一種新型圍堰在舊橋基礎加固工程中的應用

陳偉堅，揭典民，王龍輝

（1、廣東建科建筑工程技術(shù)開發(fā)有限公司 廣州 510500；2、廣東省建科建筑設計院有限公司 廣州 510010）

0 引言

對水中環(huán)境的橋墩、承臺或基礎進行維修加固時，施工過程中通常需要考慮圍堰降水。目前常用的施工圍堰分為土石圍堰［1-2］、板樁圍堰［3-5］和套箱圍堰［6-8］等3類。土石圍堰的修建具有操作簡單、無需使用大型設備的優(yōu)點，但適用范圍小、工人勞動強度大，經(jīng)濟性低，尤其施工區(qū)域水深較大時，例如水深3.0 m以上，土圍堰或竹籠片石圍堰的施工工期長、工人勞動強度很大，圍堰的功效低，對周邊水體影響大，安全性和止水效果沒有保障。板樁圍堰可用于深水環(huán)境，但常用的鋼板樁圍堰施工工藝都很復雜、造價高昂。套箱圍堰一般是在加工工廠分塊定制，然后運到現(xiàn)場，再分塊拼裝成一個整體，最后整體下沉定位到施工現(xiàn)場。工作過程中，不但需要大型起吊設備，并且存在難以精確下沉定位的問題，經(jīng)常受到多種因素的制約。程伊彪等人［9］在廣州海珠橋中墩基礎改造工程中設計了一種分體式雙壁鋼圍堰。該圍堰由2個U形半體拼裝而成，雖然解決了沒法使用大型起重設備的難題，拼接效率也大大提高，但還是避免不了需要運輸浮船托運的問題。

相對于新建橋的水下圍堰工程，舊橋下部結(jié)構(gòu)維修加固的圍堰工程往往伴隨著舊橋下凈空不足、橋梁上部結(jié)構(gòu)承載能力不足、缺失原始設計資料和施工工期緊復雜等施工約束條件［9-10］。特別是處于景區(qū)區(qū)域的圍堰工程，往往還會遇到運輸浮船吃水深度不夠、施工區(qū)域水較深（約4.0 m）、對施工區(qū)域水體環(huán)境要求高以及大型機械設備（如壓樁機、鉆孔機等）無法進場輔助施工等問題，常用的施工圍堰均無法滿足施工條件要求。

為了解決上述問題，本文提出了一種由鋼管支架和鋼板組合而成的新型圍堰。該類圍堰目前已應用在廣東省肇慶市某橋局部維修加固工程當中，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

1 工程應用

下面以肇慶市某橋局部維修加固工程為實例對該新型圍堰進行介紹。

1.1 工程概況

某橋位于肇慶市某景區(qū)入口處，跨越湖泊。全橋總長160.9 m，橋面全寬11.8 m，橋下水深為1.5～4.0 m左右。橋梁與道路正交，橋面鋪裝為混凝土，橋梁的結(jié)構(gòu)形式為連續(xù)拱橋，橋墩為漿砌石結(jié)構(gòu)。由于1#、2#橋墩的漿砌石突然脫空、塌落（見圖1）造成了橋面下沉嚴重，業(yè)主單位隨即對該橋進行了全橋交通全封閉處理，并委托有資質(zhì)的檢測單位出具了《肇慶某橋檢測項目檢測報告》。檢測報告顯示該橋技術(shù)狀況等級評定為E 級（危險狀態(tài)），按照《城市橋梁養(yǎng)護技術(shù)標準：CJJ 99—2017》［11］要求，急需進行維修加固處理。

圖1 橋墩脫空狀況Fig.1 The Void Beneath Bridge Pier

本項目由于砌石橋墩破損程度較大不適合采用“濕法加大截面”對橋墩進行加固，因此采取了對橋墩圍堰降水后再進行“干法加大截面”的加固處理方案。但是，此方案對橋墩圍堰降水時遇到了以下問題：

⑴由于該橋處于危險狀況（橋面交通禁行）、湖水深度不滿足大型貨船的吃水深度、橋下凈空不夠等因素，大型設備根本無法從橋面或水域進入施工區(qū)域，因此，該項目無法采用鋼板樁圍堰或雙壁鋼圍堰；

⑵由于該橋位于市中心景區(qū)內(nèi)，該項目如果采用堆砌式圍堰，圍堰工程量大，工期長，對湖水擾動大，影響景區(qū)美觀，并且由于大型機械無法進入施工區(qū)域，圍堰的拆除清理也是一個難題。

由于傳統(tǒng)的圍堰方式在本項目中都不適用，因此提出了一種由鋼管支架和鋼板組合而成的新型圍堰。

1.2 新型圍堰

新型圍堰由腳手架式支架體系、圍堰壁板和沙袋等部件組成，是由圍堰壁板圍繞腳手架式支架體系外側(cè)拼接構(gòu)成的止水結(jié)構(gòu)，其三維示意圖如圖2 所示。本項目的施工圍堰平面示意圖如圖3所示。易于搭設拆解的腳手架式支架體系作為該圍堰的結(jié)構(gòu)主體，由橫桿、豎桿和剪刀撐等鋼管和扣件組成。圍堰壁板由止水鋼板和止水塑料布組成。其中，止水鋼板的內(nèi)側(cè)設有加強肋，增強止水鋼板整體穩(wěn)定性（見圖4）。同時為加強止水效果，止水鋼板的外側(cè)鋪設止水塑料布。止水塑料布上端綁扎固定在腳手架式支架體系的豎桿上，下端通過沙袋固定，如圖5所示。沙袋堆積于圍堰壁板的底部兩側(cè)，用于穩(wěn)固整體的結(jié)構(gòu)體系，避免降水后底部淤泥或泥沙等軟質(zhì)土體發(fā)生向圍堰內(nèi)的移動而使圍堰發(fā)生滲漏、管涌等問題。本項目圍堰的搭設效果如圖6所示。

圖2 新型圍堰三維示意圖Fig.2 Three-dimensional Schematic Diagram of a Novel Cofferdam

圖3 圍堰平面示意圖Fig.3 Schematic Plan View of Cofferdam

圖4 加肋止水鋼板Fig.4 Ribbed Water-stop Steel Plate

圖5 止水塑料布布置Fig.5 The Layout of Water-stop Plastic Cloth

圖6 圍堰搭設效果Fig.6 Cofferdam Erection Effect

1.3 理論計算

新型圍堰體系中的外側(cè)豎桿和止水鋼板為水壓力傳力構(gòu)件，橫桿為主要受力構(gòu)件。新型圍堰可簡化為對稱受壓力學模型，可按鋼管腳手架體系進行設計驗算。驗算的內(nèi)容包括圍堰體系最外層豎桿的強度和剛度驗算、圍堰體系最外層橫桿的強度和剛度驗算、扣件抗滑移驗算和圍堰體系內(nèi)部橫桿的穩(wěn)定性驗算。本工程理論計算的結(jié)果如表1所示。由表1結(jié)果可知，所有驗算內(nèi)容的設計值均低于限值，滿足《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范：JGJ 130—2011》［12］的要求。

表1 理論計算結(jié)果Tab.1 Heoretical Calculation Results

1.4 施工工藝及注意事項

該圍堰體系搭設工藝流程為施工準備?測量放樣?腳手架式支架體系搭設?止水鋼板拼接安裝?止水塑料布和沙袋安裝?降水?堵漏?圍堰區(qū)域施工?圍堰拆除。

該圍堰體系應用過程中應注意以下事項：

⑴腳手架式支架體系可根據(jù)水深程度，調(diào)整豎桿沿圍堰橫向的間距和橫桿沿水深方向的間距。橫桿沿水深高度方向布置，布置要求為：最上面一排橫桿需高于水面，以防止降水時豎桿和止水板向圍堰外傾倒；最下面一排桿件可根據(jù)力學平衡計算結(jié)果與河床底保持一定間距，但從整體穩(wěn)定性考慮，最下面兩排桿件豎向間距不應太大。

⑵圍堰內(nèi)降水開始前、降水過程中應關(guān)注各桿件節(jié)點連接情況，如果發(fā)現(xiàn)節(jié)點松動應及時擰緊。

⑶ 為防止圍堰桿件在拆除過程中發(fā)生安全事故，拆除的順序應為“先搭后拆，后搭先拆”。

2 應用效果

新型圍堰施工靈活簡單，不需大型機械設備輔助，也不受施工區(qū)域凈空限制，可以根據(jù)施工實際情況靈活調(diào)整，施工工期短，對周邊環(huán)境影響較小，社會和環(huán)境效益好。腳手架式支架體系搭設用的鋼制豎桿、橫桿和剪刀支撐可重復利用，節(jié)約資源的同時能有效降低工程造價。

由于新型圍堰在該橋局部維修加固工程中靈活運用，使得維修加固方案安全順利完成，為該項目節(jié)約投資約40萬元，施工工期提前約30 d。施工完成后的荷載試驗結(jié)果表明，加固后的1#、2#橋跨滿足汽-10級的使用要求。另外，該橋由于新型圍堰的應用，在維修加固施工過程中仍能供游客和市民開放使用，沒有耽誤景區(qū)的正常運作，贏得業(yè)主和市民的一致好評。

3 結(jié)論

本文提出一種新型施工圍堰結(jié)構(gòu)，可以在水深較深（1.5～4.0 m）、水體環(huán)境要求高、大型機械無法進入、凈空高度受限制的區(qū)域施工，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、止水效果良好。對比板樁圍堰法，該圍堰方法不需大型機械設備輔助，也不受施工區(qū)域凈空限制，可根據(jù)施工實際情況靈活使用，經(jīng)濟性好。與堆砌圍堰法對比，該圍堰方法適用范圍更廣，土石方量作業(yè)更少，拆除更簡單，更環(huán)保。通過實際工程證明，鋼管支架+鋼板圍堰是一種有效地圍堰降水方法，為圍堰降水提供了更有效的方法，具有大力推廣應用的實際價值，爭取早日形成一套標準工法，以供業(yè)界使用。