深水橋梁埋置式主墩承臺雙壁鋼圍堰施工

楊斌財

(珠海交通集團有限公司，廣東 珠海 519000)

0 引言

港珠澳大橋埋置式承臺工藝取得成功后，跨越河道的橋梁設計優(yōu)先采用埋置式承臺，承臺頂面一般設置在河床面以下50cm，以降低新建橋梁的阻水比，減少對河道防洪的影響[1]。埋置式承臺圍堰根據(jù)開挖深度和內(nèi)外水頭差不同一般選用雙壁鋼圍堰、鎖口鋼管樁、鋼板樁等不同的結構型式。為減少圍堰內(nèi)支撐數(shù)量，確保圍堰內(nèi)有足夠的施工空間，大型主墩埋置式承臺圍堰優(yōu)先選用相對剛度較大的雙壁鋼圍堰。圍堰吸泥下沉深度深，施工難度大，是埋置式承臺施工的控制性工序。

1 工程概況

珠海市洪鶴大橋起點對接港珠澳大橋連接線、與廣澳高速公路及金海大橋形成十字交叉，向西跨越洪灣水道、磨刀門水道，終點與鶴港高速公路相接，全長9.654km。洪灣水道和磨刀門水道主航道橋均為(73m+162m+500m+162m+73m)鋼混疊合梁斜拉橋[2]。其中磨刀門水道主航道橋9#主墩承臺尺寸為42.1m×22.6m×6.5m，采用C40混凝土，總方量為6 184m3;水下C25封底混凝土厚3.5m，總方量為2 934m3。承臺頂標高為-5.5m，河床面高程為-2～-5m，施工期最高水位+2.8m，圍堰最大開挖深度13.5m，最大水頭差18.3m，采用雙壁鋼圍堰進行施工。

2 圍堰設計

2.1 設計參數(shù)

圍堰下沉范圍內(nèi)地質從上到下依次為淤泥、淤泥質粘土。圍堰頂標高+4.0m，底標高-18.5m，封底混凝土底標高-15.5m，泥面標高-2.0m，設計施工期最高水位+2.8m。圍堰設計時選擇最大水下開挖深度、最不利干作業(yè)環(huán)境及拆除底層內(nèi)支撐三個最不利及典型工況進行復核驗算。通過采用ANYSIS軟件計算分析，對靜水壓力、動水壓力、土壓力、波浪力進行荷載組合，對圍堰的材料強度、變形、穩(wěn)定性及抗浮進行驗算，均滿足相關規(guī)范要求[3]。

2.2 圍堰結構

雙壁鋼圍堰壁體主要由內(nèi)外壁板、隔艙板、箱梁、環(huán)板、豎向次梁、水平橫撐等構成，斷面尺寸每邊比承臺尺寸大10cm，壁厚1.5m，外輪廓尺寸為45.3m×25.8m，圍堰總高度22.5m(含1.5m刃腳)。根據(jù)現(xiàn)場施工需求，分為上中下3節(jié)，高度依次為4.9m、6.2m、11.4m，設計夾壁混凝土高6.7m(含刃腳)，壓倉水高7.3m。圍堰設置三層內(nèi)撐，標高分別為+2.60m、-3.1m、-8m，由φ1 000×12mm及φ600×8mm鋼管構成平面框架，與圍堰壁板一起組成結構受力體系。圍堰在最低潮位以下1m左右設置四個連通器，實現(xiàn)圍堰吸泥及封底時內(nèi)外水壓平衡。圍堰的平面和立面如圖1、圖2所示。

圖1 主墩鋼圍堰平面布置

圖2 主墩鋼圍堰立面布置

3 圍堰施工

3.1 施工方案

根據(jù)橋位現(xiàn)場條件、設備起重能力等因素綜合考慮，雙壁鋼圍堰采用橋位現(xiàn)場拼裝、多點下放的工藝施工。鋼圍堰單元在工廠加工成型，由船運至現(xiàn)場。采用75t履帶吊在原位拼裝平臺上組拼底層圍堰，底層圍堰拼裝完成檢驗合格后通過10臺穿心千斤頂及同步控制下放系統(tǒng)，多點同步下放圍堰。著床后澆筑2.8m高的夾壁混凝土，散拼中層及頂層圍堰。通過二次澆筑夾壁混凝土、向壁體內(nèi)注水、挖機挖泥及吸泥等方式使圍堰下沉到位。最后澆筑C25水下封底混凝土，待混凝土強度達到設計要求后抽水進行承臺干作業(yè)施工[4]。

3.2 底層圍堰

3.2.1 拼裝平臺

樁基施工完成后拆除鉆孔平臺，將四周需要安裝下放承重架的10根鋼護筒接長到+12.8m標高，底層拼裝平臺頂面標高設置為+1.80m，確保在低潮及平潮時鋼圍堰可正常拼裝。拼裝平臺由雙拼I56型鋼穿入外圈鋼護筒加固焊接作為承重梁，并加設I25斜撐。承重梁上設置兩排雙拼I25平聯(lián)作為拼裝底平臺，測量調(diào)平，在外側I25翼緣板上放出圍堰刃腳底部輪廓基準線及相鄰單元之間的拼接線，并在輪廓邊線上焊接定位型鋼，確保圍堰底口的平面位置及高程。底層拼裝平臺如圖3所示。

圖3 底層拼裝平臺

頂層拼裝操作平臺由圍堰下放系統(tǒng)的承重架作為承力結構，橫放I56型鋼并焊接固定形成環(huán)向操作平臺，頂標高+13.93m。頂層操作平臺供圍堰拼裝定位、下放人員、測量人員施工使用。

3.2.2 圍堰拼裝

底層圍堰高11.4m，水平方向分為48塊，最大吊重21.7t?，F(xiàn)場采用75t履帶吊吊裝單元件至拼裝平臺輪廓邊線和拼裝線位置，手拉葫蘆輔助調(diào)位，由長邊上游開始對稱拼裝，短邊跨中合攏。圍堰刃腳下口由定位型鋼輔助定位，控制圍堰平面位置，頂口定位角鋼從頂層拼裝平臺引出，控制其垂直度，采用垂球吊線法精調(diào)。定位完成后采用全站儀復測，滿足要求后與鋼護筒焊接臨時支撐固定，及時焊接圍堰單元間的拼縫。最后焊接底層內(nèi)支撐，焊縫檢測合格后，拆除臨時支撐?，F(xiàn)場復測得出底層圍堰拼裝最大平面偏差0.8cm，垂直度h/570，滿足規(guī)范要求。

3.2.3 圍堰下放

底層圍堰重約700t，采用10臺150t千斤頂進行下放。下放系統(tǒng)由下放牛腿、千斤頂、鋼絞線、夾具及壁板掛腿等組成，下放承重架焊接在接長的10根鋼護筒頂口，護筒頂口局部加強，確保下放過程不出現(xiàn)局部失穩(wěn)。整個下放系統(tǒng)采用1套帶輸出模塊的主控制系統(tǒng)，同時控制5套相同的液壓泵站對10臺穿心千斤頂提供動力。每臺千斤頂上安裝1套壓力傳感器及1臺位移傳感器，實現(xiàn)千斤頂行程的自動轉換和行程的實時監(jiān)測，確保圍堰整體同步下放。下放系統(tǒng)結構如圖4所示。

圖4 圍堰下放系統(tǒng)結構

圍堰下放時設置上下兩層各10個導向裝置，導向裝置由φ426×20mm鋼管加工，與鋼圍堰內(nèi)側壁體或鋼護筒采用HN400×200型鋼焊接成整體。上層導向裝置焊接在鋼護筒上，頂標高為+4.0m;下層導向裝置焊接在底層圍堰內(nèi)側壁體上，頂標高為底層圍堰頂口向下60cm。導向裝置離圍堰內(nèi)側壁體或鋼護筒5cm，以保證圍堰下放過程中平面位置的精度。導向裝置如圖5所示。

圖5 上下導向裝置

底層圍堰拼裝完成經(jīng)過水密試驗合格后，根據(jù)橋位現(xiàn)場水文地質條件，選擇低平潮時進行下沉。10臺150t千斤頂統(tǒng)一提升圍堰5cm，靜置20min，割除下層拼裝平臺及牛腿，緩慢下沉底層圍堰，圍堰下放如圖6所示。

圖6 圍堰下放

為確保千斤頂系統(tǒng)均勻、同步下放圍堰，在鋼圍堰上每隔10cm劃上刻度，千斤頂每下放50cm暫停一次,通過位移傳感器讀數(shù)及實測數(shù)據(jù)核查千斤頂位移的同步性，及時調(diào)整千斤頂受力。同時在鋼護筒頂口搭設三個測量平臺架設全站儀，圍堰頂口設置6個測量控制點，圍堰下放過程中, 對圍堰各控制點的平面位置及標高進行持續(xù)測量，測量控制點布置如圖7所示。圍堰頂面設置6個手拉葫蘆，同時備用12個手動頂升千斤頂，用于調(diào)整圍堰平面位置，通過同步下放系統(tǒng)調(diào)整圍堰標高，標高和平面位置均滿足要求后，再進行下放，依次循環(huán)操作。

圖7 測控點布置

底層圍堰自重約700t，圍堰夾壁底面積約203.7m2，圍堰吃水4.03m時達到自浮狀態(tài)。底層圍堰下放施工在3月進行，常水位標高+1.5m，河床面標高-2～-5m。圍堰在自重作用下部分進入泥面，此時圍堰平面位置向航道中心側傾斜，通過導向架粗調(diào)，手拉葫蘆、手動千斤頂精調(diào)平面位置，同步下放系統(tǒng)調(diào)平圍堰標高，及時調(diào)整圍堰著床的平面位置和垂直度。當航道外側圍堰入泥0.5m(底標高-2.5m)左右，圍堰達到自浮狀態(tài)，反對稱澆筑2.8m夾壁混凝土，澆筑方量為415m3。澆筑過程中實時監(jiān)測調(diào)整千斤頂受力，同步觀測圍堰平面位置及垂直度變化，滿足要求后吸泥下沉至-6.0m。此時圍堰、內(nèi)撐及夾壁混凝土的自重G為1 813t，圍堰所受浮力F1為1 375t。根據(jù)河床地質資料，泥面標高-2.00～-16.28m為淤泥，側摩阻力8kPa；-16.28～-18.5m為淤泥質粘土，側摩阻力12kPa。圍堰范圍內(nèi)河床傾斜面(-2～-5m段)取入泥平均值計算，則圍堰側阻力F2為284t。G=1 813t>F1+F2=1 375+284=1 659t，現(xiàn)場圍堰施工和理論計算基本相符，此時圍堰四周均入泥1.0m以上，復測圍堰最大平面偏差1.5cm，垂直度h/407，滿足規(guī)范要求。拆除圍堰同步下放系統(tǒng)裝置，開始拼裝6.2m高的中層圍堰。

3.2.4 圍堰吸泥下沉

圍堰著床后，通過對圍堰內(nèi)側吸泥使圍堰下沉，河床頂標高為-2.0m,圍堰刃腳下沉至設計標高-18.5m，圍堰內(nèi)側四周需吸泥達16.5m，單個圍堰吸泥總量近1.5萬m3。采用2臺帶高壓射水嘴的空氣吸泥機及伸縮臂挖機進行吸(挖)泥下沉，圍堰吸泥如圖8所示。

圖8 圍堰挖泥及吸泥

圍堰著床平穩(wěn)后，采用2臺空氣吸泥機用履帶吊移動，對圍堰內(nèi)側四周分層吸泥，每層厚度不超過50cm。圍堰下沉過程中，勤測量圍堰內(nèi)壁周邊泥面標高，當泥面標高低于刃腳標高1.0～1.5m，圍堰仍不下沉，說明圍堰下沉重力不夠。根據(jù)李進[5]等對大型沉井下沉力學性能分析與研究可知，圍堰壁側阻力隨入土深度呈線性增長，下沉越深，側阻力越大，需通過澆筑夾壁混凝土、隔艙注水等方式，以增加圍堰的重力實施下沉。

3.3 中上層圍堰

因淤泥河床承載力差，且圍堰四周入泥深度不一致，為避免圍堰出現(xiàn)過大傾斜，反對稱拼裝中層圍堰單元，在短邊跨中合攏。仍采用75t履帶吊散拼圍堰，中層圍堰下口與底層圍堰上口通過限位型鋼調(diào)整對接，使圍堰接口平順。頂口定位及臨時固定措施同底層圍堰，但其標高對應下調(diào)。及時焊接圍堰單元間的拼縫，最后焊接第二層內(nèi)支撐，焊縫檢測合格后，拆除臨時支撐吸泥下沉。中層圍堰下沉重力不足時，及時澆筑3.9m高的第二次夾壁混凝土，增加圍堰自重。夾壁混凝土共796m3，采取反對稱方式布料，澆筑速度基本一致，防止圍堰發(fā)生過大傾斜。根據(jù)下沉速度向圍堰倉內(nèi)注水，使圍堰下沉7.2m直至底標高為-13.6m。在+4.0m標高處拼裝上層圍堰，上層圍堰拼裝、下沉工藝均同中層圍堰。及時向圍堰內(nèi)注水，使圍堰下沉到設計標高。此時圍堰、支撐、夾壁混凝土自重G1為4 549t，倉內(nèi)注水重G2為1 487t，浮力F1為3 921t，側阻力F2為1 833t，G=G1+G2=6 036t>F1+F2=5 754t。

圍堰下沉重力滿足圍堰下放需求。圍堰現(xiàn)場下放到位后經(jīng)測量復核，圍堰中心軸線偏位2.8cm，垂直度偏差h/320，滿足設計及規(guī)范要求。

3.4 封底混凝土

圍堰吸泥下沉到位后,由潛水員水下探明圍堰內(nèi)基底的情況。為避免淤泥與封底混凝土直接接觸，拋填30cm厚砂袋，封堵圍堰四周，整平基底。同時由潛水員用高壓水槍和鋼刷對設計封底高度內(nèi)的護筒外壁、圍堰內(nèi)壁進行清理，確保封底混凝土與鋼護筒及圍堰內(nèi)壁緊密結合。參考周同生[6]關于雙壁鋼圍堰施工風險及抗浮穩(wěn)定性的研究成果，封底混凝土與鋼護筒的粘結強度取值為170 kPa，圍堰抗浮驗算滿足要求。

以圍堰頂面和鋼護筒為基礎，搭設水下封底混凝土作業(yè)平臺。封底混凝土流動半徑按5m考慮，共設置35個封底控制點，采用水下整體斜面推進法工藝封底，一次澆筑3.3m(預留0.2m找平層)水下封底混凝土[7]。臨近澆注結束時，重點檢測導管作用半徑相交處、護筒周邊、圍堰內(nèi)側周邊等位置混凝土標高，根據(jù)測量結果及時處理，確?；炷练獾缀穸葷M足要求、頂面平整、封底混凝土達到設計強度后抽水形成承臺干作業(yè)面。

3.5 施工注意事項

(1)圍堰下放過程中夾壁混凝土需反對稱澆筑，中、上層圍堰也需反對稱拼裝，避免圍堰出現(xiàn)較大偏斜的狀況。圍堰出現(xiàn)偏斜時可根據(jù)圍堰平面位置及垂直度情況調(diào)整倉內(nèi)注水順序進行糾偏，但需嚴格控制注水高度，確保下放安全。

(2)圍堰內(nèi)河床面存在3m高差，部分著床時圍堰四周側阻力不一致，容易出現(xiàn)傾斜，需選擇水流平穩(wěn)緩慢的時機著床。同時通過下放千斤頂調(diào)整圍堰標高，手拉葫蘆、水平千斤頂?shù)日{(diào)整平面位置，放慢下沉速度，加快有土側的吸泥工序，使其保持平穩(wěn)下沉。圍堰全部入泥后除土宜均勻，同時使圍堰內(nèi)泥面不低于刃腳1.5m，避免造成圍堰傾斜或出現(xiàn)反涌。

(3)圍堰出現(xiàn)傾斜或偏位時，及時測量圍堰內(nèi)側的泥面標高，泥面較高處集中吸泥，使圍堰內(nèi)側泥面標高大致相等。若仍存在偏斜，通過調(diào)整圍堰下沉吸泥部位及局部注水加重進行糾偏。如圍堰仍然是傾斜的，則應停止下沉作業(yè)，由潛水員對圍堰刃腳周邊進行探摸，如有異物應及時取出，圍堰糾偏后才能繼續(xù)作業(yè)，確保圍堰平穩(wěn)下沉，直至達到設計標高的位置。

4 結語

珠海洪鶴大橋9#主墩雙壁鋼圍堰從2018年3月初開始現(xiàn)場拼裝，到澆筑封底混凝土，歷時近4個月。該圍堰結構尺寸大、入土深度深，根據(jù)現(xiàn)場施工條件選擇橋位散拼、多點同步下放的工藝施工。施工過程及時采取相應措施，成功解決了圍堰下沉困難、傾斜、偏位等突發(fā)狀況，圍堰中心軸線偏位及垂直度偏差均滿足設計及規(guī)范要求，可為后續(xù)類似工程提供經(jīng)驗參考。