深水大直徑超高雙壁鋼圍堰施工關(guān)鍵技術(shù)

王勇 易先坤 郭星亮

1.中鐵三局集團有限公司，太原 030001；2.中鐵三局集團橋隧工程有限公司，成都 610000

1 工程概況

常德—益陽—長沙鐵路跨沅江大橋主橋為（34+118+240+118+34）m預(yù)應(yīng)力混凝土部分斜拉橋（圖1），全長544.2 m。主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，單箱雙室截面；橋塔為鋼筋混凝土橋塔，矩形實體截面；斜拉索為雙索面單絲涂覆環(huán)氧涂層鋼絞線拉索。主墩為雙肢薄壁墩，基礎(chǔ)采用22根直徑2.5 m的鉆孔樁，最大樁長88 m，最大孔深128 m，最大施工水深37 m。

圖1 跨沅江特大橋主橋

2 大直徑圓形雙壁鋼圍堰設(shè)計

沅江江面寬600～1 000 m，水位約30 m。主墩523#、524#施工期間處于沅江主河道內(nèi)，樁基礎(chǔ)采用圓形雙壁鋼圍堰施工。圍堰直徑38.50 m，壁厚1.80 m，總高46.41 m，見圖2。

圖2 圍堰結(jié)構(gòu)示意（單位：m）

圍堰由側(cè)板、底隔艙、艙壁混凝土和封底混凝土組成。圍堰側(cè)板豎向分五節(jié)加工制造，均為雙壁結(jié)構(gòu)，底節(jié)圍堰質(zhì)量最大（687 t）。每節(jié)圍堰分12個單元塊，每塊最大質(zhì)量39 t。圍堰頂高程為+35.320 m，底高程為-11.093 m。艙壁內(nèi)填充水下C30混凝土，分兩次澆筑，第一次澆筑2.2 m，第二次澆筑13.3 m。圍堰封底混凝土采用水下C30混凝土，高度為7.0 m，分區(qū)域澆筑［1-2］。為保證封底混凝土受力滿足要求，樁間距較大位置設(shè)4根輔助樁，輔助樁為直徑2.5 m鉆孔樁（配直徑2.9 m鋼護筒），樁長36.407 m［3-4］。

圍堰側(cè)板由壁板、加勁肋、隔艙板及水平環(huán)板組成，壁板采用10 mm厚鋼板，加勁肋采用90 mm×8 mm角鋼，角鋼間距400 mm，隔艙板采用16 mm厚鋼板。水平環(huán)板采用300 mm×20 mm的鋼板，圍堰內(nèi)外兩側(cè)從上到下分別設(shè)置54道水平環(huán)板，最大間距1.0 m，最小間距0.7 m；底隔艙采用雙壁+聯(lián)結(jié)系結(jié)構(gòu)，壁板厚6 mm，豎向加勁肋采用63 mm×6 mm角鋼，水平環(huán)板采用220 mm×16 mm鋼板，封板橫梁采用I25b工字鋼，豎梁采用488 mm×300 mm中翼緣H型鋼。

3 雙壁鋼圍堰施工關(guān)鍵技術(shù)

圍堰分節(jié)拼裝、整體下放。具體流程：施工準備→水上鉆孔平臺施工→鉆孔樁施工→鉆孔平臺改造為拼裝平臺→雙壁鋼圍堰吊放系統(tǒng)和導(dǎo)向系統(tǒng)設(shè)置→底節(jié)圍堰原位拼裝施工→圍堰提升、拆除部分鉆孔平臺→圍堰下放自浮→中節(jié)圍堰拼裝、下沉→澆筑圍堰刃角、艙壁混凝土→向圍堰艙壁內(nèi)注水下沉→圍堰內(nèi)吸泥下沉至設(shè)計位置→圍堰內(nèi)清底、下放底隔艙封板→澆筑圍堰封底混凝土→圍堰內(nèi)抽水施工。

3.1 圍堰拼裝平臺搭設(shè)與底節(jié)圍堰原位拼裝

圍堰拼裝平臺（圖3）主要由?1 000 mm×12 mm鋼管樁、連接系、2HM588×300分配梁、2HN500×200分配梁、標準貝雷梁、I20b橋面橫梁和10 mm厚鋼橋面板組成。工廠內(nèi)加工拼裝墊座，鉆孔樁施工完成后在鉆孔平臺圍堰下放處平均安放12對拼裝墊座（每個圍堰單元塊兩端各設(shè)1個）。工廠加工制作的圍堰單元塊分塊裝船，水運至拼裝平臺附近；利用150 t履帶吊吊裝至拼裝平臺后按照設(shè)計順序（圖4）將圍堰12個單元塊對稱拼裝成整體［5］；每拼裝一個單元塊后安裝臨時撐桿，防止傾覆。圍堰底口刃腳固定在墊座上，防止擠壓變形。對稱焊接底隔倉及連接系（⑦～⑨），整體拼裝焊接完成后進行底節(jié)圍堰水密試驗。

圖3 圍堰拼裝平臺示意

圖4 圍堰拼裝順序

3.2 圍堰下放系統(tǒng)及導(dǎo)向系統(tǒng)設(shè)置

3.2.1 下放系統(tǒng)設(shè)置

下放系統(tǒng)主要由扁擔梁、分配梁、千斤頂、鋼絞線、吊耳、鋼錨箱、鋼護筒加固件等組成，見圖5。單根扁擔梁采用800 mm×25 mm鋼板及1 150 mm×20 mm鋼板拼裝成雙拼工字鋼，長8.4 m。圍堰共設(shè)4組吊掛系統(tǒng)，4個下放吊點。單個吊點最大設(shè)計承受荷載3 500 kN。在每個吊點處設(shè)1臺500 t液壓連續(xù)千斤頂，配31根直徑17.8 mm鋼絞線［6］。

圖5 圍堰下放系統(tǒng)示意（單位：mm）

圍堰下放前先接高圍堰4根永久樁及4根輔助樁的鋼護筒至設(shè)計高度，相鄰兩根鋼護筒通過鋼管聯(lián)結(jié)系連接。在8根接高鋼護筒上布設(shè)分配梁，分配梁上布設(shè)兩根扁擔梁；扁擔梁靠近圍堰中心側(cè)設(shè)精軋螺紋鋼后錨，另一側(cè)上部設(shè)置兩根分配梁并安裝千斤頂，千斤頂通過鋼絞線連接圍堰壁板上的吊點［7-8］。

3.2.2 導(dǎo)向系統(tǒng)設(shè)置

導(dǎo)向系統(tǒng)由三角形導(dǎo)向底座和導(dǎo)向輪組成（圖6），導(dǎo)向輪與鋼護筒之間預(yù)留50 mm空隙，圍堰下放中心位置偏離時可通過導(dǎo)向輪支撐在鋼護筒上，并通過千斤頂頂推調(diào)節(jié)圍堰平面位置。

圖6 圍堰導(dǎo)向系統(tǒng)（單位：mm）

圍堰底節(jié)設(shè)置8個固定式導(dǎo)向系統(tǒng)，其余4個節(jié)段每層設(shè)置8個活動式導(dǎo)向系統(tǒng)。活動式導(dǎo)向系統(tǒng)隨圍堰下放，在被水淹沒前，將其拆除安裝至上一層節(jié)段。

3.3 圍堰下放

3.3.1 底節(jié)圍堰提升并拆除拼裝平臺

啟動液壓控制系統(tǒng)，頂升千斤頂。當鋼圍堰吊離圍堰刃角的墊塊0.2 m高后，停止頂升靜置5 min，整個圍堰由平臺支承轉(zhuǎn)變?yōu)榈鯍煜到y(tǒng)承載，完成受力體系轉(zhuǎn)換，拆除臨時撐桿，繼續(xù)整體提升圍堰，保證各下放吊點分級同步提升。開始時每級提升高度不超過5 cm，待提升順利后每級提升高度不超過15 cm。每提升50 cm，復(fù)核圍堰四點高程，確保各吊點平均受力，共提升1.5 m［9］。

利用150 t履帶吊配合氧割，拆除圍堰拼裝平臺。由上至下拆除欄桿、拼裝墊座、分配梁、拼裝牛腿等。

3.3.2 底節(jié)圍堰下放

將導(dǎo)向輪頂推至與鋼護筒貼緊密實，并在下放過程中根據(jù)圍堰傾斜度實時調(diào)整，確保圍堰平面位置偏差符合要求。各下放吊點分級同步下放，開始每級下放高度不超過5 cm，待下放順利后每級下放高度不超過15 cm。圍堰艙壁聯(lián)通孔封閉，下放至自浮，入水深度3.60 m。

3.3.3 圍堰落床

首先吊掛系統(tǒng)鋼絞線第一次收緊，使其均勻受力，精確調(diào)整底節(jié)圍堰平面位置。采用汽車泵對稱均勻澆筑底隔倉艙壁內(nèi)6 m高混凝土并養(yǎng)護至設(shè)計強度。然后吊掛系統(tǒng)回油，下放底節(jié)圍堰至自浮狀態(tài)，入水深度6.44 m。最后通過千斤頂頂推導(dǎo)向輪使其頂緊鋼護筒，進而調(diào)整圍堰平面位置。

吊掛系統(tǒng)鋼絞線再次收緊，利用150 t履帶吊對稱拼裝接高第二節(jié)鋼圍堰，進行水密試驗。吊掛系統(tǒng)回油并下放兩節(jié)鋼圍堰至自浮狀態(tài)，入水深度8.35 m。吊掛系統(tǒng)鋼絞線第三次收緊，澆筑2.2 m高艙壁混凝土，吊掛系統(tǒng)回油下放兩節(jié)鋼圍堰至自浮，入水深度12.00 m。解除吊掛系統(tǒng)，待艙壁混凝土達到設(shè)計要求后，圍堰內(nèi)注水4 m，圍堰入水深度16.10 m。

按設(shè)計依次進行第三節(jié)到第五節(jié)圍堰拼裝下放施工，直至圍堰落床。

3.4 圍堰吸泥下沉

圍堰落床后開始吸泥下沉，直至設(shè)計位置。在圍堰內(nèi)布設(shè)4套吸泥設(shè)備，采用大功率空氣壓縮機提供空氣壓力。吸泥設(shè)備主要由吸泥導(dǎo)管、儲氣罐、連接板、進水管和進水隔倉組成（圖7）。

圖7 吸泥設(shè)備

將壓縮空氣輸送到水下空氣儲氣罐，儲氣罐內(nèi)空氣通過吸泥管壁四周氣孔排到吸泥管內(nèi)，形成負壓，進而吸泥并排出。同時進水隔倉的水在出水口處高壓噴出，以松動泥沙層，增加吸泥工效。

吸泥方向由內(nèi)向外，4套吸泥設(shè)備同步對稱吸泥。打開圍堰雙壁上的側(cè)板連通孔，保證封底施工過程中圍堰內(nèi)外江水連通，水位保持平衡。

圍堰下沉過程中對圍堰平面位置、垂直度進行實時監(jiān)測，如有異變立即停止，由潛水員下水檢查整個作業(yè)平面，然后作處理。圍堰下放至設(shè)計高程以上1 m左右時由吸泥機進行精吸，確保圍堰精確下放到設(shè)計位置［10］。

3.5 智能監(jiān)控

在深水下沉過程中大直徑圍堰姿態(tài)受水流、風荷載等影響較大，注水時圍堰內(nèi)外水位差也會影響圍堰的受力。

采用深水大直徑超高鋼圍堰下沉智能化監(jiān)控系統(tǒng)（圖8），對圍堰下沉全過程進行實時監(jiān)控。

圖8 智能化監(jiān)控系統(tǒng)

該監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能包括：

1）數(shù)據(jù)自動采集、上傳。在圍堰頂部及控制位置預(yù)設(shè)自動采集和上傳數(shù)據(jù)的傳感器、測地型全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）接收機、深井液位測量儀等設(shè)備，對圍堰下沉過程中的圍堰姿態(tài)、壁板應(yīng)力及圍堰內(nèi)外水位差實時無線監(jiān)控。

2）數(shù)據(jù)無線傳輸、快速分析處理和預(yù)警。將傳感器自動連續(xù)采集的各項數(shù)據(jù)實時傳輸至后臺控制系統(tǒng)，通過后臺處理器快速運算分析，以圖表等形式實時直觀展示圍堰三維下沉姿態(tài)及受力狀況。若圍堰下沉姿態(tài)及受力偏差超出安全范圍，報警機制會智能化預(yù)警。

采用智能化監(jiān)控系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)人工監(jiān)測頻率低，數(shù)據(jù)不及時、精度較差、無法預(yù)警等問題，大大提高了深水大直徑鋼圍堰下放監(jiān)控的準確性。

4 結(jié)論

1）雙壁鋼圍堰工廠內(nèi)分塊制作，現(xiàn)場分節(jié)拼裝后整體下放，有利于圍堰質(zhì)量控制。

2）采用先樁后堰法施工，先搭設(shè)水上鉆孔施工平臺，待樁基施工完成對平臺進行改造并提前安放拼裝墊座，用于雙壁鋼圍堰整體拼裝，確保圍堰現(xiàn)場整體拼裝安全。

3）在永久樁及輔助樁的接高鋼護筒上安設(shè)鋼圍堰下放系統(tǒng)，很好地解決了超高圍堰底節(jié)下放難題；在圍堰內(nèi)側(cè)設(shè)置由三角形導(dǎo)向底座和導(dǎo)向輪組成的下放導(dǎo)向系統(tǒng)，有利于圍堰平面位置精度控制。

4）圍堰下沉吸泥設(shè)備為圍堰快速平穩(wěn)下沉提供了保障。智能化監(jiān)控系統(tǒng)對圍堰姿態(tài)、壁板應(yīng)力及圍堰內(nèi)外水位差的實時監(jiān)控和反饋，解決了圍堰在深水下沉過程中受水流、風荷載等因素影響導(dǎo)致的圍堰受力過大等問題。