深水大流速傾斜巖面河床不等高雙壁鋼圍堰綜合施工技術(shù)研究

姜?jiǎng)?chuàng)業(yè)

（中鐵十六局集團(tuán)第四工程有限公司 北京 101400）

1 引言

圍堰是指在水利工程建設(shè)中，防止水土進(jìn)入修建位置而修建的一種臨時(shí)性結(jié)構(gòu)［1-2］。雙壁鋼圍堰是上世紀(jì)70年代修建九江長(zhǎng)江大橋時(shí)采用的一種新型的圍堰形式，其具有結(jié)構(gòu)剛度較大、提供工作空間較大、工序簡(jiǎn)單以及經(jīng)濟(jì)適用等特點(diǎn)，在深水基礎(chǔ)施工中獲得普遍使用［3-6］。但是，由于雙壁鋼圍堰作為橋梁深水基礎(chǔ)施工的一種臨時(shí)性結(jié)構(gòu)，無論是在設(shè)計(jì)方面還是在施工方面均未得到足夠的重視，使得雙壁鋼圍堰施工存在較大的風(fēng)險(xiǎn)，造成了一系列的安全事故［7-9］。

因此，本文針對(duì)性研究石梯巴河特大橋12#、13#主墩基礎(chǔ)雙壁鋼圍堰施工，重點(diǎn)對(duì)深水大流速傾斜巖面河床條件下雙壁鋼圍堰的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安全沉降以及封底混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工進(jìn)行研究。

2 工程背景

2.1 工程簡(jiǎn)介

巴達(dá)鐵路位于四川北部，西起樂巴鐵路終點(diǎn)巴中車站，向東南經(jīng)巴中市巴州區(qū)、平昌縣，經(jīng)過達(dá)州市達(dá)縣、渠縣，接入襄渝線，是廣元至達(dá)州鐵路的東段。石梯巴河特大橋全長(zhǎng)1 462.94 m，從達(dá)縣石梯鎮(zhèn)橫跨巴河，是巴達(dá)線的重點(diǎn)工程。該橋橋址枯水期自然水深達(dá)13 m，河水季節(jié)漲落幅度大，河床為光面砂泥巖，其主橋?yàn)椋?8+80+80+48）m的四跨剛構(gòu)連續(xù)梁，12#、13#、14#主墩基礎(chǔ)位于巴河水中，設(shè)計(jì)采用雙壁鋼圍堰施工。

2.2 工程難點(diǎn)分析

石梯巴河特大橋主墩基礎(chǔ)位于常年流水的巴河深水中，由于環(huán)境條件復(fù)雜，施工中存在以下難點(diǎn)：

（1）主墩墩位處于水深11m、流速4.76 m／s的河流中，河床沖刷厲害，圍堰的尺寸、結(jié)構(gòu)等需特殊設(shè)計(jì)；

（2）墩位承臺(tái)處在河床傾斜面上，承臺(tái)寬度范圍內(nèi)高差達(dá)3 m，不等高雙壁鋼圍堰重心不在平面中心，就位控制較困難；

（3）封底混凝土局部厚度不能滿足封底厚度的安全需要［10］。

2.3 整體方案設(shè)計(jì)

針對(duì)以上工程特點(diǎn)，采用先摸清河床地形，再確定雙壁鋼圍堰各面的尺寸，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；在棧橋上設(shè)置限位架，控制鋼圍堰按照預(yù)定位置準(zhǔn)確下沉、就位；通過在封底混凝土內(nèi)配筋，提高混凝土抵抗水壓的抗彎能力，解決混凝土封底厚度局部不足的問題［11］。

3 雙壁鋼圍堰設(shè)計(jì)

3.1 雙壁鋼圍堰的尺寸確定

石梯巴河特大橋12#、13#墩承臺(tái)設(shè)計(jì)平面尺寸為15.8 m×19.3 m，高4 m，承臺(tái)底面設(shè)計(jì)高程為244.748 m?；A(chǔ)由17根樁徑2 m的樁基礎(chǔ)組成，梅花形布置。河床大部基巖裸露，覆蓋少量砂卵石。

以13#墩為例，測(cè)量人員測(cè)得墩位河床面高程大致在240～244 m區(qū)間。受上游電站發(fā)電放水影響，枯水期巴河常水位標(biāo)高位于250～251 m區(qū)間。根據(jù)承臺(tái)平面尺寸，13#墩鋼圍堰內(nèi)空間凈平面尺寸16.8 m×20.3 m，頂面高程為252 m。先根據(jù)河床標(biāo)高處于241～244 m區(qū)間進(jìn)行不等高鋼圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并先加工上部結(jié)構(gòu)。圍堰底刃腳高程及最下部的雙壁鋼圍堰加工尺寸須根據(jù)河床地形精確測(cè)量、綜合比較后確定［12］。

在棧橋搭設(shè)完畢后，對(duì)圍堰擬就位的平面位置進(jìn)行精確放樣?，F(xiàn)場(chǎng)使用φ25鋼筋加工成測(cè)量棒，用于精確測(cè)量圍堰各邊就位位置處的實(shí)際地形。一般沿圍堰各邊每1 m測(cè)量一次，將數(shù)據(jù)整理后用于確定圍堰最下面一節(jié)面板的加工尺寸，使圍堰就位后盡可能與河床吻合，以減少后期使用砂袋堵缺口的工作量。

3.2 雙壁鋼圍堰的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)大橋施工圖結(jié)構(gòu)布置情況以及墩位處水文地質(zhì)情況，雙壁鋼圍堰的結(jié)構(gòu)方案為：圍堰面板采用壁厚6 mm的鋼板，10工字鋼作為豎肋，∠100×100×8 mm等邊角鋼作為橫肋，∠75×75×6 mm等邊角鋼作為腹桿形成空間框架結(jié)構(gòu)，整個(gè)圍堰分為3節(jié)制作。單節(jié)分為14塊，其中1#塊10件，2#塊4件。塊件間采用δ10 mm厚連接板焊接連接。鋼圍堰平面外尺寸設(shè)計(jì)為18.8 m×22.3 m，圍堰內(nèi)外壁間距為1 m，內(nèi)壁承臺(tái)邊線最小距離為50 cm。結(jié)構(gòu)如圖1～圖3所示。

圖1 雙壁鋼圍堰平面布置

圖2 雙壁鋼圍堰1#塊結(jié)構(gòu)

圖3 雙壁鋼圍堰2#塊結(jié)構(gòu)

3.3 雙壁鋼圍堰的結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

由于13#墩承臺(tái)底標(biāo)高較12#墩低，因此這里以13#墩鋼圍堰結(jié)構(gòu)最不利工況為例進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算。

3.3.1 有限元模型建立

采用Midas-Civil有限元分析軟件對(duì)鋼圍堰進(jìn)行力學(xué)模型建模，豎肋及橫肋按量單元考慮，并進(jìn)行力學(xué)分析。橫豎肋交點(diǎn)按分離式節(jié)點(diǎn)設(shè)置，交叉節(jié)點(diǎn)間采用剛度較大的彈性連接。彈性連接類型考慮兩節(jié)點(diǎn)間相對(duì)位移接近完全約束。不考慮橫肋豎肋間相互傳遞力矩。腹桿按桁架單元考慮，即忽略腹桿桿端焊接對(duì)力矩的傳遞。壁板按板單元考慮。壁板與豎肋間連接視為節(jié)點(diǎn)剛接。邊界條件設(shè)置：圍堰刃腳底面節(jié)點(diǎn)僅約束豎向位移自由度，封底混凝土頂面的圍堰內(nèi)壁板節(jié)點(diǎn)約束水平方向的兩個(gè)位移自由度。由于圍堰結(jié)構(gòu)關(guān)于承臺(tái)縱橫軸線對(duì)稱，故模型可簡(jiǎn)化為實(shí)際結(jié)構(gòu)的1／4進(jìn)行分析即可。對(duì)稱軸位置設(shè)置相應(yīng)軸向位移自由度約束及三軸扭轉(zhuǎn)自由度約束。

驗(yàn)算最不利工況：堰內(nèi)水抽空，堰外水位達(dá)到252 m高程時(shí)圍堰漫頂前最大水壓力作用下圍堰受力工況。電算模型如圖4所示。

3.3.2 計(jì)算結(jié)果分析

（1）橫肋、豎肋-梁?jiǎn)卧獞?yīng)力水平分析

橫肋豎肋最大應(yīng)力為σmax＝162.7 MPa，出現(xiàn)在第二層角支撐的支點(diǎn)位置，如圖5所示。但作為臨時(shí)結(jié)構(gòu)，相對(duì)于永久結(jié)構(gòu)其容許應(yīng)力［σ］可適當(dāng)增大，通常控制在1.3［σ］＝1.3×140＝182 MPa。因此 σmax＝162.7 MPa＜［σ］＝182 MPa。結(jié)構(gòu)安全。

圖4 三維模型

圖5 橫肋、豎肋-梁?jiǎn)卧獞?yīng)力水平示意

（2）腹桿-桁架單元應(yīng)力水平分析

腹桿應(yīng)力最大為σmax＝162.37 MPa，同樣出現(xiàn)在第二層角支撐的支點(diǎn)位置，σmax＜［σ］＝182 MPa，結(jié)構(gòu)安全。應(yīng)力云圖如圖6所示。

（3）面板-板單元應(yīng)力分步情況分析

面板應(yīng)力云圖如圖7所示，顯示最大應(yīng)力僅為σmax＝40 MPa，遠(yuǎn)小于［σ］＝140 MPa，結(jié)構(gòu)滿足受力要求。

圖7 面板-板單元應(yīng)力水平示意

圖6 腹桿-桁架單元應(yīng)力水平示意

（4）圍堰變形分析

圍堰在最不利工況下，最大變形發(fā)生在橫橋向下層支撐與封底砼之間結(jié)構(gòu)對(duì)稱軸附近。最大位移為5.04 mm，變形量較小，滿足施工要求。變形云圖如圖8所示。

根據(jù)上述電算結(jié)果可認(rèn)為當(dāng)水位超過252 m高程，且尚未漫頂之前，結(jié)構(gòu)安全可靠。

圖8 鋼圍堰變形情況示意

4 雙壁鋼圍堰安裝就位技術(shù)

4.1 設(shè)置鋼圍堰就位限位架

限位架的設(shè)置可為鋼圍堰的面板組建提供施工平臺(tái)，可引導(dǎo)鋼圍堰平穩(wěn)、準(zhǔn)確就位，如圖9所示。依托棧橋，對(duì)鋼圍堰就位的平面位置進(jìn)行精確放樣，使用 45工字鋼加工鋼圍堰就位限位架。圍堰靠棧橋側(cè)，限位架設(shè)置1層；無棧橋側(cè)，設(shè)置2層。

4.2 面板拼裝、下沉、就位

鋼圍堰依托施工平臺(tái)、棧橋及限位架進(jìn)行組拼，拼裝前先在施工平臺(tái)、棧橋及限位架上畫出鋼圍堰底層的安裝位置。拼裝時(shí)先將設(shè)計(jì)靠近棧橋的面板組件沿著限位架緩慢放入水中并固定，然后依次沿著限位架拼裝左右兩邊的面板組件，最后拼裝無棧橋及平臺(tái)的那一面的面板組件。接口對(duì)接完整后，先對(duì)浮在水上的那一截進(jìn)行滿焊。露在水上的那截滿焊完畢后，用2臺(tái)70 t的履帶吊將首節(jié)圍堰提出水面，工人對(duì)之前在水里的那部分進(jìn)行滿焊連接，完成第一節(jié)拼接（見圖 10）。

圖9 鋼圍堰就位導(dǎo)向架

圖10 鋼圍堰拼裝

首節(jié)鋼圍堰鎖定后，采用調(diào)整鋼圍堰隔艙內(nèi)的注水量的方式，調(diào)平圍堰，同時(shí)使圍堰下沉到設(shè)計(jì)位置，使其處于待拼次節(jié)圍堰的狀態(tài)。由吊車起吊面板組件與首節(jié)進(jìn)行焊接，拼裝完成后均勻下沉，逐節(jié)拼裝，直至完成。

鋼圍堰著床是鋼圍堰施工中最重要的工序之一，鋼圍堰著床后的位置和傾斜率對(duì)后續(xù)鋼圍堰的下沉質(zhì)量有著重要的影響。為了保證鋼圍堰下沉質(zhì)量，使其沿著限位架均勻下沉，現(xiàn)場(chǎng)通過調(diào)整鋼圍堰隔艙內(nèi)的灌水量，通過導(dǎo)鏈牽引，將圍堰調(diào)整到預(yù)定位置，最后均勻加水，使其勻速下沉。

5 雙壁鋼圍堰混凝土封底技術(shù)

5.1 鋼圍堰封底存在的問題

鋼圍堰下沉確認(rèn)合格后，即可進(jìn)行清基工作。清基到位后，放置鋼護(hù)筒，鋼護(hù)筒放好后則可進(jìn)行水下混凝土封底。初測(cè)時(shí)，河床標(biāo)高僅比承臺(tái)底標(biāo)高低0.5 m，經(jīng)過清基后，最高河床標(biāo)高比承臺(tái)低0.79 m，即按此標(biāo)高進(jìn)行封底，封底混凝土最薄處的厚度僅0.79 m，不能滿足封底混凝土的厚度要求（見表1）。

表1 實(shí)測(cè)河床底標(biāo)高及封底混凝土厚度m

5.2 雙壁鋼圍堰封底薄弱區(qū)域結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案

通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，封底混凝土平均厚度為2.24 m，整體滿足安全需要。但 1#、4#、8#、11#、15#、18#、19#、20#等測(cè)點(diǎn)封底混凝土厚度不足，圍堰抽水后易被水壓擠裂，導(dǎo)致封底失敗。

為消除安全隱患，工程中按照樁基約束模型，受樁基鋼護(hù)筒對(duì)封底混凝土的約束力影響，樁基數(shù)量越多，抗浮能力越強(qiáng)。取左邊第一排兩根樁以內(nèi)范圍進(jìn)行分析（如圖11加粗部分），順線路長(zhǎng)度3.2 m，橫向?qū)挾?0.3 m，封底厚度取實(shí)測(cè)最小值0.79 m，約束樁為2根。

圖11 樁基布置示意

通過對(duì)薄弱區(qū)域樁基約束力、抗浮力及配筋面積計(jì)算，布置27根間距60 cm的 18工字鋼，深入超厚的封底混凝土區(qū)域，使薄弱區(qū)與超厚區(qū)域的封底混凝土共同受力（見圖12）。同時(shí)在工字鋼下面布置30 cm×30 cm的φ25鋼筋網(wǎng)片，使薄弱區(qū)域的封底混凝土受力均勻。

5.3 雙壁鋼圍堰封底混凝土施工技術(shù)

在澆筑封底混凝土前，先利用鋼護(hù)筒導(dǎo)向裝置，安裝鉆孔樁鋼護(hù)筒。為防止在傾斜河床巖面上灌注封底混凝土?xí)r鋼護(hù)筒被擠偏，提前向鋼護(hù)筒內(nèi)填筑鉆孔造漿黏土，高度以2～3 m為宜。同時(shí)檢查鋼圍堰刃腳著床情況，用砂袋堵住空隙。

圖12 薄弱區(qū)域配筋布置

采用泵送導(dǎo)管進(jìn)行封底混凝土澆筑?，F(xiàn)場(chǎng)采用6套導(dǎo)管，從深處向淺處，由河流下游向上游灌注混凝土。

在水下混凝土澆筑過程中，應(yīng)及時(shí)檢測(cè)混凝土標(biāo)高，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員應(yīng)根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，調(diào)整混凝土澆筑速度，使得混凝土均勻上升，避免因?qū)Ч苈裰幂^淺而導(dǎo)致導(dǎo)管懸空。澆筑結(jié)束時(shí)，整理混凝土表面平整度。在實(shí)際施工過程中應(yīng)準(zhǔn)備多套導(dǎo)管提升裝置，防止混凝土堵管。同時(shí)封底混凝土應(yīng)采用分層澆筑，在澆筑最下面兩層時(shí)，每層澆筑高度不宜超過1 m，頂面1.5～2 m一次灌注到位。

現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)員須做好測(cè)量工作，包括灌注標(biāo)高、圍堰和棧橋位移等。圍堰和棧橋位移觀測(cè)采用測(cè)線直觀觀測(cè)和布點(diǎn)全站儀觀測(cè)進(jìn)行雙控。在棧橋及工作平臺(tái)上，即臨鋼圍堰的3個(gè)側(cè)面方向，各布置4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，同時(shí)在鋼圍堰上相同位置對(duì)應(yīng)布置12個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，使用全站儀觀測(cè)，量測(cè)位移大小與其對(duì)應(yīng)的工程措施如表2所示。

表2 圍堰位移大小與其對(duì)應(yīng)工程措施

封底混凝土完成后，搭設(shè)樁基鉆孔平臺(tái)，待混凝土完成7 d，即可進(jìn)行正常鉆孔樁施工。

6 結(jié)束語(yǔ)

在石梯巴河特大橋水中墩基礎(chǔ)施工中，采用不等高雙壁鋼圍堰技術(shù)，解決了深水大流速傾斜巖面基礎(chǔ)施工的難題，同時(shí)為保證圍堰封底安全，采用樁基約束模型，加強(qiáng)了封底混凝土薄弱區(qū)域?，F(xiàn)該橋墩承臺(tái)已施工完成，施工質(zhì)量?jī)?yōu)良，證明了有關(guān)技術(shù)的安全可靠性，主要取得的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益如下：

（1）石梯巴河特大橋施工中，鋼圍堰采用不等高設(shè)計(jì)，節(jié)約鋼材約40 t，節(jié)約投資約32萬(wàn)元。

（2）以樁基約束模型為理論依據(jù)，加強(qiáng)封底混凝土薄弱區(qū)域，與傳統(tǒng)水下爆破方案相比，可減少挖機(jī)、鉆孔船等大量設(shè)備的投入，避免了清底工作，縮短了工期，降低了造價(jià)。

（3）采用該技術(shù)施工，施工質(zhì)量?jī)?yōu)良，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，加快了施工進(jìn)度，確保了業(yè)主節(jié)點(diǎn)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，受到了建設(shè)、監(jiān)理單位的充分肯定，取得了良好的社會(huì)效益。