橋梁鋼圍堰施工技術(shù)及變形監(jiān)測(cè)分析

陳 斌

（中鐵十九局集團(tuán)第二工程有限公司，遼寧遼陽(yáng) 111000）

0 引言

建設(shè)工程水下結(jié)構(gòu)施工通常需要輔助措施才能施作，圍堰是一種廣泛應(yīng)用的有效方式。對(duì)于深水區(qū)作業(yè)，雙壁鋼圍堰強(qiáng)度高、剛度大，能適應(yīng)各種構(gòu)造形式、復(fù)雜環(huán)境及地質(zhì)條件，又可兼做承重施工機(jī)具、工作平臺(tái)的結(jié)構(gòu)等，是最常用的施工方式[1-2]。鋼圍堰屬于施工臨時(shí)輔助結(jié)構(gòu)，是重要的控制水下安全施工質(zhì)量的組成部分，國(guó)內(nèi)外鋼圍堰安全質(zhì)量事故頻發(fā)，一旦發(fā)生事故將造成不可估量的損失，因此施工監(jiān)控工作是鋼圍堰安全使用的必要條件[3]。

1 工程概況

某橋梁工程主橋使用上承式連續(xù)五跨混凝土拱橋。該橋梁工程P3、P4 墩位處水位較深且變化較大，采用雙壁鋼圍堰圍水施工。圍堰的設(shè)計(jì)首先應(yīng)該根據(jù)水文資料確定圍堰設(shè)計(jì)水位，并根據(jù)河床標(biāo)高、承臺(tái)底標(biāo)高等設(shè)計(jì)參數(shù)確定圍堰的深度，綜合各項(xiàng)參數(shù)計(jì)算得到7#墩承臺(tái)施工基坑深度達(dá)到19 m。再根據(jù)承臺(tái)結(jié)構(gòu)尺寸，考慮到通航區(qū)圍堰施工需要足夠的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性，初步確定采用雙壁鋼圍堰施工方案，并為各墩左右幅承臺(tái)共用1 個(gè)鋼圍堰形式。圍堰設(shè)計(jì)最高水位取值為7.73 m（20 年一遇洪水水位）。根據(jù)初步確定的圍堰結(jié)構(gòu)形式及尺寸，再進(jìn)行雙壁鋼圍堰細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在進(jìn)行細(xì)化設(shè)計(jì)時(shí)，一定要結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)條件及并考慮施工便利因素。

該橋使用的矩形雙壁鋼圍堰作為承臺(tái)施工期間的水土圍擋結(jié)構(gòu)，為承臺(tái)提供無(wú)水的施工環(huán)境，其斷面形式與承臺(tái)平面布置保持一致。它由內(nèi)外壁板、箱型隔艙板、豎向桁架、水平環(huán)向桁架、刃腳、內(nèi)支撐、導(dǎo)向裝置及連通器等組成。鋼圍堰壁厚1.5 m，外輪廓尺寸為34.8 m×12.8 m，內(nèi)輪廓尺寸為31.8 m×9.8 m?？紤]到鋼圍堰沉放施工誤差調(diào)整及預(yù)留需要，內(nèi)輪廓長(zhǎng)邊方向與承臺(tái)距離最小為0.3 m，最大為0.8 m，內(nèi)輪廓短邊方向與承臺(tái)距離為0.425 m。7#墩矩形雙壁鋼圍堰設(shè)計(jì)頂標(biāo)高為8.3 m，設(shè)計(jì)底標(biāo)高-10.7 m，總高度19 m（包括刃腳），施工水位取+6 m。根據(jù)運(yùn)輸、安裝及施工的需要，圍堰高度從下往上分為4 節(jié)：第1 節(jié)高度5.3 m，第2 節(jié)高度4.2 m，第3 節(jié)高度4.8 m，第4 節(jié)高度4.7 m，每節(jié)平面上共分為12 塊。內(nèi)部設(shè)4 道內(nèi)支撐，支點(diǎn)支于壁體隔艙結(jié)構(gòu)上。

2 鋼圍堰施工的難點(diǎn)

鋼圍堰結(jié)構(gòu)安全是水下施工管控的重點(diǎn)，在其使用過程中的監(jiān)控監(jiān)測(cè)是重要工作內(nèi)容。對(duì)于鋼圍堰垂直度、平面位置、封底與艙壁混凝土標(biāo)高、內(nèi)外部水位差、水流速度等常規(guī)測(cè)量，可以借助普通光學(xué)測(cè)量?jī)x器和簡(jiǎn)易測(cè)試儀器等手段完成監(jiān)測(cè)，但鋼圍堰結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力監(jiān)測(cè)作為監(jiān)測(cè)工作的重難點(diǎn)，鋼圍堰受力參數(shù)是決定鋼圍堰結(jié)構(gòu)安全性的重要因素。通過對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)成果的查閱，應(yīng)力監(jiān)測(cè)目前主要采用預(yù)埋應(yīng)力傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析的手段進(jìn)行，其方法是切實(shí)有效的；變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的研發(fā)相對(duì)落后，相關(guān)課題研究不多，相關(guān)的技術(shù)措施與標(biāo)準(zhǔn)還有待進(jìn)一步完善[4]。

3 鋼圍堰施工技術(shù)

鋼圍堰在加工場(chǎng)地分節(jié)分塊段加工好，經(jīng)檢驗(yàn)合格后，用平板車轉(zhuǎn)運(yùn)到拼裝現(xiàn)場(chǎng)，在作業(yè)平臺(tái)上用履帶吊拼裝。首先，在拼裝平臺(tái)上測(cè)量放樣出底節(jié)鋼圍堰刃腳平面輪廓線及塊段分段線，鋼圍堰的拼裝順序是依次逐塊拼裝，遵循左右對(duì)稱、前后對(duì)稱原則，圍堰先拼裝兩側(cè)短邊節(jié)段，再拼裝長(zhǎng)邊節(jié)段，最后在長(zhǎng)邊節(jié)段合龍。實(shí)際拼接時(shí)要隨拼裝情況進(jìn)行調(diào)整，待全部點(diǎn)焊成型后方可全面施焊。第一塊段鋼圍堰的安裝要嚴(yán)格控制其平面位置尺寸及垂直度偏差，經(jīng)檢測(cè)符合要求后方可固定。當(dāng)拼裝某一塊段時(shí)，發(fā)現(xiàn)其平面位置尺寸及垂直度與設(shè)計(jì)位置誤差較大時(shí)，盡可能切割接縫調(diào)整該塊段的位置，以減少合龍段拼裝時(shí)出現(xiàn)較大的累積誤差。焊接兩塊鋼圍堰之間的拼裝縫，要求用煤油檢測(cè)其滲透情況，焊接應(yīng)采取措施減少面板的變形，先分節(jié)段對(duì)稱跳焊，再補(bǔ)焊到達(dá)滿焊，焊接過程焊接臨時(shí)固定碼板。

拼裝圍堰合龍段前，對(duì)合龍段兩側(cè)間距進(jìn)行監(jiān)測(cè)：監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在兩側(cè)節(jié)段外壁板上，間隔1 m；確保兩側(cè)外壁板垂直度不大于1%，以保證合龍段順利嵌入；在一天當(dāng)中的低溫時(shí)段將合龍段嵌入并焊接固定碼板，再進(jìn)行焊接，以確保圍堰整體尺寸的精度。合攏時(shí)應(yīng)注意：①按照設(shè)計(jì)位置安裝導(dǎo)向槽、定位鉗、限位座以及5 t 倒鏈，在圍堰壁板上標(biāo)定連接鋼板的位置；②通過拽拉倒鏈，調(diào)整導(dǎo)向槽和定位鉗，控制對(duì)接偏差在2 mm 內(nèi)；③圍堰對(duì)接到位后，插入插銷，臨時(shí)鎖定圍堰；④按照標(biāo)定位置焊接連接鋼板[5]。

4 變形測(cè)量方法選擇

鋼圍堰受構(gòu)造特性、使用情況、工作環(huán)境等制約，其變形監(jiān)測(cè)比較困難。利用普通光學(xué)測(cè)量?jī)x器使用測(cè)邊交會(huì)、自貼式反射片取代棱鏡、免棱鏡等方法，不僅不能對(duì)其進(jìn)行直接測(cè)量，其測(cè)量精度較低不能滿足技術(shù)要求。在監(jiān)測(cè)鋼圍堰圓形變形時(shí)，相關(guān)人員把應(yīng)變傳感器在同一鋼圍堰的截面上布置，測(cè)得平均應(yīng)變后換算出結(jié)構(gòu)變形的測(cè)量方法，但運(yùn)用這種方法對(duì)鋼圍堰的變形值進(jìn)行換算得出的并不是局部的變形值，而是一個(gè)平均值，并且運(yùn)用該方法不能測(cè)量異形的鋼圍堰。變形測(cè)量目前比較先進(jìn)的是數(shù)字全信息干涉法，因?qū)υO(shè)備要求高、操作十分繁瑣，衍射計(jì)算復(fù)雜等尚未推廣運(yùn)用，所以想要為鋼圍堰的使用提供安全保障，需要對(duì)測(cè)量鋼圍堰變形的便捷、可靠的方法進(jìn)行研究和探索。結(jié)合國(guó)內(nèi)外結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)技術(shù)研究成果，可以選擇千分表和位移收斂?jī)x作為有效的測(cè)量?jī)x器，其特點(diǎn)是操作簡(jiǎn)便、測(cè)量精度高，運(yùn)用機(jī)械傳遞位移的原理對(duì)測(cè)點(diǎn)位移的變形值進(jìn)行測(cè)量，把兩者有效結(jié)合可對(duì)鋼圍堰的變形進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量[6]。

5 變形監(jiān)測(cè)措施

結(jié)合該大橋鋼圍堰的設(shè)計(jì)文件，運(yùn)用MidasCivil 有限元軟件，按實(shí)際選取鋼圍堰最不利工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力驗(yàn)算，從理論上論證鋼圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性，并找出結(jié)構(gòu)受力較弱的部位，即把監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在其最小剛度、最大變形量的位置，通過對(duì)測(cè)點(diǎn)處的理論變形值進(jìn)行計(jì)算，為建立完善的監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)提供保障。在鋼圍堰使用過程中，運(yùn)用有限元軟件仿真模擬分析鋼圍堰各工況恢復(fù)情況下結(jié)構(gòu)受力情況、內(nèi)外水位差變化等，使用位移收斂?jī)x和千分表測(cè)量相結(jié)合的方式，實(shí)時(shí)采集結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)，通過實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比判定結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)。通過計(jì)算鋼圍堰截面剛度最小、變形量最大的位置在艙壁混凝土頂面向上50 cm處，在此位置沿鋼圍堰內(nèi)壁板面周圈對(duì)稱布設(shè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

鋼圍堰變形測(cè)量宜首選千分表直接測(cè)量，采用千分表測(cè)量需要設(shè)置固定點(diǎn)，但在鋼圍堰抽水和前期橋墩施工時(shí)期并不能搭設(shè)固定支架，所以測(cè)量時(shí)可以使用位移收斂?jī)x。使用位移收斂?jī)x對(duì)鋼圍堰變形進(jìn)行測(cè)量是測(cè)量?jī)蓚€(gè)測(cè)點(diǎn)間距離，因?yàn)榘l(fā)生相對(duì)位移的兩點(diǎn)間測(cè)得距離不同，所以兩點(diǎn)間的相對(duì)位移量就是兩次測(cè)量的距離差，即變形值。

在鋼圍堰入水安裝前應(yīng)先對(duì)監(jiān)測(cè)變形的點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置，使用位移收斂?jī)x設(shè)定兩對(duì)稱測(cè)點(diǎn)間距離的測(cè)量值L，使用鋼圍堰的過程中兩測(cè)點(diǎn)距離為L(zhǎng)i，測(cè)點(diǎn)處實(shí)際變形值是ΔL儀=（L-Li）/2，理論算得監(jiān)測(cè)工況下該測(cè)點(diǎn)的變形值是ΔLi。對(duì)比理論變形值ΔLi和實(shí)測(cè)變形值ΔL儀，如果理論變形值大于實(shí)測(cè)變形值，說(shuō)明實(shí)際結(jié)構(gòu)剛度比理論計(jì)算剛度大，因?yàn)橥ㄟ^理論計(jì)算鋼圍堰各工況的結(jié)構(gòu)變形都符合相應(yīng)的規(guī)范，可判定鋼圍堰結(jié)構(gòu)是安全性；反之則說(shuō)明實(shí)際結(jié)構(gòu)剛度比理論計(jì)算剛度小，但只要其比預(yù)警值小仍然可以對(duì)鋼圍堰結(jié)構(gòu)的狀態(tài)判定為安全，如果超出預(yù)警值則應(yīng)該發(fā)出警報(bào)，并及時(shí)采取針對(duì)性的解決措施。

隨著測(cè)點(diǎn)被不斷增加的墩身施工高度遮擋，圍堰變形便不再適合使用位移收斂?jī)x進(jìn)行測(cè)量，再對(duì)鋼圍堰變形進(jìn)行測(cè)量時(shí)可使用千分表。在對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的墩身位置預(yù)埋托架，然后安裝千分表記錄其初始讀數(shù)是D，而鋼圍堰實(shí)際變形量是運(yùn)用位移收斂?jī)x測(cè)得的ΔL儀=（L-ΔLi）/2 值，也是運(yùn)用千分表對(duì)鋼圍堰變形量測(cè)量的基數(shù)。在監(jiān)測(cè)的過程中千分表的讀數(shù)Di是變形增減量，測(cè)點(diǎn)處的具體變形值是ΔL表=ΔL儀+（Di-D），在監(jiān)測(cè)情況下對(duì)該測(cè)點(diǎn)的變形通過理論計(jì)算得出該值是ΔLi，通過對(duì)比理論變形值ΔLi和實(shí)測(cè)變形值ΔL表，判斷鋼圍堰結(jié)構(gòu)的安全情況。

6 實(shí)踐效果

通過具體的監(jiān)測(cè)施工過程得出，實(shí)測(cè)的結(jié)果和理論數(shù)據(jù)具有較好的吻合性，實(shí)測(cè)鋼圍堰結(jié)構(gòu)變形值比理論計(jì)算值偏大約5%～10%。通過對(duì)深水鋼圍堰變形監(jiān)測(cè)技術(shù)在本工程中的研究及運(yùn)用，表明所選理論與實(shí)測(cè)對(duì)比分析評(píng)價(jià)的監(jiān)測(cè)方案及位移收斂?jī)x與千分表相結(jié)合的測(cè)量方法可行性高、穩(wěn)定性好，為圍堰在各工況下的穩(wěn)定、安全運(yùn)行，為及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握數(shù)據(jù)變化提供了良好的保障，圓滿完成了P3、P4 橋墩深水基礎(chǔ)施工，可在今后類似的鋼圍堰施工監(jiān)測(cè)中推廣運(yùn)用。

7 結(jié)束語(yǔ)

盡管在測(cè)量圍堰變形情況時(shí)采用千分表和位移收斂?jī)x相互結(jié)合的方式的操作相對(duì)簡(jiǎn)單，可以得到準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)，根據(jù)需要對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，對(duì)測(cè)量各種形狀的鋼圍堰變形都比較適用?？茖W(xué)技術(shù)在不斷進(jìn)步與發(fā)展，對(duì)鋼圍堰變形監(jiān)測(cè)技術(shù)仍需要深入研究和探索，提出更有效、便捷的監(jiān)測(cè)手段。