深水裸露坡巖大型高低刃腳雙壁鋼圍堰設(shè)計與施工

徐小祥

(鐵道戰(zhàn)備舟橋處，山東齊河　251100)

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深水裸露坡巖大型高低刃腳雙壁鋼圍堰設(shè)計與施工

徐小祥

(鐵道戰(zhàn)備舟橋處，山東齊河251100)

摘要:深水裸露基巖低樁承臺施工常采用水下基坑爆破和雙壁鋼圍堰的設(shè)計施工方法，由于承臺基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式、承臺嵌入巖層深度、河床巖層坡面傾斜度、水深和流速等參數(shù)的不同，其設(shè)計施工難度差異很大。結(jié)合南龍鐵路閩江特大橋與合福聯(lián)絡(luò)線閩江特大橋雙壁鋼圍堰設(shè)計施工實例(以17#墩為例)，介紹在水深流急的裸露陡坡巖石地基條件下，進行先堰后樁低樁承臺施工時采用大型高低刃腳加活動插板雙壁鋼圍堰的設(shè)計施工方法。

關(guān)鍵詞:深水裸巖高低刃腳鋼圍堰設(shè)計施工

1　工程概況

南龍鐵路閩江特大橋(以下簡稱正線大橋)與合福聯(lián)絡(luò)線閩江特大橋(以下簡稱聯(lián)絡(luò)線大橋)位于福建省南平市延平區(qū)境內(nèi)，兩橋相距1. 5 km，主橋均為雙線剛構(gòu)連續(xù)梁。正線大橋主跨跨徑組合為( 118 + 216 + 138 + 83) m，聯(lián)絡(luò)線大橋為( 118 + 216 + 118) m。其中正線大橋第17#，18#墩和聯(lián)絡(luò)線大橋第10#，11#墩為主墩，主橋基礎(chǔ)均為24根φ2. 5 m鉆孔灌注樁，主墩承臺尺寸均為30. 25 m×19. 75 m×5 m，承臺頂面在河床巖層面以下5 m左右。

兩座閩江大橋主墩位于閩江主河槽內(nèi)，常水位平均水深8～10 m，施工常水位標(biāo)高62～63 m。河段規(guī)劃為四級航道，最高通航水位69. 02 m，最低通航水位57. 02 m。在下游不泄洪時，流速為0. 5 m/s左右，在5 ～8月泄洪時，流速達到3 m/s。

主墩墩位河床為裸露基巖，河床標(biāo)高約52～55 m。10#，17#墩位靠河中心側(cè)，縱向起伏較大，高差達10 m之多。河床底下依次為弱風(fēng)化、微風(fēng)化花崗閃長巖，強度為700～1 000 kPa。

2　雙壁鋼圍堰設(shè)計

2. 1總體設(shè)計方案

通過實測4個主墩河床標(biāo)高可知，11#，18#墩基礎(chǔ)河床較平整，10#，17#墩基礎(chǔ)河床高差大，河床基巖面走向形成一個坡面，故這2個墩的鉆孔樁和承臺施工成為該橋基礎(chǔ)施工難點。根據(jù)水文地質(zhì)資料和承臺尺寸等相關(guān)情況，需要著重解決以下幾個問題:①巖面高差大，且較深一側(cè)坡度規(guī)律不明顯，基坑大，普通高低刃腳難以使鋼圍堰刃腳直接著床，且刃腳堵漏困難;②汛期流速大，水阻力大，圍堰封底前施工錨錠和圍堰精確定位難度大;③鋼圍堰在坡巖上的自身穩(wěn)定問題，靠河中心下游較深一側(cè)的混凝土封底厚度較厚，對鋼圍堰產(chǎn)生水平推力從而有滑移趨勢［1］。

考慮阻力、施工難易程度、經(jīng)濟等因素后，選擇雙壁鋼圍堰施工方案較合理。在設(shè)計選取刃腳形式時，11#，18#墩采用普通平底刃腳雙壁鋼圍堰即可，而處在坡巖上的10#，17#墩，采用高低刃腳加活動插板雙壁矩形鋼圍堰設(shè)計新型方案比較合理。該方案既能確保圍堰平穩(wěn)著床，又能保證圍堰頂面平整度、偏位在可控范圍，同時在坡巖上還能利用活動插板靈活堵漏及封底［2］。

2. 2設(shè)計參數(shù)

1)設(shè)計荷載取值。流水?dāng)嗝嬖O(shè)計流速3 m/s;封底、隔艙混凝土重度24 kN/m3;水浮力10 kN/m3;靜水壓力10 kPa;計算施工高水位標(biāo)高64 m。

2)設(shè)計荷載組合。水平荷載:靜水壓力+流水壓力。豎直荷載:鋼圍堰自重+配重+封底混凝土自重+浮力。

3)結(jié)構(gòu)參數(shù)取值。考慮下沉施工25 cm的誤差，圍堰內(nèi)壁平面尺寸比承臺尺寸大25 cm。鋼圍堰平面設(shè)計為矩形結(jié)構(gòu)，內(nèi)、外壁相距1. 5 m，鋼圍堰外壁長33. 75 m，寬23. 25 m，內(nèi)壁長30. 75 m，寬20. 25 m，刃腳高為1. 6 m。

4)封底混凝土與鋼護筒的最大摩阻力為300 kPa。

2. 3鋼圍堰結(jié)構(gòu)布置

鋼圍堰由壁體、刃腳、插板和內(nèi)支撐組成。壁體和刃腳主要由隔倉板、水平型鋼、水平直桿、水平斜桿、豎向加勁肋、內(nèi)外壁板、水平環(huán)板組成。刃腳高度1. 6 m，圍堰第1節(jié)到第4節(jié)每節(jié)高4 m，第5節(jié)高2 m。低刃腳懸空部位設(shè)計150方鋼或其它型鋼活動插板，插板通過焊接在底節(jié)外壁板上的插槽從上往下連續(xù)不間斷插放。內(nèi)支撐采用鋼管構(gòu)成空間框架，與鋼圍堰一起形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體系。17#墩雙壁鋼圍堰結(jié)構(gòu)立面見圖1。

圖1 17#墩雙壁鋼圍堰結(jié)構(gòu)立面(單位: m)

2. 4計算工況

為了使受力分析和計算簡便，低刃腳插板局部范圍封底混凝土厚度和其他部位均按2. 4 m考慮，受力驗算不受影響。

工況1:鋼圍堰下沉到位，鉆孔施工完成，承臺底完成封底混凝土，圍堰內(nèi)開始抽水，第1層支撐完成，圍堰抽水至第2層支撐處。此時圍堰內(nèi)部有1層支撐，外側(cè)承受16 m高水壓力，內(nèi)側(cè)承受6 m高水壓力。

工況2:鋼圍堰抽水完成，第2層支撐完成，此時圍堰內(nèi)部有2層支撐，外部承受16 m高水壓力。

工況3:澆筑完成5 m厚承臺混凝土，混凝土達到設(shè)計強度后，拆除第1層支撐里阻擋墩身施工的部分構(gòu)件，保守計算采用拆除全部支撐。工況荷載示意如圖2。

2. 5荷載計算

以17#墩為例，墩位處河床頂標(biāo)高52 m，施工水位63 m，計算水位64 m，計算水深16 m。因無覆蓋土層，主動土壓力不需計算。故水壓力為160 kN/m2。根據(jù)下式計算流水壓力［3］

圖2工況荷載示意

式中: P為流水壓力，kN; K為橋墩形狀系數(shù)，方形橋墩為1. 47，矩形橋墩(長邊與水流平行)為1. 33，圓形橋墩為0. 73; A為橋墩阻水面積，m2，通常計算至一般沖刷線處;γ為水的重度，一般采用10 kN/m2; v為計算時采用的流速，m/s，計算穩(wěn)定性時采用設(shè)計水位時的流速，計算基底應(yīng)力或基底偏心時采用常水位的流速; gn為標(biāo)準(zhǔn)自由落體加速度。

考慮到流水壓力的作用，圍堰的最大水壓力為166 kN/m2。

2. 6計算結(jié)果

采用有限元軟件Midas/Civil建立1 /4圍堰模型，計算鋼圍堰在側(cè)面水壓力作用下的受力情況。計算內(nèi)容包括鋼圍堰、封底混凝土、隔艙混凝土、隔艙注水和承臺混凝土。其中，艙底按固結(jié)處理，模型主要由板單元、梁單元和實體單元組成［4］。

2. 6. 1鋼圍堰抗浮計算

鋼圍堰施工過程中，在下沉到設(shè)計位置之前，主要依靠圍堰自身重量和艙室中注水重量來抵抗圍堰艙室自身的水浮力。在鋼圍堰下沉到設(shè)計位置后，需要澆筑水下封底混凝土和艙室混凝土，當(dāng)混凝土達到設(shè)計強度的90%后開始抽水。圍堰內(nèi)抽水完成后，此時鋼圍堰將承受最大的上浮力，主要靠鋼圍堰、封底混凝土自重以及封底混凝土與樁基套筒間的摩阻力來共同克服上浮力。為便于計算，封底混凝土厚度為2. 4 m，低刃腳插板較厚部分混凝土重量和低刃腳插板重量可不計［5］。計算結(jié)果如下:

鋼圍堰內(nèi)抽水后水的浮力F浮= 23. 25×33. 75× 16×10 = 125 550 kN，鋼圍堰總重量+艙內(nèi)混凝土+艙內(nèi)水(滿)，即

扣除鋼圍堰和封底混凝土自重后的上浮力F上= F浮－G = 125 550－89 777 = 35 773 kN，F(xiàn)上依靠封底混凝土與樁基的摩擦阻力克服而到達圍堰受力平衡，則封底混凝土與樁基間的摩擦阻力f = F上/A = 35 773 /( 196. 035(樁基套筒外周長)×2. 4(封底混凝土高度) ) = 76 kPa＜300 kPa，因此，鋼圍堰內(nèi)抽水后能夠滿足抗浮要求。

2. 6. 2封底混凝土計算

封底混凝土底面承受向上的水壓力，同時承受封底混凝土自重。對作用封底混凝土上的荷載計算如下:

①作用在封底混凝土底面的最大水壓力P1= 205 kPa;②作用在封底混凝土頂面的承臺混凝土荷載P2= 26×5 = 130 kPa。

工況2:施加在封底底面的實際均布荷載為P1= 205 kPa，工況3:施加在封底混凝土底面的實際均布荷載為P1－P2= 75 kPa。

建立封底混凝土實體模型，與各樁基連接位置的封底混凝土設(shè)置為固結(jié)約束。保守計算，不考慮鋼圍堰對封底混凝土側(cè)面的約束作用。封底混凝土計算模型見圖3。

圖3封底混凝土計算模型

按最大荷載工況，即工況2進行計算，計算結(jié)果如下

故在水壓力以及承臺混凝土荷載作用下，封底混凝土強度滿足設(shè)計要求。

2. 6. 3鋼圍堰結(jié)構(gòu)計算

在工況1，2，3中，鋼圍堰外側(cè)承受的最大組合側(cè)壓力為165 kN/m2，通過建立整體有限元模型對各工況下鋼圍堰的剛度、強度及穩(wěn)定性進行計算。

1)鋼圍堰強度

鋼圍堰構(gòu)件強度計算結(jié)果見表1。由表1可知，鋼圍堰各構(gòu)件最大應(yīng)力均小于設(shè)計強度，最大變形均小于設(shè)計允許變形值，滿足要求。

表1鋼圍堰構(gòu)件強度計算結(jié)果

2)水平支撐壓桿穩(wěn)定性

3　鋼圍堰施工

3. 1施工技術(shù)難點

由于閩江每年3至8月份會出現(xiàn)漲水流速加大現(xiàn)象，上、下游電站泄洪時流速更大。因工期需要，閩江大橋17#墩鋼圍堰施工必須在這段時間組織施工。因此，深水炸巖爆破開挖、鋼圍堰拼裝下沉、鋼圍堰定位、錨錠安全等問題成為施工難點。

3. 2總體施工方案

結(jié)合現(xiàn)場實際條件，考慮到大型水上設(shè)備無法進場，而施工工期緊，4個主墩需同步施工，故采用鐵路舟橋器材拼組4個水上浮平臺進行水下鉆孔爆破和固定棧橋沖擊鉆孔施工。拼組4臺20 t水上高架浮吊作為圍堰施工主要吊裝設(shè)備，利用標(biāo)準(zhǔn)舟節(jié)拼組定位船、導(dǎo)向船、運輸船，并結(jié)合機動舟進行圍堰運輸拼裝和定位。承臺基坑采用潛水鉆機鉆孔，選用乳化炸藥、雷管、導(dǎo)爆管爆破器材進行爆破施工。采用小松PC1000加長臂挖掘機上浮平臺進行清渣作業(yè)，挖掘機平臺配備GPS定位測量設(shè)備。在岸邊碼頭利用汽車吊和浮吊拼裝鋼圍堰底節(jié)，利用8個50 t千斤頂和8根φ32精軋螺紋鋼等組成的懸吊系統(tǒng)下沉底節(jié)鋼圍堰，然后浮運至墩位處。利用浮吊等設(shè)備進行拼裝、接高、下沉等，同時利用定位船、導(dǎo)向船進行圍堰導(dǎo)向和精確定位及錨錠［6-7］。

3. 3深水巖層爆破開挖施工

3. 3. 1爆破方案

為滿足承臺及鋼圍堰施工的需要，4個主墩采用先炸后挖、全斷面梅花形布孔爆破施工。深水無覆蓋層或覆蓋層較薄河床巖層采取潛孔鉆機成孔速度較快，鉆進方法確定為單層一次爆破到位。爆破的裝藥量，根據(jù)鉆爆巖層厚度、強度以及爆破點距民房的距離確定。為了能順利地完成鋼圍堰下沉，基槽需有相應(yīng)的超寬( 50 cm)和超深( 30～50 cm)。6臺鉆孔設(shè)備安裝在一艘鉆機浮平臺兩側(cè)軌道上，對稱布置，采用左右4個邊錨及前后2個主錨共計6個錨控制船舶前后左右移動。水下鉆孔定位利用GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)精確測定鉆孔浮平臺位置，測定的孔位誤差控制在20 cm以內(nèi)。

水下鉆孔爆破施工工藝:施工準(zhǔn)備→鉆孔→裝藥→連接網(wǎng)絡(luò)→串聯(lián)線路→起爆→現(xiàn)場檢查、啞炮排查處理→效果分析→清渣［8］。

3. 3. 2起爆和清渣

根據(jù)炸藥在水中允許放置的時間和現(xiàn)場允許最大起爆藥量，結(jié)合閩江水情確定起爆孔眼數(shù)量。一般當(dāng)天鉆孔完成即進行裝藥爆破。水下爆破作業(yè)完成后，即可利用長臂挖掘機( 23 m大臂，挖斗2 m3)進行開挖清渣工作。開挖清渣過程中和清渣完成后，需要對基坑標(biāo)高進行測量及驗收，可采用單波束或多波束水深測量系統(tǒng)配套儀器進行全斷面掃測核實，若有需要，可安排潛水員進行水下探摸，確保開挖標(biāo)高符合設(shè)計施工要求。

3. 4鋼圍堰施工要點

3. 4. 1鋼圍堰加工

根據(jù)吊裝能力，鋼圍堰采用岸上加工場地分塊加工。加工過程中實行工序控制，每完成一個工序的工作，經(jīng)檢驗合格后再進行下一道工序的施工。每加工完一節(jié)及時編號，并在岸上進行試拼裝，以減小加工過程中的人為誤差和累計誤差。注意10#，17#墩圍堰底節(jié)部分塊段需要焊接插槽［9］。

3. 4. 2鋼圍堰定位下沉錨錠系統(tǒng)設(shè)計安裝

根據(jù)河道水文及通航情況，鋼圍堰施工處在汛期，必須設(shè)計安全可靠的鋼圍堰錨錠系統(tǒng)方能進行鋼圍堰拼裝下沉施工。錨錠系統(tǒng)設(shè)計由導(dǎo)向船(配主纜、邊錨、尾錨)、鋼圍堰主纜(φ32鋼絲繩)、定位船(配主錨和φ32鋼絲繩)、主錨等組成。導(dǎo)向船和定位船由鐵路舟橋器材拼組而成［9］。施工中充分利用施工河段地形與現(xiàn)有水中結(jié)構(gòu)物，正線大橋17#，18#鋼圍堰利用橋位上游廢棄橋墩作為主錨拉墩，聯(lián)絡(luò)線大橋10#墩使用4個15 t鋼筋混凝土重力錨群作為主錨錨碇，尾錨與邊錨均使用鋼筋混凝土重力錨。17#墩錨碇系統(tǒng)布置見圖4。

圖4 17#墩錨碇系統(tǒng)布置

3. 4. 3鋼圍堰的拼裝、下沉及堵漏

1)拼裝下沉

①17#墩鋼圍堰底節(jié)(含刃腳)在岸邊搭設(shè)簡易拼裝平臺進行拼裝，拼裝完畢后利用4個吊點組成的懸吊系統(tǒng)均勻上提鋼圍堰10～20 cm，然后拆除底平臺，下沉鋼圍堰至水中。在圍堰下水前需將插板預(yù)先安裝在插槽里，并用φ6圓鋼焊接臨時固定在圍堰外壁板上，圍堰下沉到位后，潛水員下水割斷懸掛插板的φ6圓鋼，使插板自由墜下插入至巖面。

②上面幾節(jié)鋼圍堰按序號逐塊連接、拼裝、接高，每接高一節(jié)，對稱均衡注水下沉相應(yīng)的高度，低刃腳側(cè)注水要少，焊拼結(jié)束后緩慢注水下沉至基坑河床［10］。

2)鋼圍堰支墊堵漏

鋼圍堰著床后，利用潛水員下水探摸刃腳底部一圈，對脫空刃腳位置用鋼支墩進行支墊，并用砂袋堵漏，支墊點間距控制在2 m以內(nèi)。支墊好后要及時注水配足重量觀察檢驗支墊效果，以確保圍堰穩(wěn)定不傾斜、不移位。在插板外側(cè)底端采取拋填堆碼砂袋支擋措施支撐插板，防止封底時混凝土擠壓插板使其變形損壞［11］。

4　結(jié)語

結(jié)合實際情況和施工經(jīng)驗，采用大型高低刃腳加活動插板雙壁矩形鋼圍堰設(shè)計施工方案較為合理。矩形圍堰可大大減少承臺基坑爆破開挖工程量，施工方便，定位準(zhǔn)確，同時也節(jié)省施工費用，加快施工進度。兩座大橋投入4臺浮吊，4個鋼圍堰可實現(xiàn)4個主作業(yè)面同步施工，每個圍堰從拼裝、下沉，到鉆孔平臺完成、封底結(jié)束，約45～50 d可以完成，且施工質(zhì)量、安全可控，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益。

參考文獻

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(責(zé)任審編鄭冰)

Design and construction of large double-wall steel cofferdam with high and low edge foot used at bare rock slope in deep water

XU Xiaoxiang

( Railway Combat Readiness Boat Bridge Department，Qihe Shandong 251100，China)

Abstract:T he design and construction methods of underwater blasting foundation pit and double-wall steel cofferdam are often used in the construction of low-piled platform at bare bedrock in deep water．Due to the different parameters such as the structure form and embedded depth of the platform，the gradient of the slope，the depth and velocity of water，the design and construction are very difficult．Combined with Nanlong railway M injiang Bridge and Hefu tie-lines of M injiang bridge double-wall steel cofferdam design and construction ( take the pier 17#as an example)，the paper introduced the bare steep slope rock foundation in the condition of deep water and torrent，the method of first weir after pile construction of low-piled platform with large low edge foot and activity plates was used in double-wall steel cofferdam design and construction．

Key words:Deep water; Bare rock; High and low edge foot; Steel cofferdam; Design; Construction

文章編號:1003-1995( 2016) 02-0047-05

作者簡介:徐小祥( 1977—)，男，工程師。

收稿日期:2015-10-26;修回日期: 2015-12-23

中圖分類號:U445．5

文獻標(biāo)識碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．11