淺談復(fù)雜地質(zhì)中雙壁鋼圍堰下沉控制技術(shù)

高勇強(qiáng)

摘要： 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展，跨越大江大河的橋梁越建越多，而我國(guó)幅員遼闊，水文、地質(zhì)復(fù)雜多變，水下基礎(chǔ)工程施工不可預(yù)見的因素較多，施工難度大；以安徽省淮南孔李淮河大橋跨越淮河主航道橋工程為例，針對(duì)復(fù)雜水文地質(zhì)條件，合理選擇雙壁鋼圍堰下沉控制的各種技術(shù)措施，并發(fā)明了一種實(shí)用新型專利的導(dǎo)向裝置，大大提高了雙壁鋼圍堰的定位精度，保證了雙壁鋼圍堰順利下沉，為今后同類型工程的施工提供了很好的借鑒意義。

Abstract： With the continuous development of China's economic construction， the bridges across the river are more and more， but China has a vast territory， hydrology and geology are complex and changeable， underwater foundation engineering construction is not predictable， the construction is difficult. Taking Konglihuaihe bridge in Huainan across the Huaihe as an example， in view of the complex hydrogeological conditions， this paper makes a reasonable choice of various technical measures for double wall steel cofferdam subsidence control， invents a guiding device of the utility model， which greatly improves the positioning precision of the double wall steel cofferdam， ensures the smooth sinking of the double wall steel cofferdam， and provides a good reference for the future construction of the same type engineering.

關(guān)鍵詞： 雙壁鋼圍堰；復(fù)雜地質(zhì)；下沉控制；技術(shù)

Key words： double wall steel cofferdam；complex geology；sinking control；technology

中圖分類號(hào)：[TU997] 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）36-0082-03

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展，國(guó)家基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目的大規(guī)模上馬，跨越大江大河的橋梁也越建越多，而我國(guó)幅員遼闊，水文、地質(zhì)復(fù)雜多變，水下基礎(chǔ)工程施工不可預(yù)見的因素較多，施工難度大，因而復(fù)雜水文地質(zhì)條件下的橋梁水下基礎(chǔ)施工技術(shù)已經(jīng)成為大型跨江、跨河橋梁施工中的關(guān)鍵技術(shù)。雙壁鋼圍堰是深水基礎(chǔ)常用結(jié)構(gòu)，工藝成熟，結(jié)構(gòu)剛度好，安全性較好，能滿足多種地質(zhì)情況的施工。但由于雙壁鋼圍堰外形尺寸均較大，雙壁鋼圍堰下放入水過程中的平面位置、垂直度控制及能否順利下沉是施工中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，受水文及復(fù)雜地質(zhì)條件的影響，導(dǎo)致雙壁鋼圍堰在下放過程中難以準(zhǔn)確定位，甚至發(fā)生下沉困難等情況。

以安徽省淮南孔李淮河大橋跨越淮河主航道橋工程為例，針對(duì)復(fù)雜水文地質(zhì)條件下，合理選擇雙壁鋼圍堰下沉控制的各種技術(shù)措施，并發(fā)明了一種實(shí)用新型專利的導(dǎo)向裝置，大大提高了雙壁鋼圍堰的定位精度，保證了雙壁鋼圍堰順利下沉，及時(shí)解決了施工中遇到的難題，同時(shí)也為今后同類型工程的施工提供了很好的借鑒意義。

雙壁鋼圍堰平面形狀一般根據(jù)承臺(tái)形狀而定，常見的有圓形、矩形，也有啞鈴型和異型鋼圍堰。根據(jù)本工程承臺(tái)為矩形承臺(tái)，所以考慮矩形雙壁鋼圍堰，優(yōu)點(diǎn)為圍堰節(jié)塊均為直塊，加工較方便，是一種利用多種形狀鋼材組合而成的無(wú)蓋無(wú)底、底部帶有斜面刃角的矩形雙壁水密鋼結(jié)構(gòu)，由內(nèi)、外壁板、豎肋角鋼、水平環(huán)板、水平桁架和隔倉(cāng)板組成，然后拼裝成滿足水深和受力要求的雙壁鋼圍堰。

在基礎(chǔ)施工過程中起防水作用，不參與主體結(jié)構(gòu)的受力，圍堰內(nèi)部設(shè)有隔墻。根據(jù)施工條件圍堰全高可分?jǐn)?shù)節(jié)制造，每節(jié)又對(duì)稱分?jǐn)?shù)個(gè)單元制成單元體。施工時(shí)，將已加工好的單元體和內(nèi)部支撐在拼裝平臺(tái)拼裝焊接、起吊下水，然后接高并在圍堰井壁內(nèi)灌注混凝土下沉，圍堰下沉河床后，視需要在在圍堰井壁內(nèi)灌注混凝土（或灌水）以增加圍堰重量并在圍堰內(nèi)吸泥使其逐漸均勻地下沉到設(shè)計(jì)高程并澆筑封底混凝土，然后抽水、施工承臺(tái)、墩身。

1 工程背景

1.1 工程概況 淮南孔李淮河大橋跨越右汊航道橋?yàn)槿玟撓湎鲁惺竭B續(xù)系桿拱橋，跨徑布置為（110+180+110）m，下部結(jié)構(gòu)主墩采用圓柱式實(shí)體墩，主墩墩身直徑6.0m。主墩下接承臺(tái)，每一承臺(tái)橫橋向長(zhǎng)度為13.6m，順橋向?qū)挾葹?8.6m，承臺(tái)厚度為5.5m。主墩基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，每一承臺(tái)下設(shè)置12根直徑2.0m的鉆孔灌注樁，均按摩擦樁設(shè)計(jì)。

根據(jù)實(shí)測(cè)淮河主航道承臺(tái)范圍內(nèi)河床面標(biāo)高為7.9m，主航道水面標(biāo)高為18.5m，主墩水深為10.6m，承臺(tái)頂標(biāo)高為4.324m，承臺(tái)底標(biāo)高為-1.176m，封底砼底標(biāo)高為-4.676m，封底砼厚度為3.5m。

經(jīng)論證和比較，采用矩形雙壁鋼圍堰較為理想，同時(shí)也是滿足通航安全論證評(píng)估會(huì)及航道、海事等部門的要求，水流流態(tài)影響較小，降低水流對(duì)既有橋墩的安全隱患。圍堰內(nèi)設(shè)置斜支撐，支撐避開承臺(tái)、墩身的施工位置，克服了內(nèi)支撐對(duì)承臺(tái)、墩身的施工影響，且優(yōu)化設(shè)計(jì)后的矩形雙壁鋼圍堰的經(jīng)濟(jì)效益明顯。為節(jié)省工程成本，直接以雙壁鋼圍堰作為施工用承臺(tái)模板，封底混凝土兼做承臺(tái)施工平臺(tái)，圍堰內(nèi)輪廓尺寸比承臺(tái)設(shè)計(jì)尺寸周邊各向外放寬0.1m。

雙壁鋼圍堰的主要作用和用途是為承臺(tái)、墩身施工創(chuàng)造一個(gè)良好的干施工作業(yè)環(huán)境，同時(shí)具有抗涌潮和防洪水的能力，因此，鋼圍堰的施工是主墩基礎(chǔ)施工的關(guān)鍵工序之一，雙壁鋼圍堰主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為：外輪廓尺寸：22.8m（長(zhǎng)）*17.8m（寬）；高度：24.2m；壁厚：2.0m；圍堰底標(biāo)高為-4.676m，頂標(biāo)高為+19.524m，鋼結(jié)構(gòu)自重：圍堰自重595.3t；圍堰共分三節(jié)，底節(jié)高度：8m，中節(jié)高度：8m，頂節(jié)高度：8.2m；每節(jié)共分14塊，塊與塊間設(shè)置隔倉(cāng)板，以便圍堰下沉過程中可適應(yīng)河床的高差及調(diào)整圍堰的傾斜度。為減小鋼圍堰的尺寸，減少用鋼量，同時(shí)考慮到承臺(tái)和墩身的施工留有足夠的操作空間，圍堰內(nèi)設(shè)置三層內(nèi)支撐。圍堰具體布置詳見圖1、圖2。

1.2 工程難點(diǎn) ①因淮河主航道橋地處淮河沖積平原，地質(zhì)情況復(fù)雜，且由于長(zhǎng)期非法采砂，造成河床中部空洞、流砂，極易坍塌，下部地層砂層、風(fēng)化粉質(zhì)泥巖及硬質(zhì)灰?guī)r軟硬交替，且泥巖遇水浸泡后膨脹、變軟坍塌，對(duì)雙壁鋼圍堰下沉施工難度非常大。②承臺(tái)全部位于河床以下，屬于深水承臺(tái)，結(jié)合工程特點(diǎn)，主航道橋采用24.2m雙壁鋼圍堰施工，且雙壁鋼圍堰下沉到河床以下12.5m，施工技術(shù)難度大、安全風(fēng)險(xiǎn)高。③在水文及地質(zhì)復(fù)雜的條件下，怎樣保證雙壁鋼圍堰精確定位是施工中的難點(diǎn)之一。④由于雙壁鋼圍堰施工均為水上施工作業(yè)，施工安全要求高，也為本工程的重難點(diǎn)。

2 雙壁鋼圍堰下沉控制施工技術(shù)

2.1 針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)技術(shù)處理措施 因淮河主航道橋地處淮河沖積平原，地質(zhì)情況復(fù)雜，雙壁鋼圍堰下沉至河床范圍內(nèi)，有9m左右的粉質(zhì)粘土，土質(zhì)可塑～堅(jiān)硬，含鐵錳結(jié)核。對(duì)地質(zhì)情況進(jìn)行認(rèn)真分析研究后，雙壁鋼圍堰下沉施工存在困難，為確保鋼圍堰順利下沉，采取增加旋挖鉆清泥措施，在樁基鉆孔平臺(tái)上采用旋挖鉆機(jī)對(duì)雙壁鋼圍堰和承臺(tái)范圍內(nèi)全部用旋挖鉆機(jī)清泥，使堅(jiān)硬土層變松軟和減少吸泥工作量，為后續(xù)雙壁鋼圍堰順利下沉打好了基礎(chǔ)。

2.2 雙壁鋼圍堰水上拼裝定位及吊掛控制技術(shù)措施

2.2.1 雙壁鋼圍堰水上拼裝定位 樁基施工完成后用旋挖鉆清理圍堰范圍內(nèi)的河床，并在護(hù)筒距離水面高約0.5m處焊接型鋼牛腿，四角上鋼護(hù)筒焊接2個(gè)，其他焊接1個(gè)，共計(jì)12個(gè)牛腿，在牛腿上安放I36型鋼作為圍堰組拼底座和操作平臺(tái)，在型鋼上精確測(cè)量雙壁鋼圍堰位置，拼裝時(shí)采用鋼板焊接組件對(duì)鋼圍堰進(jìn)行卡控限位，然后接高鋼護(hù)筒，在鋼護(hù)筒上安裝貝雷梁作為圍堰起吊橫梁，用千斤頂通過精軋螺紋鋼起吊和下放圍堰，見圖3、圖4。

2.2.2 雙壁鋼圍堰吊掛系統(tǒng)控制 吊掛系統(tǒng)由千斤頂、精軋螺紋鋼、掛梁設(shè)備等組成，雙壁鋼圍堰底節(jié)圍堰在拼裝平臺(tái)上完成后，采用吊掛系統(tǒng)起吊和下放，此吊掛系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)可保證八臺(tái)YCW60B型千斤頂同步進(jìn)行，確保鋼圍堰保持同步緩慢下放，在提升過程中安排專人測(cè)量；可調(diào)整雙壁鋼圍堰的水平面，保證鋼圍堰四角高差≤20mm，保證鋼圍堰水平、同步下沉，使雙壁鋼圍堰始終處于水平狀態(tài)。

2.3 雙壁鋼圍堰下沉控制技術(shù)措施 由于雙壁鋼圍堰外形尺寸均較大，雙壁鋼圍堰下放入水過程中的平面位置及垂直度控制是施工中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，由于本工程在雙壁鋼圍堰施工范圍附近地質(zhì)情況復(fù)雜，且長(zhǎng)期非法采砂，造成河床中部空洞、流砂，極易坍塌，一般情況下雙壁鋼圍堰導(dǎo)向塊和雙壁鋼圍堰焊接在一起，以樁基鋼護(hù)筒為基準(zhǔn)下沉施工。但由于復(fù)雜水文及地質(zhì)條件影響，鋼護(hù)筒在進(jìn)入河床面以下后難以保證垂直度，導(dǎo)致雙壁鋼圍堰在下放過程中難以準(zhǔn)確定位，將會(huì)導(dǎo)致以下問題的發(fā)生：①最不利狀況之一為樁基鋼護(hù)筒形成“外八字”，外八字”形狀直接導(dǎo)致雙壁鋼圍堰下沉施工過程中存在四角導(dǎo)向裝置和鋼護(hù)筒“卡殼”現(xiàn)象發(fā)生，難以繼續(xù)下沉。②最不利狀況之二為鋼護(hù)筒形成 “內(nèi)八字”形狀，“內(nèi)八字”形狀直接導(dǎo)致導(dǎo)向裝置失去其應(yīng)有的作用，難以控制雙壁鋼圍堰的平面位置。③其他幾種不利狀況均難以控制雙壁鋼圍堰的平面位置，直接導(dǎo)致雙壁鋼圍堰偏位及雙壁鋼圍堰導(dǎo)向塊失去其應(yīng)有的導(dǎo)向作用。針對(duì)以上問題，經(jīng)認(rèn)真分析研究，發(fā)明了一種實(shí)用新型導(dǎo)向裝置，有效解決了上述問題。

導(dǎo)向裝置由導(dǎo)向鋼管、鋼護(hù)筒、上下連接件組成。導(dǎo)向裝置依然以樁基鋼護(hù)筒為基礎(chǔ)，但導(dǎo)向鋼管不是固定在圍堰的內(nèi)壁板上，而是通過測(cè)量精確定位以后臨時(shí)固定，保證導(dǎo)向鋼管處于垂直狀態(tài)，導(dǎo)向鋼管距圍堰內(nèi)壁板距離為4cm，然后根據(jù)導(dǎo)向鋼管距離鋼護(hù)筒之間的距離確定上下連接件的尺寸大小，最后將上下連接件焊接固定于鋼護(hù)筒上，形成整個(gè)導(dǎo)向裝置。與將導(dǎo)向塊和雙壁鋼圍堰焊接在一起、以樁基鋼護(hù)筒為基準(zhǔn)的導(dǎo)向裝置相比較，此導(dǎo)向裝置的精度可控，垂直度可控，而且位置固定，圍堰下沉過程中完全避免受樁基鋼護(hù)筒垂直度的影響，能大大提高雙壁鋼圍堰的定位精度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)圍堰的連續(xù)控制，有效避免了圍堰無(wú)法下沉的情況出現(xiàn)。

導(dǎo)向裝置的導(dǎo)向管形成的是多條豎直的定位軸線，在圍堰下沉過程中，導(dǎo)向的位置始終不變，圍堰的內(nèi)壁板沿著導(dǎo)向定位軸線的方向向下移動(dòng)，不僅使圍堰的平面位置得到有效控制，而且垂直度也得到了有效的控制。本工程雙壁鋼圍堰下沉過程中最大傾斜度為0.04*2/24.2=3.3/1000，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于規(guī)范要求的1/100。大大提高了雙壁鋼圍堰的定位精度，保證了雙壁鋼圍堰順利下沉及精確定位。（見圖5、圖6）

采用此導(dǎo)向裝置后取得了以下效果：

①導(dǎo)向鋼管在安裝過程中通過測(cè)量進(jìn)行精確定位，導(dǎo)向鋼管的定位精度及垂直度完全可控，大大提高了導(dǎo)向裝置的安裝精度。②雙壁鋼圍堰內(nèi)壁為一個(gè)平面，而導(dǎo)向管安裝完成后是一條定位軸線，形成了無(wú)數(shù)個(gè)定位點(diǎn)。它不僅能有效控制圍堰的平面位置，而且能有效控制圍堰的垂直度，大大提高了對(duì)圍堰的定位精度。③導(dǎo)向鋼管與樁基鋼護(hù)筒安裝固定以后，其位置固定不變，不受其他因素影響，做到了對(duì)圍堰位置的連續(xù)控制。④當(dāng)圍堰內(nèi)壁與導(dǎo)向鋼管接觸產(chǎn)生擠壓力時(shí)，接觸面為一條軸線，增大了接觸面積，相對(duì)減小了產(chǎn)生的壓強(qiáng)，有效地保護(hù)了導(dǎo)向樁，使其不被擠壓變形。⑤導(dǎo)向鋼管一經(jīng)安裝，無(wú)需在圍堰下放過程中接高或增加設(shè)置，做到了一勞永逸，節(jié)省了施工時(shí)間和施工成本。⑥導(dǎo)向裝置所使用的材料均為施工現(xiàn)場(chǎng)常用材料，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作控制方便，安裝省時(shí)省力，便于周轉(zhuǎn)使用，成本十分低廉。

2.4 雙壁鋼圍堰下沉施工方法

2.4.1 圍堰下沉精度要求 雙壁鋼圍堰下沉允許偏差應(yīng)符合下列規(guī)定：①圍堰底面平均高程應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求；②圍堰最大傾斜度不得大于圍堰高度的1/100；③圍堰頂、底面中心與設(shè)計(jì)中心在平面縱橫向的位移均不得大于圍堰高度的1/100；④圍堰平面扭轉(zhuǎn)角允許偏差2°。

2.4.2 雙壁圍堰下沉施工方法 上述技術(shù)措施準(zhǔn)備完畢后，雙壁鋼圍堰即準(zhǔn)備下沉，在拼裝平臺(tái)上測(cè)量雙壁鋼圍堰位置，然后分塊進(jìn)行拼裝、焊接，拼裝焊接好底節(jié)圍堰后，安裝實(shí)用新型導(dǎo)向裝置，選擇淮河水流較平穩(wěn)期間，利用吊掛系統(tǒng)起吊雙壁鋼圍堰，拆除鉆孔平臺(tái)，下沉鋼圍堰，在下沉過程中保持千斤頂同步進(jìn)行，控制好雙壁鋼圍堰水平標(biāo)高，確保鋼圍堰保持同步緩慢下沉，在下沉過程中安排專人觀察；實(shí)時(shí)觀察起吊系統(tǒng)、精軋螺紋鋼以及各結(jié)構(gòu)物的狀態(tài)，確保下沉的安全；底節(jié)下沉到標(biāo)高后，安裝焊接中節(jié)圍堰并下沉，同理循環(huán)安裝焊接頂節(jié)圍堰，圍堰著床后，采用抓斗配合吸泥機(jī)進(jìn)行清泥工作，圍堰緩慢下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

2.5 雙壁鋼圍堰下沉控制施工注意事項(xiàng) ①雙壁鋼圍堰下沉前對(duì)對(duì)墩位處的河床再次進(jìn)行全面的測(cè)量，根據(jù)測(cè)量情況，再一次確認(rèn)圍堰范圍處的河床標(biāo)高；②圍堰入水定位時(shí)，應(yīng)不斷測(cè)量圍堰平面位置和圍堰各點(diǎn)的標(biāo)高及觀察導(dǎo)向裝置距內(nèi)壁板的距離，以防圍堰傾斜；③圍堰刃腳接近河床面附近時(shí)，必須加強(qiáng)對(duì)墩位處河床面的測(cè)量，及時(shí)掌握墩位河床面的沖刷及水位情況，以便選擇圍堰落河床的時(shí)機(jī)；④圍堰著床工作盡量安排在水位低、流速小的時(shí)間段進(jìn)行。

3 結(jié)束語(yǔ)

復(fù)雜地質(zhì)中雙壁鋼圍堰下沉控制在采取用旋挖鉆機(jī)對(duì)施工范圍內(nèi)的河床進(jìn)行清泥、采用吊掛系統(tǒng)調(diào)整雙壁鋼圍堰平面水平、利用新型導(dǎo)向裝置控制雙壁鋼圍堰下沉三個(gè)技術(shù)措施的應(yīng)用，有效解決了雙壁鋼圍堰在復(fù)雜地質(zhì)中下沉施工困難、下沉精確定位施工的難題，在施工過程中均能安全、有效、快速地施工，對(duì)減少工程的投入、降低工程成本方面也進(jìn)行了深入探討，取得了很好的效果，實(shí)現(xiàn)了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

該方法在安徽省淮南孔李淮河大橋跨越淮河主航道橋工程的成功應(yīng)用，在復(fù)雜水文地質(zhì)條件下，合理選擇雙壁鋼圍堰下沉控制的各種技術(shù)措施，并發(fā)明了一種實(shí)用新型專利的導(dǎo)向裝置，大大提高了雙壁鋼圍堰的定位精度，保證了雙壁鋼圍堰順利下沉，及時(shí)解決了施工中遇到的難題，也為今后同類型工程的施工提供了很好的借鑒意義。

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