某高速公路大橋深水雙壁鋼圍堰下沉施工技術(shù)要點(diǎn)分析

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（湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，湖南長沙 410000）

0 引言

隨著高速公路和高速鐵路的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了大量的江河、湖泊和庫區(qū)等深水區(qū)橋型。這些橋型因水文、地質(zhì)情況的復(fù)雜性，大多采取了無底型雙壁鋼圍堰的形式。但在施工過程中，由于地質(zhì)和環(huán)境異常變化、施工工藝控制不當(dāng)、施工經(jīng)驗(yàn)不足、施工管理措施缺乏、預(yù)案不充分等諸多原因，在下沉過程中產(chǎn)生偏差，從而導(dǎo)致施工速度和后期施工環(huán)節(jié)受到不同程度的影響。以某湘江特大橋106主墩實(shí)際工程作為案例，介紹了在圍堰施工過程中經(jīng)常出現(xiàn)的幾個(gè)難點(diǎn)和相應(yīng)的處理措施，并提出了施工注意事項(xiàng)。

1 工程概況

1.1 設(shè)計(jì)概況

某高速公路大橋106主墩為分離式承臺(tái)，承臺(tái)分左右幅布置，雙幅之間間距1.65m，單個(gè)承臺(tái)尺寸為13.6m×13.6m×4.5m，采用C30 混凝土。在106主墩承臺(tái)工程中，以無底型雙壁鋼圍堰為擋水結(jié)構(gòu)，承臺(tái)模板為鋼質(zhì)圍堰，內(nèi)壁比承臺(tái)外側(cè)增大20cm，鋼圍堰壁護(hù)壁厚度為1.5m。 其外部鋼圍堰規(guī)格為長32.25m×寬17m×高22.39m，封底厚度3.5m，重量約570t。雙壁鋼圍堰頂部標(biāo)高為30.0m，鋼圍堰底部標(biāo)高為7.61m。表1和圖1為106主墩雙壁鋼圍堰設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)形式。

表1 106#主墩雙壁鋼圍堰總體設(shè)計(jì)參數(shù)表

圖1 106#主墩雙壁鋼圍堰總體設(shè)計(jì)平面示意圖（單位：m）

1.2 地質(zhì)及河床地貌

通過對該地區(qū)的地質(zhì)勘查和鉆井資料分析，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)主要分布第四系全新統(tǒng)人工填土、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、砂層圓礫等，第四系更新統(tǒng)粉質(zhì)黏土、砂層、碎石類土、膠結(jié)砂層等。

106主墩位處細(xì)砂層頂面標(biāo)高為15.6m，厚度為6.18m；礫砂層頂面標(biāo)高為9.42m，厚度為11.60m；細(xì)砂層頂面標(biāo)高為-2.18m，厚度為1m；礫砂層頂面標(biāo)高為-3.18m，厚度為10.10m。受河水沖刷影響，在106主墩承臺(tái)施工區(qū)域，縱剖面自東向西呈遞減趨勢，河床標(biāo)高范圍為12.2～15.6m，高差約3.4m；橫剖面自上游至下游呈遞減趨勢，河床標(biāo)高范圍為13.8～14.4m，高差約1m。 106主墩河床地貌圖如圖2所示。

圖2 106#主墩河床地貌剖面圖

2 方案概述

根據(jù)大橋現(xiàn)場的實(shí)際情況，圍堰施工采用在墩位現(xiàn)場進(jìn)行鋼圍堰拼裝并下沉。在墩位處施工平臺(tái)上，將刃腳及底節(jié)鋼板圍堰拼裝完畢后，進(jìn)行焊縫質(zhì)量檢測，安裝導(dǎo)向樁，準(zhǔn)備工作完成后開始下沉。根據(jù)圍堰下沉情況及時(shí)接高和將混凝土注到圍堰間，然后在水下進(jìn)行著床。在墩位處施工平臺(tái)上，安裝2 臺(tái)空氣壓縮機(jī)、吹砂管道、風(fēng)管等，吹砂下沉。吹砂機(jī)具可采用Φ325 型號(hào)無縫鋼管或?qū)Ч?。在圍堰的?nèi)側(cè)設(shè)置3個(gè)直徑為Φ325 的吸泥機(jī)，用于排出圍堰中的淤泥。在下沉過程中，做好測量觀測，并及時(shí)進(jìn)行圍堰糾偏，確保施工質(zhì)量及安全。

3 主要施工過程

3.1 圍堰水中下沉

圍堰底部安裝完成后，著床前在水中漂浮。圍堰在這個(gè)時(shí)期下沉比較容易，但更容易偏位，均勻注水到圍堰間隔艙內(nèi)，然后均衡注水并澆筑刃腳混凝土，圍堰就能克服浮力下沉，保證圍堰刃腳的精度。觀測圍堰的沉降情況，對圍堰的高度、刃腳的高度、頂面的高度、水位的高度、圍堰內(nèi)外水頭差、圍堰艙壁內(nèi)澆筑混凝土的厚度等數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)。在下沉過程中，要注意圍堰頂需高出水面1m 以上。

3.2 圍堰著床

圍堰著床工作應(yīng)盡量安排在水位低、流速小的時(shí)候進(jìn)行。在河床清理平整后，在圍堰的設(shè)計(jì)部位偏上游區(qū)域的一定范圍，采用均勻的拋擲方式投入碎石，不僅可以減小河床的局部沖蝕，而且能使河床的底面平整，從而避免了后期的泥砂沉積，對圍堰的著床有利；鋼圍堰著床之前，潛水人員在水中對河道進(jìn)行細(xì)致的測量，采用空氣壓縮機(jī)進(jìn)行吹拂，以減小水面高度的差異。為保證鋼圍堰的精確、順利著床提供有利的環(huán)境。

圍堰著床時(shí)，應(yīng)首先進(jìn)行注水下沉，當(dāng)刃尖距河床高度0.5m 左右時(shí)，才能結(jié)束。采用吹砂設(shè)備進(jìn)行河道平整，并適時(shí)進(jìn)行均勻的注水下沉，使圍堰整體漂浮。當(dāng)圍堰底部的水位變化到1m 左右時(shí)，馬上開始啟動(dòng)多個(gè)水泵，將水流均勻地注入邊壁，以便盡可能地讓刃腳接觸到河床。

鋼圍堰正式著床后，現(xiàn)場應(yīng)加強(qiáng)對河床沖刷及圍堰偏斜情況的檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)調(diào)整。

3.3 圍堰吹砂下沉

圍堰下沉采用空氣壓縮機(jī)及吹砂管進(jìn)行吹砂的方式，其原理為：在吹砂管外安插2 根鍍鋅管，將高壓空氣分別送入吹砂管底及距管底2～3m 處，與吹砂管內(nèi)泥漿混合；經(jīng)充氣后在吹砂管內(nèi)產(chǎn)生低壓區(qū)，連續(xù)充氣，使吹砂管內(nèi)外壓差不斷增大；當(dāng)達(dá)到一定的壓力差后，平衡被打破，泥砂在高壓作用下從吹砂管內(nèi)上返噴出。此種方式和采用泵機(jī)進(jìn)行吸泥相比，操作更簡便、效率更高、適用于更多種類型的地質(zhì)情況。

圍堰刃腳進(jìn)入河床并澆筑刃腳混凝土后，布置空氣壓縮機(jī)、吹砂管道、進(jìn)氣管等，進(jìn)行吹砂下沉。圍堰吹砂下沉施工平面布置如圖3所示。

圖3 圍堰吹砂下沉施工平面布置圖

在覆蓋層中，由于圍堰自身的重力、艙內(nèi)部的水壓、混凝土自身重量等因素，能夠使其與外壁及泥砂層之間的摩擦減少，通過吹砂減少刃尖下的阻力從而使其下沉。圍堰吹砂下沉應(yīng)按照先中間后四邊、先高后低、及時(shí)糾偏的原則進(jìn)行。圍堰吹砂下沉對稱布置3 個(gè)吹砂點(diǎn)，其中一個(gè)吹砂點(diǎn)布置在圍堰中心區(qū)域，主要設(shè)備為3 臺(tái)吊車、4 套空氣壓縮機(jī)及配套儲(chǔ)氣罐、3根吹砂管道、6 根進(jìn)氣管等。

吹砂首先在河床高程較高側(cè)進(jìn)行，待兩側(cè)高差為30～50cm，在圍堰四周布置2 個(gè)吹砂點(diǎn)進(jìn)行對稱吹砂，在圍堰中心布置1 個(gè)吹砂點(diǎn)。在下沉過程中，安排專人對圍堰內(nèi)外刃腳區(qū)進(jìn)行測量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)，適時(shí)移動(dòng)吹砂機(jī)位置，吹砂機(jī)依靠平臺(tái)上吊車進(jìn)行移動(dòng)。

在鋼圍堰下沉過程中，如發(fā)現(xiàn)下沉較困難，可派潛水員攜高壓水槍下潛至圍堰內(nèi)四周刃腳處，對刃腳下進(jìn)行局部射水，刃腳處土體沖刷距刃尖50cm 為最佳，既可使圍堰順利下沉，也可保證圍堰外不會(huì)涌砂至圍堰內(nèi)。

4 圍堰下沉施工的控制要點(diǎn)

其一，圍堰著床后，就進(jìn)入了覆蓋層的土體沉降施工。在施工前期，因填埋厚度較低，若在圍堰內(nèi)噴砂不勻，在不均衡的土體邊受力情況下，極易發(fā)生傾角和變形，必須對圍堰進(jìn)行監(jiān)測，掌握其沉降狀況，及時(shí)糾正偏差。

其二，圍堰調(diào)平后，在坡度不超過1%的情況下，噴砂器可以同時(shí)啟動(dòng)均勻地噴砂，使圍堰的中央泥面低于刃腳泥面1～2m，形成鍋底狀，但必須確保刃尖處泥面比刃尖高，以免發(fā)生翻砂。每隔2h 對圍堰的淤泥表面進(jìn)行觀測。根據(jù)實(shí)測資料，畫出等高線，按照等高線圖紙對噴砂位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保整個(gè)網(wǎng)箱內(nèi)部呈均勻的平頂形狀，以確保圍堰中心的最低點(diǎn)低于刃腳最高處1～2m。

其三，當(dāng)所有的圍堰刃腳都處于河床的穩(wěn)定水深時(shí)，依據(jù)圍堰的沉陷速度向圍堰艙內(nèi)進(jìn)行澆筑。為了防止圍堰發(fā)生傾斜和位移，必須均勻地進(jìn)行圍堰的澆筑。

其四，圍堰著床后，由于河床的斷面被擠壓，水流速度增加，容易造成下游河段的局部沖蝕，造成下游圍堰底處的泥砂堆積，甚至造成圍堰的傾角。所以，當(dāng)出現(xiàn)涌砂現(xiàn)象時(shí)，必須及時(shí)停止工程施工，并在圍堰外側(cè)投擲砂包，以減小水流的沖擊，并使圍堰內(nèi)外的水位達(dá)到均衡。同時(shí)對圍堰內(nèi)部的河床進(jìn)行修整，確保其穩(wěn)定性。

其五，定期測量堰頂水位，確保圍堰內(nèi)外水位均衡，如有任何不正?，F(xiàn)象，應(yīng)立即進(jìn)行調(diào)節(jié)。

其六，對圍堰下沉進(jìn)行引導(dǎo)，做好施工記錄，并將相關(guān)數(shù)據(jù)記錄在專門的記錄簿上，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，了解其沉降的變化規(guī)律，如坡度、傾斜率、位移等，一旦出現(xiàn)異常，立即進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

5 圍堰下沉糾偏糾斜及防涌砂措施

為了確保鋼圍堰的正常下沉，在下沉期間，應(yīng)加大對其偏移的監(jiān)測。通常在每隔0.5m 處觀察一次平面的方位和垂直度，一旦出現(xiàn)傾角或偏差，應(yīng)立即進(jìn)行糾正。

偏側(cè)取土法：在圍堰沉降時(shí)，首先用吹砂機(jī)把砂粒從中心向周圍分散，形成一個(gè)鍋底的形狀，這樣可以保證圍堰的整體沉降。如果發(fā)生偏移或者傾角，可以采用偏側(cè)取土法，也就是在刃腳較高的一邊吹砂，以實(shí)現(xiàn)糾偏。

偏載壓重法：如果使用偏側(cè)取土法仍然無法實(shí)現(xiàn)糾正，先了解刃腳所在的河床狀況，如果刃腳底部有巖石或底部不平，則必須在水中清理。偏載壓重法配合偏側(cè)取土法多次運(yùn)用，達(dá)到圍堰糾偏的目的。

因?yàn)樵趪呦鲁吝^程中，抽水及其他施工極易造成河床擾動(dòng)，涌砂。因此，在圍堰下沉?xí)r，尤其是抽砂時(shí)，要及時(shí)向圍堰內(nèi)補(bǔ)水，保證堰內(nèi)水位比堰外水位高0.5～1m。另外，在堰內(nèi)抽砂時(shí)，要注意不要在刃腳處一次進(jìn)尺太多，同時(shí)堰內(nèi)河床均勻下降，否則容易造成翻砂和涌砂，導(dǎo)致圍堰偏位。

6 結(jié)語

現(xiàn)階段，我國在大跨度深水大橋的地基工程中，采用了大量的大型雙壁鋼圍堰施工措施。大型雙壁鋼圍堰的跨度結(jié)構(gòu)大、重量大，易受水流的強(qiáng)烈干擾，并且工期較長，因此是工程建設(shè)中的一個(gè)難題。雙壁鋼圍堰下沉也是圍堰工程的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。大橋在深水采用雙壁鋼圍堰下沉施工的工程實(shí)踐對其他工程有一定的借鑒作用。