潮汐河深水承臺施工技術

韓偉奇

(中鐵十八局集團有限公司,天津 300222)

1 工程概況

東北東部鐵路新建前陽至莊河段工程 DT-2標段大洋河特大橋全長 1.418 km,橋梁跨度均為 32m。本橋跨越大洋河,河面寬度約 320m,該河為潮汐河,每天潮起潮落兩次,河水面至承臺底面深度最深達到18m,潮汐差 3～5m,潮汐期間的水流速度達 4m/s,給承臺的施工帶來很大的困難。

2 施工方案

大洋河特大橋所處地段的地層以淤泥層和砂層為主,采用雙壁鋼套箱圍堰進行基礎施工,鋼套箱在工廠加工,浮運到施工現場,拼裝、下沉。采用空氣吸泥機清除套箱內河床土層輔助下沉,分別通過焊接在鋼護筒上的牛腿和定位平臺的鋼絲繩控制鋼套箱圍堰下沉的位置與方向。雙壁鋼套箱圍堰下沉到位后,灌注水下混凝土進行封底,封底混凝土達到設計強度后,抽干水進行護筒切除、樁頭鑿除,進行鋼筋綁扎及安裝冷卻水管,最后進行承臺混凝土澆筑。

3 施工方法

3.1 雙壁鋼套箱施工

3.1.1 鋼套箱設計與加工

本橋鋼套箱設計為采用雙層薄壁結構,壁厚 1.0 m。采用廠制,除鋼套箱底節刃腳部分整體船運至現場外,其余接高部分按隔水艙分為 16塊浮運至現場拼裝成形。鋼圍堰結構如圖1、圖2所示。

圖1 鋼圍堰平面(單位:cm)

圖2 鋼圍堰立面(單位:cm)

鋼套箱上下分為 4節,第一節高 3.15m,底部設有刃腳,以利下沉和著床。其余三節均為 5m。圍堰外徑為 22.4m,內徑為 20.4m,平面分為 16塊,現場拼接成形。圍堰內外壁均設有防水結構,加工后必須作水密試驗。為保持吸泥下沉灌注封底混凝土過程中圍堰內外水的平衡,在圍堰底部 3m范圍內對稱設置2個 φ400mm的通水孔,以便調整鋼套箱下沉時的重心及垂直狀態。另外還要在上部設置吊耳、四周設錨耳等,以便吊裝及定位錨固。

3.1.2 鋼套箱運輸與拼裝

由于鋼套箱加工量大,且要求加工質量較高,因此,本橋鋼套箱采用工廠加工,現場用 60 t浮吊進行拼裝。為保證圍堰起吊平穩及防止變形,在圍堰上設 8個吊點,進行對接。

底節鋼圍堰在靜水區域的拼裝船上拼裝,利用浮吊起吊,拼裝船用兩艘 400 t駁船中間焊接 I30b型鋼連接而成,上面鋪板材作為操作平臺,拼裝船組拼示意如圖3所示。

圖3 拼裝船組拼示意

鋼圍堰拼裝工藝為對稱拼焊,要求上下隔艙板對齊、各相鄰水平環形板對齊、上下豎向肋角與水平環形板焊牢;內外壁鋼板接縫盡量采用對接焊,確有困難時,采用搭接焊或貼板焊接,但必須滿焊,并確保水密性。鋼套箱內、外壁板為 δ6mm鋼板,其上有75mm×75mm角鋼豎肋和 δ10mm環形板加強,兩壁板之間用隔艙板和水平桁架連接,隔艙板為 δ6mm鋼板,水平桁架為75 cm×75 cm角鋼。節與節之間采用 δ10 mm厚的節間環板連接。16塊隔艙板將鋼套箱均分成16個互不相通的隔艙。為防止刃腳與封底混凝土之間滲水,在刃腳內側加焊 2道 100mm×10mm鋼板止水帶。

完成后對鋼套箱尺寸、焊接質量、桿件部位、附加結構部位進行全面檢查驗收,并作水密試驗(即油浸試驗)。水密試驗的方法是先在鋼套箱外壁用排筆沿著焊縫刷上石灰漿,待漿干后,在內壁沿著焊縫刷上體積比為 7∶3的煤油和汽油的混合液。

鋼套箱底節拼裝完成后,在夾壁中注水使鋼套箱呈浮體狀態(r＞h,其中 r—定傾半徑,h—浮心到重心距離)以保持浮運穩定性,然后用拖輪將鋼套箱頂推浮運至墩位平臺上準備定位。

3.1.3 鋼套箱定位

鋼套箱浮運就位后,利用在導向船上的萬能桿件起落架將底節鋼圍堰吊起,在綁定錨纜后退出拼裝船,底節下水,絞拉錨纜將鋼圍堰定位,然后用 16臺抽水機向圍堰的 16個隔艙均勻灌水,當套箱刃尖距離河床0.5m左右即暫停灌水下沉,對鋼套箱進行精確定位。受每日潮汐影響,漲落潮時水流對鋼套箱的精確定位增加一定難度,需要設置定位錨固系統。

在河道中設置可移動拼裝的錨塊,采用 I22型鋼焊接成底部為長方體頂部為三棱錐形的錨箱,長方體與三棱錐相接處采用鉸接方式。棱錐坡面平行于流水方向,減小流水阻力以利錨塊穩定,錨箱內部放置混凝土塊,水下錨塊與錨定船固定后再通過錨纜固定鋼圍堰,共同組成鋼圍堰準確定位的錨定系統。錨定船與鋼圍堰之間設置上下兩層錨纜,分別控制鋼圍堰頂部和底部,以控制潮汐期間水流對鋼圍堰的影響,底部錨纜在鋼圍堰沉入河床 1m之后拆除。在鋼套箱距河床0.5m時,由岸上測量人員與錨定船上調系纜人員配合實現鋼套箱的精確定位,然后立即啟動 16臺抽水機向圍堰的 16個隔艙快速灌水,使套箱圍堰刃腳迅速落入河床。鋼圍堰錨定示意見圖4、圖5。

3.1.4 吸泥下沉

鋼套箱的下沉主要是采取在圍堰內吸泥,并往隔艙內注水,靠圍堰自重和水重使之下沉。整體下沉前,首先在圍堰較高一側吸泥,將圍堰頂面找平,然后將φ460mm吸泥管放在圍堰中心附近開始吸泥,使中間形成鍋底形狀,并逐漸向刃腳方向移動,沿四周對稱均勻進行。為防止圍堰不均勻下沉,正常情況下各點吸泥時間不要過長。控制圍堰內除土深度,在圍堰刃腳處,除土面不得低于刃腳尖。

圖4 鋼圍堰錨定平面

圖5 鋼圍堰錨定立面

當鋼套箱刃腳已基本懸空且頂面高差、中心位置偏差符合要求,但鋼套箱停止下沉時就要澆筑壁艙混凝土或拋填砂石等,增加鋼套箱重力以克服下沉摩擦力,混凝土澆筑要對稱均勻,嚴格控制澆筑高度,盡量使每個壁艙混凝土澆筑到統一高程,使圍堰均勻下沉。在下沉過程中,發現障礙物時,立即停止吸泥下沉,潛水進行詳細勘察,摸清情況,分析原因,采取措施及時處理。吸泥過程中由于吸泥機排水量較大,要打開在圍堰的上下游方向設置的 φ420mm的補水孔,以保持圍堰內外水位差,防止內外水頭差過大而引起刃腳翻砂。

圍堰下沉的允許偏差為(25+H/50)cm(其中 H為圍堰高度)。

下沉過程中,要定時用全站儀監控圍堰頂面的 4個點,計算出偏位和傾斜情況,發現問題要及時糾正。

3.1.5 鋼套箱接高

第一節鋼套箱著床下沉到一定深度后,就要將圍堰接高,采用墩旁60 t浮吊在墩位處分塊拼接,鋼圍堰接高時應結合每天潮汐時間,應在水位平穩時施做。首先是間隔艙焊接,待全部合龍,檢查尺寸符合要求后再進行滿焊。

鋼套箱下沉往往是跳躍式的,并非理想中的均勻下沉,當外壁與土層摩擦力及刃腳支撐力大于自重時,圍堰就不動。下沉初期主要是刃腳支撐力的大小決定著圍堰是否下沉,當內部吸空,刃腳支撐力減小到一定程度,圍堰就會突然下沉很多。所以初期要特別注意及時接高,以防圍堰突然下沉,使頂部淹沒水中。每次接高后,鋼圍堰頂部錨纜逐步上移至鋼圍堰頂部位置。

3.1.6 刃腳支墊、封堵

圍堰到達設計高程后,經測量確認位置偏差在設計要求之內后,用袋裝混凝土填縫,使圍堰內部緊閉。然后進行吸泥清基,并用 2 cm的鋼板焊成的楔形盒子及 φ420mm鋼管制做的鋼板凳支墊鋼套箱刃腳,以確保圍堰穩定。為保證封底混凝土的可靠性,在圍堰外周圍拋填片石鋼筋籠護腳,并用袋裝混凝土封堵圍堰內刃腳。同時在鋼護筒上焊接牛腿并安裝吊梁,通過精軋螺紋鋼連接鋼圍堰,以更好地穩定鋼圍堰。

3.1.7 清基

為了保證水下封底混凝土與鋼套箱內壁結合緊密,避免出現夾砂層。采用 φ460mm直管吸泥機先從中部開始,逐漸向圍堰內壁移動吸取圍堰內淤泥和泥砂。吸泥機不能直接對著刃腳底部吸泥,以免將刃腳處的堵塞物吸走,引起涌水翻砂。封底混凝土厚度范圍內鋼套箱內壁上的淤泥由潛水員用高壓水沖洗干凈,并用鋼刷拉毛封底混凝土厚度范圍內鋼套箱內壁,利于封底混凝土與圍堰內壁緊密結合。清基完成后用測深儀測基底高程,供下放導管時使用。

利用鉆孔樁將雙壁鋼套箱固定,復核其中心位置及頂面高程,并隨時檢查其變化情況,經 72 h觀測,無變化時,要立即將懸空部分用工字鋼墊或袋裝混凝土填塞,保持雙壁鋼套箱位正、平穩。

3.1.8 混凝土封底

雙壁鋼套箱圍堰封底混凝土施工見圖6。

圖6 雙壁鋼套箱圍堰封底混凝土施工示意

封底前,由潛水員對雙壁鋼套箱圍堰刃腳處的基底情況及雙壁鋼套箱圍堰內的情況再次進行準確探摸,以確定水下封底混凝土的施工方案。封底混凝土厚度以鋼套箱總重 +封底混凝土重以滿足克服抽水后雙壁鋼套箱總浮力的原則確定,并進行強度檢算。其抗浮檢算公式為:抽水后雙壁鋼套箱浮力 Q=D(鋼套箱自重 D1+封底混凝土重量 D2+雙壁鋼套箱壁間水重 D3)。鉆孔樁的抗拔力作為安全系數考慮,不列入抗浮檢算。封底混凝土強度等級為 C20。

在灌注封底混凝土前,沿雙壁鋼圍堰周圍拋填片石堵塞漏洞,防止漏漿造成混凝土的流失,以及對雙壁鋼圍堰內基底淤泥拋填一定數量的片石,以擠淤增強淤泥層的密實度;再對雙壁鋼圍堰內基底用吸泥機普遍吸一遍,確保封底混凝土的厚度和質量。

封底混凝土的施工平臺利用鉆孔時的平臺,在平臺工字鋼間隙,布置 10根 φ325mm混凝土灌注導管,制做 2個 2.0m3的混凝土漏斗,循環使用。在平臺的中心,利用萬能桿件拼裝 1個2m×2m×5m的鋼骨架,頂上安放 1個 10m3的旋轉儲料斗(儲料斗的旋轉,是在料斗底部和鋼骨架頂部各焊接一塊鋼板,鋼板上各焊接 3 cm高、半徑 80 cm的圓環槽,內放 70個 φ70mm的鋼球,并注滿潤滑油,上下對放,進行旋轉),儲料斗對稱設置兩個出料口,利用可上下及伸縮的混凝土縮槽將混凝土放到漏斗內,依次進行,灌注封底混凝土。在每根工字鋼上布設 6個測點,共布設 48個點。以控制封底混凝土的高程及混凝土的灌注情況。

3.1.9 混凝土灌注

先灌注鋼套箱雙壁間混凝土,待其混凝土終凝后,形成固結整體穩定雙壁鋼套箱圍堰;再灌注雙壁鋼套箱內的封底混凝土。

雙壁鋼圍堰水下封底混凝土施工是大橋水中基礎施工的一道重要工序,也是大橋施工的關鍵。由于一次灌注的混凝土量較大,混凝土的生產運輸是決定封底成功與否的關鍵環節。

根據現場的地形和大橋配備的設備情況,混凝土主要在拌和站集中拌制,通過設置在施工棧橋上的混凝土輸送管道將混凝土送至承臺位進行混凝土施工。

封底混凝土采用垂直導管法灌注水下混凝土,即在雙壁鋼圍堰內垂直放入內徑為 φ300 mm的鋼制導管,管底距基底面 30 cm,在導管頂部連接有一定容量的漏斗,在漏斗頸部安裝球塞,并用繩索系牢,漏斗內滿盛坍落度較大的混凝土,然后利用索吊提拔球塞,同時迅速不斷地向漏斗內灌入混凝土,此時導管內之空氣和水均受混凝土重力擠壓由管底排出,瞬間,混凝土在管底周圍堆筑成一圓錐體堆,將導管下端埋入混凝土堆內至少 1m以上,使水不能流入管內,將以后再灌注的混凝土在無水的導管內源源不斷地灌入混凝土堆內,隨灌隨向周圍擠動、攤開及升高。

混凝土的灌注順序為先周邊后中間的原則進行;因封底的底部為淤泥,在灌注前,在雙壁鋼圍堰內先拋填片石,進行擠淤,提高淤泥的密實度;且在導管口下端即淤泥面上安放一塊 150 cm×150 cm的厚 4mm鋼板,以防止混凝土沖入淤泥,將淤泥翻起,影響封底混凝土質量。

在混凝土初凝以前,使 10根導管全部灌注一遍(每根導管的灌注時間不得超過 1.5 h),以保證混凝土將淤泥全部覆蓋,再進行第二次循環。

混凝土的灌注,嚴格按照水下混凝土的灌注要求進行,導管的埋置深度不小于 0.5m,導管的提拔和拆卸通過浮吊進行。混凝土在開盤后,即做一組試件,核實混凝土的初凝時間,以便調整導管灌注順序,保證導管不至于埋在已初凝的混凝土內,并避免混凝土形成斷層。混凝土灌注至頂時,高程要比設計高程略高 20～30 cm,因為頂部的混凝土為浮漿和淤泥的混合物,在抽水施做承臺時要將之鑿除。

3.2 承臺混凝土施工

3.2.1 割鋼護筒、鑿樁頭

封底完畢,混凝土達到設計要求強度后,先抽干套箱內積水,邊抽水邊加強內支撐,水排干后即可割除鋼護筒,鑿除樁頭。φ2.5m大直徑鉆孔樁樁頭鑿除是一項耗時多的工序,為盡量減少這一工序時間,嚴格按規范規定控制混凝土灌注高程比樁頂高程超高 0.8～1.0m,然后再鑿除樁頭,以加快施工進度。

首先核實承臺底面高程及每根基樁埋入承臺長度,并對封底混凝土表面進行修整;承臺底面以上到設計高程范圍的基樁頂部應露出新鮮混凝土面,基樁埋入承臺長度及樁頂主鋼筋錨入承臺長度應滿足設計要求。

3.2.2 承臺鋼筋加工和安裝及散熱管的安裝

鋼筋在岸上加工車間制作,嚴格按照施工規范和圖紙要求檢驗材質及加工,現場綁扎,嚴禁漏綁。特別注意預埋鋼筋的位置及加固,防止澆筑混凝土時跑位。底部設置的鋼筋網,在越過樁頂處不得截斷。在鋼筋與模板之間設置混凝土墊塊,墊塊與鋼筋扎緊,并相互錯開,根據圖紙預埋各種預埋件。

在鋼筋綁扎的同時布置和安裝冷卻循環水管道和測溫孔。

3.2.3 承臺混凝土灌注

混凝土嚴格按照試驗并經監理工程師批準的配合比準確計量,集中拌和,輸送泵輸送,用串筒送混凝土至灌注部位。為確保施工質量,采用斜向水平推進法施工。混凝土自由下落高度不超過 2m,保持水平分層,且分層厚度不超過 30 cm。采用插入式振搗棒振搗,振搗棒插入下層混凝土 8 cm左右,插入間隔小于其 1.5倍作用半徑,不漏搗和重搗。每一層邊振動邊逐漸提高振動棒,避免碰撞模板。澆筑過程中,設專人負責檢查圍堰、鋼筋和墩柱預埋鋼筋的穩定情況,發現問題,立即處理。澆至設計高程后,振搗時觀察混凝土不再下沉,表面泛漿,水平有光澤即可緩慢抽出振搗棒,防止混凝土內產生空洞。混凝土澆筑完成后,對混凝土裸露面及時進行修整、抹平,等定漿后再抹第二遍進行壓光。混凝土初凝后覆蓋養護,并做好測溫和循環水循環工作,安排專人負責此項工作。

3.3 水中承臺施工技術措施

根據橋梁承臺設計尺寸在加工廠加工制作雙壁鋼套箱,當套箱刃尖距離河床 0.5m左右即暫停灌水下沉,由岸上測量人員與平臺上調系纜人員配合實現鋼套箱的精確定位,然后立即啟動抽水機向圍堰的隔艙快速灌水,使套箱圍堰刃腳迅速落入河床。

當鋼套箱刃腳已基本懸空且頂面高程、中心位置偏差符合要求,但鋼套箱停止下沉時就要澆筑隔艙混凝土或拋填砂石等,增加鋼套箱重力以克服下沉摩擦力。

在下沉過程中,發現障礙物時,立即停止吸泥下沉,潛水進行詳細勘察,摸清情況,分析原因,采取措施及時處理。

封底混凝土厚按 2m計,采用多導管灌注水下混凝土法封底施工,每根導管的封底面積按照作業半徑3m計算導管數量。

4 結語

在大洋河特大橋跨大洋河的施工中,我單位按照上述要點進行質量控制,取得了較好的效果。

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