寸和鉆孔樁鋼護筒阻擋情況布置混凝土灌注點，確保水下混凝土能澆筑并流動到每一個角落，從而保證封底效果。灌注點距內(nèi)壁不得小于3m，以防混凝土側(cè)壓力過大而影響鋼套箱的穩(wěn)定，后續(xù)灌注點則按照混凝土流動半徑R=5m及分析灌注過程中的量測數(shù)據(jù)進行現(xiàn)場布置。在鋼套箱頂利用工字鋼搭設施工工作平臺，布置水下砼封底用導管，導管擬布置7個點進行封底，計劃用導管7根，6根固定，1根流動，布設點見圖8。導管儲料斗首批方量為9.0m3，導管懸空20cm。

圖8 導管的布設點

在鋼套箱頂部預先采用I36b工字鋼及5cm厚木板搭設灌注平臺，封底混凝土的澆筑方法同普通水下混凝土的灌注方法，每個灌注點均須進行首盤封底混凝土的灌注施工。封底混凝土灌注施工采用內(nèi)徑300mm導管及2m3容量的料斗，料斗及導管采用75t吊車進行提升。

2.5.2 砼封底流動方向

混凝土封底計劃先兩邊后中間方法進行封底，在鋼套箱內(nèi)上、下游位置先布置2個導管點，開盤后先后首批料封底，接著連續(xù)不斷地進行砼灌注，第7根導管作為流動導管使用。封底砼大部分通過前6根導管來完成，第7根導管等到封底后期使用，當前兩根導管封底有顧及不到的位置，利用第7根導管進行砼的水下灌注。為使水下封底砼有個良好的流動性，砼的坍落度控制在18～20cm，首批料取偏小值砼的砂率宜在45%～48%。砼封底時考慮用砼泵車送料便與導管點之間送料的轉(zhuǎn)換。砼封底的過程中要多點測量，時刻掌握封底砼的流動方向及高程。砼封底高度2.5m，砼封底首批料開始后連續(xù)作業(yè)一氣呵成。砼封底完成后，其頂標高難以做到一致，頂標高控制在+10～-20cm的范圍內(nèi)。混凝土封底澆筑見圖9。

圖9 混凝土封底澆筑

2.5.3 封底混凝土的施工順序

灌注水下混凝土的施工順序應為：先灌注鋼套箱雙壁間混凝土，待其混凝土終凝后，形成固結(jié)整體穩(wěn)定鋼套箱；再灌注鋼套箱內(nèi)的封底混凝土。

水下封底混凝土灌注順序：由于混凝土生產(chǎn)量所限，各導管不可能一次同時砍球灌注，采用分項逐根砍球灌注施工。同時以穩(wěn)固鋼套箱，其灌注順序?qū)ΨQ進行，同時從周邊至中間，以免基底浮漿集中在基礎邊緣。

封底混凝土達到設計強度后采用水泵向雙壁鋼圍堰各分艙內(nèi)注水壓重，以防止河水高水位鋼圍堰出現(xiàn)上浮，雙壁鋼圍堰注水壓重時，應做到均勻、對稱個艙加水。

3 施工關鍵技術及控制要點

3.1 基坑河床整平

為保證圍堰底部的平整和受力均勻，在圍堰下放之前，必須對圍堰刃腳著床區(qū)域現(xiàn)有的坑底進行填滅和整平，具體的填滅方法主要采用潛水員配合整平船采用軌道法進行整平。首先根據(jù)施工區(qū)水下測量數(shù)據(jù)進行軌道定位，潛水員下水對開挖情況及時進行探摸，然后料斗吊裝碎石進行拋填，由潛水員在水下進行配合定位和整理，直至平整度滿足封底砼要求，以便于鋼套箱刃腳圍堰平穩(wěn)著床。

3.2 鋼圍堰壓重、封堵

為確保鋼套箱的穩(wěn)定，需要對套箱進行壓重，沿刃腳在鋼圍堰隔艙內(nèi)澆筑C25混凝土（澆筑高度：1#、2#主墩4m），在鋼圍堰外壁周圍澆筑4m高C25混凝土，后用堆碼砂袋進行護腳，以保證封底混凝土的可靠性，確保圍堰基底穩(wěn)定。

鋼圍堰下沉完畢后，由于鋼圍堰刃腳插板與河床巖面存在縫隙，由潛水員用模袋混凝土封堵鋼圍堰刃腳插板下的縫隙以免封底混凝土流出。鋼圍堰與河床接觸面全環(huán)內(nèi)外均采用模袋混凝土堵塞，使鋼圍堰內(nèi)部密封，縫隙堵塞完成后，在鋼圍堰外壁與基坑之間澆筑2m高的C25混凝土，使混凝土對整個套箱進行包裹，河床面基本無覆蓋層，無須進行吸泥清基。然后安裝鋼護筒，利用工字鋼搭設封底混凝土施工平臺。鋼圍堰封堵設計圖見圖10。

圖10 鋼圍堰封堵大樣

4 結(jié)束語

通過南平西芹大橋雙壁鋼圍堰的成功施工，解決了特殊施工環(huán)境下橋梁基礎施工的難題。

（1）充分利用了上游河道電站階段性發(fā)電放水的間隙的特殊條件，采用岸上定點牽引，通過大型機械陸地吊裝以及地龍纜繩上手拉葫蘆對鋼套箱進行細部微調(diào)就位，從而解決了山區(qū)河流無大型運輸船只進行鋼圍堰定位的難題。

（2）雙壁鋼圍堰對于山區(qū)河流流急流段裸巖地質(zhì)中的適用性比其他的土石草袋圍堰、有底套箱圍堰和鋼板樁圍堰等施工方法有非常明顯的優(yōu)勢，克服了其他施工方法無法施工的困難。

[1]劉校峰.鹿山大橋深水承臺雙壁鋼圍堰施工技術.中鐵大橋局集團一公司.

[2]交通部.JTG/TF50-2011，公路橋涵施工技術規(guī)范[S].北京：人民交通出版社.

[3]建設部.GB50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社.