水中橋墩樁基系梁新型圍堰設計及施工技術

鄭忠

摘要：針對傳統圍堰存在著內支撐結構干擾系梁施工及需要潛水員下水封堵作業(yè)等問題，文章依托工程實例，提出一種新型圍堰創(chuàng)新技術，并建立有限元模型進行計算分析。該新型圍堰在5種工況下整體應力應變滿足施工階段的要求，具備足夠的結構安全系數，且無須安裝內支撐結構及潛水員水下封堵作業(yè)，同時減少大量的封底混凝土澆筑，具有一定的推廣應用價值。

關鍵詞：水中樁基系梁；圍堰；封底混凝土；粘結力；有限元

中圖分類號：U445.55+6? ? 文獻標識碼：A

文意編號：1673-4874（2024）04-0156-04

0 引言

在河流上的橋梁建設，需要在水中進行樁基施工，由于受到水深或者橋梁高度等眾多因素影響，為了滿足設計受力要求，部分系梁需設計在水中。但是在水中進行系梁的模板安裝、鋼筋綁扎、混凝土澆筑施工是十分困難的，既要保證作業(yè)人員的安全，又要保證混凝土的質量。水中系梁施工必須要設置圍堰，把圍堰里面的水抽干方能進行鋼筋綁扎和混凝土施工，因此有必要探尋一種經濟、安全、高效的施工方法［1］。

本文介紹一種全新的水中橋墩樁基系梁新型圍堰，從根本上解決了傳統技術的難題，通過采用圍堰構件預先整體拼裝完成，然后用吊裝系統下放；通過拉緊組件以合上堵漏板，無須潛水員下水封堵圍堰結構與樁基鋼護筒之間的間隙，可以減少大量的水下作業(yè)，大大提高施工效率。

1 傳統圍堰技術存在的問題

目前，在水中系梁施工中，一般采用潛水人員下水進行圍堰底板與鋼護筒的縫隙進行密封、防水等工作，然后把圍堰模板進行內部支撐、固定等工序，最終形成一個水中系梁施工圍堰，其施工時存在以下缺點：

（1）需要抽水后安裝內支撐結構，干擾系梁鋼筋綁扎及混凝土澆筑工作。

（2）需要潛水員下水封堵鋼護筒與底板之間的間隙，水下視線不佳，易封堵不到位，導致封底混凝土外漏等問題，同時水下作業(yè)風險大。

（3）傳統圍堰需要澆筑大量的水下封底混凝土，成本高，且圍堰設有圍檁內支撐，會給施工過程的系梁鋼筋綁扎、混凝土澆筑施工造成干擾，影響施工進度。

2 新型圍堰創(chuàng)新技術

本文研發(fā)了一種水中橋墩樁基系梁新型圍堰結構及其施工方法，新型圍堰三維效果圖見圖1。有別于傳統水中系梁施工圍堰，本工法中圍堰結構內部沒有內支撐，系梁底?？梢允孪燃庸?，整體吊裝安裝，外側桁架（施工平臺）可以防止圍堰模板變形，同時又能兼作工人操作平臺，在圍堰結構下放到位之后，方便操作者操縱拉緊組件上的轉動手把，對圍堰結構與樁基鋼護筒周圍空隙進行封模，不用潛水員下水封堵內部的間隙，減少了水下作業(yè)的風險。整體圍堰可以先在水上進行拼裝，然后用吊裝系統實現下放，相比在水中作業(yè)，施工難度小、進度快，安裝方便快捷。

本工法只需在圍堰底端支撐框架內澆筑封底混凝土，與傳統系梁圍堰結構需要在全部底部澆筑封底混凝土相比，可以減少封底混凝土用量，同時上部模板可以回收利用，系梁不用單獨加工模板，節(jié)省材料，節(jié)約成本。

3 新型圍堰應用實例概況

金光大橋位于壇洛鎮(zhèn)下楞村附近，橋梁擬建為4～30 m預應力混凝土箱梁簡支梁橋，橋墩設計為雙柱式墩，樁基礎。

橋梁橋型布置圖見下頁圖2，其中1#、2#、3#橋墩的樁基系梁頂面標高分別為75.834 m、75.962 m、75.834 m，常水位標高為76.4 m，樁基系梁整體位于水中，樁基所屬區(qū)域水深大概在2.2～3.8 m，此范圍水深可采用筑島圍堰方式，形成無水作業(yè)條件后開挖施工樁基系梁，但是金光大橋所處河道屬于水源保護區(qū)，河道主管部門禁止采用填土筑島的方式施工。因此只能采用搭設鋼棧橋鋼平臺的方式施工樁基及系梁。為實現系梁無水作業(yè)施工，須采用鋼板樁圍堰或鋼吊箱圍堰的方式。但傳統圍堰存在較多施工難題，綜合分析后研發(fā)并應用了一種新型圍堰［2］。

4 新型圍堰結構設計

4.1 新型圍堰結構總體布置

水中橋墩樁基系梁新型圍堰結構（圖3、圖4），包括圍堰底端支撐框架、系梁底模、鋼模板組件、吊裝系統和拉緊組件，兩個圍堰底端支撐框架之間安裝有系梁底模，且圍堰底端支撐框架和系梁底模上圍設有鋼模板組件以形成一個圍堰整體結構，拉緊組件安裝在鋼模板組件上，每一個圍堰底端支撐框架上方在相鄰的兩個施工鋼平臺之間均架設有吊裝系統。

4.2 新型圍堰關鍵結構深度設計

4.2.1 圍堰底端支撐框架設計

圍堰底端支撐框架包括槽鋼框架、鋼模板和兩層槽鋼圍檁框架，槽鋼框架上方安裝鋼模板，鋼模板上開設直徑大于樁基鋼護筒直徑的圓孔，方便圍堰結構下放水下時能夠穿過樁基鋼護筒；圓孔的直徑比樁基鋼護筒直徑大10 cm為最佳尺寸。

圍堰底端支撐框架的高度為50 cm，槽鋼框架由槽鋼焊接而成。同時可在圍堰底端支撐框架外側四周焊接支腿，支腿設置相應的螺栓連接預留孔，焊接必須滿焊牢固且避免疊縫滲水，用于支撐安裝在圍堰底端支撐框架上的鋼模板組件［3］。

4.2.2 圍堰堵漏系統設計

鋼模板上面放置兩塊對稱設置的堵漏板，堵漏板上開設半圓槽口，且兩塊堵漏板上的兩個半圓槽口合并時形成的圓形槽口的直徑等于樁基鋼護筒直徑，方便后續(xù)圍堰結構與樁基鋼護筒周圍空隙的封模；堵漏板靠近開口的一端安裝有牽引板。

每塊堵漏板上方在鋼模板組件上均安裝一個拉緊組件，拉緊組件包括轉動手把、鋼絲繩和定滑輪，轉動手把通過設置在鋼模板組件上的卡扣片與鋼模板組件轉動連接，將定滑輪安裝在鋼模板的上面，鋼絲繩一端轉動連接在轉動手把上，另一端依次穿過定滑輪和其中一塊堵漏板上的牽引板，并與另一塊堵漏板上的牽引板固定連接。兩塊堵漏板分別可以通過轉動對側拉緊組件上的轉動手把往樁基鋼護筒的軸心方向牽引，促使兩個半圓槽口收攏合并時形成的圓形槽口卡合在樁基鋼護筒上，從而實現圍堰結構與樁基鋼護筒周圍空隙的封模。

4.3 新型圍堰結構驗算

4.3.1 施工階段分析

新型圍堰的主要施工階段有5個工況：

工況1：圍堰在拼裝平臺上拼裝。

工況2：圍堰整體提升離開拼裝平臺10 cm并靜置，確認無異常后懸吊下放。

工況3：通過懸吊系統吊掛圍堰，澆筑水下封底混凝土。

工況4：封底混凝土強度滿足要求后，拆除懸吊系統，然后抽干圍堰內部的水。

工況5：抽干水后，破除樁頭，綁扎系梁鋼筋，澆筑系梁混凝土。

各工況的荷載組合見下頁表1。

4.3.2 模型計算分析

建立有限元模型（見圖5），并進行不同施工階段結構的受力分析，提取各主要桿件5個工況下的組合應力σ及剪應力τ匯總成表2，并繪制桿件應力折線圖（見圖6、圖7），分析結構不同階段的應力變化趨勢。

從應力折線圖中分析，鋼圍堰結構應力從工況1～5呈上升趨勢，在工況1～4的結構最大應力值總體較??；最不利工況發(fā)生在工況5，［8號槽鋼組合應力達186.32 MPa，＜215 MPa，剪應力達32.91 MPa，＜125 MPa，結構應力均滿足要求。提取最不利工況5的有限元計算模型應力云圖（見圖8），桿件應力最大的點位于圍堰側板與封底混凝土交界處，此處結構易產生應力集中，提取工況5結構位移等值線圖（見圖9），結構最大變形為2.1 mm，變形趨勢為整體外移，變形值較小，滿足結構使用要求。

4.3.3 封底混凝土計算分析

封底混凝土厚度取值主要考慮其與鋼護筒之間的粘結力滿足抗浮或抗沉要求，分析本結構抗浮力比抗沉力大，因此提取計算模型工況4結構浮力為229.08 kN，參考相關文獻，鋼護筒于封底混凝土之間的粘結力取值為280 kPa，并考慮本圍堰封底混凝土較薄，計算粘結力折減取值為224 kPa，粘結力計算為：224 kPa×1.6 m×3.14×0.5 m=562.69 kN，結構安全系數為562.69/229.08=2.46，圍堰抗浮及抗沉滿足要求［4］。

綜上分析，結構在5種工況下整體應力應變滿足施工階段的要求，具備足夠的結構安全系數，可根據本設計進行現場施工。

5 新型圍堰施工技術

5.1 圍堰模塊加工

在工廠按照圖紙尺寸加工各個標準模塊件，包括鋼模板組件、吊裝系統以及一些桿件設置的螺栓孔，并在工廠進行預拼裝。在加工廠按照設計尺寸先焊接好成整體框架，在圍堰底端支撐框架四周的用于支撐系梁底模及圍堰側模的支腿也提前在加工廠焊接好。

5.2 圍堰模塊拼裝

在施工現場，按照測量進行放樣定位，將4根支撐橫梁安裝在樁基鋼平臺上，每根支撐橫梁兩端搭設在樁基施工鋼平臺上的部分，長度要預留0.5～1 m，并進行穩(wěn)固；將在加工廠已經拼裝焊接好的圍堰底端支撐框架安裝在支撐橫梁上，過程中需要復核圍堰底端支撐框架上的底模圓孔中心是否與樁基鋼護筒的圓心對準。圍堰拼裝效果圖見圖10。

在圍堰底端支撐框架安裝完成并復核無誤后，安裝系梁底模，系梁底模安裝應平齊穩(wěn)固，并及時安裝系梁底模與圍堰底端支撐框架之間的連接螺栓；在系梁底模安裝完成并且穩(wěn)固后，進行鋼模板組件安裝，先安裝系梁底模上的第一模塊單元，因為第一模塊單元中的三塊模板鉸鏈連接可以形成中間的模板，且其與兩端的模板垂直，將其安裝在系梁底模上時，只需把螺栓擰緊穩(wěn)固即可，無須再對模板進行防止側翻的臨時穩(wěn)固；在鋼模板組件安裝過程中，所有拼縫在安裝前必須先安裝止水條，并驗收合格，方可安裝模板單元，且模板單元間連接螺栓必須擰緊牢固，不得遺漏；在鋼模板組件安裝完成后，先對整個圍堰結構進行密封檢查，檢查完畢后，安裝施工平臺和拉緊組件及堵漏板，安裝完成后先進行試轉動，來檢驗安裝是否合格［5］。

5.3 圍堰下放就位

吊裝系統（見圖11）包括吊裝架和液壓千斤頂，吊裝架包括主橫梁和設在主橫梁兩端的支撐架，液壓千斤頂安裝在主橫梁上，支撐架包括橫桿、豎桿和斜撐，豎桿的一端安裝在主橫梁上。進行吊裝系統安裝時，在安裝前先將在鋼模板組件上端的吊耳焊接好，吊耳為受力結構，必須焊接牢固，然后安裝吊裝系統。

在吊裝系統安裝并固定好后，將吊裝系統上的精軋螺栓鋼連接到鋼模板組件上端的吊耳上并鎖緊，然后進行試吊，試吊完成后可以對圍堰結構進行下放；圍堰結構下放時，先用吊裝系統將其上提10 cm，然后將支撐橫梁移開，通過吊裝系統上的液壓千斤頂慢慢將圍堰結構下放到水中；下放到位后，先進行測量復核，測量無誤后對圍堰結構進行固定。

5.4 澆筑封底混凝土

封底混凝土澆筑前要先將圍堰底模板與樁基鋼護筒之間的縫隙進行封堵。通過人工轉動手把，牽引兩塊對稱設置的堵漏板向內收攏并把圍堰結構與樁基鋼護筒周圍的空隙進行封模，然后水下混凝土澆筑封底，澆筑高度為50 cm，即封底混凝土頂面與系梁底模平齊即可。待封底混凝土齡期達到要求后，可以對圍堰結構內部進行抽水，水抽干后如發(fā)現一些小的滲水要及時密封好，最后切割樁基鋼護筒，破樁頭，鑿毛后綁扎系梁鋼筋并進行系梁混凝土施工。

6 結語

本文設計的水中橋墩樁基系梁新型圍堰，在現有技術上進行了創(chuàng)新，解決了鋼護筒與底板間隙堵漏的難題，無須水下作業(yè)；圍堰通過外設桁架結構加強側板剛度，無須安裝內支撐及圍檁結構，不影響樁基系梁的施工。

通過設計圍堰底端支撐框架，在拼裝階段起到骨架作用，在澆筑封底混凝土階段起到模板作用，相比傳統需要整個系梁圍堰底板澆筑封底混凝土，新型圍堰僅需澆筑封底混凝土在圍堰底端支撐框架內即可滿足抗浮及止水的要求，減少了大量的封底混凝土澆筑工程，節(jié)約了成本。

通過對有限元計算結果的分析，圍堰結構還可以進一步優(yōu)化，可采用數學方法進行圍堰桿件間距等的最優(yōu)化配置分析，保證安全的前提下，最大限度地節(jié)省材料。

參考文獻

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［2］曾憲柳，岳新興，于得安.復雜海域大型單壁鋼吊箱圍堰施工技術改進及應用［J］.中國港灣建設，2023，43（6）：95-99.

［3］梁金星，周 敏.卵石地質水中樁基施工技術［J］.公路交通科技（應用技術版），2017，13（2）：157-160.

［4］韋 權，張坤球，陳家海，等.無封底混凝土單壁鋼吊箱圍堰技術研究與應用［J］.公路，2024，69（1）：202-208.

［5］楊文錦.水中樁系梁有底鋼套箱施工研究［J］.中國高新科技，2022（21）：59-61.

作者簡介：鄭 忠（1971—），工程師，主要從事道路橋梁施工技術管理工作。