深水峽谷庫區(qū)高樁承臺鋼吊箱圍堰設計與施工技術研究

高 強

(中國鐵建大橋工程局集團有限公司 天津 300300)

1 工程概況

太平湖地處我國安徽黃山一帶，為當時修筑陳村水庫而來的高山峽谷形式的湖泊，處在黃山和九華山之間區(qū)域，更是“一湖擔兩山”的核心區(qū)，為該省面積最大的人工湖，是國家濕地公園和國家AAAA級旅游景區(qū)。太平湖特大橋位于太平湖東北角，橋址處湖面寬約730 m，采用(48＋118＋2×228＋118＋48)m雙線矮塔斜拉橋自北向南跨越太平湖。

太平湖特大橋是池黃高速鐵路控制性工程，橋跨布置為3－31.5 m簡支箱梁＋(48＋118＋228×2＋118＋48)m矮塔斜拉橋＋1－31.5 m簡支箱梁，全橋長926.1 m，其中主橋長788 m，采用(48＋118＋2×228＋118＋48)m雙線三塔矮塔斜拉橋。主橋墩為矩形實體墩形式，邊墩以及輔助墩使用圓端形實體墩形式，水中墩采用高樁承臺，承臺頂為最高通航水位117.15 m以下約7 m，施工最大水深約為43 m，樁基為3 m大直徑深水嵌巖樁；主塔采用直立式橋塔形式，塔高47.23 m；其主梁則選擇單箱雙室變截面變高度混凝土箱梁，共163個梁段，最大梁高為12 m；斜拉索采用環(huán)氧涂層高強鋼絞線，單個索塔配置了9對斜拉索，橫向雙索面配置。主墩5?！?＃墩橋跨立面展示，見圖1。

圖1 太平湖特大橋5#～7#主墩橋跨立面圖(單位:mm)

4?！?＃墩均位于深水區(qū)(共4個墩)，設計為高樁承臺，承臺施工采用雙壁鋼吊箱圍堰。4?！?＃墩承臺結構參數(shù)見表1。

表1 4#～7#墩承臺結構參數(shù) m

2 橋址處自然條件

2.1 地形地貌

太平湖特大橋橋位位于太平湖東北角，自北向南跨越太平湖，沿線為構造中低山，屬黃山衍生山體，地貌單元單一，地形略有起伏，局部陡坎，地面高程一般在83.8～157.18 m之間。橋位處湖底為U谷，最大水深約43 m；橋址北岸區(qū)域以小山坡為主，樹木散布；橋址南岸有村莊分布。

對橋位處太平湖湖底進行了掃描，湖底形狀同設計圖紙基本一致為U形湖底。太平湖特大橋橋位處河床掃描圖，見圖2。

圖2 橋位處河床掃描圖

2.2 水文條件

橋梁跨越庫區(qū)航道，受上下游閘壩控制及水庫調蓄作用，河勢穩(wěn)定，河道順直開闊，水流平緩；水位常年較穩(wěn)定，隨季節(jié)變化較小。橋位位置設計最高以及最低的通航水位為117.15 m、99.15 m，設計施工水位117.51 m(10年一遇水位)。

通過安徽省蕪湖水文水資源局近4年(2016～2019年)水文統(tǒng)計情況:1～4月為水庫蓄水期，水位逐漸上升變?yōu)楸灸甓鹊母咚黄冢?～8月為汛期，由于要應對洪水影響，需對水庫水位進行控制，但個別天數(shù)水位較高(2020年7月7日水位達到117.59 m，已超設計施工水位)；9～12月為本年度低水位期。太平湖橋址處近5年月均最高水位(2016～2019年)曲線圖見圖3。

圖3 太平湖橋址處水文資料

2.3 氣象條件

沿線為典型的暖濕類型的亞熱帶季風氣候，總體氣候以溫潤、降雨充沛居多，有較明顯的雨季，即所謂的“梅雨季節(jié)”，雨量多集中于5～8月，年平均降雨量1 494.8～1 780.7 mm；沿線四季平均風速變化不大，年平均風速達0.8～2.7 m/s，最大風速多發(fā)生在盛夏臺風侵襲期間，風速在15～21.3 m/s(定時)之間，每年冬夏兩季分別盛行西北風以及東南風。

2.4 航道

太平湖庫區(qū)航道規(guī)劃等級為Ⅵ級，為封閉航區(qū)，設計最高通航水位117.15 m，最低通航水位99.15 m，經現(xiàn)場調研，湖內船只主要為太平湖旅游客船及少量當?shù)鼐用褡杂么啊?/p>

3 施工方案確定

太平湖特大橋為池黃高速鐵路控制性工程，處在太平湖風景名勝區(qū)以及國家濕地公園，所處位置特殊，施工過程環(huán)保水保壓力大，又因太平湖具有典型高山峽谷型人工湖的明顯特征，橋址處水深達43 m，地質水文復雜，分布淺覆蓋層；基于深水、環(huán)境敏感、地質復雜環(huán)境下，為快速進行水中主墩施工創(chuàng)造施工作業(yè)面，需對湖中鉆孔鋼平臺、鋼圍堰結構形式及快速施工方法進行研究。

3.1 指導性方案

指導性施工組織設計采用常規(guī)“先樁后堰”的平臺施工方法:預先搭建鉆孔樁作業(yè)平臺，鉆孔樁作業(yè)結束之后，去除鉆孔操作臺，安裝圍堰拼裝平臺，原位拼裝、下放圍堰、混凝土封底，承臺作業(yè)。

采用此常規(guī)的施工方法，由于受橋位特殊的地理環(huán)境、自然條件及新冠疫情制約，且受特殊天氣條件影響，施工工期將無法保證。制約因素主要有以下幾點:

(1)太平湖特大橋進場便道涉及生態(tài)紅線、國家濕地公園和太平湖風景保護區(qū)，為進入太平湖特大橋橋位的唯一途徑，為太平湖特大橋施工運輸?shù)摹吧€”，項目審批難度較高，環(huán)保壓力較大，沿湖新修便道長5 km，土石方作業(yè)量超過40萬m3，作業(yè)難度較高，項目耗時也較長。

(2)主橋橋位處地質條件復雜，覆蓋層不均(2～10 m)，特別是5＃墩位處覆蓋層較薄(2～3 m)，且水深達43 m，深水淺覆蓋層大跨度鋼便橋及鉆孔平臺施工難度大，安全風險高，工期較長[1]。

(3)由于受年初“新型冠狀病毒肺炎”疫情影響，現(xiàn)場施工推進受到較大影響。

(4)特殊天氣影響，梅雨季氣候變化多端，皖南山區(qū)一帶梅雨季影響較長，暴雨頻發(fā)，總計的降雨規(guī)模以及雨季強度情況，均達到歷史第一位，湖內水位高位運行，已超設計施工水位。

鑒于此，為保證施工工期，需進行快速施工方法的研究，鋼圍堰不單被當作是鉆孔樁的作業(yè)平臺，同時也被當作是承臺作業(yè)擋水的防護結構，采用整體制造、下水、浮運的方式，可以達到快速施工的目的。

3.2 “圍堰兼作鉆孔平臺”方案

針對太平湖特大橋主墩基礎施工特點，且受外部施工環(huán)境影響較大，結合工期緊張的實際條件，經過鋼圍堰施工方案的比選(原位拼裝下放、整體浮運到位下放)，并結合鉆孔樁鋼平臺施工需要，因此訴求一類較為便捷的作業(yè)策略，“鉆孔平臺與承臺圍堰合二為一”，選擇工廠化加工、整體組裝、下水浮運、定位以及搭建平臺等施工策略予以探究[2]，切實有效應對了基礎施工時間緊迫、作業(yè)難度高，水中作業(yè)安全等技術難題，同時提高工程質量，節(jié)約施工成本。

本施工方案優(yōu)點:

(1)減少施工工序，規(guī)避對陸地運輸條件的依賴(施工便道、鋼便橋)，可平行施工，有效縮短施工工期80 d。

(2)將水上作業(yè)變?yōu)榘渡瞎S化作業(yè)，提高工程質量。

(3)減少水上大型施工設施與設備，節(jié)約施工成本。

(4)高樁承臺圍堰兼作鉆孔平臺，減少材料投入，節(jié)約施工成本。

4 高樁承臺雙壁鋼吊箱圍堰主體結構設計

5＃墩以及7＃墩鋼圍堰均是雙壁鋼吊箱形式，由雙壁壁艙、底板、底板支撐及上部支撐組成，平面規(guī)格即26.02 m×20.02 m，高18 m；壁艙的內外壁板都使用8 mm的鋼板，水平隔板厚度即2 cm，斜撐為120 mm×8 mm的方鋼；底板為1 cm厚鋼板，底部支撐主梁采用雙拼 36b槽鋼，分配梁為 25工字鋼；上部支撐采用雙拼 36b和雙拼 25c的組合桁架結構[3－5]，詳見圖 4。

圖4 5#/7#雙壁鋼吊箱圍堰結構(單位:mm)

6＃墩鋼圍堰即雙壁鋼吊箱形式，由雙壁壁艙、底板、底板支撐及上部支撐組成，平面規(guī)格即32.02 m×20.02 m，高18 m；壁艙內外壁配置為8 mm的鋼板，水平隔板是2 cm的鋼板，斜撐為120 mm×8 mm的方鋼；底板為1 cm厚鋼板，底部支撐主梁為采用雙拼 36b槽鋼，分配梁為 25工字鋼；上部支撐采用雙拼 36b和雙拼 25c的組合桁架結構，詳見圖5。

圖5 6#雙壁鋼吊箱圍堰結構(單位:mm)

5 高樁承臺雙壁鋼吊箱圍堰施工

太平湖特大橋5?！?＃墩采用高樁承臺雙壁鋼吊箱圍堰進行承臺結構的施工，選擇先圍堰然后樁基的作業(yè)流程，預先建造主、支棧橋以用于水中作業(yè)的臨時平臺，再將雙壁鋼圍堰在下水碼頭拼裝完成后通過氣囊下水，由動力船浮運至墩位附近，利用主棧橋、支棧橋、水中霍爾式鐵錨配合圍堰頂部卷揚機進行定位，之后開展鋼護筒作業(yè)，結合鋼圍堰頂端支撐當作鉆孔平臺支持樁基作業(yè)，鉆孔樁作業(yè)完畢，進行雙壁鋼圍堰的下放以及封底處理，然后抽空圍堰中的水，以鋼圍堰作為高樁承臺模板進行承臺施工[6]。

5.1 總體施工工藝流程

鋼吊箱圍堰工廠加工→岸上整體組裝→整體下水→浮運至墩位→精準定位→插打定位鋼護筒→搭建鉆孔鋼平臺→鉆孔樁作業(yè)→鋼吊箱圍堰下放→鋼圍堰混凝土封底→承臺作業(yè)→去除部分鋼圍堰。

5.2 主要施工方法

5.2.1 岸上拼裝場地選定及布置

拼裝場地選擇在拌和站西側湖邊位置，占地約8 000 m2；拼裝場地與改建便道之間約200 m，需采用碎石修建臨時便道，方便材料運輸；拼裝場地距離橋位約5.4 km，浮運距離短。

拼裝場地按照功能區(qū)劃分為半成品堆放區(qū)、行車通道、拉錨區(qū)、拼裝區(qū)和下水坡道。

根據(jù)現(xiàn)場地形，將下水碼頭分為兩段，第一段為拼裝場地，第二段為下滑坡道，對原有拼裝場地進行挖填整平，以及必要的硬化處理。

為使圍堰有一定的下滑力(自重分力)，拼裝場地設置成2%縱坡，長40 m，采用C25砼硬化處理(硬化厚度20 cm)，下滑坡道(下滑加速段)地面設置坡度成5%縱坡，長40 m。

5.2.2 鋼圍堰拼裝、下水

采用100 t履帶吊拼裝圍堰節(jié)段，拼裝流程:拼裝場地平整、布設鋼支墩→安裝底板單元→底板上拼裝內支撐→吊裝短邊側下部壁板箱體→吊裝長邊側下部壁板箱體→以相同的吊裝工況吊裝其余外側下部節(jié)段→以相同的吊裝工況吊裝上部節(jié)段→拆除內部支撐→安裝上部平臺、附屬結構，進行焊縫檢測。

圍堰拼裝完成，所有報檢程序完成并簽證完成后，采用氣囊斷纜法下水。圍堰起滑前，就圍堰的滑移空間中的場地予以必要的清理排查，保證沒有雜物特別是不可以存在潛在的扎破氣囊的異物，同時要對近灘水深進行一次復測，滿足設計要求水深后方可下滑圍堰，否則需進行清淤，要保證圍堰入水處上下游各10 m范圍的水深滿足設計要求。為了更好地掌握圍堰的入水后的狀態(tài)，圍堰入水前需在側板外壁上標記刻度表[7]。

5.2.3 鋼圍堰浮運、定位

圍堰入水穩(wěn)定后，使用兩艘360°全回轉拖輪綁定圍堰頂推架，將圍堰頂推至墩位處，迅速連接定位錨繩，使圍堰進入精確定位階段。

因鋼圍堰慣性較大，采用操縱性能先進的360°全回轉的拖船，用以穩(wěn)定航行，控制前進的速度。鋼圍堰后端設有兩艘300馬力拖輪與圍堰相連，既能穩(wěn)定航向，又能改變航向，便于控制船位。

拖船靠近棧橋時，速度放慢向棧橋靠攏，切實把控角度以及沖程，保證其前端靠樁系統(tǒng)平穩(wěn)地抵住棧橋橡膠護舷，結合棧橋中的卷揚機收放模塊對圍堰進行收緊處理，保證其整體的受力穩(wěn)定。

圍堰平面精定位采用霍爾錨錨固，在圍堰頂部平臺安裝卷揚機，用卷揚機通過滑車組用鋼絲繩連接在錨上，使用卷揚機調節(jié)鋼絲繩達到定位效果[8]。

另外，考慮到5＃墩鋼圍堰拋錨過程中，可能遇到裸巖或者淺覆蓋層，霍爾錨無法滿足要求，可使用重力式混凝土錨塊進行錨碇。

底板開孔后，在鉆孔樁對應位置上導向架安裝，保證該導向架和履帶吊配合振動錘插打定位鋼護筒，5＃、7＃墩按照插打 5-1＃、5-3＃、5-10＃、5-12＃共4根定位鋼護筒，按照對稱插打的原則進行施工；6＃墩插打6-1＃、6-3＃、6-7＃、6-9＃、6-13＃、6-15＃共 6 根定位鋼護筒，按照對稱插打的原則進行施工。

5.2.4 鋼護筒插打、樁基施工

圍堰初定位后，兩臺100 t履帶吊站在兩側棧橋上對稱插打定位鋼護筒，5＃、7＃墩定位鋼護筒按照5-1＃與 5-12＃、5-3＃與 5-10＃的順序插打，6＃墩鋼護筒按照6-1＃與6-15＃、6-3＃與6-13＃、6-7＃與6-9＃的順序插打。該結構屬于高樁承臺，鋼護筒作為鉆孔樁護筒的同時，也作為鋼圍堰的支撐結構，所以鋼護筒的插打非常重要，鋼護筒插打按照設計計算插入深度和貫入度雙指標控制。

定位鋼護筒及提升系統(tǒng)安裝完成后，在壁艙中加水，使圍堰下沉至標高121 m位置，此時圍堰處于自穩(wěn)狀態(tài)。啟動連續(xù)千斤頂，使鋼絞線預緊，繼續(xù)在壁艙中加水2.5 m，使平臺維持在121 m標高位置，此時提升系統(tǒng)處于受力狀態(tài)。于鉆孔樁相關區(qū)域搭建導向架，選擇履帶吊配合振動錘的方式進行插打余下的鋼護筒[9]。

鋼護筒間的平聯(lián)及斜稱焊接完成后，通過壁倉注水配合提升系統(tǒng)將圍堰落于鋼護筒平聯(lián)上，形成鉆孔平臺，開始進行樁基施工[10]。

樁基按照隔樁跳打的原則，5＃～7＃鉆孔平臺上各布置3臺鉆機，5＃、7＃墩樁基按照4輪完成，6＃墩按照5輪完成。

5.2.5 鋼圍堰下放

全部鉆孔樁作業(yè)完結之后，接高定位鋼護筒，再度安置提升模塊，將圍堰整體提升0.5 m，鋼護筒間的平聯(lián)和斜撐下移至指定標高，此時5＃墩鋼護筒間平聯(lián)頂面標高為114.601 m，6＃墩鋼護筒間平聯(lián)頂面標高為114.409 m，7＃墩鋼護筒間平聯(lián)頂面標高為115.057 m。

平聯(lián)和斜撐下移安裝完成后，在圍堰壁倉內注水，使圍堰下放至鋼護筒平聯(lián)上，此時圍堰底標高即為設計標高。啟動連續(xù)千斤頂，預緊鋼絞線，壁倉繼續(xù)注水2.5 m，使圍堰自身重力大于浮力，鋼絞線呈持力狀態(tài)[11]。

5.2.6 鋼圍堰封底

圍堰下放到位后，對圍堰內部進行封堵，核心為密封鋼護筒和圍堰底板存在的孔隙，保證混凝土不從此處溢出，此時聯(lián)通管不得關閉，保證內外水壓力平衡。

首次封底期間混凝土的澆筑高度以3 m為宜，選擇垂直導管形式完成水下的澆筑作業(yè)，根據(jù)圍堰尺寸采用分區(qū)、對稱澆筑，結合設計的流程予以作業(yè)，混凝土需要從周邊朝著中間澆筑，再次封底期間澆筑高度以2 m為宜，選擇承臺澆筑方案，在兩側的支棧橋上各布置一臺汽車泵對稱澆筑[12]。

6 結束語

太平湖特大橋高樁承臺鋼吊箱圍堰施工采用“鉆孔平臺與承臺圍堰合二為一”的施工方法，圍堰不單單被當作是鉆孔樁作業(yè)平臺，同時也被當作承臺作業(yè)擋水結構，通過各項工序的過程控制，可以達到快速施工的目的，切實有效應對了基礎施工時間緊迫、作業(yè)難度高等技術難題，同時提高工程質量，節(jié)約施工成本，保證了水上作業(yè)整體安全可控。