永定新河特大橋主墩承臺鋼圍堰施工技術(shù)

張文海，曹建平，祝業(yè)浩

（中交一航局第一工程有限公司，天津300456）

1 工程概況

1）永定新河特大橋位于天津濱海新區(qū)境內(nèi)，跨越規(guī)劃的永定新河主河道，是海濱大道高速公路的一座重要橋梁。

主橋為90m+160m+90m預(yù)應(yīng)力混凝土變截面直腹板連續(xù)箱梁，上部構(gòu)造為雙幅單箱雙室箱形截面，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。兩個主墩采用70根直徑1.8m，長88m、82m樁基。承臺平面尺寸為44.4m×30.6m×5.5m，頂標(biāo)高-5.0m（天津新港理論基準(zhǔn)面，下同），底標(biāo)高-10.5m。主墩承臺施工采用鋼圍堰做擋土和擋水設(shè)施及澆筑混凝土?xí)r的側(cè)模，為考慮下沉偏差，鋼圍堰內(nèi)皮尺寸比承臺加大30 cm，墩身施工結(jié)束后割除承臺頂面以上鋼圍堰結(jié)構(gòu)。

2）水文、地質(zhì)條件。主墩承臺位于河口近岸海灘上，潮汐為不規(guī)則半日潮。一般潮差為2～3m，海流流速較緩，據(jù)統(tǒng)計，流速小于40 cm/s的累計頻率為96.4%。波高50 a一遇H1%為3.34m，周期5.7 s。地質(zhì)為海相與陸相互沉積地層，在-14.0m以上范圍內(nèi)，自上而下為淤泥、淤泥質(zhì)土、淤泥、淤泥質(zhì)土和粉土。

2 鋼圍堰設(shè)計

2.1 設(shè)計條件

各設(shè)計條件見表1。

表1 鋼圍堰設(shè)計條件

2.2 鋼圍堰結(jié)構(gòu)形式

經(jīng)多個方案比選后決定鋼圍堰采用無底、雙壁鋼套箱結(jié)構(gòu)。鋼套箱內(nèi)口平面尺寸為44.7m×30.9m，壁體寬1.5m，高17.7m，圍堰頂標(biāo)高+4.0m，底標(biāo)高-13.7m，其頂部設(shè)置1.5m高的臨時擋水結(jié)構(gòu)，單個鋼圍堰重為1 150 t，封底為厚2.1 m、強度等級C25的混凝土，一次澆筑完成。

鋼圍堰由壁體，刃腳和內(nèi)撐三部分組成。壁體為雙壁式結(jié)構(gòu)，主要由隔艙板、箱梁、水平環(huán)板，橫向聯(lián)系撐及內(nèi)外壁板構(gòu)成，刃腳高1.5m，內(nèi)撐有縱向和橫向支撐，共同構(gòu)成平面框架，與壁體形成完整的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體系。

根據(jù)現(xiàn)場起吊能力，設(shè)計時將鋼圍堰豎直方向分為3節(jié)，自下而上高度分別為5.7 m、5.3 m和6.7 m，每節(jié)水平方向分為14塊，分塊單元最重為26 t。鋼圍堰結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 鋼圍堰結(jié)構(gòu)圖

設(shè)計時對每節(jié)鋼圍堰下沉深度、注水高度及夾壁內(nèi)澆筑混凝土、注砂高度進行了詳細的計算。對封底混凝土厚度驗算時，分別計算了抽水時封底混凝土的受力和底板的抗彎抗剪能力以及封底混凝土與灌注樁鋼護筒握裹力等。還對壁體面板、隔艙板、箱梁、環(huán)板、橫向聯(lián)系撐、內(nèi)支撐等進行受力驗算，充分考慮了鋼圍堰下沉到位，澆筑水下封底混凝土，在設(shè)計高潮位抽干水時的3種受力工況。通過計算，鋼圍堰能夠滿足規(guī)范及施工要求。

3 鋼圍堰施工方法

3.1 鋼圍堰施工流程

鋼圍堰施工流程見圖2。

圖2 鋼圍堰施工流程圖

3.2 鋼圍堰制作、運輸

鋼圍堰按照拼裝的先后順序分節(jié)，分塊制作。

鋼圍堰分塊單元必須嚴(yán)格按照規(guī)范和設(shè)計要求，在加工廠搭設(shè)的鋼平臺上制作。先將內(nèi)外壁板、水平環(huán)板、箱梁、隔艙板平面分段進行，再在平臺上依次安裝外壁板——隔艙板——箱梁——水平環(huán)板——內(nèi)壁板。

壁體分塊制作經(jīng)檢驗、試拼合格后，用吊機裝在平板車上通過施工棧橋運至墩位。運輸中應(yīng)避免其變形，必要時采取局部加固措施。

3.3 鋼圍堰拼裝及沉放

3.3.1 搭設(shè)鋼圍堰拼裝平臺

在鋼圍堰四周設(shè)置施工輔道，基礎(chǔ)采用鋼管樁，在輔道鋼管樁上焊接牛腿，牛腿之間焊接36號工字鋼平聯(lián)作支撐，利用牛腿輔設(shè)腳手板作首節(jié)鋼圍堰拼裝平臺。

3.3.2 首節(jié)鋼圍堰拼裝及下放

在平聯(lián)支撐上放出鋼圍堰的理論位置及相鄰塊體間的拼裝線，并在其上焊好限位塊，以控制鋼圍堰下口線的平面位置。將首節(jié)鋼圍堰第一塊吊起安裝到位，下口與限位塊焊接固定，上口由測量控制鋼圍堰垂直度，用型鋼將其與灌注樁鋼護筒上焊接的橫撐焊接固定。起吊第二塊鋼圍堰安裝到位，與第一塊鋼圍堰進行點焊固定好后，進行拼縫焊接，依此類推，將首節(jié)鋼圍堰其余分塊拼裝好。為確保最后合龍塊能夠順利吊進兩側(cè)已拼裝好的鋼圍堰內(nèi)，在制作時，將其做成里口尺寸小，外口尺寸大的塊體，以降低鋼圍堰合龍難度。

首節(jié)鋼圍堰下放是通過下放系統(tǒng)來完成。下放系統(tǒng)由灌注樁鋼護筒上焊接的牛腿、250 t穿心千斤頂、液壓油泵、高強度鋼絞線和鋼圍堰內(nèi)側(cè)壁上焊接的錨固牛腿構(gòu)成。首節(jié)鋼圍堰下放系統(tǒng)平臺布置見圖3。

圖3 鋼圍堰結(jié)構(gòu)及下放位置圖

下放系統(tǒng)安裝調(diào)試好后，拆除鋼圍堰的臨時固定連接，在圍堰4個角點鋼護筒上設(shè)置鋼圍堰下放導(dǎo)向裝置，利用8臺250 t穿心千斤頂、液壓油泵、高強度鋼絞線組成的柔性吊桿，同時起吊鋼圍堰脫離拼裝平臺10 cm，檢查下放系統(tǒng)有無異常情況，檢查無誤后割除拼裝平臺，利用穿心千斤頂上下夾持器進行松緊錨作業(yè)。即先由千斤頂?shù)南聤A持器夾緊鋼絞線，千斤頂活塞向上前進，活塞到位后夾緊上夾持器，千斤頂活塞繼續(xù)向上前進3 cm，打開下夾持器，千斤頂活塞向下回縮，鋼圍堰下放，千斤頂活塞回縮到位后，下夾持器再次夾緊鋼絞線完成一次下放循環(huán)。通過液壓系統(tǒng)重復(fù)以上工作，使鋼圍堰整體同步下放入泥直到沉不動為止。為控制好圍堰平面位置和加大入泥下放深度，應(yīng)選擇在低潮時下放，在高潮前，向圍堰夾壁內(nèi)注水，以確保圍堰在浮力作用下不出現(xiàn)上浮和傾斜情況。

當(dāng)注水400 t圍堰不再下沉后，在圍堰內(nèi)采用挖掘法和射水法挖泥使其繼續(xù)下沉。挖掘法是用長臂挖掘機在輔道上將泥直接從圍堰內(nèi)挖出裝自卸車運走。射水法是通過人工采用高壓水槍沖水，將土層沖破稀釋成泥漿，然后采用泥漿泵抽取泥漿排出。施工時，先沖圍堰底部中央部位，使圍堰底形成鍋底狀，再由中央部位向刃腳方向逐層全面、對稱、均勻地沖削土層，每次削5～10 cm，當(dāng)土層經(jīng)不住刃腳的擠壓而破裂，圍堰便靠自重作用均勻垂直擠土下沉直至頂面達到+2.0m標(biāo)高。在沖泥過程中，嚴(yán)格控制內(nèi)外壓力差，防止圍堰底腳發(fā)生穿孔現(xiàn)象。

3.3.3 第二節(jié)鋼圍堰拼裝接高及沉放

在首節(jié)鋼圍堰內(nèi)外側(cè)壁水面附近焊接小三角托架，搭設(shè)操作平臺，分塊起吊第二節(jié)鋼圍堰與首節(jié)鋼圍堰拼裝接高。再拆除操作平臺，向鋼圍堰夾壁內(nèi)反對稱均勻澆筑混凝土，繼續(xù)下沉，當(dāng)夾壁內(nèi)混凝土澆筑高度3m，不再下沉后，采用4臺空氣吸泥機氣舉吸泥法吸泥。圍堰內(nèi)補水，通過設(shè)置的抽水系統(tǒng)平衡圍堰內(nèi)外水頭差。對粘結(jié)性較強的土層采用高壓水槍附著在吸泥管底部輔助擾動土，取得了較好的除土吸泥效果。對圍堰內(nèi)分層吸泥遵循“先中間后周邊”的原則對稱均勻取土，使圍堰內(nèi)泥面形成鍋底狀。由中間鍋底向四周放坡，這樣圍堰在自重作用下克服下沉阻力而下沉。在圍堰下沉過程中每間隔2 h測一次泥面標(biāo)高。并繪制出至少3個直徑方向的泥面鍋底曲線，通過吸泥部位的選擇，保持鋼圍堰均勻下沉。

吸泥下沉施工注意事項為：

1）在吸泥下沉過程中，測量人員應(yīng)嚴(yán)格監(jiān)視泥面標(biāo)高變化情況，并測繪制出泥面變化曲線。

2）圍堰的偏位情況應(yīng)隨著圍堰下沉同步進行觀測，圍堰每下沉50 cm左右觀測一次偏位情況。

3）當(dāng)圍堰內(nèi)側(cè)四周泥面標(biāo)高比刃腳底部略低時，應(yīng)停止吸泥，以避免使圍堰內(nèi)泥面坡度過陡，土坡失穩(wěn)滑動造成穿孔，使吸泥量增加。此時，可向圍堰夾壁內(nèi)注水、填砂，增加圍堰下沉重力。下沉過程中下沉系數(shù)應(yīng)保持大于1.2，但不能過大，以防止圍堰突沉位置偏移。

吸泥施工中導(dǎo)管吸泥位置離刃腳必須有1～2m距離，且不能在同一位置吸泥時間過長，如果有下沉跡象，應(yīng)另選5m以外的部位進行作業(yè)。注意采取補水措施，使圍堰內(nèi)外水頭差保持平衡。

采用上述方法拼裝接高第三節(jié)鋼圍堰后，繼續(xù)采用氣舉吸泥法在鋼圍堰內(nèi)側(cè)吸泥，使鋼圍堰均勻下沉至設(shè)計標(biāo)高。本工程鋼圍堰入泥深度16m，需要穿過厚度達10m的淤泥質(zhì)土和粉土，其中個別深度位置的淤泥質(zhì)土黏性較強，破土困難，特別是刃腳處土體不易崩塌，影響了圍堰下沉的速度。為滿足下沉系數(shù)的要求，施工中根據(jù)鋼圍堰不同的施工階段，分別采用不同加載助沉措施。首節(jié)鋼圍堰夾壁內(nèi)注水，第二節(jié)鋼圍堰拼裝接高后在夾壁內(nèi)澆筑混凝土，第三節(jié)鋼圍堰拼裝后在夾壁內(nèi)填砂及在圍堰頂堆放鋼筋加載。另外，根據(jù)圍堰受力情況，通過核算，采用降低鋼圍堰內(nèi)水位的方法助沉，取得較好的效果。

3.4 澆筑鋼圍堰封底混凝土

鋼圍堰下沉到位后，潛水員用高壓水槍沖洗鋼圍堰刃腳、灌注樁鋼護筒，并將圍堰底部泥面找平，拋填整平30 cm厚碎石墊層，在鋼護筒上焊剪力牛腿。在鋼圍堰頂部設(shè)操作平臺，利用導(dǎo)管法澆筑封底混凝土。導(dǎo)管采用手拉葫蘆吊掛于平臺梁上。

根據(jù)圍堰承受的水頭17.0m，結(jié)合圍堰內(nèi)樁基數(shù)量及布置，通過受力計算確定封底混凝土厚度為2.1m，混凝土標(biāo)號為C25。按17.0m高水頭壓力，封底時導(dǎo)管內(nèi)最大混凝土壓力為400 kPa。根據(jù)施工經(jīng)驗，導(dǎo)管內(nèi)混凝土作用半徑約為4.5m，考慮到本承臺樁基較密，對混凝土流動有一定影響，導(dǎo)管作用范圍的部分重疊，導(dǎo)管布置時混凝土作用半徑按3m考慮，澆筑區(qū)布置21根導(dǎo)管周轉(zhuǎn)使用。按導(dǎo)管首埋深1.0m計算，首批混凝土方量為21.7m3，由于圍堰壁及鋼護筒壁的作用，混凝土不能形成完整的圓錐需扣除約4.0m3，所以首批混凝土數(shù)量可按18m3考慮。

封底混凝土采用混凝土攪拌站生產(chǎn)，罐車運輸，泵車連續(xù)澆注工藝。澆注順序按先澆注一角再向外擴散。在一根導(dǎo)管首封完成后，進行其相鄰導(dǎo)管封口時，應(yīng)先測量待封導(dǎo)管底部處的混凝土頂標(biāo)高，重新調(diào)整導(dǎo)管底口的高度。為保證封底混凝土質(zhì)量，同一根導(dǎo)管兩次澆注混凝土的間隔時間控制在45min之內(nèi)，且每隔一定時間測一次標(biāo)高，對標(biāo)高偏低位置實施補料，力求封底混凝土頂面平整，并保證封底混凝土厚度達到設(shè)計要求。

4 結(jié)語

1）受現(xiàn)場水深條件和起重能力的限制，鋼圍堰采用分節(jié)分塊加工，利用施工輔道上的70 t吊機拼裝成節(jié)，整體沉放的施工工藝加快了施工進度，減小了施工難度。

2）首節(jié)鋼圍堰利用8臺250 t穿心千斤頂、液壓油泵、高強度鋼絞線構(gòu)成的下放系統(tǒng)，實現(xiàn)了整體起吊下放入水，具有安全、經(jīng)濟、便捷的優(yōu)點，值得推廣。

3）鋼圍堰采用挖掘取土、射水吸泥、負(fù)壓氣舉吸泥、加載助沉、降低鋼圍堰內(nèi)水位等施工方法，將鋼圍堰沉到設(shè)計標(biāo)高，平面位置、垂直度偏差都控制在設(shè)計范圍之內(nèi)。實踐證明該施工工藝是成功的，滿足了施工要求，可供類似工程施工借鑒。

[1] 王愛國.深水?dāng)U大基礎(chǔ)圓型單壁鋼圍堰施工技術(shù)[J].鐵道工程學(xué)報，2000（4）：50-53.

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