雙壁吊箱圍堰施工技術(shù)

1、深水基礎(chǔ)雙壁吊箱圍堰施工技術(shù)李德坤 李芳軍 朱云翔1 工程概況長(zhǎng)壽長(zhǎng)江特大橋是新建鐵路渝懷線上跨越長(zhǎng)江的一座特大橋，位于長(zhǎng)壽縣境內(nèi)，橋跨布置為2x24m+3×32m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁+(144+2×192+144)m下承式連續(xù)鋼梁+2×32m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁。橋梁全長(zhǎng)898.36m，全橋位于曲線及直線平坡上，橋高95m。按復(fù)線要求一次建成。主墩為圓端形空心墩，墩身高度為49.3m，6號(hào)、7號(hào)墩采用樁基礎(chǔ)、高樁承臺(tái)，每墩10根3.0m鉆孔樁，承臺(tái)尺寸25.2m×17.4m×6 m。橋位范圍水深流急，水運(yùn)繁忙。6#、7#墩枯水期水深分別是16米和

2、31米，水流為2.53米/秒。河床覆蓋層為卵（漂）石，6#墩河床底部段有89m卵石土，7#墩河床底部段有3.511m卵石土。其中，6#墩處漂石含量約5075%，粒徑200450mm，個(gè)別大于500mm，卵石含量約20%，粒徑一般50200mm，少數(shù)2050mm；7#墩處卵石粒徑20200mm為主，約占55%70%，個(gè)別大于200mm。下伏巖為泥巖夾砂巖和砂巖，極限抗壓強(qiáng)度分別為13Mpa和29Mpa。7號(hào)墩巖面傾斜37度。該橋施工難度大，為渝懷線十大重點(diǎn)控制工程之一。2 雙壁吊箱圍堰方案簡(jiǎn)介雙壁吊箱圍堰的總體思路是將雙壁鋼圍堰在水上的大量拼焊工作提前到岸上完成，圍堰在工廠（船廠）整體制造，同時(shí)

3、進(jìn)行導(dǎo)向船拼裝和拋錨定位工作，圍堰制造好并驗(yàn)收合格后，利用船塢（滑道）下水，浮運(yùn)至墩位，將雙壁吊箱圍堰的兜纜過(guò)渡到定位船上，收兜纜將圍堰喂入導(dǎo)向船內(nèi)，在雙壁圍堰內(nèi)加水，使圍堰下沉，將圍堰兩側(cè)的支撐牛腿支在導(dǎo)向船的分配梁上，與導(dǎo)向船連為一體。通過(guò)收緊錨繩調(diào)整并定位雙壁吊箱圍堰的位置。雙壁吊箱圍堰設(shè)計(jì)為一個(gè)帶底板結(jié)構(gòu)，將鋼護(hù)筒的導(dǎo)向架、施工平臺(tái)、吊箱圍堰的功能融為一體，一次到位，圍堰定位后，通過(guò)設(shè)在圍堰上的上下導(dǎo)環(huán)，插打鋼護(hù)筒，并在護(hù)筒內(nèi)外中巖一定深度填充素砼，利用主體結(jié)構(gòu)鋼護(hù)筒（鋼護(hù)筒須加厚）作定位樁。待4根定位樁完成后（6#墩為6根），進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換，將雙壁吊箱圍堰掛在定位樁上，圍堰與導(dǎo)向船脫離

4、關(guān)系。在圍堰平臺(tái)上繼續(xù)插打其余鋼護(hù)筒至入巖少許，然后將其與圍堰支撐環(huán)焊接。在圍堰平臺(tái)上安裝鉆機(jī)鉆孔，先鉆位樁之外的樁，然后施工定位樁處的樁孔，完成后吊箱圍堰內(nèi)封底，達(dá)到強(qiáng)度后，抽水施工承臺(tái)（承臺(tái)分二次澆注），基礎(chǔ)施工完成。在渝懷線長(zhǎng)壽長(zhǎng)江特大橋水中基礎(chǔ)施工中，采用雙壁吊箱圍堰施工方法，成功地在一個(gè)枯水期，完成了兩個(gè)枯水期的施工任務(wù)，保證了總工期要求。3 雙壁吊箱圍堰施工技術(shù)3.1 錨碇布置3.1.1主要組成部分及作用根據(jù)橋位處的地質(zhì)、水文、航道及工期情況，設(shè)計(jì)了2套錨碇系統(tǒng)來(lái)滿足6#、7#墩基礎(chǔ)施工需要。其基本布置思路是因地制宜，必須安全強(qiáng)大且能夠迅速高效地實(shí)施布設(shè)。錨碇系統(tǒng)由前定位船（400

5、t鐵駁）、導(dǎo)向船（2艘800t鐵駁）和主錨、尾錨、側(cè)錨、錨鏈、錨繩及收緊系統(tǒng)等幾部分組成。定位船在墩位上游設(shè)置，用作確定、調(diào)整導(dǎo)向船及圍堰順?biāo)较蛭恢?，控制主錨受力。導(dǎo)向船是由萬(wàn)能桿件連成整體的2艘800t鐵駁，既作為調(diào)整鋼圍堰位置的約束體系，又作為基礎(chǔ)施工的輔助工作平臺(tái)。導(dǎo)向船與定位船之間通過(guò)6根43拉纜連接固定。圍堰與定位船、導(dǎo)向船間設(shè)兜攬連接。主錨承擔(dān)錨碇系統(tǒng)順?biāo)较虻乃型饬ΓL(fēng)力及水流沖擊力）作用。尾錨主要是承受尾部方向的風(fēng)荷載，適應(yīng)主錨受力及調(diào)節(jié)導(dǎo)向船系統(tǒng)和圍堰的位置。側(cè)錨作用是調(diào)節(jié)和控制定位船、導(dǎo)向船的橫向位置，使定位船、導(dǎo)向船在橫向風(fēng)力、水力、船舶撞擊下保持穩(wěn)定。為保證航道通航

6、安全，側(cè)錨采用長(zhǎng)錨鏈將錨繩盡量壓在河床下。3.1.2錨碇系統(tǒng)計(jì)算分析錨碇系統(tǒng)總壓力是根據(jù)水流、風(fēng)向?qū)︿搰摺⒍ㄎ淮?、?dǎo)向船、工作船作用的力進(jìn)行計(jì)算的。在不同的施工階段圍堰及船組的受力情況也不同，取圍堰下沉到位為控制工況。圍堰受水流阻力是主要因素。其計(jì)算公式如下： R=kr(V2 /2g).A式中： k水流阻力系數(shù)，取0.75V計(jì)算水流速度，取3(m/s)A圍堰入水部分在垂直水流方向的投影面積3.1.3錨碇系統(tǒng)施工 由于長(zhǎng)壽長(zhǎng)江大橋工期緊張，在拋錨工作量非常大、時(shí)間又短的情況下，各類(lèi)錨（地龍除外）均采用鐵錨，主要施工工序如下：定位船拋錨定位導(dǎo)向船尾錨、邊錨拋錨定位導(dǎo)向船拼裝、浮運(yùn)就位 鋼圍堰導(dǎo)向

7、船剛性連接、精確定位后開(kāi)始插打護(hù)筒鋼圍堰制造、浮運(yùn) 為減小投入，長(zhǎng)壽橋采用10t以下舊的霍爾式鐵錨及有檔錨鏈，并用“甩梢”的方法進(jìn)行拋錨：拋錨時(shí)采用拖輪拽帶拋錨船浮運(yùn)至錨位，由測(cè)量組用全站儀測(cè)量位置后，松開(kāi)掛置鐵錨的鋼絲繩，鐵錨因自重而落入河床，錨繩及錨鏈也隨之落入河中。3.2 導(dǎo)向船布置3.2.1布置簡(jiǎn)介導(dǎo)向船采用兩艘800t鐵駁，以萬(wàn)能桿件桁梁聯(lián)結(jié)而成。兩駁船間凈距30m，兩連接梁內(nèi)桁間距35m，為方便圍堰由下游進(jìn)入導(dǎo)向船，下游連接梁柱腳高于上游連接梁。每套導(dǎo)向船組上布置一臺(tái)50噸架梁吊機(jī)，一臺(tái)20噸桅桿吊機(jī)，以滿足鋼護(hù)筒吊裝，鉆機(jī)吊裝和鋼筋籠吊裝需要，其中50噸吊機(jī)是按最大吊裝重量配置的

8、主要吊機(jī)，20噸為輔助施工吊機(jī)。為確保圍堰在水流及風(fēng)力作用下保持穩(wěn)定，在導(dǎo)向船上設(shè)4個(gè)導(dǎo)向支架。3.2.2 導(dǎo)向船計(jì)算分析導(dǎo)向船計(jì)算分為兩部分:船體結(jié)構(gòu)計(jì)算及連接桁梁計(jì)算。導(dǎo)向船800t鐵駁采用的是非工程駁，其導(dǎo)水流作用優(yōu)于工程駁，但船頭、船尾等部分受力情況比工程駁要差一些?？紤]到吊機(jī)及其支架自重、圍堰支承牛腿反力等外荷載的不平衡作用，首先要對(duì)船艙進(jìn)行壓重，確保船體受力均衡。在各種外荷載（吊機(jī)、壓重、支架等）作用下，除應(yīng)驗(yàn)算船體總體應(yīng)力（驗(yàn)算龍骨系統(tǒng)）外，在荷載作用點(diǎn)下還要驗(yàn)算局部受力狀況，不足處需進(jìn)行加固。連接梁是空間桁架結(jié)構(gòu)，分為以下兩個(gè)工況進(jìn)行計(jì)算：浮運(yùn)和吊機(jī)吊重。浮運(yùn)時(shí)由于導(dǎo)向船是單獨(dú)

9、浮運(yùn)（與圍堰分開(kāi)），受力并不大，計(jì)算時(shí)視導(dǎo)向船為剛體，兩邊連接梁與之鉸接，形成框架形結(jié)構(gòu)。以一艘導(dǎo)向船為支點(diǎn)，計(jì)入另一艘導(dǎo)向船所受風(fēng)力、水流阻力及連接梁所受風(fēng)力進(jìn)行計(jì)算。吊重工況計(jì)算時(shí)根據(jù)吊機(jī)在不同的方位起吊時(shí)計(jì)算其下支架及連接梁的受力狀況，比較后取最大值配置桿件，荷載應(yīng)計(jì)入側(cè)錨預(yù)拉力、風(fēng)力及施工荷載等。3.2.3 導(dǎo)向船施工為減小拼裝難度及不影響航道，導(dǎo)向船連接梁及吊機(jī)可在岸邊用50t及30t浮吊拼裝，完成后由2艘拖輪浮運(yùn)至定位船后方，系好拉纜后逐步放松，使導(dǎo)向船組順流浮運(yùn)到墩位，然后再系定邊錨及尾錨。3.3 雙壁吊箱圍堰設(shè)計(jì)制造及浮運(yùn)定位3.3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概況雙壁吊箱圍堰設(shè)計(jì)，應(yīng)考慮水流沖

10、擊、結(jié)構(gòu)受力、浮運(yùn)要求等。該橋圍堰平面尺寸為33.2m×20m，圓端形結(jié)構(gòu)。6#墩圍堰高15.5m，自重600t； 7#墩圍堰高13m，自重560t。圍堰由側(cè)板、底板及龍骨、內(nèi)支撐架和上下導(dǎo)環(huán)等部分組成，形成集鉆孔平臺(tái)和承臺(tái)施工平臺(tái)為一體的結(jié)構(gòu)，綜合了雙壁鋼圍堰與吊箱圍堰的特點(diǎn)。側(cè)板為雙壁結(jié)構(gòu)，內(nèi)外壁間距1.2m，具備自浮能力，通過(guò)艙內(nèi)灌(抽)水可調(diào)節(jié)圍堰標(biāo)高。面板為6mm鋼板，豎向用L75X50X6角鋼加勁，布置間距400500mm。內(nèi)外壁間采用水平支撐環(huán)板，通過(guò)L75X75X6（8）角鋼斜撐連成整體。水平環(huán)板間豎向間距1000或1200mm，并根據(jù)計(jì)算水頭分別采用10、12、14

11、及14外貼20mm加強(qiáng)板四種斷面形式。為有利圍堰下沉、加強(qiáng)雙壁整體性，在內(nèi)外壁間設(shè)18道隔艙板，將雙壁間分成若干小隔艙。底板直接支承于龍骨上，并通過(guò)模板間縫隙將底板與龍骨焊連。底板龍骨采用40b組成縱橫框架結(jié)構(gòu)形式，交叉處采用等強(qiáng)焊接，通過(guò)吊桿將荷載傳至內(nèi)支撐架。內(nèi)支撐架既是圍堰豎向及水平傳力構(gòu)件，同時(shí)也是施工平臺(tái)的組成部分，由萬(wàn)能桿件及新制桿件組成。上下導(dǎo)環(huán)既作為鋼護(hù)筒插打的導(dǎo)向裝置，又是鋼護(hù)筒與圍堰形成整體的連接裝置。護(hù)筒插打完后，將下導(dǎo)環(huán)鍥緊，上導(dǎo)環(huán)與鋼護(hù)筒焊接，圍堰與護(hù)筒即形成整體框架結(jié)構(gòu)。3.3.2計(jì)算分析雙壁吊箱圍堰除浮運(yùn)計(jì)算外，還應(yīng)計(jì)算以下三部分：圍堰與定位樁形成的平臺(tái)系統(tǒng)計(jì)算、

12、圍堰本體結(jié)構(gòu)計(jì)算及整體抗浮計(jì)算。(1)平臺(tái)系統(tǒng)計(jì)算假定圍堰是支承于4根定位樁的剛性梁，定位樁錨固于基巖中，計(jì)算模式如下：平臺(tái)計(jì)算控制工況是插打離平臺(tái)中心最遠(yuǎn)的非定位樁鋼護(hù)筒時(shí)，荷載組合為：豎向力（平臺(tái)自重+導(dǎo)向架及接樁鋼護(hù)筒自重+施工荷載）+平臺(tái)及支承樁所受的風(fēng)力、水流力+單根樁下沉所受水流力。根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定鋼護(hù)筒的壁厚及護(hù)筒嵌巖深度。(2)本體結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)構(gòu)計(jì)算采用有限元程序進(jìn)行電算，建立空間模型:內(nèi)外壁板及環(huán)板視為空間板殼單元，水平斜撐及豎肋采用空間梁?jiǎn)卧?，圍堰?nèi)支撐桿件視為桁元，根據(jù)不同的工況進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)各種工況下計(jì)算結(jié)果的最不利應(yīng)力狀態(tài)來(lái)選取桿件尺寸。為了校核計(jì)算結(jié)果，在如下假定下進(jìn)

13、行手算復(fù)核：（1）對(duì)環(huán)板和水平斜撐技術(shù)時(shí)考慮壁板50倍板厚的寬度參與受力；（2）豎向加勁板按滿跨連續(xù)梁計(jì)算，同時(shí)考慮壁板50倍板厚的寬度參與受力；（3）壁板接支撐在豎向加勁肋上的滿跨連續(xù)板計(jì)算。兩種計(jì)算結(jié)果吻合較好。計(jì)算表明：外側(cè)板由圍堰下沉過(guò)程中水頭控制，內(nèi)側(cè)板及環(huán)板由圍堰在抽水后隔倉(cāng)內(nèi)填充水頭控制，底板由澆注水下砼重量控制，而內(nèi)支撐桿件則在澆注封底砼、鉆孔及抽水工況中均有局部桿件受控制。(3)整體抗浮計(jì)算圍堰完成抽水時(shí)，吊箱承受浮力，應(yīng)進(jìn)行整體抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算，確定隔倉(cāng)內(nèi)灌水壓重。 3.3.3圍堰制造及浮運(yùn)定位雙壁吊箱圍堰制造應(yīng)就近選擇造船廠或具備下河條件的場(chǎng)地進(jìn)行，圍堰整體制造（施工平臺(tái)后裝

14、），按鋼結(jié)構(gòu)施工規(guī)范加工、驗(yàn)收，并對(duì)焊縫作煤油滲透檢查。由于圍堰整體浮運(yùn)吃水較深，長(zhǎng)江上游江面水流湍急，局部區(qū)段流速達(dá)4m/秒，圍堰逆水而上須克服相當(dāng)大的阻力（約50t），計(jì)算需用5000馬力以上拖輪拖運(yùn)。實(shí)際施工中，采用一艘5000馬力拖輪頂推，另一艘2000馬力護(hù)航協(xié)助。圍堰拖運(yùn)至導(dǎo)向船尾部后，在定位船及導(dǎo)向船上設(shè)拉纜共同將圍堰拉入導(dǎo)向船內(nèi)設(shè)計(jì)位置。在圍堰上焊接牛腿支架與導(dǎo)向船剛性連接，同時(shí)安裝限位架，在限位架及牛腿支架的共同作用下將圍堰與導(dǎo)向船形成一個(gè)整體，通過(guò)強(qiáng)大的錨碇系統(tǒng)來(lái)保證圍堰的準(zhǔn)確位置，從而保證鋼護(hù)筒的精確位置。3.4 鋼護(hù)筒插打和平臺(tái)形成先打定位樁，平臺(tái)定位樁是利用主體結(jié)構(gòu)樁

15、位和鋼護(hù)筒。由于墩位處漂卵石粒徑大，采用250t打樁機(jī)將鋼護(hù)筒振動(dòng)下沉，同時(shí)輔以吸泥、沖擊鉆或沖抓錐等方法使護(hù)筒跟進(jìn)。定位樁完成后，解除圍堰與導(dǎo)向船的連接，圍堰加水下沉，到設(shè)計(jì)標(biāo)高后與定位樁固結(jié)。繼續(xù)插打其余鋼護(hù)筒，同時(shí)與圍堰固結(jié)，形成鉆孔樁施工平臺(tái)。3.5 鉆孔樁施工、封底、承臺(tái)澆注由于鋼護(hù)筒插打嵌入巖面，根據(jù)該橋地質(zhì)情況，選用KPG-3000型鉆機(jī)，楔齒滾刀鉆頭，清水反循環(huán)鉆進(jìn)方法。每墩布置3臺(tái)鉆機(jī)，每臺(tái)鉆機(jī)砂巖層平均鉆進(jìn)速度為89cm/小時(shí)，泥巖層平均鉆進(jìn)速度912cm/小時(shí)。鉆孔樁快要完成時(shí)，就開(kāi)始進(jìn)行清基工作。待鉆孔樁完成后，進(jìn)行封底。6#、7#墩封底厚度分別為2.5m、2.0m。導(dǎo)管根據(jù)混凝土的流動(dòng)性能計(jì)算設(shè)置，封底從一端向另一端進(jìn)行。混凝土儲(chǔ)料應(yīng)有足夠，滑槽及轉(zhuǎn)向靈活方便，保證混凝土封底工作順利，快速完成。根據(jù)封底混凝土的承載能力，承臺(tái)混凝土分二次澆注，每次3m高，按大體積混凝土工藝施工，內(nèi)部設(shè)置降溫管和溫度監(jiān)控元件，外部采用保溫保濕養(yǎng)護(hù)。4 小結(jié) 雙壁吊箱圍堰在長(zhǎng)壽長(zhǎng)江特大橋施工中，與鋼圍堰施工相比具有如下主要優(yōu)點(diǎn)：（1）阻水寬度小，有利通航。雙壁吊箱圍堰在外形上做成圓端形，阻水面寬度為20m，減少了阻水面積和航道占用寬度，對(duì)通航