深水無覆蓋層傾斜巖面雙壁鋼圍堰設(shè)計(jì)與施工

張延河，鄭宗昊，徐海云

（中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

在我國已建跨江跨海橋梁基礎(chǔ)施工中，雙壁鋼圍堰作為深水橋梁基礎(chǔ)的擋水外圍結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用，具有承受水壓大、結(jié)構(gòu)剛度大、可減少大型起重設(shè)備吊裝、施工風(fēng)險(xiǎn)可控等諸多優(yōu)點(diǎn)[1]，但在雙壁鋼圍堰設(shè)計(jì)與施工過程中也存在兩個(gè)難題：

1）大型雙壁鋼圍堰自重大、結(jié)構(gòu)尺寸大，且圍堰內(nèi)壁一般兼作承臺(tái)外模，為了確保承臺(tái)平面偏位在允許范圍內(nèi)，圍堰定位精度要求高[2]，因此圍堰定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及施工難度大。

2）圍堰封堵、封底施工質(zhì)量直接影響圍堰的止水使用效果[3]，但深水無覆蓋層傾斜巖面圍堰封堵、封底施工易受水流流速、河床沖刷、河床面高差等因素影響，施工質(zhì)量控制難度大。

本文結(jié)合沌口長江公路大橋4號(hào)主墩深水、無覆蓋層、傾斜巖面等特點(diǎn)對(duì)大型雙壁鋼圍堰的設(shè)計(jì)與施工進(jìn)行了系統(tǒng)闡述，并重點(diǎn)介紹了鋼圍堰定位系統(tǒng)的改進(jìn)及傾斜巖面通過采取安全、高效的圍堰封堵處置措施確保封底混凝土的施工質(zhì)量，能夠?yàn)轭愃祈?xiàng)目大型深水基礎(chǔ)施工提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程簡介

沌口長江公路大橋主橋?yàn)殡p塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，主跨760 m，橋?qū)?6 m，主塔為鉆石型空心薄壁墩結(jié)構(gòu)，塔柱總高233.7 m。承臺(tái)設(shè)計(jì)平面尺寸26 m伊52.2 m，高6 m，下設(shè)32根準(zhǔn)3.0 m鉆孔灌注樁。基本結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)布置Fig.1 Basic structure layout

1.2 水文地質(zhì)條件

4號(hào)主墩位于長江河道左側(cè)深泓區(qū)，河床標(biāo)高原0.50耀1.45 m，最大水流流速2 m/s，近5 a最低水位為+13.23 m，最高水位為+24.11 m。橋址區(qū)基本無覆蓋層，表層殘留0.2耀0.5 m薄層殘積土，下伏基巖為堅(jiān)硬的灰?guī)r，基巖面傾斜，最大高差約2 m。

2 鋼圍堰設(shè)計(jì)

2.1 鋼圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4號(hào)主墩采用雙壁鋼圍堰作為止水結(jié)構(gòu)，平面結(jié)構(gòu)尺寸為55.3 m（長）伊29.1 m（寬），雙壁隔艙厚1.5 m。雙壁鋼圍堰由內(nèi)外兩層鋼板及其間的加勁肋與連接支撐組成，為全焊水密結(jié)構(gòu)，下端設(shè)置1.7 m高刃腳。

結(jié)合不同工況下水位條件，鋼圍堰設(shè)計(jì)高度26.5 m，為了降低吊裝安全風(fēng)險(xiǎn)，將鋼圍堰豎向分為3節(jié)，首節(jié)高11.7 m，場內(nèi)分段預(yù)制、整體拼裝的工藝，次節(jié)高12.2 m，采用分段制作、現(xiàn)場接高的工藝，頂節(jié)高2.6 m，作為高水位期間防浪板，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際水位情況進(jìn)行安裝。同時(shí)，為了滿足最不利工況下圍堰內(nèi)外水頭差壓力，封底混凝土厚度達(dá)到3.8 m，為了減小單次封底混凝土方量，圍堰內(nèi)設(shè)置兩道封底隔艙。鋼圍堰結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 鋼圍堰結(jié)構(gòu)布置Fig.2 Steel cofferdam structure layout

雙壁鋼圍堰設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)河床巖面傾斜、基巖強(qiáng)度高的特點(diǎn)，比較常用的處置方式包括：

1）利用潛孔鉆機(jī)在雙壁鋼圍堰刃腳區(qū)巖層鉆進(jìn)成孔，再通過水下爆破形成一圈水平基槽[4]，基槽底應(yīng)滿足圍堰設(shè)計(jì)標(biāo)高要求，鋼圍堰下沉后支撐在水平基槽上。

2）根據(jù)河床基巖面變化，采用異形鋼圍堰[5]，圍堰下沉到位后與河床基本貼合，局部縫隙進(jìn)行水下封堵。

第1種爆破施工方案安全風(fēng)險(xiǎn)高、施工周期長，第2種異形鋼圍堰方案可以解決巖面傾斜問題，但大大增加了圍堰下水、定位施工難度。

通過圍堰深化設(shè)計(jì)，結(jié)合巖面高差較小的特點(diǎn)，采用圍堰刃角處設(shè)置反壓牛腿+麻袋混凝土及鋼支墩支墊的方式處置巖面傾斜的問題。即鋼圍堰設(shè)計(jì)時(shí)刃腳區(qū)設(shè)置反壓牛腿，待圍堰下沉至設(shè)計(jì)位置后，在反壓牛腿位置鋪設(shè)麻袋混凝土并安裝鋼支墩，填塞圍堰與河床的間隙。該處置方式工作量小、施工高效、封堵效果好。

2.2 鋼圍堰定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案研究

目前應(yīng)用較廣的鋼圍堰定位系統(tǒng)有拉靠墩定位、四角錨墩定位、定位船+導(dǎo)向船定位等[6]，技術(shù)上均比較成熟，但結(jié)合本工程的特點(diǎn)，均存在一定程度的不適用性。

1）拉靠墩定位系統(tǒng)

拉靠墩定位系統(tǒng)一般在上、下游設(shè)置拉墩平臺(tái)，平臺(tái)基礎(chǔ)采用鋼管樁基礎(chǔ)，但無覆蓋層水域不宜采用鋼管樁基礎(chǔ)，其施工周期長、難度大、成本高。

2）四角錨墩定位系統(tǒng)

四角錨墩定位系統(tǒng)是在圍堰的4個(gè)對(duì)角處設(shè)置4個(gè)以鋼管樁為主要承力結(jié)構(gòu)的臨時(shí)墩臺(tái)，每個(gè)墩臺(tái)用纜繩分別與圍堰角點(diǎn)連接，以便精確控制圍堰位置。該定位系統(tǒng)提供的拉錨力較小，不滿足高流速條件下大型雙壁鋼圍堰受力要求。同時(shí)，鋼管樁基礎(chǔ)不適用于無覆蓋層區(qū)域。

3）定位船+導(dǎo)向船定位系統(tǒng)

定位船+導(dǎo)向船定位系統(tǒng)由定位船和導(dǎo)向船組成，定位船與導(dǎo)向船均自成體系，定位船用于抵抗圍堰所承受的水流力，導(dǎo)向船布置在圍堰兩側(cè)，用于平衡、穩(wěn)定、調(diào)整鋼圍堰。該定位系統(tǒng)占用水域范圍大，但本工程圍堰兩側(cè)均要求施工期間具備船舶通行條件，存在施工干擾不適用。

為了解決上述技術(shù)難題，提出了鋼筋混凝土梳齒錨[7]+單定位船的定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)。單定位船能夠最大限度減少施工水域的占用，鋼筋混凝土梳齒錨能夠在無覆蓋層條件下精確定位鋼圍堰，有效解決鐵錨無法提供有效錨固力的問題[8]。

2.2.2 定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)及工況分析

1）設(shè)計(jì)參數(shù)

鋼圍堰定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

2）工況分析

正向錨纜考慮鋼圍堰接高下沉著床時(shí)，圍堰吃水深度最大，水流力最大，為正向錨纜計(jì)算最不利工況。側(cè)向錨纜主要克服圍堰水流側(cè)向分力和風(fēng)阻力，經(jīng)分析水流側(cè)向分力相比風(fēng)阻力小，圍堰接高為側(cè)錨計(jì)算最不利工況。不利工況下圍堰吃水深度及迎風(fēng)高度見表2。

表1 定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Positioning system design parameters

表2 吃水深度及迎風(fēng)高度Table 2 Draft depth and windward height

2.2.3 鋼圍堰阻力計(jì)算

鋼圍堰水阻力計(jì)算[9]公式如下：

式中：R1為水下部分受水流沖擊力，kN；孜為鋼圍堰形狀系數(shù)，矩形圍堰取值1.0；酌為水的容重，取10 kg/m3；S為鋼圍堰擋水面積，m2；淄為計(jì)算流速，取值2.0 m/s；g為重力加速度9.8 m/s2。

鋼圍堰風(fēng)阻力計(jì)算[9]公式如下：

R2=K贅P

式中：R2為水上部分受風(fēng)力，kN；K為風(fēng)阻力系數(shù)，取值1.0；贅為鋼圍堰浮運(yùn)擋風(fēng)面積，m2；P為風(fēng)壓，kN·m-2。

不同計(jì)算工況圍堰阻力見表3。

表3 鋼圍堰阻力Table 3 Steel cofferdam resistance

2.2.4 定位系統(tǒng)錨纜布置

橋位區(qū)無覆蓋層，選用鋼筋混凝土梳齒錨，齒塊與河床連接可靠，重量主要集中在后部，繞齒塊的穩(wěn)定力矩較普通混凝土錨大，具有錨固力可靠、走錨距離小、可回收利用等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)見圖3。

錨拉力計(jì)算公式[9]如下：

式中：W為錨的質(zhì)量，t；F為錨的總拉力，kN。

根據(jù)最不利工況條件下圍堰阻力，進(jìn)行圍堰定位系統(tǒng)錨纜的布設(shè)，如圖4所示。

圖3 鋼筋混凝土梳齒錨結(jié)構(gòu)Fig.3 RC comb anchor structure

圖4 鋼圍堰定位系統(tǒng)布置Fig.4 Steel cofferdam positioning system layout

3 鋼圍堰施工

3.1 定位系統(tǒng)施工

1）定位船改造及定位

定位船通過方駁改造而成，由基座卷揚(yáng)機(jī)、系纜柱、調(diào)節(jié)裝置、限位系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)組成，布置在4號(hào)主墩軸線上游約200 m，采用GPS放樣，利用拋錨船拋錨定位。

2）主錨纜布設(shè)

主錨纜布置在定位船的上游側(cè)，呈扇形布置，橫向間距40 m，由80 t混凝土梳齒錨、肯特卸扣、錨鏈、繩卡、鋼絲繩組成，利用起重船拋錨定位，纜頭系掛在定位船上。

3）尾錨纜布設(shè)

尾錨纜布置在鋼圍堰下游約445 m，呈扇形布置，橫向間距為160 m，主要用于克服圍堰風(fēng)荷載并調(diào)節(jié)圍堰水平位置。尾錨纜的布設(shè)方式與主錨纜相同，由于圍堰定位前需提前布置錨纜，尾錨拋錨定位后纜繩臨時(shí)固定在主墩平臺(tái)的系纜架上。

尾錨纜臨時(shí)固定方式如圖5所示。

圖5 尾錨纜臨時(shí)固定Fig.5 Tail anchor cable temporarily fixed

4）側(cè)錨纜布設(shè)

側(cè)錨纜主要克服圍堰風(fēng)阻力及水流夾角阻力，錨位距離鋼圍堰200 m，錨纜與圍堰夾角10毅耀15毅。錨纜布設(shè)方式與尾錨纜相同，側(cè)錨拋錨定位后纜繩臨時(shí)固定在主墩平臺(tái)相應(yīng)的系纜架上。

3.2 首節(jié)鋼圍堰下水、浮運(yùn)

首節(jié)鋼圍堰在船廠內(nèi)分塊加工，在船塢內(nèi)整體拼裝，由于圍堰自重大、體積大，常規(guī)起重設(shè)備無法完成下水操作，采用氣囊法滑移下水[10]。待鋼圍堰整體入水漂浮穩(wěn)定后，附近水域待命的拖輪及時(shí)靠近鋼圍堰，通過連接纜繩與圍堰拴綁牢靠，編隊(duì)將圍堰浮運(yùn)至橋址。

3.3 鋼圍堰定位及下沉

1）首節(jié)鋼圍堰接駁

鋼圍堰由2艘2 200 kW拖輪浮運(yùn)至4號(hào)墩平臺(tái)附近后，應(yīng)使鋼圍堰與4號(hào)墩平臺(tái)之間保持5 m以上的安全距離。用拖輪穩(wěn)住、保持鋼圍堰的平面位置，迅速采用起重船完成鋼圍堰的接駁作業(yè)。

2）首節(jié)鋼圍堰定位

通過上游定位船及圍堰上、下游布置的8 t卷揚(yáng)機(jī)進(jìn)行圍堰橫、縱位置的反復(fù)調(diào)整，期間每調(diào)整1次，測量人員復(fù)測1次。在鋼圍堰的平面位置和垂直度基本滿足要求后，逐步的收緊拉纜，各錨、拉纜均預(yù)拉至設(shè)計(jì)值的80%~90%，確保圍堰兩軸線偏位小于依10 cm，最大傾斜度1/100，最大扭轉(zhuǎn)角1毅，并確保鋼圍堰的位置固定。

待首節(jié)鋼圍堰定位完成后，澆筑刃腳壓倉混凝土，加強(qiáng)鋼圍堰刃腳強(qiáng)度，防止鋼圍堰在下沉過程中與河床碰撞導(dǎo)致擠壓變形、破裂。

3）鋼圍堰接高

鋼圍堰接高高度為12.2 m，主要由壁體、內(nèi)支撐、連通器及附屬設(shè)施組成。壁體根據(jù)箱型隔艙位置劃分為28片，單片最大吊裝重量22 t，水運(yùn)至現(xiàn)場后，利用江岸側(cè)停靠的2臺(tái)50 t起重船依次對(duì)稱接高。

4）鋼圍堰注水下沉

鋼圍堰初調(diào)位后，分32個(gè)隔艙均勻注水下沉，實(shí)時(shí)監(jiān)控定位系統(tǒng)各錨纜受力、圍堰平面位置及垂直度，并根據(jù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)對(duì)圍堰錨纜、隔艙水位進(jìn)行調(diào)整，確保圍堰平穩(wěn)下沉。

3.4 鋼圍堰封堵、封底

1）鋼圍堰著床

圍堰下沉至距離圍堰著床約20耀30 cm時(shí)，停止下沉，潛水員下水探摸圍堰刃腳周邊、封底隔艙及反牛腿位置的河床情況，主要檢查刃腳處有無孤石、溝槽以及泥沙淤積厚度等。探明情況后，通過定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)圍堰的精確定位，再注水下沉，實(shí)現(xiàn)鋼圍堰著床。

2）鋼支墩安放及刃角空隙區(qū)麻袋混凝土碼放

潛水員將反壓牛腿位置河床面鋪設(shè)麻袋混凝土整平，鋪設(shè)厚度應(yīng)保證與反牛腿的凈空滿足鋼支墩安裝要求。待麻袋混凝土墊平后，利用起重船進(jìn)行鋼支墩的安放。鋼支墩與反牛腿的縫隙，根據(jù)大小填塞相應(yīng)厚度的鋼板，直至塞緊為止。

鋼支墩支墊完成，待支墊處麻袋混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度90%后，繼續(xù)往各隔艙均勻注水壓艙，直至隔艙內(nèi)水頭滿足設(shè)計(jì)要求，鋼圍堰由各鋼支墩均勻支撐。

注水壓艙完成后，采用麻袋混凝土進(jìn)行其他刃角空隙區(qū)的封堵。通過下料導(dǎo)管將麻袋混凝土下放至圍堰底，然后由潛水員在圍堰內(nèi)側(cè)水下砌筑麻袋混凝土，盡量擠塞刃腳處，再從刃腳向內(nèi)側(cè)碼砌。碼砌高度按照刃腳以上70 cm控制，內(nèi)側(cè)1頤1放坡，層層碼放整齊。

鋼圍堰刃角下處理如圖6所示。

圖6 鋼圍堰刃腳下處理Fig.6 Steel cofferdam blade foot treatment

3）圍堰外拋石防護(hù)

圍堰內(nèi)側(cè)封堵完成后，在圍堰外側(cè)四周利用起重船抓頭拋設(shè)噸袋填塞刃腳防止沖刷。噸袋拋填高度2 m，迎水面坡度1頤2，順流側(cè)及下游側(cè)坡度1頤1，為了加強(qiáng)封堵效果，迎水面補(bǔ)拋碎石。

4）封底混凝土澆筑

封底混凝土澆筑前為了保證封堵質(zhì)量，用空氣吸泥設(shè)備進(jìn)行圍堰內(nèi)清基，將圍堰內(nèi)的淤泥、碎塊清除，再采用導(dǎo)管法進(jìn)行水下封堵混凝土的澆筑。

4 結(jié)語

通過對(duì)沌口長江公路大橋4號(hào)主墩鋼圍堰設(shè)計(jì)與施工各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，尤其是鋼圍堰定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及圍堰封堵、封底施工，主要結(jié)論如下：

1）采用鋼筋混凝土梳齒錨+單定位船定位系統(tǒng)，施工水域占用少，最大限度減少了鋼圍堰施工對(duì)航道船只通行的影響，同時(shí)能夠提供有效的錨固力，保證了無覆蓋層水域大型鋼圍堰精定位要求。

2）采用鋼圍堰刃腳處設(shè)置反壓牛腿+麻袋混凝土及鋼支墩支墊的方式處置小高差傾斜巖面的問題，較傳統(tǒng)的爆破施工及異形鋼圍堰設(shè)計(jì)方案，安全風(fēng)險(xiǎn)低、施工高效、封堵實(shí)施效果好。

3）鋼圍堰設(shè)計(jì)與施工期間，通過技術(shù)改進(jìn)，減少了大型設(shè)備、人工等施工要素的成本投入，確保了深水承臺(tái)施工的安全可靠、經(jīng)濟(jì)高效。