深水復(fù)雜地質(zhì)下的鋼圍堰設(shè)計(jì)及施工技術(shù)

曾雄星 方鐵橋

（中交一公局第三工程有限公司，北京 101102）

0 引言

近年來，隨著橋梁工程施工技術(shù)不斷地發(fā)展，雙壁鋼圍堰技術(shù)被越來越廣泛地應(yīng)用于橋梁工程水下樁基施工中。開州大橋鋼圍堰施工中，采用多種施工機(jī)械，先開挖溝槽，再整體拼裝下放的工藝，克服了圍堰處水下地質(zhì)堅(jiān)硬的難題；通過自制小挖斗，克服了鋼護(hù)筒與圍堰之間空間受限、清淤困難的難題；通過內(nèi)支撐及相應(yīng)補(bǔ)強(qiáng)措施、鋼圍堰應(yīng)力監(jiān)測(cè)等方式，確保了圍堰整體穩(wěn)定性及施工安全，提高了施工效率，節(jié)約了成本，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著。

1 依托工程簡(jiǎn)介

1.1 工程概述

開州大橋跨越濱湖西路和漢豐湖。主橋采用單塔雙索面斜拉橋，引橋?yàn)閱慰珙A(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁，全橋跨徑布置為35m+（95+110）m，橋梁全長(zhǎng)250m。

索塔位于湖中，采用承臺(tái)接群樁基礎(chǔ)形式，單幅承臺(tái)設(shè)置12 根直徑2.2m，長(zhǎng)27m 的樁基，共24 根。單幅承臺(tái)長(zhǎng)20.5m，寬15m，嵌入河床，為深埋式承臺(tái)。

1.2 地質(zhì)水文條件

圍堰承臺(tái)區(qū)域：在標(biāo)高161.06～154.26m 范圍內(nèi)為砂夾卵石（7m），154.26～139.06m 范圍內(nèi)為粉質(zhì)黏土（15m），往下為泥巖、砂巖?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工時(shí)，粉質(zhì)黏土層硬度很高。

漢豐湖河床標(biāo)高160m，承臺(tái)底標(biāo)高154.186m，常水位168.5m，受三峽庫(kù)區(qū)蓄水影響，最高水位達(dá)173.5m，即該承臺(tái)嵌入河床深度近6m，最高水深近14m，最大水位差近達(dá)20m。

2 鋼圍堰設(shè)計(jì)

主墩承臺(tái)施工采用雙壁鋼圍堰[1-2]，鋼圍堰作為承臺(tái)及墩身施工時(shí)的擋水結(jié)構(gòu)，并作為承臺(tái)施工的模板結(jié)構(gòu)。

鋼圍堰壁體內(nèi)輪廓尺寸較承臺(tái)外輪廓尺寸外擴(kuò)50mm，單套鋼圍堰分為3 個(gè)節(jié)段，底節(jié)高7.5m，重142.2t；中節(jié)高5.1m，重106.8t；頂節(jié)高7.5m，重141.8t。

3 施工工藝流程及操作要點(diǎn)

施工工藝流程圖如圖1 所示。

圖1 鋼圍堰施工流程圖

3.1 鋼圍堰加工制造

（1）根據(jù)起吊設(shè)備確定鋼圍堰拼裝單元的劃分，單層圍堰分為10 個(gè)節(jié)段。

（2）鋼圍堰單元加工時(shí)，需嚴(yán)格保證圍堰各部焊縫的焊接質(zhì)量，并對(duì)圍堰外殼進(jìn)行水密性試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，采用煤油法進(jìn)行檢查。

（3）制造時(shí)，必須嚴(yán)格控制每塊隔艙板在單元塊中的位置。控制好該尺寸，既可保證結(jié)構(gòu)尺寸，而且能保證以后上下節(jié)對(duì)接時(shí)，避免出現(xiàn)隔艙板錯(cuò)位導(dǎo)致無法對(duì)接的現(xiàn)象。

（4）在焊接過程中進(jìn)行外觀檢查和測(cè)量，在焊接完工后同樣要進(jìn)行檢驗(yàn)。

（5）圍堰制造要放樣準(zhǔn)確，加工成型后，上下節(jié)圍堰的豎肋及隔艙板嚴(yán)格對(duì)齊。同一節(jié)圍堰各分塊相鄰水平環(huán)板必須嚴(yán)格對(duì)齊。上下節(jié)豎向角鋼必須與水平環(huán)板焊牢。

3.2 鋼圍堰拼裝

總體拼裝方法：鋼圍堰壁體分塊在加工廠制作，分塊拼裝。索塔樁基施工完成后，利用85t 履帶吊逐跨拆除鉆孔鋼平臺(tái)；利用棧橋鋼管立柱和鉆孔平臺(tái)鋼管立柱搭設(shè)拼裝平臺(tái)，拼裝底節(jié)鋼圍堰，焊接導(dǎo)向裝置；利用千斤頂下放底節(jié)壁體；鋼圍堰選擇在風(fēng)平浪靜的氣象條件下進(jìn)行下放[3-4]。鋼圍堰整體拼裝如圖2 所示。

圖2 鋼圍堰整體拼裝

3.2.1 底節(jié)鋼圍堰拼裝及下放

（1）開挖圍堰溝槽。摸清圍堰處的地質(zhì)情況，選擇合適的施工工藝至關(guān)重要。常用的有2 種方式：一是采用吸泥下沉工藝，即靠圍堰自重、注水增重+泥漿泵清泥結(jié)合的方式；二是利用機(jī)械設(shè)備先挖出鋼圍堰溝槽后，再進(jìn)行鋼圍堰拼裝下放。

該工程圍堰處地質(zhì)為砂夾卵石層和粉質(zhì)黏土層，該處粉質(zhì)黏土層很硬，采用用先挖溝槽、再拼裝下放圍堰的工藝。采用伸縮臂抓斗、伸縮臂挖機(jī)、長(zhǎng)臂挖機(jī)相結(jié)合的方式進(jìn)行，如圖3 所示。槽底距河床面深度約7m，挖機(jī)施工平臺(tái)到槽底的深度約20m。

圖3 多種挖機(jī)結(jié)合作業(yè)

（2）搭設(shè)拼裝平臺(tái)。鉆孔樁施工完成之后，利用外圈鋼管立柱和棧橋鋼管搭設(shè)拼裝平臺(tái)。為保證圍堰底節(jié)平整，在平臺(tái)上設(shè)置鋼墊塊（鋼板）進(jìn)行找平，鋼墊塊頂面標(biāo)高誤差＜5mm。

（3）設(shè)置導(dǎo)向裝置。為保證圍堰下放過程中，起平面位置準(zhǔn)確，在圍堰內(nèi)側(cè)壁上安裝限位導(dǎo)向裝置（對(duì)應(yīng)導(dǎo)向位置的隔倉(cāng)內(nèi)和鋼護(hù)筒做加強(qiáng)處理）。鋼護(hù)筒可能存在傾斜，需提前測(cè)量鋼護(hù)筒垂直度，并根據(jù)其垂直度適當(dāng)調(diào)整導(dǎo)向裝置尺寸，使導(dǎo)向裝置與鋼護(hù)筒接觸面鉛直。

（4）底節(jié)鋼圍堰拼裝。①放樣：以設(shè)定的圍堰的中心軸線為基準(zhǔn)，在平臺(tái)面上放出圍堰側(cè)板的位置線，放樣時(shí)按圖紙尺寸放樣；②抄墊：由于拼裝平臺(tái)的高低不平，設(shè)置鋼墊板抄墊平鋼圍堰；③拼裝：利用履帶吊分塊依次拼裝底節(jié)鋼圍堰，拼裝時(shí)，在內(nèi)外壁制作三角支架，保證拼裝側(cè)板的穩(wěn)定性和安全性；④焊縫檢驗(yàn)：包括焊縫本身質(zhì)量的檢驗(yàn)和煤油滲透試驗(yàn)。煤油滲透試驗(yàn)步驟為：在焊縫一側(cè)涂上石灰粉，另一側(cè)涂上煤油，觀察其滲透情況。如果滲至反面，則做出標(biāo)記，將該處焊縫鏟除，重新按規(guī)定復(fù)焊，但不能堆焊。

（5）圍堰整體下放。鋼圍堰提升下放系統(tǒng)：采用8套60t 千斤頂作為動(dòng)力，安裝在承重架上，輔助進(jìn)行鋼圍堰提升及下放作業(yè)。圍堰下放要點(diǎn)為：底節(jié)圍堰拼裝完成后，檢查下放結(jié)構(gòu)各部分，受力滿足要求后，把圍堰提升一定高度（50cm 左右），拆除圍堰范圍內(nèi)拼裝平臺(tái)，使底節(jié)圍堰緩慢下放，圍堰下放到水面。圍堰下放過程中，確保圍堰下放的同步性。

3.2.2 中節(jié)、頂節(jié)鋼圍堰拼裝

底節(jié)節(jié)圍堰下放完成并將圍堰調(diào)整好位置后，拆除下放系統(tǒng)，分塊對(duì)稱拼裝中節(jié)圍堰壁體，再依次接高拼裝頂節(jié)，并及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，確保鋼圍堰垂直度。上下節(jié)分層處，設(shè)置拼裝及焊接操作平臺(tái)。

3.2.3 鋼圍堰下沉及圍堰內(nèi)清淤

（1）鋼圍堰下沉：通過利用水泵往隔倉(cāng)內(nèi)注水增重的方式，使圍堰下沉著床，特別注意要對(duì)稱注水，防止圍堰傾斜。

（2）圍堰內(nèi)清淤：利用長(zhǎng)臂挖機(jī)和伸縮臂挖機(jī)結(jié)合的方式進(jìn)行圍堰內(nèi)的清淤工作，清理到底后，潛水員用高壓水槍和鋼刷對(duì)鋼圍堰刃腳、護(hù)筒周邊和基底進(jìn)行認(rèn)真清理，防止產(chǎn)生薄弱區(qū)，確保封底混凝土與樁基、圍堰緊密結(jié)合。鋼護(hù)筒間、鋼護(hù)筒和圍堰間空間受限，可以自制小挖斗，用于空間受限區(qū)域作業(yè)，如圖4 所示。

圖4 自制小挖斗清淤

（3）突發(fā)情況處理：該工程在底節(jié)圍堰拼裝下放后，橋址處遇大洪水，導(dǎo)致圍堰溝槽內(nèi)回淤，挖機(jī)無法對(duì)圍堰溝槽區(qū)域進(jìn)行清理，現(xiàn)場(chǎng)采用空壓機(jī)氣舉反循環(huán)工藝，潛水員利用高壓水槍配合處理。

3.2.4 夾壁混凝土澆筑

鋼圍堰精確定位并著床后，在隔倉(cāng)內(nèi)澆筑C25 混凝土。采用水下混凝土澆筑方式，對(duì)稱澆筑，相鄰隔倉(cāng)混凝土澆筑高度高差控制在1m 左右?；炷翝仓叨纫话憧刂圃诤统信_(tái)頂標(biāo)高齊平。

3.2.5 鋼圍堰封底

澆筑順序：從圍堰一頭往另一頭趕，一次性澆筑到位。

要結(jié)合混凝土的流動(dòng)半徑計(jì)算布料點(diǎn)數(shù)量并布置好，及時(shí)追蹤檢測(cè)澆筑點(diǎn)位混凝土頂面標(biāo)高，防止混凝土超高，影響后期承臺(tái)施工，或欠方封底厚度不夠，影響度洪安全及后期承臺(tái)施工風(fēng)險(xiǎn)。在灌注封底混凝土的同時(shí)，要隨時(shí)測(cè)量圍堰內(nèi)外水頭差，并及時(shí)向外排水，使圍堰內(nèi)外水位基本保持一致。

多做混凝土試塊，封底混凝土澆筑完后，把混凝土試塊放到圍堰內(nèi)水中去，做同條件養(yǎng)護(hù)試塊，以便精確掌握混凝土的強(qiáng)度。正常情況下，封底后7d 可進(jìn)行抽水。

問題處理：如果出現(xiàn)了部分漏水現(xiàn)象，不要強(qiáng)行去堵、去引開，可以利用預(yù)留的20～30cm 高度做一個(gè)透水層，把水匯集到一個(gè)位置抽走。

3.2.6 鋼圍堰內(nèi)支撐施工

內(nèi)支撐可和圍堰抽水時(shí)同時(shí)施做，每抽水一層，焊接一層內(nèi)支撐。內(nèi)支撐焊接時(shí)，一定要精確定位，保證鋼管的中線與圍檁的中線一致、水平。隔艙在內(nèi)支撐相應(yīng)位置要對(duì)應(yīng)補(bǔ)強(qiáng)。

3.2.7 鋼圍堰抽水

封底混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，關(guān)閉連通器，圍堰內(nèi)抽水。應(yīng)根據(jù)內(nèi)支撐施工情況抽水，直至圍堰內(nèi)水抽干。鋼圍堰抽水時(shí)，觀察鋼圍堰壁體的變形情況，如發(fā)生異常，立即停止抽水。

夾壁內(nèi)水位應(yīng)根據(jù)實(shí)際水位進(jìn)行調(diào)整，以圍堰內(nèi)外水頭差一半為控制原則。

3.2.8 承臺(tái)澆筑

抽水完成后，在圍堰內(nèi)側(cè)安裝扶梯，割除鋼護(hù)筒及導(dǎo)向裝置，清理樁頭，綁扎鋼筋，澆筑第一層承臺(tái)（2.5m）混凝土。待第一層承臺(tái)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，割除第一層內(nèi)支撐，然后綁扎第二層承臺(tái)鋼筋，澆筑第二層承臺(tái)（2.5m）混凝土。

3.2.9 鋼圍堰拆除

按照“分塊切割、分塊拆除、確保安全”的總體思路進(jìn)行鋼圍堰拆除施工[5]。

鋼圍堰以承臺(tái)頂面標(biāo)高為基準(zhǔn)，基準(zhǔn)標(biāo)高以上的部分分塊切割拆除，分塊切割的鋼圍堰壁板履帶吊起吊。

3.2.10 鋼圍堰監(jiān)測(cè)

圍堰監(jiān)測(cè)在鋼圍堰施工中至關(guān)重要，尤其圍堰抽水，承臺(tái)施工期間。一是圍堰頂圍堰監(jiān)測(cè)；二是圍堰結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)。圍堰應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)如表1 所示。

表1 圍堰應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)

4 現(xiàn)場(chǎng)施工條件改變時(shí)的應(yīng)對(duì)措施

當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際水位與原設(shè)計(jì)水位工況發(fā)生改變時(shí)，要采取相應(yīng)補(bǔ)強(qiáng)措施，并進(jìn)行驗(yàn)算復(fù)核，切勿盲目施工。

該工程右幅鋼圍堰，原設(shè)計(jì)圍堰抽水水位165m，現(xiàn)實(shí)際抽水水位173m，水位增加了8m，采取的加強(qiáng)措施有：（1）封底混凝土厚度由2m 調(diào)整到3.5m，要確保圍堰抗浮穩(wěn)定性滿足要求；（2）提高夾壁混凝土高度和標(biāo)號(hào)，增加夾壁混凝土抵抗應(yīng)力能力；（3）增加一層鋼管內(nèi)支撐或增大內(nèi)支撐鋼管規(guī)格。

5 結(jié)束語

本文以開州大橋鋼圍堰工程為例，介紹了復(fù)雜地質(zhì)下鋼圍堰的設(shè)計(jì)、施工技術(shù)及施工中突發(fā)情況下的處理措施，總結(jié)出了一套深水鋼圍堰施工技術(shù)。通過多種設(shè)備結(jié)合的方式，解決了水中清淤難題，通過圍堰內(nèi)支撐安裝及圍堰應(yīng)力監(jiān)測(cè)等方式，確保了圍堰整體穩(wěn)定性及承臺(tái)施工期間的施工安全，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。