水中雙壁鋼圍堰設(shè)計(jì)與施工技術(shù)研究

張志勇

摘要：本文通過對(duì)上橫瀝大橋深水低樁承臺(tái)雙壁鋼圍堰的設(shè)計(jì)、制作、下沉、吸泥、封底施工工藝的介紹，總結(jié)了深水條件下雙壁鋼圍堰設(shè)計(jì)及施工的技術(shù)要點(diǎn)，對(duì)于采用雙壁鋼圍堰施工深水承臺(tái)基礎(chǔ)的類似工程具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：水中;雙壁鋼圍堰;設(shè)計(jì);施工技術(shù)

1.工程概況及水文地質(zhì)條件

1.1工程概況

該項(xiàng)目-上橫瀝大橋工程起于橫瀝島，跨越規(guī)劃六路、上橫瀝水道和濱河路，止于大崗鎮(zhèn)新聯(lián)二村，大橋全長965m。主橋采用（57.5+100+57.5）變截面連續(xù)剛構(gòu)，分左右幅。 9#-12#墩為水中墩，承臺(tái)為低樁承臺(tái)。其中10#、11#承臺(tái)為尺寸14x9.5x3.5m的平面矩形承臺(tái)。

1.2水文地質(zhì)條件

橋梁工程所跨上橫瀝水道屬于北江網(wǎng)河區(qū)東片，是北江網(wǎng)河主干流以東至獅子洋水道之間的部分。橋址位于廣州市南沙區(qū)大崗鎮(zhèn)，為珠江三角洲沖、洪積平原地帶，場地地下水主要賦存和運(yùn)移于海陸交互相沉積的粉細(xì)砂、中粗砂層、圓礫中，透水性較好。

上層滯水主要賦存于素填土中，補(bǔ)給來源主要靠大氣降水。潛水主要賦存于砂層中（包括粉細(xì)砂、中粗砂、圓礫），是本場地的主要含水層，補(bǔ)給來源主要靠大氣降水及上橫瀝水道、周邊魚塘水，補(bǔ)給量受季節(jié)和潮汐作用的影響明顯，具一日兩漲兩落，潮時(shí)超差不等的特點(diǎn)。

2 雙壁鋼圍堰設(shè)計(jì)與制作

2.1鋼圍堰的設(shè)計(jì)

上橫瀝大橋10#、11#墩承臺(tái)設(shè)計(jì)為尺寸14x9.5x3.5m的平面矩形承臺(tái)，

承臺(tái)封底標(biāo)高分別為-8.155和-8.282m，常水位+5.380m，高潮水位為+8.0m。圍堰平面外圍尺寸為36.2×14.3m，隔艙寬1.2m，為平面矩形倒圓角結(jié)構(gòu)，倒圓角弧長均為2.2m，圍堰壁厚12mm。10#、11#雙壁鋼圍堰高度為21.2m，圍堰從下往上分底節(jié)、中節(jié)、頂節(jié)三個(gè)節(jié)段安裝，其中底節(jié)段高7.9m（底部刃角高1.5m），中節(jié)段高為6.4m，頂節(jié)段高為6.9m（其中2.2m為單壁段），圍堰內(nèi)設(shè)φ820*10mm、φ630*8mm鋼管內(nèi)支撐。

采用MIDAS2015建立整體模型，壁板、隔倉板、水平環(huán)板均采用板單元模擬，豎肋用梁單元模擬，水平桁架采用桁架單元模擬，內(nèi)支撐采用梁單元模擬計(jì)算。

2.1.1施工條件

圍堰下沉到位，封底砼澆筑完成，圍堰內(nèi)抽干水，計(jì)算高潮水位為+8.0m，低潮水位為+4.5m。

2.1.2荷載

a.自重;

b.靜水壓力：最大水頭差計(jì);

c.主動(dòng)土壓力：圍堰進(jìn)入土層為淤泥質(zhì)土層;

γ=17kN/m3，φ=10°，粘聚力C=8KN/m2;

按主動(dòng)土壓加載，計(jì)算得： Ka=tan2（45°-φ/2）=0.704;

考慮土的浮重度， p中=γ浮·Ka·h-2C√ka=4.93h-13.43kN/m2

d.水對(duì)圍堰砼底板的上浮力：

e.動(dòng)水壓力：水流速度按最大設(shè)計(jì)值計(jì)，則為1.59m/s。

FW=CWρ/2V2A

式中：FW—水流力標(biāo)準(zhǔn)值（KN）;V-水流設(shè)計(jì)流速（m/s）;CW—水流阻力系數(shù);ρ—水的密度（t/m3），淡水1.0，海水1.025;A—計(jì)算構(gòu)件與流向垂直平面上的投影面積（m2）。查得CW=1.48。

2.1.3模型、荷載及支承條件

分四種工況計(jì)算，模型安全系數(shù)K=1.2 。

工況1：封底砼澆筑完成，圍堰內(nèi)抽干水后拆除底支撐圍堰整體受力計(jì)算;

工況2：承臺(tái)施工完成，墩身施工2米注水，拆除部分第二道內(nèi)支撐圍堰整體受力計(jì)算;

工況3：墩身施工5.8m后，圍堰內(nèi)部分注水，拆除部分第三道內(nèi)支撐圍堰整體受力計(jì)算;

工況4：墩身施工11m后， 圍堰內(nèi)部分注水，拆除部分第四道內(nèi)支撐圍堰整體受力計(jì)算。

2.2圍堰加工制作

根據(jù)運(yùn)輸設(shè)備、起重設(shè)備的能力及施工用地，鋼圍堰采取在鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)區(qū)內(nèi)分節(jié)分塊加工制作，在墩位原位拼裝。將每塊按設(shè)計(jì)圖紙放樣、下料制作，然后將制作好的鋼圍堰分塊存放。圍堰加工質(zhì)量應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙要求及有關(guān)鋼結(jié)構(gòu)加工規(guī)范要求驗(yàn)收。

3 圍堰拼裝及下沉

3.1拼裝及懸吊系統(tǒng)

拼裝：拼裝平臺(tái)由樁基施工平臺(tái)改造，在拼裝位置安裝墊木及圍堰定位臺(tái)架、微調(diào)千斤頂?shù)?。圍堰定位臺(tái)架用[20b制作，多組連在一起，焊接固定在鋼護(hù)筒和鉆孔平臺(tái)上。拼裝順序依次逐塊進(jìn)行，遵循前后左右對(duì)稱原則。操作時(shí)要隨拼裝隨調(diào)整，待全部點(diǎn)焊成型后方可全面施焊。

懸吊系統(tǒng)的搭設(shè)：懸吊系統(tǒng)由貝雷梁、鋼梁、千斤頂，精軋螺紋鋼組成。將原有的樁基護(hù)筒接高，放置鋼墊梁，再安裝貝雷梁（L=12m），貝雷梁兩端架設(shè)千斤頂，再利用精軋螺紋鋼進(jìn)行鋼圍堰的下放。

鋼圍堰下放總共設(shè)8處吊點(diǎn)，每處2根精軋螺紋鋼，共16根。采用100t千斤頂，精軋螺紋鋼長度為40m，下放平臺(tái)上每臺(tái)千斤頂設(shè)置一套精軋螺紋鋼導(dǎo)向架。底節(jié)段拼裝好后，安裝下放吊點(diǎn)、下放限位滑塊及滑槽[1]。

3.2底節(jié)鋼圍堰的下放

底節(jié)鋼圍堰拼裝完畢，起吊上升10cm后靜止30分鐘，檢查下放結(jié)構(gòu)變形及可靠性。當(dāng)下放結(jié)構(gòu)穩(wěn)定良好時(shí)，拆除圍堰拼裝平臺(tái)及剩下部分鉆孔平臺(tái)，下放底節(jié)圍堰至自浮狀態(tài)。

鋼圍堰的下放要有專人統(tǒng)一指揮。下放前在精軋螺紋鋼上做好刻度標(biāo)記，并確認(rèn)每根精軋螺紋鋼及墊板與吊點(diǎn)及掛梁密貼。圍堰每下放1m時(shí)，應(yīng)進(jìn)行監(jiān)控測量，當(dāng)圍堰下放平面高差超過5cm時(shí)，及時(shí)進(jìn)行調(diào)平。

鋼圍堰下放開始入水后，吊點(diǎn)的受力逐漸變小，直到鋼圍堰不再下沉達(dá)到自浮平衡，停止下放。然后對(duì)稱、分層灌注刃腳的砼。鋼圍堰自浮平衡盡可能選擇在高水位進(jìn)行，避免受潮汐影響，吊桿承受壓力，對(duì)吊桿造成不利影響。圍堰下放流程見下圖。

3.3接高與下沉

中節(jié)鋼圍堰試拼后做好標(biāo)記分塊吊運(yùn)至拼裝平臺(tái)上，在底節(jié)上對(duì)應(yīng)焊接拼裝中節(jié)段。接高時(shí)，應(yīng)對(duì)稱接高，以保持雙壁鋼圍堰的平衡。隨后完成接高部分的內(nèi)支撐、所有焊縫進(jìn)行煤油檢驗(yàn)后再下沉。在下沉前測設(shè)墩中心線，沿圍堰周邊復(fù)測河床面標(biāo)高，核對(duì)刃腳的高度與實(shí)際情況。

復(fù)核無誤后接著拼裝頂節(jié)段，同時(shí)對(duì)圍堰進(jìn)行注水壓重下沉，當(dāng)圍堰底部離河床面0.5m左右時(shí)，停止加水，開始糾偏，當(dāng)位置準(zhǔn)確，迅速加水著床。著床后由于圍堰自重不足以抵抗深水浮力，需繼續(xù)向內(nèi)隔倉澆筑砼，利用自重將圍堰下放至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

3.4圍堰內(nèi)吸泥、砂礫換填

鋼圍堰在河床的覆蓋層內(nèi)采取往隔艙內(nèi)加水，圍堰內(nèi)吸泥的方法下沉。吸泥機(jī)及水槍布置在圍堰中心附近，吸泥下沉應(yīng)按“先中間后兩邊、先高處后低處”的原則進(jìn)行。圍堰著床后，先用高壓水槍配合吸泥機(jī)調(diào)整圍堰內(nèi)河床，再進(jìn)行全斷面水沖法吸泥下沉。

吸泥完成后，必須全面進(jìn)行圍堰內(nèi)基底驗(yàn)收，嚴(yán)格控制高程，以確保封底砼厚度滿足設(shè)計(jì)要求。

3.5鋼圍堰封底砼施工

圍堰封底砼采用垂直導(dǎo)管法一次澆筑完成。在圍堰頂面設(shè)置漏斗，通過汽車泵輸送水下封底砼至漏斗，漏斗連接垂直導(dǎo)管，封底砼灌注順序：采用分區(qū)逐根拔球灌注施工，同時(shí)從一方向另一方推進(jìn)，用以穩(wěn)固圍堰，預(yù)防滑移。

灌注過程中要控制好封底標(biāo)高、勤量測。待封底砼達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，方可組織圍堰內(nèi)抽水。在抽水過程中，密切觀測圍堰變形以及止水情況。有漏水點(diǎn)需采取相應(yīng)堵漏措施，堵漏完成后，方可繼續(xù)抽水，直至露出封底砼表面。接著對(duì)封底砼標(biāo)高全面測量，隨后可進(jìn)入下一道工序承臺(tái)施工[2]。

4 圍堰施工中注意事項(xiàng)

圍堰的材料：鋼材、焊條、焊絲等材料均應(yīng)符合設(shè)計(jì)文件和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求并附有出廠合格證。對(duì)焊縫處應(yīng)涂煤油作水密檢查，合格后方可使用。

圍堰的監(jiān)測：拼裝完成后，對(duì)圍堰的定位、垂直度及變形等要進(jìn)行必要的觀測，在圍堰單元布設(shè)控制點(diǎn)，焊接定位鋼板，推算圍堰在主墩理論位置時(shí)各平面觀測點(diǎn)的坐標(biāo)（X、Y、Z），通過各觀測點(diǎn)高程坐標(biāo)Z監(jiān)測圍堰的垂直度。

圍堰拆除：在承臺(tái)頂標(biāo)高以上的部分可以進(jìn)行拆除。拆除主要采用潛水員水下大塊切割的方式，切割順序原則上從水流下游向上游切割，水面上的豎縫在吊裝之前用氧氣乙炔再行割開。拆除后的圍堰用浮吊吊至貨船上運(yùn)到指定位置存放。

5 結(jié)語

在上橫瀝大橋鋼圍堰的施工中，我們遇到不少問題。如在10號(hào)墩圍堰施工中，由于對(duì)地質(zhì)情況預(yù)估不充分，圍堰拼裝完成后采取吸泥方式直接下沉，造成在粉質(zhì)黏土層抽砂下沉效果較慢。后來及時(shí)調(diào)整工藝，在圍堰下沉前，用長臂挖掘機(jī)先進(jìn)行圍堰范圍內(nèi)擾動(dòng)清理，增加這一工序極大地提高了圍堰的下沉施工效率，為后續(xù)其它圍堰施工積累了經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王文前.上橫瀝大橋大跨連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)[J].城市道橋與防洪，2019（7）：83-85+13.

[2]中交第一公路工程局有限公司.公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范：JTG/T F50—2011[M].北京：人民交通出版社，2011.