[深水桥梁裸露基岩大型双壁钢围堰施工技术研究] 深水围堰

　　摘要：双壁钢围堰越来越广泛地应用于河流、湖泊及海湾大型深水桥梁的基础施工，特别是在水深较深、河床覆盖层较薄或无覆盖层的岩层地质条件下，是一种最为经济合理的施工方法。根据沪昆客专湖南段沅江大桥的施工，探索与研究在水深26米、河床无覆盖层的坚硬含砾砂岩、地质条件复杂的条件下，采用大直径圆形双壁钢围堰施工深水桥梁基础的工艺及方法。
　　关键词：深水桥梁；双壁钢围堰；裸露基岩
　　中图分类号：U445 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）03-0106-06
　　
　　一、工程概况
　　（一）桥位
　　沪昆客专长昆湖南段沅江大桥，位于湖南省怀化市中方县铜湾镇镜内，桥梁跨越沅江。桥梁总长长404.94m，跨度布置为88+168+88+40m双线预应力混凝土刚构连续箱梁，主跨168米为目前铁路桥梁T型钢构连续箱梁最大跨度。其中1#、2#主墩为双壁钢围堰加钻孔桩深水基础，承台尺寸为24.8m×19.6m×5.5m，承台底标高131.749～131.928m，承台嵌岩最大深度1.5m。桩基2.5m大直径钻孔桩，桩长20m。
　　（二）水文地质
　　桥址处雨水充足，年降雨量大位于铜湾水电站上游1.9km，属发电蓄水区域。常水位152.50m、水深23.5～25.0m，施工最高水位确定为153.5m（五年一遇洪水位），水位及水流流速主要受下游电站控制，根据进场以来水位观察最高水位未超过153m，洪水期水流流速未超过1m/s。
　　主墩墩位处地质条件复杂，河床为裸露基岩，无覆盖层。墩处岩质为含砾砂岩、白云质灰岩。岩面倾斜最大倾角达45°，岩石强度均大于100MPa。因钢围堰封底厚度5m，最大爆破深度达到了8m。桥型布置见图1：
　　
　　图1 沅江大桥桥梁跨度布置示意图 （单位m）
　　二、施工方案比选
　　根据工程地质及施工水文条件，对承台施工可以采用双壁钢围堰先桩后堰法施工、双壁钢围堰先堰后桩法施工及钢围堰入水方式进行比较和论证。
　　方案一：先桩后堰法施工。
　　先桩后堰法，先搭设钢管桩钻孔工作平台；施工完桩基后，再利用桩的护筒施作围堰，在墩位完成围堰的拼装、下沉、水下混凝土封底，之后施工承台、墩身。此法的特点是：河床覆盖厚便于桩基钢护筒的打设，桩基施工完成后再进行钢围堰的施工，常采用形式为栈桥T接法。本桥的河床覆盖层薄，钻孔平台钢管桩及桩基的护筒很难固定，且打桩过程中易漏浆，施工比较困难，不适合本桥。
　　方案二：先堰后桩法施工。
　　先堰后桩法是先施工钢围堰，再施工桩基。该法对河床地质条件要求小，尤其适合覆盖层薄或无覆盖层、水深较深，该工序相对简单，可不修筑钢栈桥，可利用钢围堰搭设施工平台，不仅节约了钢管桩、栈桥钢材等材料还确保了平台安全稳定，可平行流水作业进行水下爆破施工，与方案一相比可节约钢材用量300吨、施工安全性高、节约工期2个月有余。适合本工程，决定采用本方案。
　　钢围堰入水方式上选择：滑道入水、浮运平台入水及升降平台入水。
　　滑道法（即岸边拼装入水）：滑道需伸入一定水深的河内，以满足龙门浮吊的吃水要求；滑道设-0.5%的纵坡，以便围堰下滑。该法要求岸边场地足够大，能够满足围堰的拼装及滑道的设置，同时对设置龙门浮吊处的水深满足围堰的上浮。
　　浮运平台法：在水中墩上游30m左右处、靠工作场地开阔的一岸修建临时码头，要满足底节钢围堰组拼的要求。然后利用租赁的中60浮箱（个数由钢围堰的大小决定）或自行在工厂焊制浮箱组成一定规模的浮运平台，组拼完成后浮运至墩位处进行下一步施工。该法需租赁浮箱或加工浮箱，且浮运到墩位处需把钢围堰提吊悬空后抽出浮箱方能进行下步工序施工，显然不适合本工程。
　　升降平台法：由于工程所处地形狭隘，场地大小有限无法满足滑道法入水。根据先堰后桩的思路，开创性的提出在上游约50米靠岸边水中打设钢管桩作为承重柱，贝雷片组拼承重梁，利用精轧钢作为提吊杆，底节围堰拼装完成后，进行平台的升降围堰入水自浮。该法能充分利用钻孔平台材料，节省施工用料，施工方便可靠，该法在国内属于首次，实践证明比较成功。
　　三、双壁钢围堰结构设计
　　该桥承台矩形尺寸长宽均比较大，墩位处沅江水位较深。同时考虑到河床地质条件复杂，需水下爆破围堰基槽、清渣后定位下沉钢围堰的特点。按照经济合理及可行的原则，选择传统的双壁钢围堰结构形式，该形式相比矩形钢围堰，虽增加了爆破清渣量，但在如此深得水减少了围堰内部支撑的工程量，圆形钢围堰结构受力合理明确。一般来说水深大于10米采用圆形钢围堰比较经济合理，能较好的保证深水基础施工质量和安全，达到经济技术最优化施工。
　　（一）双壁钢围堰基本结构
　　
　　图2 双壁钢围堰整体结构图
　　钢围堰为双壁圆型，内径33m，外径36m，内外壁之间间距设为1.5m。根据承台高程和水文资料计算钢围堰高度取为26m，结合结构要求和现场起重设备起重能力要求，钢围堰在竖向上设置为5节，从下至上分别为第一节至第五节，其高度分别为5.4m、5.4m、5.1m、5m和5.1m。依据现场水上起重工具起重能力限制在2×10t以内的技术资料，在双壁钢套箱平面分块上，将套箱设为18块，最大块重量基本控制在15t以内，保证水上作业安全。双壁钢围堰设计构造图如图2所示。
　　（二）双壁钢围堰结构计算
　　利用MIDAS有限元软件建立封底混凝土以上钢套箱1/2模型，内外壁板采用板单元，水平斜撑采用桁架单元，其余结构采用梁单元，底部施加固定约束，2侧施加位移对称约束。整体模型如图3所示：
　　
　　图3 双壁钢围堰1/2模型图
　　根据根据结构分析计算结果和经济性要求：
　　壁板：钢套箱内外壁板厚度δ=6mm。
　　水平斜撑：水平斜撑在立面上根据不同深度内受力的不同分为两种形式：分别为角钢63×63×6、角钢75×75×6。
　　竖肋：钢套箱在立面上根据不同深度内受力的不同，竖肋分为两种形式：分别为∠70×50×6、∠90×56×7。
　　水平加劲肋：在顶部和底部节段采用TN200×200-8×13，在中部靠上的2个节段采用TN275×200-10×16，在受力最大的中部最下节段采用TN300×200-11×17。
　　隔仓板：隔仓板壁厚6mm，隔仓板竖肋为角钢∠70×50×6，横肋为角钢∠63×63×6。
　　四、施工技术
　　（一）双壁钢围堰（先堰后桩法）
　　施工工艺流程图如图4所示：
　　
　　图4 双壁钢围堰施工工艺流程图
　　（二）双壁钢围堰加工及首节下水工艺
　　1．双壁钢围堰分块加工。钢围堰平面均分为18块，为提高钢围堰加工精度及规模化流水线作业，在钢围堰加工场设置胎模，每块钢围堰均在胎模上加工。为防止焊接变形过大导致局部或整体尺寸超出设计图纸，在围堰加工前必须进行工艺性试验确定焊接工艺及施焊原则。围堰节块各构件加工流程：在胎架上铺设内围壁板→安装水平肋→安装水平桁架→安装内围壁板竖肋→安装隔舱板→铺设外围壁板→安装外围壁板竖肋→焊接内部构件。见图五钢围堰加工图。
　　每块围堰焊接完成后，对围堰的焊缝外观、结构尺寸进行检查，还必须进行煤油渗透试验，不合格的铲除重焊。每块围堰检查合格后，方准出场。
　　
　　图5 双壁钢围堰加工图
　　2．底节钢围堰拼装、入水。底节钢围堰高度5.4米，总重量150t。结合工程所在地的地形、地貌及施工情况，我们首创性的采用“升降式拼装平台法”。在上游约50米靠岸边施工了升降式拼装平台，该平台平面尺寸为45×42m，通过钢管桩、贝雷片作为承重构件。利用Ф32精轧钢作为提吊杆，32t千斤顶作为顶升动力设备，顶升精轧钢上的扁担实现平台升降，进行围堰入水自浮。该法能充分利用钻孔平台材料，节省施工用料，施工方便可靠，实践证明比较成功。见下图6拼装平台上底节钢围堰拼装图。
　　为保证底节钢围堰安全顺利的拼装，对升降式平台进行预压获取平台变形参数。拼装前在平台上进行围堰放样，拼装顺序为由平台变形值小向变形值大对称拼装，拼装一块点焊一块并临时固定，随拼装，随调整，待全部合拢成型后，全面焊接并进行煤油渗透试验。
　　
　　图6 升降式拼装平台上底节钢围堰拼装图
　　（三）深水坚硬岩层水下爆破及清渣技术
　　围堰直径36m，爆破范围直径40m的圆。爆破范围大，开挖深度深，总爆破开挖量6000多立方米。为减少爆破对周边影响，采用了微差毫秒爆破技术。爆破参数选择为：炮孔直径90mm，垂直钻孔孔距1.5m，排距2.0m，超深1.0m，单孔最大装药量30kg，最大单段装药量248kg。爆破孔位布置图见图7：
　　
　　图7 深水水下爆破孔位布置图
　　爆破网络爆破采用单孔单响排间微差，非电力起爆网络起爆实施方案。同孔的同段雷管采用并联连接，孔与孔之间采用并联连接，然后使用微差毫秒导爆管连接在8#防水金属电雷管上进行起爆。为避免产生盲炮，每个孔设置两个导爆管。
　　1．水下钻孔。采用3台CQ-100型潜孔钻配合一台中风压空压机形成钻孔系统，使用GPS精确定位一次性成孔施工。钻孔前先对需钻孔位下130mm套管，套管下设完毕后下设钻杆一次性精确成孔，成孔完毕后，外套管待装药堵塞完毕后取出进行下一孔作业。 钻爆船水下钻孔图见图8：
　　
　　图8 钻爆船水下钻孔图
　　2．水下装药、塞堵。水下炸药采用了Φ90防水乳化炸药。为方便装药，使用竹片夹紧、接长药卷放并安放导爆管，然后使用粗尼龙绳吊放进孔内，并使用Φ50PVC管接长把药包撑压至孔底。在护管口下放沙子、碎石的填塞物塞孔，塞孔完毕后提起套管把导爆索编号整理好。
　　3．水下爆破。在钻爆船上把导爆索联线，所有导爆索尾线绑扎在漂浮的油桶上。爆破前通知海事部门2艘警戒船并封航，连接8#防水金属电雷管起爆，爆破完成后对爆破现场进行检查确认无盲炮和安全隐患后解除警戒进行下排孔位钻孔施工。
　　4．水下清渣。水下钻爆完成后，选用50T履带吊配3m³抓斗在一艘300t的驳船上进行清渣作业，驳船两侧为增加船体稳定性加设两封闭钢护筒。清渣采用横移挖宽，纵移挖长的方法进行，并用GPS进行定位测量。由于本工程爆破岩层较厚，为保证基底清渣平整度，采用分层开挖，以一抓斗的挖深为一层，逐层开挖清渣。开挖完成测量绘出基底标高图并进行
　　验收。
　　（四）双壁钢围堰浮运、接高及下沉技术
　　浮运日期的选择应与气象部门联系，在3级风以下，无雨的白天进行，浮运时通过海事部门协助封航，在上、下游派出防护巡逻船只保证安全。利用两条导向船，两船前后用两组贝雷梁将套箱夹住，形成井字架，钢围堰浮运前用木楔子或5吨的手拉葫芦把钢围堰加紧固定好。两艘导向船均具有向前后行使的能力，动力为120马力，足以浮运钢围堰，不需要拖轮。浮运时直接后行至墩位处，避免掉头确保船头迎水方向布置。
　　双壁钢围堰就位固定后，利用两条导向船上50t履带吊环向对称分块拼装。吊装接高时，要随拼装，随调整，在每条导向船上设置两个5吨倒链，通过这四个倒链调整钢套箱的位置。拼装完一块后需要手拉葫芦旋转钢围堰使待拼的下一块钢围堰进入拼装位置，每对称拼装完一块旋转一次钢围堰，直至全部拼装完成。全部拼装完成后，方可全面焊接并对焊缝进行煤油渗透试验检验密封性。为保证焊缝的质量，还进行了超声波探伤检测。本节施工完成后灌水至设计标高并预留干弦高度，同样的方法接高下一节。双壁钢围堰接高图如图9所示：
　　
　　图9 双壁钢围堰拼装接高图
　　（五）双壁钢围堰定位技术
　　河床覆盖层较薄或无覆盖层，船只抛锚难度大，对钢围堰锚碇系统的设计尤为重要。多次讨论研究最终确定利用定位船进行围堰定位锚固。
　　1．锚碇系统的设计。计算钢围堰的动水压力、钢围堰风阻力、导向船组水流阻力、定位船水流阻力、导向船组风阻力、定位船风阻力，在1m/s水流流速下算得主锚承受的拉力为268.8KN。钢丝绳计算长度300m。根据计算及现场实际情况选用4个15t混凝土主锚，边锚15t混凝土锚各一个，尾锚为15t混凝土八字锚。钢丝绳选用6×19―28-1670，破断力432KN的钢丝绳。其中主锚与定位船间钢丝绳长度不小于300m，定位船与钢围堰间距离不小于100m，尾锚与钢围堰距离不小于100m。具体布置见图10锚定系统布
　　置图。
　　
　　图10 锚碇系统布置图（单位m）
　　2．锚碇系统施工及围堰定位。钢围堰浮运前，必须按设计要求和角度提前放样抛锚。
　　（1）前定位船抛锚定位。用缆索把主锚落在抛锚船上，抛锚船把主锚运到锚定位置上游10米处后抛锚，然后用抛锚船对锚绳预拉。用另一艘托船把定位船牵引至锚定位置与主锚相连。
　　（2）同样的方法抛设导向船的边锚、尾锚。
　　（3）导向船组及围堰由江边码头浮运到墩位处，锚碇好导向船组调整收紧各锚绳、拉缆，使锚碇系统处于稳定状态。
　　（4）钢围堰的着床定位是施工中重要而关键的工序，直接影响到围堰最终的定位质量。通过定位船上拉揽及导向船上设置的导链系统调整，实现套箱的精确定位。围堰着床前，用全站仪观测套箱顶上顺横桥向的两个点，调整围堰的倾斜和偏位，直到两点的坐标与设计坐标基本相符为止，然后立即启动抽水机间隔向18个隔仓均衡同时注水，使围堰迅速下沉着床。围堰下沉到位后潜水员下水探明围堰底部着床情况，对底部刃脚与基底空隙用袋装水泥赛垫，确保围堰底部着床良好、稳固。
　　（六）双壁钢围堰大体积水下混凝土封底技术
　　1．封底平台、钢护筒安装。结合后期钻孔平台利用封底平台，在钢围堰着床稳固后，开始搭设平台。平台采用贝雷梁顶铺设22工钢，贝雷梁共12道，每道两片组用90型支撑架连接在一起。钢护筒直径采用Ф2.5m，壁厚1cm，沿护筒外壁周圈贴焊加强箍，加强箍宽度30cm，厚8mm，间距2～3m一道。每根护筒总重22.16t，浮吊起重能力无法满足施工需要。我们设置了门式吊装架，吊装架高4.5m，利用卷扬机和滑轮组实现护筒的下放就位。
　　为确保护筒下放精确及在混凝土浇筑过程中不发生偏移，在护筒顶口设置了3层定位架，定位架悬挂在贝雷梁上。护筒内底口抛填了5m高的砂袋，保证底口稳固。为了让钢护筒更好的参与围堰抗浮，在底节护筒外壁贴焊了22工字钢，共2层。每层8个，每个50cm长。
　　2．大体积水下封底混凝土浇筑。封底混凝土施工前需要进一步确定，围堰刃脚堵漏、钢围堰着床稳固、钢护筒安放位置的准确。双壁钢围堰封底采用C30混凝土，封底厚度5m，设计方量3645m3，混凝土缓凝时间不小于32h，坍落度200～220mm。本次钢围堰封底面积大，封底砼施工难度大，混凝土采用了5#拌合站2台120型拌合机拌合，现场采用一台地泵加臂长17m的布料机、一台汽车泵输送混凝土，选择了8台10m3混凝土罐车运输混凝土。现场共布设了16根导管，每根导管的作用半径按7m考虑，导管位置不动。采用两点同时灌注砼配合一次拔球的方法。封底砼的浇筑由小里程河床面低点开始向上游及大里程方向灌注砼即总体上由低处往高处、局部下游侧往上游侧的方向灌注。在浇灌过程中，要随时测量灌注高度共布设59个测点，终测时加密测量，以防超灌或欠灌。见图11 2#墩双壁钢围堰封底施工布置图。
　　
　　
　　图11 2#墩双壁钢围堰封底施工布置图
　　（七）双壁钢围堰拆除
　　在第二节底端距离底口40cm处，把Ф10mm钢筋焊接在内、外壁板面形成水下切割导盲线。在隔舱内混凝土面以上70cm处设隔水板，在隔水板下沿切割导盲线切割后围堰整体上浮。根据设备的起吊能力，然后逐节、逐块切割、并吊装运输到指定位置。最后一节拆除利用墩身、梁部设置起吊支点吊装切割。
　　五、经验与体会
　　（一）深水基础围堰施工方案确定
　　深水基础围堰施工方案的选择是一个复杂的问题，尤其对本桥水深26m，河床无覆盖层。项目进场初期聘请水文局对河床进行了地形、地貌扫描，也对河床地质进行了勘探。为方案的必选提供了有力的依据。桥位处两岸山势陡峭、施工场地狭小，在钢围堰入水方式上开创性的提出了升降式拼装平台法。
　　（二）钢围堰加工必须精确无误
　　分块加工制作的各单元体时，其结构尺寸必须满足设计要求，符合精度要求，要控制好两个工序：一是下料要精确，必须以毫米控制，二是选择合理的焊接工艺，绝不能将焊缝一次焊完，一次焊完会产生较大的变形，先点焊检查各部位合格后再全面施焊。钢围堰拼装焊接时道理相同。
　　（三）2#墩围堰着床区清渣不到位
　　在2#墩围堰着床过程中，因河床清渣不彻底，测量不精确，造成了2次反复对围堰反抽水处理着床区基地。最终在最后一次处理中围堰顺利着床，这也说明了围堰着床基底区必选一次开挖到位。由于水上测量定位难度较大，开挖平面范围一般比钢围堰直径大3～4m为宜，同时加强基底验收，建议深水施工时雷达测深仪。
　　（四）钢围堰锚定系统
　　准确的钢围堰测量定位系统是保证围堰成功的首要条件，本桥最初锚定系统方案采用交叉8字锚定系统，后考虑洪水期电站放水水流速度无法确定，改为了采用抵抗强水流的定位船进行锚定。该锚定系统对钢围堰精确定位非常有效，调整方便，造价较高。若在水流流速不大的情况下，可以采用交叉八字锚锚定系统，该锚定系统施工方便，造价较低。
　　（五）2#墩围堰着床后出现倾斜
　　因2#墩河床面倾斜，围堰刃脚着床区靠江心侧与另一测高差1.5m，对该着床区进行了抛填片石处理。抛填顶面与设计标高基本一致。注水下沉着床后，围堰顶标高基本一致。但在浇筑刃脚混凝土后，抛填片石区下沉了近30cm。后反抽水重新塞垫和抛填片石，调平了钢围堰。也就是说围堰刃脚着床区一边是硬底区另一边需抛填片石找平，抛填片石及赛垫面根据抛填深度必须高出设计标高一定数值。
　　（六）钢围堰封底施工注意事项
　　钢围堰的封底是否成功决定着承台的施工的成败。首先必须保证围堰刃角处的堵漏无遗漏点，同时在围堰的刃角处的外围抛填不小于1米高的片石护脚。再次对封底区内的钢围堰内壁、护筒外壁泥巴等清理干净。要加强潜水员的责任心，确保刃角堵漏无问题。
　　六、结语
　　在水深26米、河床基本无覆盖层，河床底岩石强度1000kPa的地质条件下，进行了大面积的水下爆破、水下清淤清渣。采用36m直径的圆形双壁钢围堰，钢围堰拼装接高、定位下沉及钢围堰封底施工，进而开展桩基、承台施工。如此大直径钢围堰、如此深的水进行桥梁基础施工在国内桥梁施工史上比较罕见，其封底混凝土厚度确定、围堰抗浮稳定、桩基参与抵抗浮力等施工工艺、技术及设计原理，还需在实践中进行探索和研究。
　　参考文献
　　[1] 时天利，任回兴，贺茂生．苏通大桥双壁钢围堰设计与施工[J]．世界桥梁，2007，（3）．
　　
　　 作者简介：苗永平（1973-），男，山西河曲人，中铁十七局集团第二工程有限公司工程师，研究方向：土木工程。
　　
　　
　　（责任编辑：刘晶）

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