鐵路大橋大型雙壁鋼圍堰施工技術(shù)探析

李義明

（鐵四院（湖北）工程監(jiān)理咨詢有限公司，湖北 武漢 430000）

1 工程概況

1.1 鐵路大橋設(shè)計(jì)

滬渝蓉高速鐵路武漢至宜昌段鐘祥漢江鐵路特大橋，采用斜拉橋的形式跨越漢江航道，中心里程為DK170+679.30m，起 訖 里 程 為DK170+405.250m～DK170+953.350m。 橋梁全長548.1m，橋位與漢江夾角為90°。主橋采用（60+78+270+78+60）m 雙塔雙索面斜拉橋，半漂浮體系，主跨270m 跨越漢江。主橋位于±2.6‰縱坡上，主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土單箱三室截面，頂寬14.5m，中心梁高4.5m。全橋共48 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)階段，邊跨現(xiàn)澆段A10 段長66.25m，懸澆段每個(gè)階段長8m，中跨合攏段長3m。

1.2 雙壁鋼圍堰設(shè)計(jì)

主塔316#橋塔基礎(chǔ)為低樁承臺(tái)，基礎(chǔ)施工采用先樁基后圍堰的施工方案。圍堰采用雙壁鋼圍堰，承臺(tái)尺寸為橫橋向29m×順橋向22.75m×高6m。雙壁鋼圍堰橫橋向兩端設(shè)計(jì)為拱形，平面尺寸43.391m×29.75m，高度28m，壁厚2m。鋼圍堰采用場內(nèi)分節(jié)段制作，分塊加工、分節(jié)段拼裝后，采用平板駁船運(yùn)輸至橋位。利用600t 浮吊分節(jié)段整體吊裝、拼接接高、吸泥下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，進(jìn)行水下封底施工。圍堰內(nèi)抽水完成后，施工承臺(tái)及以上結(jié)構(gòu)；承臺(tái)底以下部分鋼護(hù)筒，作為樁基永久性結(jié)構(gòu)不予拆除。鋼圍堰布置如圖1 所示。

圖1 鋼圍堰平面布置圖（單位：mm）

1.3 工程重難點(diǎn)

該工程屬北亞熱帶濕潤大陸季風(fēng)氣候，多年平均氣溫12 ℃～16 ℃，年平均降水量 951.0 mm。316#墩位處地層由河床往下依次為粉砂、細(xì)圓礫土、泥巖W3、斷層影響破碎帶、泥巖W2。沿線交通鐵路運(yùn)輸、水上運(yùn)輸較為便利，電力資源較為豐富，能滿足施工用電需要。

結(jié)合現(xiàn)場條件和勘察結(jié)果，該工程施工難點(diǎn)如下：1）316#墩位處覆蓋層較厚，爆破清巖后樁基施工時(shí)間計(jì)劃3 個(gè)月，圍堰為汛期后施工，河床回淤量較大。為減少爆破后回淤過多對圍堰下沉造成影響，根據(jù)河床掃描數(shù)據(jù)，根據(jù)圍堰四周覆蓋層厚度，將清理范圍適當(dāng)擴(kuò)大。2）圍堰高28 m，入水深度較深且平面尺寸大，相應(yīng)的下沉、吸泥和封底等工程任務(wù)難度較大。3）圍堰采用大型浮吊分節(jié)整體吊裝施工，施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)高，現(xiàn)場安裝精度控制難度大。4）316#雙壁鋼圍堰施工要求工期緊，施工籌備時(shí)間短，對現(xiàn)場施工組織要求精細(xì)到位、科學(xué)合理。

2 大型雙壁鋼圍堰總體施工方案

2.1 鋼圍堰結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)參數(shù)

該工程中，316#墩鋼圍堰采用雙壁無底雙壁鋼圍堰，由壁體、刃腳、內(nèi)支撐等組成。其中，壁體主要由隔艙板、水平環(huán)板、橫向支撐及內(nèi)外壁板構(gòu)成。刃腳高度為1.8 m，水平設(shè)置環(huán)板，垂直設(shè)置加勁肋作為支撐結(jié)構(gòu)，內(nèi)外壁板之間通過橫向支撐與隔艙板連接形成整體。內(nèi)支撐設(shè)置3 層，各層內(nèi)支撐間設(shè)置內(nèi)支撐連接系，與鋼圍堰壁板一起形成完整的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體系。鋼圍堰設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 鋼圍堰主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 施工方案

河床爆破清巖過程中，316#墩雙壁鋼圍堰在加工場內(nèi)同步加工，加工場地位于 316#主墩上游 12.4 km 河岸處沙廠內(nèi)。316#墩樁基施工完成后，拆除鉆孔平臺(tái)及大里程側(cè)支棧橋，圍堰分節(jié)由駁船運(yùn)至墩位處吊裝接高。圍堰分為 6 個(gè)節(jié)段進(jìn)行加工，每個(gè)節(jié)段分為 16 個(gè)單元塊進(jìn)行加工。

圍堰在加工場滑移區(qū)分節(jié)拼裝成整體，逐節(jié)滑移至岸口鋼平臺(tái)處，采用 600 t 浮吊起吊，由平板駁船運(yùn)輸至墩位處。底節(jié)圍堰運(yùn)輸?shù)蕉瘴缓罄?00 t 浮吊起吊，通過抗拔樁與圍堰內(nèi)壁板上導(dǎo)向裝置完成圍堰初定位，整體吊裝底節(jié)圍堰下水；第二節(jié)～頂節(jié)圍堰與底節(jié)同樣方式運(yùn)輸，逐節(jié)接高；拼裝過程中澆筑刃腳混凝土、壁艙注水、精調(diào)，最后吸泥下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高；澆筑壁艙混凝土至設(shè)計(jì)標(biāo)高；搭設(shè)封底平臺(tái)，澆筑封底混凝土。鋼圍堰著床前必須對河床進(jìn)行監(jiān)測，防止著床前一側(cè)河床出現(xiàn)較大沖刷，導(dǎo)致圍堰傾斜。著床后，根據(jù)河床實(shí)際沖刷情況，對河床進(jìn)行防護(hù)。

3 大型雙壁鋼圍堰現(xiàn)場施工技術(shù)要點(diǎn)

3.1 鋼圍堰制作運(yùn)輸

鋼圍堰制造與安裝劃分為3 個(gè)階段：第一階段是單元件制造，第二階段是節(jié)段制造，第三階段是工地拼裝焊接。其中，單元件制造與節(jié)段制造在加工場內(nèi)完成，以便發(fā)揮加工設(shè)備先進(jìn)和施工條件好的優(yōu)勢；節(jié)段運(yùn)至工地現(xiàn)場后，完成拼裝焊接。鋼圍堰的整體制造順序如下：單元件制造→塊體制造→大節(jié)段制造→節(jié)段運(yùn)輸→現(xiàn)場焊接。

該工程中，鋼圍堰豎向分為六節(jié)，從下向上每節(jié)的高度分別是6.0 m、6.0 m、3.15 m、4.05 m、4.2 m、4.60 m。鋼圍堰制作場內(nèi)利用75 t 履帶吊、25 t 吊車，完成各單元的場內(nèi)加工制造、轉(zhuǎn)移存放，每個(gè)節(jié)段分為16 個(gè)單元塊進(jìn)行加工，單元塊在滑移區(qū)完成分節(jié)整體拼裝。拼裝完成后，質(zhì)量檢查見表2。

表2 雙壁鋼圍堰拼裝質(zhì)量檢查項(xiàng)目

鋼圍堰拼裝質(zhì)量驗(yàn)收合格，采用滑靴+牽引系統(tǒng)滑移至岸口鋼平臺(tái)，利用600 t 浮吊起吊至駁船。運(yùn)輸時(shí)，技術(shù)要點(diǎn)如下：1）場內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)，單元塊轉(zhuǎn)運(yùn)采用履帶吊或者吊車，從塊體存放區(qū)轉(zhuǎn)運(yùn)至分段加工區(qū)進(jìn)行組拼。存放時(shí)，塊件鋼圍堰制作完成后，在場內(nèi)存放于特定胎架上，并進(jìn)行標(biāo)識(shí)。大節(jié)段在滑移區(qū)組拼完成，并經(jīng)檢驗(yàn)合格后，采用滑靴+牽引系統(tǒng)滑移至岸口鋼平臺(tái)。2）水上運(yùn)輸時(shí)，鋼圍堰加工距離橋址處約12.4 km，托運(yùn)過程均在漢江航道完成，現(xiàn)場實(shí)際調(diào)查表明整個(gè)托運(yùn)過程不需要穿過任何構(gòu)筑物，通行高度不受限。316#雙壁鋼圍堰采用運(yùn)輸船只共計(jì)5 艘，作業(yè)船托運(yùn)時(shí)總長度75.5 m，船隊(duì)最大寬度43.5 m。

3.2 鋼圍堰吊裝下沉

鋼圍堰吊裝前，拆除鋼棧橋，安裝圍堰限位裝置。雙壁鋼圍堰吊點(diǎn)設(shè)計(jì)總重取值320 t，單根吊繩吊重50 t，卸扣采用＞85 t卸扣，吊耳直接焊接于隔艙板上。并對浮吊、平板駁拋錨定位。進(jìn)場前，檢查浮吊各個(gè)工具以及鋼圍堰完好，檢查吊裝時(shí)各項(xiàng)工器具的性能，復(fù)查各連接點(diǎn)的可靠性。

第二節(jié)圍堰接高后，圍堰處于自浮狀態(tài)。在無水狀態(tài)下，使用2 臺(tái)泵車完成1.8 m 高的刃腳混凝土澆筑，混凝土采用早強(qiáng)型混凝土。第二節(jié)鋼圍堰接高完成后，采用對稱分艙干澆鋼圍堰刃腳混凝土，共計(jì)16 個(gè)壁艙單元。刃腳混凝土澆筑完成后，圍堰吃水深度5 m，圍堰水上高度為7 m。

先在圍堰內(nèi)外側(cè)焊接型鋼工作平臺(tái)，寬度1.5 m，采用∠63×6 mm 角鋼與牛腿焊接而成。刃腳混凝土澆筑完成后，接高第三節(jié)圍堰，下放使圍堰自浮，拆除第二道臨時(shí)內(nèi)支撐，壁艙注水9 m，圍堰吃水深度12.78 m，圍堰水上高度為2.47m。循環(huán)該工藝，直至完成第六節(jié)圍堰接高，并對鋼護(hù)筒周邊、圍堰周邊死角處進(jìn)行水下清理。

根據(jù)承臺(tái)位置，圍堰共設(shè)置3 層內(nèi)支撐，各層內(nèi)支撐間設(shè)置內(nèi)支撐連接系，內(nèi)支撐各部位采用焊接方式連接，在接高后及時(shí)安裝連接系。同時(shí)，為了確保圍堰節(jié)段整體吊裝安全，在底節(jié)、第二節(jié)、頂節(jié)各設(shè)置一層臨時(shí)內(nèi)支撐，圍堰下放過程中逐層進(jìn)行拆除。

圍堰注水下沉分為兩個(gè)階段，第一階段是圍堰水中自浮狀態(tài)下注水下沉，第二階段是圍堰刃腳入土后注水吸泥下沉。注水下沉?xí)r，計(jì)算壁艙的投影面積，為每個(gè)艙配備水泵抽水量，以達(dá)到均衡下沉的效果。當(dāng)注水下沉至圍堰距河床面1 m 處，停止下沉，采用不均勻注水和千斤頂頂進(jìn)的方法進(jìn)行精確調(diào)整，測量隊(duì)再次精確復(fù)核。然后圍堰繼續(xù)下沉至河床面0.5 m 處，第二次精確定位，見表3。

表3 鋼圍堰注水下沉后的精確度控制要求

先搭設(shè)吸泥平臺(tái)，采用型鋼形式，每排護(hù)筒上首先安裝雙拼I40a 工字鋼作為稱重主梁，型鋼間距為1.5 m；然后鋪設(shè)間距30 cm 的I25 工字鋼，最后鋪裝8 mm 鋼板作為行走平臺(tái)。平臺(tái)四周設(shè)置間距2 m、高度1.2 m 的48mm 鋼管，作為防護(hù)欄桿支撐柱；支撐立柱上焊接三層48mm 鋼管，作為防護(hù)欄桿。采用2 套氣舉設(shè)備吸泥下沉至+12.0 m，現(xiàn)場共計(jì)配備2 臺(tái)吸泥機(jī)。首先施工利用600 t 浮吊、80 t 履帶吊，吊取2 臺(tái)吸泥機(jī)同步吸泥施工，每臺(tái)吸泥機(jī)利用簡易門架提吊進(jìn)行吸泥。吸泥機(jī)管口須離開吸泥面15 cm～50 cm，過低容易造成堵塞，過高則吸泥效率不高。吸泥應(yīng)對稱進(jìn)行，并勤測量河床底面標(biāo)高，以確定吸泥位置。鋼圍堰入水后，在每節(jié)鋼圍堰上設(shè)置8 個(gè)測量控制點(diǎn)（4 個(gè)角點(diǎn)作為控制測量點(diǎn)，其余4 個(gè)作為復(fù)核點(diǎn)），現(xiàn)場實(shí)際測量，通過注水調(diào)整圍堰在水中的垂直度，以及在頂口處的平面位置。

混凝土性能要求：初凝時(shí)間10h～12h，坍落度為200mm～220mm，擴(kuò)展度≥490mm；導(dǎo)管底口懸空20cm～30cm，澆筑過程中埋深2m～6m。壁艙共計(jì)分為16 個(gè)隔艙進(jìn)行澆筑，導(dǎo)管采用300mm 導(dǎo)管進(jìn)行灌注，布置間距按照6m 進(jìn)行布置。其中，水下澆筑混凝土的技術(shù)要點(diǎn)如下：1）分層施工壁艙混凝土，混凝土澆筑過程中，采用2 臺(tái)泵車同時(shí)進(jìn)行灌注。2）導(dǎo)管埋深嚴(yán)格控制在2m～6m，導(dǎo)管拔球前底口懸空控制在20cm～30cm。導(dǎo)管觸底后再提升至要求高度，待首灌料下放完成后，立即測量混凝土面的上升高度，精確計(jì)算導(dǎo)管埋深。3）澆筑過程中，加強(qiáng)對隔倉混凝土面標(biāo)高的控制，使隔倉板兩側(cè)高差、各倉間混凝土面高差≤5m，混凝面測量時(shí)間每隔30min 測量1 次。

3.3 鋼圍堰定位監(jiān)測

鋼圍堰下水前，在鋼圍堰外壁上標(biāo)注橋軸線方向和橫橋向方向，在圍堰頂環(huán)板上做好4 個(gè)三維坐標(biāo)測量控制點(diǎn)；在圍堰4 個(gè)方向兩側(cè)，自下而上標(biāo)注水位標(biāo)尺，在圍堰外側(cè)壁作好高程刻度標(biāo)記，每10 cm 一格。監(jiān)測項(xiàng)目主要包括以下3 個(gè)：1）原河床斷面測量，掌握圍堰下沉中的沖刷情況。2）圍堰下沉觀測，觀察鋼圍堰吃水時(shí)是否偏位、傾斜，每天測量2 次。3）測量指標(biāo)有頂中心偏移量、頂中心高程、順橋向高差、縱向頂?shù)灼撇睢M橋向高差、橫橋向頂?shù)灼撇?、刃腳高程、扭角計(jì)算、圍堰傾斜計(jì)算。

3.4 清淤、封底與抽水

在雙壁鋼圍堰下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，應(yīng)對基底按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行清理，為封底做好準(zhǔn)備。清理完成，檢查基底平面位置、尺寸大小、基底標(biāo)高，以及基底地質(zhì)情況。封底混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為水下C35 自流平混凝土，坍落度為20 cm～24 cm，初凝時(shí)間15 h～20 h，混凝土必須有良好的和易性、穩(wěn)定性。其中，首灌混凝土數(shù)量的計(jì)算公式如下。

式中：為導(dǎo)管直徑，取值0.3 m；為混凝土擴(kuò)散半徑，取值3 m；為導(dǎo)管口處混凝土埋深，取值1.5 m；為導(dǎo)管內(nèi)混凝土立柱與導(dǎo)管外水壓力平衡的高度。經(jīng)計(jì)算，澆筑時(shí)按照選用＞15 m儲(chǔ)料灌注。

封底混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，利用14 臺(tái)水泵進(jìn)行抽水作業(yè)，抽水前將連通器蓋板進(jìn)行水下封堵，并在蓋板與聯(lián)通管之間設(shè)置橡膠圈。若底板倉范圍內(nèi)出現(xiàn)涌水點(diǎn)，采取在封底混凝土頂面開槽引流，并在承臺(tái)地面高程以下設(shè)置鋼板封閉。

3.5 鋼圍堰觀測

在圍堰施工和使用過程中，應(yīng)派專人對鋼圍堰進(jìn)行測量觀測：1）圍堰外河床沖刷情況。采用測繩法對圍堰四周河床標(biāo)高進(jìn)行測量，并做好觀測記錄，如果沖刷較明顯，就需要采取拋沙袋的方法對圍堰進(jìn)行防護(hù)。2）圍堰沉降情況。在圍堰頂面設(shè)立標(biāo)高觀測點(diǎn)，對圍堰的沉降進(jìn)行觀測。如沉降值過大，則采取單側(cè)圍堰內(nèi)注水方式進(jìn)行調(diào)整。3）圍堰結(jié)構(gòu)變形。在鋼圍堰壁上貼應(yīng)變片，對鋼圍堰進(jìn)行應(yīng)力觀測，應(yīng)變片設(shè)置位置主要為外壁板、水平桁架、水平環(huán)。重點(diǎn)觀測圍堰在抽水工況及抽水后圍堰施工承臺(tái)期間受力狀況。

4 施工質(zhì)量控制措施

4.1 質(zhì)量控制目標(biāo)

316#主塔基礎(chǔ)雙壁鋼圍堰施工的質(zhì)量目標(biāo)如下：1）鋼圍堰焊縫質(zhì)量。水密性試驗(yàn)滿足要求。2） 圍堰定位精度。平面位置±10 cm，垂直度/100。3）圍堰抽水后，不能出現(xiàn)超出容許范圍內(nèi)的變形和漏水事故。

4.2 質(zhì)量控制措施

為實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制目標(biāo)，采取的控制措施如下：1）項(xiàng)目指揮部及工區(qū)均成立項(xiàng)目質(zhì)量保證組織機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)項(xiàng)目質(zhì)量保證管理，形成一個(gè)既有明確任務(wù)、職責(zé)、權(quán)限，又能互相協(xié)調(diào)、促進(jìn)的質(zhì)量保證體系。2）為保證工程質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)要求，對施工過程的質(zhì)量影響因素實(shí)施控制，指揮部將采取有效措施予以保證，包括組織保證措施、制度保證措施、資源保證措施和技術(shù)保證措施。

5 結(jié)語

綜上所述，鋼圍堰在鐵路橋梁主墩水下施工中應(yīng)用普遍，具有多個(gè)技術(shù)優(yōu)勢。該文結(jié)合工程實(shí)例，介紹了大型雙壁鋼圍堰總體施工方案，從鋼圍堰制作運(yùn)輸、吊裝下沉、定位監(jiān)測、清淤封底與抽水、觀測等方面，詳細(xì)闡述了施工技術(shù)要點(diǎn)。希望通過該文，為類似工程項(xiàng)目的施工提供借鑒，提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。