深水裸巖大體積雙壁鋼圍堰嵌巖研究與應(yīng)用

陸有傳

摘要：雙壁鋼圍堰適用于深水基礎(chǔ)施工，而深水裸巖大體量雙壁鋼圍堰嵌巖施工存在封底混凝土方量大、穩(wěn)定性難保證、抗浮抗?jié)B要求高等技術(shù)難題，完成鋼圍堰下放就位及混凝土封底必須具備科學(xué)適用的施工技術(shù)。文章以柳州市白沙大橋主塔墩施工中采用的雙壁鋼圍堰設(shè)計(jì)施工承臺(tái)為例，針對(duì)洪水影響，從前期河床處理到雙壁鋼圍堰的拼裝下放、河床清理、下放嵌槽、清基及混凝土封底等方面，探討深水裸巖大體積雙壁鋼圍堰嵌巖設(shè)計(jì)與施工技術(shù)，為此類(lèi)工程施工提供參考。

關(guān)鍵詞：深水裸巖;大體積;雙壁鋼圍堰;嵌巖;洪水因素;封底

中國(guó)分類(lèi)號(hào)：U443.16+2文章標(biāo)識(shí)碼：A321244

0 引言

柳州市白沙大橋主橋?yàn)樾崩瓨?，采?×200 m單塔雙索面的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。主塔型似“扭曲門(mén)形狀”，盡顯橋梁主流美學(xué)，主塔墩各采用8根300 cm分離式樁基礎(chǔ)，承臺(tái)設(shè)計(jì)為矩形體，縱橋方向長(zhǎng)27.5 m，橫橋方向長(zhǎng)12.0 m，高度8.0 m，設(shè)計(jì)承臺(tái)頂面位于常水位以下5.5 m，分有左幅和右幅兩個(gè)承臺(tái)，位于柳江河中心，常水位水深約26.0 m。

雙壁鋼圍堰的設(shè)計(jì)整體剛度較大，其內(nèi)部設(shè)有鋼管內(nèi)支撐及鋼圍檁，其形狀有利于抗浮抗?jié)B且能承受較大水流的沖擊力、水頭的壓力以及由施工平臺(tái)產(chǎn)生的豎向作用力，同時(shí)還可以作為水上作業(yè)平臺(tái)的基礎(chǔ)，河道通航不受影響，有利于泄洪和安全度汛。

1 前期地質(zhì)處理技術(shù)

1.1 水下爆破

針對(duì)柳江河床裸巖、巖面傾斜的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)鋼圍堰封底混凝土底標(biāo)高處于巖面以下，選擇水下爆破技術(shù)方案對(duì)鋼圍堰底部河床面作爆破處理及整平。爆破后對(duì)巖面進(jìn)行清理，鋼圍堰施工范圍內(nèi)底部河床標(biāo)高須滿(mǎn)足封底混凝土底標(biāo)高，以此解決巖面傾斜不利于鋼圍堰施工、封底混凝土厚度不足的施工條件限制。

1.2 巖層矩形槽沖鉆

鉆孔灌注樁施工結(jié)束后，割除鋼圍堰范圍內(nèi)鉆孔平臺(tái)面板及工字鋼，預(yù)留四周1.5 m范圍平臺(tái)作為后續(xù)施工人行走道，在3 m大直徑鉆孔樁鋼護(hù)筒以及外側(cè)630 mm鋼管焊接Ⅰ56 a工字鋼作為組裝平臺(tái)橫梁。搭建的雙壁鋼圍堰組裝平臺(tái)，即可作為矩形槽沖鉆施工平臺(tái)。

利用搭建好的平臺(tái)來(lái)固定鉆機(jī)沖擊的位置，確保其不會(huì)產(chǎn)生較大幅度的擺動(dòng)，以便精準(zhǔn)沖擊矩形槽。為了確保矩形槽在沖鉆過(guò)程中能及時(shí)將碎渣清除，每沖擊一定深度后利用空壓機(jī)及時(shí)將沉渣吸出裝船處理。沖槽過(guò)程重點(diǎn)檢查沖鉆位置的準(zhǔn)確性以及矩形槽寬度和深度，如有不符及時(shí)整改。

2 雙壁鋼圍堰施工工藝流程

雙壁鋼圍堰的施工工藝流程大致為：雙壁鋼圍堰制造及焊接平臺(tái)（組拼平臺(tái)）搭建→矩形槽沖鉆→浮吊及運(yùn)輸船運(yùn)送→首節(jié)鋼圍堰節(jié)段組裝→焊縫煤油檢驗(yàn)→提升裝置系統(tǒng)安裝及檢測(cè)→起吊首節(jié)鋼圍堰并完成下放→安裝導(dǎo)向系統(tǒng)及調(diào)整鋼圍堰→懸浮狀況下依次對(duì)稱(chēng)組裝上一節(jié)鋼圍堰節(jié)段→焊縫煤油漏水試驗(yàn)→對(duì)稱(chēng)注水下放→清理河床堆積物→抽砂注水下沉嵌槽→澆筑鋼圍堰隔倉(cāng)混凝土→清基→混凝土封底。

3 雙壁鋼圍堰施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 雙壁鋼圍堰的設(shè)計(jì)及制造

雙壁鋼圍堰本質(zhì)上是作為水下承臺(tái)施工的無(wú)底擋水結(jié)構(gòu)，主要服役于承臺(tái)施工，為其創(chuàng)造水下施工的干環(huán)境。雙壁鋼圍堰一般由雙層壁板、豎向板間桁架、水平板間桁架、底部刃腳和鋼圍檁內(nèi)支撐組成。常規(guī)的雙壁鋼圍堰以結(jié)構(gòu)形式劃分為矩形體、圓形體和圓端體。

柳州白沙大橋主塔墩施工承臺(tái)選擇雙壁鋼圍堰設(shè)計(jì)方案，鋼圍堰結(jié)構(gòu)采用雙壁設(shè)計(jì)，承臺(tái)尺寸設(shè)計(jì)為27.5 m×12.0 m;考慮到鋼圍堰施工定位偏差，鋼圍堰內(nèi)部平面尺寸比承臺(tái)實(shí)際平面尺寸擴(kuò)大0.10 m，變?yōu)?7.6 m×12.1 m;鋼圍堰設(shè)計(jì)壁厚為1.0 m，設(shè)計(jì)外部壁板平面尺寸為29.6 m×14.1 m。以柳江歷年水位數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及工期安排，設(shè)定鋼圍堰底標(biāo)高為61.0 m，頂標(biāo)高為79.5 m，高于常水位2.0 m。鋼圍堰總高度設(shè)計(jì)為18.5 m，劃分為3層，由下至上首層鋼圍堰高度設(shè)計(jì)為6.5 m，第二層、第三層設(shè)計(jì)高度為6 m，每層節(jié)段共分為18塊，共有4.8 m、4.5 m、5.0 m三種結(jié)構(gòu)尺寸，整幅鋼圍堰共設(shè)置54塊。鋼圍堰內(nèi)支撐采用鋼管，尺寸630 mm×8 mm，鋼圍檁采用工字鋼，尺寸為雙拼Ⅰ56 a，內(nèi)支撐和鋼圍檁連接支墊采用鋼板，厚度為10 mm。在內(nèi)支撐位置因?yàn)閼?yīng)力集中，水平支撐設(shè)置為雙拼Ⅰ14 a槽鋼。鋼管內(nèi)支撐共設(shè)置五排，其中上面兩排鋼管內(nèi)支撐在承臺(tái)標(biāo)高以上。如圖1、圖2所示。

3.2 鋼圍堰拼裝下放

鋼圍堰水中組拼安裝前，可預(yù)先將三層圍堰節(jié)段試拼成整體，再分塊運(yùn)至水中組裝平臺(tái)。以相對(duì)角位置為圍堰節(jié)段安裝起點(diǎn)，同步向兩方向?qū)ΨQ(chēng)安裝節(jié)段，直至完成鋼圍堰合龍。利用起重機(jī)械（浮吊）吊裝首節(jié)鋼圍堰節(jié)段緩慢放置于拼裝平臺(tái)上，調(diào)整鋼圍堰的空間位置和垂直度直至符合方案設(shè)計(jì)，再加以限位和鎖定。由此根據(jù)首節(jié)鋼圍堰節(jié)段定位基準(zhǔn)，按順序安裝下一塊相鄰鋼圍堰節(jié)段。再次測(cè)量校核鋼圍堰的空間位置和垂直度，若符合設(shè)計(jì)要求則逐步滿(mǎn)焊合龍豎向拼縫。鋼圍堰的合龍段需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安裝誤差情況適當(dāng)調(diào)整設(shè)計(jì)尺寸，現(xiàn)場(chǎng)可采用下料、切割、預(yù)留焊縫坡口等方式稍微變更合龍段尺寸，以解決因施工誤差及環(huán)境溫度等因素造成無(wú)法合龍的難題。所有對(duì)接焊縫必須滿(mǎn)焊，首層鋼圍堰安裝焊接完成后，采用煤油對(duì)每條焊縫位置做滲透試驗(yàn)。

在組裝平臺(tái)完成首層鋼圍堰安裝后，采取大重量整體提升分段自浮式安裝鋼圍堰的技術(shù)工藝下放首層鋼圍堰。在對(duì)鋼圍堰進(jìn)行下放作業(yè)前，必須確保提升系統(tǒng)各個(gè)結(jié)構(gòu)件處于健康狀態(tài)，滿(mǎn)足作業(yè)要求。鋼圍堰下放過(guò)程可利用樁基鋼護(hù)筒配合手拉葫蘆作為導(dǎo)向牽引，慢慢推動(dòng)鋼圍堰中心到達(dá)設(shè)計(jì)位置，然后均勻平穩(wěn)下放入水。鋼圍堰處于懸浮狀態(tài)時(shí)，在鋼圍堰分隔艙內(nèi)注水使之預(yù)留一定高度以保證鋼圍堰穩(wěn)定和上層鋼圍堰接高作業(yè)方便。

依次對(duì)應(yīng)接高下一層鋼圍堰模板并下放，直至完成整個(gè)鋼圍堰的設(shè)計(jì)組裝。特別注意鋼圍堰完成合龍后，檢查上下兩層鋼圍堰模板的接縫是否對(duì)接密貼，各隔倉(cāng)的分隔線(xiàn)須相應(yīng)對(duì)齊。

3.3 河床清理

受柳江洪水的影響，鋼圍堰范圍內(nèi)河床堆積大量垃圾，洪水帶來(lái)的樹(shù)干與泥土等雜物沉積形成了類(lèi)似鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的垃圾層，使得鋼圍堰下放至設(shè)計(jì)嵌巖位置變得異常艱難。項(xiàng)目部審時(shí)度勢(shì)引入長(zhǎng)臂挖掘機(jī)進(jìn)行水下垃圾清理作業(yè)。通過(guò)搭設(shè)平臺(tái)和四角液壓浮式平臺(tái)滿(mǎn)足長(zhǎng)臂挖掘機(jī)進(jìn)行水上作業(yè)。通過(guò)手拉葫蘆的方式平移鋼圍堰，便于長(zhǎng)臂挖掘機(jī)對(duì)河床，尤其是對(duì)矩形槽進(jìn)行全面徹底的開(kāi)挖清理。

3.4 鋼圍堰下沉嵌槽

鋼圍堰能否準(zhǔn)確下沉至設(shè)計(jì)位置及高程是前期地質(zhì)處理是否有效的關(guān)鍵，是雙壁鋼圍堰在洪水影響下施工能否成功的重點(diǎn)。通過(guò)隔倉(cāng)注水及錨定系統(tǒng)控制雙壁鋼圍堰的下沉與糾偏，達(dá)到雙壁鋼圍堰精準(zhǔn)定位目標(biāo)，然后對(duì)稱(chēng)均勻向各分隔倉(cāng)內(nèi)注水使鋼圍堰刃腳順利嵌槽。雙壁鋼圍堰下沉過(guò)程中全程用全站儀監(jiān)測(cè)鋼圍堰的偏位情況并及時(shí)進(jìn)行糾偏，以確保鋼圍堰始終在設(shè)計(jì)位置下沉。當(dāng)刃腳接近槽底時(shí)，用空壓機(jī)配合抽砂管在刃腳底吸渣，然后再進(jìn)行最后的下沉，以保證刃腳與矩形槽底基巖貼緊。最終須達(dá)到鋼圍堰中心偏差和傾斜度都符合設(shè)計(jì)要求。

3.5 澆筑隔倉(cāng)混凝土及清基

在雙壁鋼圍堰的隔倉(cāng)內(nèi)澆筑混凝土，澆筑過(guò)程按對(duì)稱(chēng)、高度一致原則，每個(gè)隔倉(cāng)內(nèi)澆筑混凝土高度應(yīng)考慮雙壁鋼圍堰結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度及抗浮的要求，最終實(shí)現(xiàn)以下效果：（1）雙壁鋼圍堰為大型結(jié)構(gòu)物，在深水裸巖地質(zhì)施工，須著重考慮其抗浮性及穩(wěn)定性，澆筑隔倉(cāng)混凝土，對(duì)增強(qiáng)鋼圍堰抗浮性和穩(wěn)定性具有很大效果，同時(shí)也起到輔助下沉鋼圍堰的作用，可使鋼圍堰刃腳與矩形槽基巖面粘接更牢固;（2）雙壁鋼圍堰底部在深水裸巖、水流速大的河中心，受到的靜水壓力和動(dòng)水壓力較大，還要承受可能出現(xiàn)的汛期江水?dāng)y帶而來(lái)的各種雜物的沖擊等，而隔倉(cāng)混凝土可提高雙壁鋼圍堰底部抗壓力及抗?jié)B性。

無(wú)底鋼圍堰進(jìn)行底部清基作業(yè)旨在達(dá)到河床基巖面與水下封底混凝土無(wú)縫貼合的效果，也可更好實(shí)現(xiàn)鋼圍堰嵌巖設(shè)計(jì)理念，杜絕夾砂層的存在，不會(huì)出現(xiàn)透水病害。清基時(shí)，先利用抓斗清理河床底部沉渣，再采用空壓機(jī)配合抽砂管劃分網(wǎng)格區(qū)域逐塊抽砂。清基作業(yè)完成后，潛水員潛至河床底部全面檢查基巖面上砂礫存在情況，同時(shí)利用測(cè)繩全面測(cè)量鋼圍堰基底標(biāo)高，以確保封底混凝土厚度達(dá)到設(shè)計(jì)值，也作為封底混凝土方量的計(jì)算依據(jù)。

3.6 混凝土封底

澆筑封底混凝土前，潛水員潛至圍堰底部對(duì)刃腳嵌巖及周?chē)闆r逐塊檢查，重點(diǎn)核實(shí)雙壁鋼圍堰嵌槽情況，同時(shí)在鋼圍堰外側(cè)采用沙袋或水泥袋填塞，潛水員堆碼嚴(yán)密。同時(shí)仔細(xì)檢查各樁基鋼護(hù)筒外壁，確保已處于清理干凈狀態(tài)，目的是提高封底混凝土和樁基鋼護(hù)筒間的咬合力。

封底混凝土是雙壁鋼圍堰最后施工的止水結(jié)構(gòu)，兼作澆筑水中承臺(tái)的底模。雙壁鋼圍堰結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的優(yōu)劣很大程度上取決于封底混凝土的澆筑質(zhì)量。在深水裸巖地質(zhì)完成圍堰封底的關(guān)鍵工序，須做到：

（1）封底之前必須保證鋼圍堰刃腳嵌槽，不存在懸空現(xiàn)象。

（2）澆筑工藝合理有效，可先進(jìn)行澆筑布點(diǎn)，選擇先四周后中間的方式。布點(diǎn)須考慮布料機(jī)的數(shù)量、每條導(dǎo)管可以澆筑混凝土的覆蓋半徑、澆筑順序即導(dǎo)管如何移動(dòng)等。

（3）澆筑過(guò)程對(duì)封底厚度進(jìn)行嚴(yán)格把控，可利用測(cè)繩持續(xù)多點(diǎn)測(cè)量。

（4）封底混凝土的坍落度宜控制在18～20 cm，可適當(dāng)摻入高效緩凝劑及粉煤灰，從而提高封底混凝土流動(dòng)性能和延長(zhǎng)其初凝時(shí)間。

整個(gè)封底混凝土的澆筑過(guò)程必須嚴(yán)格按照水下混凝土施工工藝規(guī)范進(jìn)行。選擇拔球法作為封底混凝土的隔水措施，第一批封底混凝土澆筑前，首盤(pán)混凝土的方量必須準(zhǔn)確求出，制定方案及使用足夠方量的料斗及導(dǎo)管，保證導(dǎo)管埋入混凝土中，確定砍球成功后，方可繼續(xù)澆筑。

4 核心技術(shù)分析

（1）針對(duì)深水裸巖、巖面傾斜的地質(zhì)施工雙壁鋼圍堰，利用爆破工藝處理巖面，以達(dá)到巖面平整、封底混凝土底標(biāo)高滿(mǎn)足要求的目的。采用沖孔打樁機(jī)在鋼圍堰刃腳底部河床沖鉆矩形槽，以達(dá)到雙壁鋼圍堰嵌巖的效果。該施工工藝具有以下優(yōu)勢(shì)：①雙壁鋼圍堰能夠在此類(lèi)地質(zhì)下達(dá)到密閉性好，使得基巖與雙壁鋼圍堰成為整體，能對(duì)鋼圍堰內(nèi)壁與混凝土封底銜接的薄弱點(diǎn)進(jìn)行加密的效果;②緩解深水水壓對(duì)巖石的滲透，增加鋼圍堰抵抗靜水壓力和動(dòng)水壓力的能力及穩(wěn)定性，同時(shí)達(dá)到滯水作用;③對(duì)避免雙壁鋼圍堰出現(xiàn)上浮現(xiàn)象起到輔助作用。

（2）水中施工作業(yè)不可避免受到自然因素的影響，針對(duì)洪水?dāng)y帶而來(lái)的堆積物，僅靠傳統(tǒng)的抽砂吸泥工藝，無(wú)法使鋼圍堰下沉到設(shè)計(jì)位置，更不能達(dá)到鋼圍堰與巖面銜接的目的。在清理鋼圍堰底部河床垃圾中引入長(zhǎng)臂挖掘機(jī)，利用挖掘機(jī)動(dòng)力強(qiáng)、力度大、速度快、功效高的作業(yè)優(yōu)勢(shì)，不僅達(dá)到了清理河床垃圾的目的，而且減小了鋼圍堰清基時(shí)間，縮短了工期。

（3）鋼圍堰設(shè)計(jì)為雙壁式矩形體，封底混凝土施工屬于大體積水下封底混凝土澆筑，采用推進(jìn)式澆筑工藝。進(jìn)行封底前，根據(jù)封底混凝土厚度及導(dǎo)管澆筑作用有效半徑，在封底范圍內(nèi)進(jìn)行澆筑布點(diǎn)。首封混凝土拔球成功后，沿矩形鋼圍堰長(zhǎng)邊逐步推進(jìn)并一次性澆筑到位。該封底澆筑方式能夠保證混凝土密實(shí)均勻，不出現(xiàn)夾層漏水現(xiàn)象，雙壁鋼圍堰四周嵌槽部位混凝土封底嚴(yán)密，封底混凝土能順利完成與巖面、鋼圍堰內(nèi)壁、鋼護(hù)筒的無(wú)縫結(jié)合，也便于在澆筑過(guò)程中對(duì)封底厚度的測(cè)量監(jiān)控。

5 結(jié)語(yǔ)

橋梁水下承臺(tái)施工圍堰結(jié)構(gòu)類(lèi)型各式各樣，其具體設(shè)計(jì)方式需結(jié)合施工條件、資源配置和環(huán)境因素等確定，本斜拉橋主塔墩水下大體積承臺(tái)創(chuàng)造性應(yīng)用了雙壁鋼圍堰嵌巖設(shè)計(jì)理念，攻克了深水裸巖大體積雙壁鋼圍堰嵌巖施工難題，特別是針對(duì)洪水的影響，鋼圍堰底部河床處理措施先進(jìn)有效，達(dá)到預(yù)期目的，保證水中主墩基礎(chǔ)的順利完成，可為國(guó)內(nèi)外同類(lèi)施工條件下鋼圍堰基礎(chǔ)施工提供參考。

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