大傾角裸巖高低異形刃腳鋼圍堰安裝技術(shù)

薛占文

摘? 要：在大傾角裸巖直接安裝高低異形刃腳鋼圍堰，通過鋼圍堰隔艙的設(shè)計及分艙注水進(jìn)行鋼圍堰調(diào)平并實現(xiàn)鋼圍堰平穩(wěn)下沉著床，通過鋼圍堰錨泊系統(tǒng)的設(shè)計，圍堰橫橋向偏位通過上、下游設(shè)置的定位船上的卷揚(yáng)機(jī)進(jìn)行調(diào)整，圍堰順橋向偏位通過導(dǎo)向船利用岸側(cè)地錨、江側(cè)邊錨進(jìn)行調(diào)整，在進(jìn)行垂直度調(diào)整時，圍堰的上層拉纜保持不動、調(diào)整下層拉纜，并結(jié)合隔艙注水，可將垂直度控制在1%以內(nèi)，利用錨泊系統(tǒng)實現(xiàn)鋼圍堰的精確調(diào)整，為今后裸巖直接安裝高低異形刃腳鋼圍堰的設(shè)計提供借鑒。

關(guān)鍵詞：大傾角;裸巖;隔艙;錨泊系統(tǒng);高低異形刃腳鋼圍堰;安裝

中圖分類號：TU74? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 工程概況

望東長江公路大橋跨長江主橋為全長1 250 m的斜拉橋，主跨長638 m，大橋南岸索塔（45#墩）基礎(chǔ)采用高樁承臺結(jié)構(gòu)形式，承臺平面為 47 m×25 m 切除四角的矩形，高8 m。45#墩位處河床為裸露中風(fēng)化灰?guī)r，單軸飽和抗壓強(qiáng)度為56 MPa，巖層表面覆蓋層較薄，平均厚度30 cm，巖石整體性較好;巖面起伏變化大，總體從岸側(cè)向江心側(cè)傾斜，最大坡度約26°，承臺范圍內(nèi)巖面高差最大近10 m。承臺處枯水期水深8 m～21m，洪水期水深15 m～28 m，橋位處洪水期最大流速2.1 m/s，枯水期最大流速為1.2 m/s。

2 方案比選

目前對于大傾角裸巖面深水基礎(chǔ)施工普遍采用的是先水下爆破、再無底圍堰、后鉆孔工藝，在該橋中如果采用該工藝則會影響主航道通行，且綜合成本高，占用工期長，且存在很大的安全風(fēng)險，因此根據(jù)表1各項對比，該橋決定采用先無底圍堰、后鉆孔工藝，即實測河床斷面，設(shè)計高低刃腳圍堰，先下放無底鋼圍堰，利用封底混凝土進(jìn)行鋼護(hù)筒底腳錨固，再搭設(shè)鉆孔平臺進(jìn)行基樁施工。

3 方案設(shè)計

3.1 隔艙設(shè)計

鋼圍堰共設(shè)置了14個隔艙，相鄰隔艙間設(shè)置鋼箱分隔，隔艙將鋼圍堰分為14個獨(dú)立艙體，隔艙由壁板、豎向勁板和環(huán)向加勁板組成，隔艙可起到注水調(diào)平、下沉著床作用。當(dāng)鋼圍堰著床位置偏差較大時，可將隔艙內(nèi)水用水泵抽出，實現(xiàn)鋼圍堰自浮，重新注水調(diào)平并下沉著床。

3.2 錨泊系統(tǒng)設(shè)計

為了克服鋼圍堰下沉過程中的水流阻力和風(fēng)阻力，根據(jù)橋址處的水文地質(zhì)特征，采用定位船錨泊定位系統(tǒng)進(jìn)行鋼圍堰施工。

3.2.1 定位船

錨泊系統(tǒng)在上、下游側(cè)布置800 t（400 t）工程鐵駁定位船，定位船設(shè)在橋位上游距橋軸線約200 m處，定位船起到確定、調(diào)整鋼圍堰位置、調(diào)節(jié)主錨受力的作用。

前定位船上方布置卷揚(yáng)機(jī)和收錨系統(tǒng)，共設(shè)置4臺5t卷揚(yáng)機(jī)、1臺6t卷揚(yáng)機(jī)、4套4門滑車組、6套3門滑車組和4套2門滑車組。后定位船上方卷揚(yáng)機(jī)及收錨系統(tǒng)布置與前定位船類似。

3.2.2 主錨

主錨承受鋼圍堰錨泊系統(tǒng)順?biāo)鞣较虻乃髯枇惋L(fēng)阻力，是保證鋼圍堰安全穩(wěn)定的主要結(jié)構(gòu)物。主錨通過錨拉力試驗最終確定采用4個150 t蛙式混凝土錨，拋錨位置距離前定位船約400 m，距離墩位約600 m。

3.2.3 尾錨

尾錨順?biāo)鞣较蚍謩e布置在鋼圍堰下游側(cè)，主要作用是抵御潮水影響，給圍堰提供一定的反拉力，保證鋼圍堰錨泊系統(tǒng)在水流方向上的穩(wěn)定。尾錨采用2個150 t蛙式混凝土錨，拋錨位置距離后定位船后方約400 m。

3.2.4 邊錨

鋼圍堰邊錨的主要作用是調(diào)節(jié)和控制鋼圍堰在垂直水流方向的位置，承受側(cè)向水流阻力和風(fēng)力。靠江心側(cè)邊錨采用2個75 t蛙式混凝土錨，距離墩中心約200 m。靠岸側(cè)邊錨采用2個40t砼地錨，砼地錨采用明挖基坑方式，直接進(jìn)行澆注。

3.2.5 拉纜

定位船與鋼圍堰之間設(shè)拉纜，每個面均設(shè)置上、下兩層拉纜，拉纜采用φ48mm鋼絲繩，其作用是將鋼圍堰所受外力傳給主錨、尾錨和邊錨，起到抵御流水影響、保證鋼圍堰錨泊系統(tǒng)在水流方向上的穩(wěn)定，固定鋼圍堰位置和調(diào)節(jié)鋼圍堰垂直度的作用。

3.3 鋼圍堰錨泊系統(tǒng)計算

錨泊系統(tǒng)的計算主要依據(jù)工程施工技術(shù)手冊《橋涵》錨碇布置計算部分進(jìn)行，并根據(jù)其他相關(guān)資料進(jìn)行了必要的補(bǔ)充。

3.3.1 設(shè)計計算基本資料

3.3.1.1 地質(zhì)情況

索塔承臺處地質(zhì)為裸露無覆蓋層中風(fēng)化灰?guī)r，河床面標(biāo)高為-12.6 m～-2.4 m。墩位上、下游及側(cè)向拋錨區(qū)內(nèi)河床覆蓋層以黏土為主。主錨錨地河床面標(biāo)高：-8.0 m～-23.0 m;鋼圍堰江心側(cè)邊錨錨地河床面標(biāo)高：-17.0 m～-22.0 m;南側(cè)岸錨標(biāo)高：+8.0 m。

3.3.1.2 水文情況

設(shè)計水位：鋼圍堰下放安裝施工水位取平均高水位+8.28 m;圍堰抽水施工時最高水位取+16.80 m。

水流速度：施工季節(jié)平均水流速度取1.7 m/s。

3.3.1.3 基本風(fēng)壓

查公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范，基本風(fēng)壓取0.25 kN/mm2，基本風(fēng)速取23.8 m/s。

3.3.2 計算原則

按鋼圍堰下沉至即將著床狀態(tài)（仍為懸浮體系）錨泊系統(tǒng)受力最大進(jìn)行計算。

尾錨和邊錨按主錨受力的40%進(jìn)行預(yù)拉、計算。

3.3.3 錨泊系統(tǒng)分步驟計算

3.3.3.1 錨的選擇與計算

經(jīng)過調(diào)查：墩位上、下游及側(cè)向拋錨區(qū)內(nèi)河床覆蓋層以黏土為主，厚度較薄，考慮鋼圍堰拋錨工作量相當(dāng)大，為了便于施工，主錨采用150 t蛙式錨，尾錨采用7 t霍爾錨，江心側(cè)邊錨采用70 t蛙式錨。

3.3.3.2 主錨計算

主錨總拉力設(shè)計值R主=1045.3kN

江心側(cè)邊錨通過轉(zhuǎn)向?qū)Ю|器在前后定位船上布置絞錨系統(tǒng)。因此，主錨受力考慮江心側(cè)邊錨及尾錨的預(yù)拉力，預(yù)拉力大小為主錨受力的40%。

尾錨預(yù)拉力：

尾錨預(yù)拉力為主錨受力40%，1045.3×0.4=418.1kN

主錨所承受的主錨總拉力與尾錨預(yù)拉力的合力為：

R=1045.3+418.1=1463.4kN （ 149.2t）

主錨拋錨位置覆蓋層以黏土為主，主錨采用150 t蛙式錨。

錨重G=（2～3）R，所需錨重G= 3R=3×149.2=447.6t

所需主錨個數(shù)N=447.6/150=3.0（個），主錨個數(shù)N=4個，單個錨受力為1463.4/4=365.9kN

3.3.3.3 尾錨計算

尾錨按主錨受力的40%，即

R尾=1045.3×0.4=418.1 （ 42.6t）。

尾錨拋錨位置覆蓋層以黏土為主，尾錨采用7 t霍爾錨。

根據(jù)現(xiàn)場霍爾錨錨拉力試驗，所需錨重

G= R尾/2=42.6/2=21.3t

所需尾錨個數(shù)N=21.3/7=3.0（個），尾錨采用4個7 t霍爾錨，單個錨受力為418.1/4=104.5kN

3.3.3.4 前拉纜計算

前定位船與鋼圍堰之間上下拉纜拉力Ra包括鋼圍堰及臨時工作船只水阻力和風(fēng)阻力。

Ra=Fw+Fwh+R3=855+75+50=1010 kN

上拉纜計算：

上拉纜受力計算，取下拉纜處為彎矩平衡點(diǎn)，上拉纜布置在距圍堰頂部5.7 m位置，下拉纜布置在距圍堰頂部19.3 m位置，上下2層拉纜距離L1=13.6m。

上拉纜拉力

Rs= （Fw·h1+Fwh·h2）/Hs

=（885×8.7+75×16.4）/13.6=656.6kN

上拉纜采用4根鋼絲繩，每根受力為656.6/4=164kN

下拉纜采用2根鋼絲繩。上下拉索共6根鋼絲繩共同承受尾錨預(yù)拉力418.1 kN，每根受力418.1/6=69.7kN

則上拉纜單根受力為164+69.7=233.7kN

下拉纜計算：

下拉纜受力為1010+418.1-233.7×4=493.3kN

單根鋼絲繩受力為493.3/2=246.7kN

3.3.3.5 后拉纜計算

后定位船與鋼圍堰之間上下拉纜拉力Rb受力與尾錨受力相同，Rb=R尾=418.1kN。

后拉纜上下兩層共4根鋼絲繩，單根受力考慮上下兩層4根錨繩受力不均勻性，不利情況為3根錨繩受力，單根最大受力為418.1/3=139.4kN

3.4 鋼圍堰安裝技術(shù)

3.4.1 鋼圍堰精確定位調(diào)整

3.4.1.1 圍堰橫橋向位置調(diào)整

圍堰橫橋向偏位通過上、下游設(shè)置的定位船上的卷揚(yáng)機(jī)進(jìn)行調(diào)整。通過定位船上的卷揚(yáng)機(jī)收放錨纜，進(jìn)行圍堰位置的調(diào)整。下游側(cè)的輔助定位船具有反拉功能，施加約40%的反拉力，保證鋼圍堰在調(diào)整過程中的穩(wěn)定。

3.4.1.2 圍堰順橋向位置調(diào)整

圍堰順橋向偏位通過導(dǎo)向船利用岸側(cè)地錨、江側(cè)邊錨進(jìn)行調(diào)整，通過兩側(cè)的卷揚(yáng)機(jī)收放錨纜，進(jìn)行圍堰位置的調(diào)整。

3.4.1.3 圍堰垂直度調(diào)整

經(jīng)過以上2步調(diào)整，可將圍堰的頂面位置偏差控制在5 cm以內(nèi)。在進(jìn)行垂直度調(diào)整時，圍堰的上層拉纜保持不動、調(diào)整下層拉纜，并結(jié)合隔艙注水，可將垂直度控制在1%以內(nèi)。

3.4.2 鋼圍堰著床

圍堰精確定位后，保持懸浮狀態(tài)，然后同時啟動水泵向每個隔艙內(nèi)迅速、均勻、對稱地注水，使圍堰刃腳快速著床。當(dāng)需要調(diào)整時，應(yīng)啟動水泵從圍堰隔艙內(nèi)向外抽水，使圍堰上浮，通過收絞錨繩調(diào)整圍堰的位置和垂直度，通過幾次反復(fù)調(diào)整，最后使圍堰著床后滿足安裝精度要求。

4 結(jié)語

根據(jù)該案例的應(yīng)用效果，在大傾角裸巖直接安裝高低異形刃腳鋼圍堰的技術(shù)研究，給鋼圍堰設(shè)計提供了更廣闊的思路，同時也促進(jìn)了鋼圍堰設(shè)計理論的發(fā)展，為國內(nèi)外同類橋梁基礎(chǔ)施工提供基礎(chǔ)性資料和參照，對于類似環(huán)境條件下鋼圍堰設(shè)計具有很大的借鑒和指導(dǎo)意義。

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