潮汐條件下雙壁鋼圍堰施工技術(shù)研究

白華偉

(江蘇燕寧工程科技集團，南京 210013)

據(jù)不完全統(tǒng)計，自雙壁鋼圍堰技術(shù)在九江長江大橋施工中首次應(yīng)用以來，我國境內(nèi)成功運用該技術(shù)進行建造的橋梁已達30余座。目前，鋼圍堰的形式已不僅僅局限于圓形，如武漢軍山長江大橋采用的異型雙壁鋼圍堰、矩形雙壁鋼圍堰和杭州下沙大橋的尖端型雙壁鋼圍堰均取得了成功。雙壁鋼圍堰技術(shù)的運用領(lǐng)域廣泛，不僅可用于橋梁基礎(chǔ)的修建，也可創(chuàng)新性地應(yīng)用于其他領(lǐng)域，如虎門大橋輔航道橋為避免船舶碰撞大橋主墩，在主墩上下游分別設(shè)置雙壁鋼圍堰和鋼筋混凝土圈體的結(jié)合體作為主墩防撞設(shè)施。國際上通用的雙壁鋼圍堰通常有兩種類型：一是我們國內(nèi)普遍采用的即上文所述的鋼板圍堰；二是鋼板樁雙壁鋼圍堰，即將打入水中平行的兩列鋼板樁進行橫向及縱向連接和鎖定，并在兩層之間的間隙填入砂石或其他材料的方法。

雙壁鋼圍堰著床過程中，墩位處河床因受到?jīng)_刷作用而呈現(xiàn)較大的高差時，多采用拋填片石的方式進行防護。由于樂清灣港區(qū)甌江特大橋在潮汐條件下施工，河流水位變化大，流速快，鋼圍堰入土深，施工條件復(fù)雜，因此，有必要針對本次鋼圍堰施工特點，對潮汐條件下雙壁鋼圍堰施工技術(shù)進行研究。

1 工程概況

浙江省樂清灣港區(qū)鐵路支線工程甌江特大橋位于溫州市鹿城區(qū)仰義街道與永嘉縣橋下鎮(zhèn)交界處，主跨為300 m的雙塔雙索面混凝土斜拉橋，主橋橋跨布置為52 m+90 m+300 m+90 m+52 m，橋梁全長1 193.72 m，設(shè)17#墩和18#墩兩個主塔墩。17#墩承臺為矩形承臺，承臺平面尺寸均為21.6 m×21.6 m，厚度為6 m，承臺底標(biāo)高為-14.157 m，其下布置16根φ2.8 m鉆孔樁。17#墩基礎(chǔ)采用先平臺后圍堰的方法施工，鋼圍堰作為主塔墩基礎(chǔ)施工的擋水結(jié)構(gòu)，設(shè)計為圓形雙壁結(jié)構(gòu)。17#墩圍堰底標(biāo)高為-19.657 m，頂標(biāo)高為+5.643 m，壁艙內(nèi)填充8.5 m高C30水下混凝土，封底厚度為4.5 m，其立面布置如圖1所示。

圖1 鋼圍堰立面布置(單位：m)

2 地質(zhì)水文概況

甌江特大橋設(shè)計水流速度為2.07 m/s，十年一遇最高水位+5.13 m，潮汐性質(zhì)為規(guī)則半日潮，一般漲潮最高水位為+4.5 m，落潮最低水位為-1.5 m。17#墩圍堰范圍內(nèi)的地質(zhì)情況為：-7.78～-8.3 m為江底浮砂；-8.3～-24.48 m為淤泥層；墩位處河床標(biāo)高-7.3 m。

3 施工方案

3.1 雙壁鋼圍堰施工方案的確定

根據(jù)現(xiàn)場施工條件，鋼圍堰每節(jié)分為16個單元塊，分別在鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)車間的場地內(nèi)胎膜上進行加工制造，然后運輸至施工現(xiàn)場。到達現(xiàn)場后，將其在改造好的拼裝平臺上進行底節(jié)拼裝，通過吊掛系統(tǒng)將底節(jié)圍堰下沉到位，接高中、頂節(jié)圍堰后，通過壁倉內(nèi)灌水、灌注混凝土和吸泥等方法將圍堰下沉到指定位置[1-5]。

3.2 鋼圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算

3.2.1 鋼圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計

17#墩鋼圍堰外徑φ33.9 m，內(nèi)徑φ31.5 m，壁厚為1.2 m，總高度為25.3 m。圍堰側(cè)板豎向分為底、中、頂三節(jié)，每節(jié)均分為16個單元塊進行加工制作，其中，底節(jié)和中節(jié)的高度分別為13 m、9.8 m，頂節(jié)為單壁結(jié)構(gòu)，高2.5 m，總重為639.2 t。圍堰由雙壁側(cè)板、導(dǎo)向裝置、下放吊掛系統(tǒng)、封底混凝土和壁艙混凝土組成，其平面布置如圖2所示。圍堰面板均采用6 mm厚鋼板，豎向加勁肋采用∠75×50×6角鋼，角鋼布置間距為295 mm；隔艙板由14 mm厚鋼板加工制造而成，單側(cè)采用∠100×8角鋼加勁；水平環(huán)板為250×14 mm、250×16+150×16 mm、250×20+150×20 mm等三種鋼板，布置間距分別為1.0 m、1.2 m、1.5 m；水平環(huán)內(nèi)支撐為∠63×6、∠75×8等兩種角鋼；導(dǎo)向裝置由40 a、20 a槽鋼以及10～16 mm鐵板組成；吊掛系統(tǒng)由1 200 mm×7 500 mm的箱型梁、千斤頂、φ32精軋螺紋、鋼墊塊、I36工字鋼以及10～30 mm鐵板組成。

3.2.2 鋼圍堰結(jié)構(gòu)計算

(1) 荷載組合

根據(jù)施工過程，考慮①圍堰自重；②刃腳混凝土自重(高1.5 m)；③壁倉內(nèi)混凝土自重(高7 m)；④壁倉內(nèi)水自重(高8 m)；⑤封底混凝土自重；⑥浮力；⑦靜土壓力；⑧靜水壓力；⑨流水壓力；⑩護筒與封底混凝土的黏結(jié)力，得到荷載組合及計算工況如表1所示。

圖2 鋼圍堰平面布置(單位：mm)

施工程序計算內(nèi)容荷載組合圍堰接高完成吃水深度和側(cè)板受力驗算①+⑧+⑨圍堰著床、下沉圍堰下沉系數(shù)計算①+②+⑥+⑧+⑨圍堰封底、抽水抽水后側(cè)板驗算圍堰抗浮驗算封底混凝土強度驗算①～⑩

(2) 圍堰結(jié)構(gòu)計算

工況1：圍堰底節(jié)與中節(jié)接高完成后；

工況2：圍堰下沉到位封底抽水后，圍堰外側(cè)處于最高水位+5.13 m，壁倉內(nèi)水的高度為8 m，壁倉內(nèi)混凝土澆筑高度為8.5 m。

① 工況1計算

底節(jié)與中節(jié)圍堰重約 604 t，刃腳部位混凝土澆筑高度 1.5 m(倒角以上 0.3 m)，重約255 t，圍堰刃腳部位的體積約74 m3，圍堰內(nèi)外壁板范圍面積約123.2 m2，假定底節(jié)(包含刃腳部位混凝土重量)與中節(jié)圍堰拼裝完成后，圍堰吃水深為h，根據(jù)公式ρgV=G可知，1.0×10×[74+(h-1.2)×123.2]=8 590，求得h=7.5 m，此狀態(tài)下圍堰內(nèi)外壁板所受荷載如圖3所示。

采用Midas/civil進行計算，內(nèi)外壁板及環(huán)向加勁板采用板單元模擬，壁板之間對撐角鋼采用梁單元模擬，該工況計算時圍堰刃角底部采用豎向約束，內(nèi)導(dǎo)向部位采用平面內(nèi)約束。根據(jù)計算結(jié)果，各構(gòu)件內(nèi)力均滿足要求。

圖3 工況1圍堰荷載示意

② 工況2計算

圍堰封底抽水完成后，其頂標(biāo)高為+5.643 m，底標(biāo)高為-19.657 m，圍堰壁艙內(nèi)混凝土高8.5 m，壁艙內(nèi)水的高度為8.0 m，外側(cè)板最高水位為+5.13 m，此狀態(tài)下，圍堰受力情況如圖4所示。

計算采用通用軟件Midas/civil，內(nèi)外壁板及環(huán)向加勁板采用板單元模擬，壁板之間對撐角鋼采用梁單元模擬，該工況計算時，圍堰封底高度范圍采用固結(jié)約束，根據(jù)計算結(jié)果，各構(gòu)件內(nèi)力均滿足要求。

(3) 封底混凝土計算

圍堰下沉到位封底后，其底標(biāo)高為-19.657 m，頂標(biāo)高為+5.643 m，封底混凝土厚度為4.5 m，雙壁間填充壁艙內(nèi)混凝土高為8.5 m(含刃腳)，雙壁間灌水高度為8.0 m。在此基礎(chǔ)上，對圍堰整體抗浮及抗沉進行計算，并對封底混凝土強度進行驗算。

① 封底厚度確定

不同施工水位下，圍堰封底厚度的計算參數(shù)如表2所示。

圖4 工況2圍堰荷載示意

參數(shù)參數(shù)值參數(shù)參數(shù)值護筒外徑D/m3.10承臺樁數(shù)n/根16.00承臺底高程h1/m-14.16施工高水位h2/m5.13施工低水位h3/m-1.50封底厚度h4/m4.50封底混凝土底高程h5=h1-h4/m-18.66側(cè)板內(nèi)混凝土高度h6/m8.50側(cè)板內(nèi)充水高度h7/m8.00圍堰外輪廓底面積A0=πd2/4(m2)d=33.9m902.13護筒面積A1=n×πD2/4(m2)120.70圍堰底面積(m2)(去孔后)A2=A0-A1781.43雙壁面積A3/m3123.20高水位浮力F1(t)=r(h2-h5)×A218 587.83低水位浮力F2(t)=r(h3-h5)×A213 406.96圍堰自重G1/t663.0封底混凝土自重G2(t)=2.3×(A2-A3)×h468 121.66側(cè)板內(nèi)混凝土自重G32 238.50側(cè)板內(nèi)充水自重G4(t)=1×A3×h7985.60護筒與封底混凝土黏結(jié)力τ/(t·m-2)15.00黏結(jié)力T(t)=nπD×h4×τ10 512.72抗浮力G(t)=G1+G2+G3+G4+T21 207.48抗浮系數(shù)k=G/F11.141/2承臺重G53 639.17下沉力G'=G1+G2+G3+G4+G514 333.93抗沉力F'=T+F223 919.68承臺二次澆筑 抗沉系數(shù)k'=F'/G'1.67承臺一次澆筑 抗沉系數(shù)k'=F'/G'+G51.33

② 封底混凝土強度計算

利用Midas/civil建立封底混凝土實體單元模型，分別對封底混凝土在高、低水位情況下的主拉應(yīng)力及護筒間的黏結(jié)力進行計算，根據(jù)計算結(jié)果，以上參數(shù)均滿足要求。

3.3 鋼圍堰總體施工工藝流程

鉆孔樁施工完成后，拆除圍堰區(qū)域鉆孔平臺，組合圍堰拼裝平臺。接高四個角上的鋼護筒，在護筒上按照設(shè)計位置安裝圍堰吊掛系統(tǒng)。在拼裝平臺上完成底節(jié)圍堰拼裝后，安裝下導(dǎo)向，利用吊掛系統(tǒng)提升底節(jié)脫離拼裝平臺，拆除圍堰范圍內(nèi)的平臺，圍堰下放入水。自浮穩(wěn)定后，灌注1.5 m高的刃腳混凝土。對稱散拼接高中節(jié)和頂節(jié)圍堰，并安裝上導(dǎo)向裝置，在調(diào)整好平面位置及垂直度后輔以圍堰壁倉內(nèi)灌注混凝土、注水、吸泥等方式使圍堰下沉至設(shè)計標(biāo)高。拋填片石后，利用鋼護筒搭建封底平臺，采用垂直導(dǎo)管法進行封底施工，封底混凝土達到設(shè)計強度后，抽水，割除多余護筒，鑿樁頭，進行承臺、塔座施工。具體工藝流程如圖5所示。

圖5 鋼圍堰總體施工工藝流程

3.3.1 鋼圍堰拼裝、接高

圍堰拼裝前，將鉆孔平臺改造成圍堰拼裝平臺。接高四角鋼護筒作為起吊圍堰的支撐，底節(jié)圍堰單元塊采用130 t履帶吊和200 t浮吊起吊，逐塊拼裝焊接，在平臺上利用三角架和撐桿固定，底節(jié)圍堰利用8臺100 t千斤頂和精軋螺紋起吊，脫離平臺后，拆除平臺，在高潮時下放入水自浮， 中節(jié)圍堰對稱逐塊散拼焊接成整體。中節(jié)拼裝完成并驗收后，先向壁倉內(nèi)注水，待圍堰入土穩(wěn)定，不再漂浮時，再向壁倉內(nèi)灌注混凝土。所有圍堰拼裝完成后，需先后對焊縫進行外觀、煤油滲透及無損探傷檢測。

3.3.2 鋼圍堰吸泥下沉

圍堰壁倉灌注混凝土后，開始進行吸泥下沉作業(yè)[6]。采用兩套吸泥管，4臺20 m3/min空壓機，兩臺吊機配合；理論吸泥方量為8 820 m3，考慮1.5系數(shù)，擬定吸泥方量為13 230 m3，吸泥過程中應(yīng)遵循“分層、均勻、對稱”的原則，每層吸泥厚度≤50 cm；吸泥時，應(yīng)保證泥面標(biāo)高不低于圍堰底標(biāo)高，并時時關(guān)注外側(cè)河床沖刷情況，當(dāng)其變化量過大時，需要填筑碎石，防止因圍堰入土不均勻引起傾斜或突沉。

本項目自2016年9月6日夜間開始吸泥作業(yè)，至3天后吸泥結(jié)束，整個過程中，圍堰頂面高差最大達 79 cm。造成圍堰出現(xiàn)不均勻下沉的主要原因為潮汐對河床的沖刷大，圍堰外側(cè)上游及下游側(cè)河床標(biāo)高不斷變化，高潮與低潮之間的差值大多在1～1.5 m之間; 潮汐條件下水位變化大,最大漲落潮差達 6 m，圍堰所受的浮力隨著水位的變化而變化，下沉系數(shù)也隨之變化 。針對潮汐對河床沖刷大的情況，采取了短時間內(nèi)增加圍堰埋深的對策，較好地降低了沖刷的影響。具體操作方法為：沿著圍堰內(nèi)壁分層均勻吸泥，減少側(cè)摩阻力，使圍堰快速下沉，圍堰埋深足夠且穩(wěn)定后，中間區(qū)域吸泥找平，然后重復(fù)上述方法使圍堰下沉到位。針對潮汐條件下水位變化大的情況，采取了加強吸泥控制的對策，使圍堰埋深均勻，保證了其在低水位時平穩(wěn)下沉。具體操作方法為：嚴格按照正式指令吸泥，嚴禁隨意更改，同時做好實際測量和記錄，加強低潮期的測量檢測力度。

吸泥方案調(diào)整后，采用兩套吸泥管沿圍堰內(nèi)壁刃角附近4 m范圍內(nèi)分層對稱吸泥，使圍堰緩慢下沉。其中一套吸泥管從下游側(cè)2#點沿順時針方向進行吸泥，另一套吸泥管從上游側(cè)6#點沿逆時針方向進行吸泥，吸泥點布置如圖6所示。

圖6 圍堰吸泥點布置

吸泥過程中，應(yīng)根據(jù)測量的數(shù)據(jù)值，嚴格按照吸泥指令進行作業(yè)。當(dāng)圍堰埋深增加至6 m左右時，將圍堰中心區(qū)域泥面補吸至與刃角附近相同標(biāo)高，按同樣的方法使圍堰下沉到位。方案調(diào)整前后圍堰下沉監(jiān)測記錄如表3所示。

(續(xù)表)

由表3可知，采用新的吸泥方案后，圍堰頂面高差逐漸縮小。待圍堰下沉到位，及時將上導(dǎo)向與護筒焊接固定，可防止圍堰突沉。2016年9月10日至9月29日，圍堰累計下沉約9.78 m，按照預(yù)期時間完成了吸泥任務(wù)，圍堰頂面標(biāo)高在允許偏差范圍內(nèi)，工期及質(zhì)量均得到了保證。

4 結(jié)語

浙江樂清灣港區(qū)甌江特大橋17#主墩位于甌江流域，潮汐條件下水位變化大，漲落潮差達6 m；流速快，達2 m/s以上；鋼圍堰入土深，底部在河床以下10.3 m，下沉阻力大，施工條件復(fù)雜。為確保圍堰結(jié)構(gòu)及封底混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計具有足夠的安全性，本工程鋼圍堰采用受力情況更為合理的圓形雙壁鋼圍堰。

鋼圍堰下沉初期，圍堰頂面高差達79 cm，造成圍堰出現(xiàn)不均勻下沉的原因主要在于潮汐條件下河床標(biāo)高在不斷變化，其高潮位與低潮位之間的差值為1～1.5 m。通過圍堰內(nèi)壁吸泥作業(yè)，在短時間內(nèi)增加圍堰的埋深，當(dāng)圍堰埋深達到6 m時,對圍堰中心區(qū)域補吸至與刃角位置相同標(biāo)高，該方法使圍堰頂面的高差逐漸縮小至2 cm。

綜上所述，可知潮汐條件下鋼圍堰施工時，應(yīng)加強對河床沖刷的監(jiān)測，吸泥下沉初期應(yīng)盡量增加圍堰刃角的埋深，以確保圍堰結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，避免圍堰發(fā)生偏斜。