欽防鐵路茅嶺江特大橋主墩雙壁鋼圍堰施工技術

王紅偉

(中鐵十六局集團第一工程有限公司，北京 101300)

欽防鐵路茅嶺江特大橋主墩雙壁鋼圍堰施工技術

王紅偉

(中鐵十六局集團第一工程有限公司，北京 101300)

欽州至防城港鐵路茅嶺江特大橋所在河段最大水深9 m，主墩采用雙壁鋼圍堰法施工。應用MIDAS軟件建立雙壁鋼圍堰和封底混凝土有限元模型進行結構驗算，計算結果表明雙壁鋼圍堰各構件和封底混凝土的剛度、強度，及圍堰的抗浮力均滿足要求。雙壁鋼圍堰施工中利用潮位漲落進行鋼圍堰的下水浮運，通過調節壁內水位高低控制鋼圍堰的下沉，利用棧橋平臺和鋼圍堰四周的4根鋼管樁作為油葫蘆受力點進行鋼圍堰精確定位。在鋼圍堰定位過程中避免使用錨索，確保了航道暢通。在施工中未搭設水中拼裝平臺，節約了成本。

雙壁鋼圍堰 有限元模型 驗算分析 施工方案

1 工程概況

欽州至防城港鐵路茅嶺江特大橋跨越通航河道茅嶺江。茅嶺江發源于山區，河道縱坡較大，洪水暴漲暴落，洪水時容易夾帶大量水草、樹木等漂浮物。茅嶺江特大橋所處河段屬Ⅵ級航道，船只流量較大，受潮汐影響，每天水位變化較大。

茅嶺江特大橋全長1 621.778 m，孔跨樣式為2×(36×32+(48+88+48)+6×32+2×24)m，有2個橋臺、46個墩柱，350根φ1.25 m樁;20根φ2.0 m樁。水中墩最高為20 m(45#墩)，最長樁為33.5 m(16#墩)。簡支箱梁采用制梁場預制、運架施工，連續梁采用懸灌法施工。全部基樁均按柱樁設計。37#和38#主墩橋墩樁底嵌入粉砂巖、泥質粉砂巖夾泥巖弱風化層不小于5 m。主墩承臺下采用10根φ2.0樁基，承臺為圓端形。主跨采用(48+88+48)m懸灌梁，主墩位于深水區，主航道最大水深達9 m。

橋址巖性為砂巖和泥質砂巖。河床底覆蓋層不均勻，部分河床底下2 m左右即為弱風化泥質砂巖和粉砂巖。

按照設計要求，在茅嶺江特大橋施工中，37#和38#主墩采用雙壁鋼圍堰法進行施工。選擇圓形雙壁鋼圍堰，以便于拼接。雙壁鋼圍堰全長11.25 m，分為7節，底節長2.25 m，其余節段為1.5 m，每節分為6塊。

鋼圍堰全部節段在龜墩加工場進行加工，底節在龜墩岸邊進行拼接，其余節段在水中拼接。在低潮位時，在江邊筑土圍堰，鋼圍堰拼接場地低于高潮位水面。底節拼接完畢后，挖開迎水面，利用拖船將底節圍堰拉入深水區，通過注水調節鋼圍堰地面高程，然后在水中拼接上部節段。最后在墩位處打插鋼管樁作為固定點，通過手拉油葫蘆對鋼圍堰進行精確定位。

2 結構驗算

2.1 雙壁鋼圍堰方案

由于主墩承臺為圓端形，采用了圓形雙壁鋼圍堰，鋼圍堰內直徑為承臺長度+10 cm，這樣即可減小鋼圍堰體積，節省鋼圍堰鋼材用量，也可在承臺施工時利用其作為部分圓端形模板，節約承臺模板用量。

鋼圍堰頂面標高為4.5 m，外壁直徑為17.8 m，內壁直徑16.2 m。雙壁鋼圍堰內外壁均采用8 mm厚Q235鋼板，倉內支撐桁架全部采用∠100×100×10角鋼。角鋼間距(徑向、環向、豎向)均為75 cm。

鋼圍堰平面布置如圖1所示，鋼圍堰1.5 m節段構造及2.25 m底節構造如圖2所示。

2.2 雙壁鋼圍堰結構驗算

采用有限元軟件MIDAS建立了鋼圍堰的整體有限元模型，驗算水深為9.75 m(其中入土長度按1 m計)。有限元模型中鋼圍堰支撐桁架桿件采用梁單元，8 mm厚鋼板采用板單元。全結構共有2 304個節點，9 936個梁單元。

1)剛度

圖1 圍堰平面布置(單位：cm)

圖2 鋼圍堰節段構造(單位：cm)

鋼圍堰內外水頭差按9 m計。水壓力作用下最大側向位移為1.6 mm，發生于距離圍堰底部3.5 m截面處。圍堰位移滿足規范設計要求。

2)強度

水壓力作用下圍堰各桿件最大應力為75 MPa，發生位置為圍堰底節底部處N6號桿件截面。圍堰鋼板最大應力為42 MPa，發生于距離圍堰底部3.5 m截面處。圍堰各桿件及內外鋼板應力滿足規范設計要求。

3)穩定性

根據有限元計算結果，圍堰在荷載組合作用下鋼管樁、斜撐最易失穩。屈曲模態一到模態四的特征值分別為214.2，214.4，214.7和215.3，說明圍堰穩定性安全儲備大，能夠滿足規范設計要求。

4)振動模態

根據MIDAS模態計算結果，圍堰第一階至第四階振型周期分別為0.047，0.037，0.032和0.025 s。

2.3 封底混凝土驗算

有限元模型中封底混凝土采用實體單元。全結構共有4 704個節點，3 600個單元。

1)剛度

底部水壓力作用下最大豎向位移為4.7 mm，發生于封底混凝土圓心處。封底混凝土位移滿足規范設計要求。

2)強度

底部水壓力作用下封底混凝土最大應力為15.1 MPa，發生于封底混凝土邊界處。封底混凝土應力滿足規范設計要求。

2.4 抗浮力

圍堰抽干水后，承受較大水浮力。水浮力由圍堰自重、圍堰隔艙內水重、封底混凝土自重、圍堰刃腳與巖層間摩阻力克服。

圍堰自重G1為1 700 kN，圍堰隔艙內水重G2為4 400 kN，封底混凝土自重G3為5 400 kN，圍堰刃腳與巖層間摩阻力P為20 360 kN，則抗浮力F=G1+G2+G3+P=31 860 kN，圍堰浮力F1為21 630 kN。

因為F＞F1，所以圍堰抗浮力滿足要求。

3 雙壁鋼圍堰施工

3.1 施工工藝流程(見圖3)

圖3 雙壁鋼圍堰組拼浮運及混凝土封底施工流程

3.2 加工制作

雙壁鋼圍堰分7節進行加工，每節分6塊。鋼圍堰隔倉內環向、徑向及豎向內支撐均按0.75 m設置。

雙壁鋼圍堰分塊加工過程中嚴格控制焊縫質量，確保角鋼骨架每條焊縫厚度不小于8 mm。鋼板焊接采用剖口焊，確保焊接過程中不漏焊、少焊。

3.3 拼裝下沉

先對37#，38#墩處進行清底，挖機開挖至承臺底1.5 m。雙壁鋼圍堰第一節在龜墩拼裝平臺上進行拼裝，第一節拼裝完成后，利用漲潮采用拖輪拖運至墩位處后，注水下沉，使鋼圍堰頂部在水面以上1 m左右，并用錨索臨時固定鋼圍堰，在第一節鋼圍堰上依次拼裝第2至第7節，見圖4。每接長一節，注水下沉使鋼圍堰頂部露出水面1 m左右。

圖4 雙壁鋼圍堰第2節在水中拼裝

施工中充分利用潮位漲落進行鋼圍堰的下水浮運，通過調節壁內水位高低控制鋼圍堰的下沉，便于上部鋼圍堰的拼接，減少了船舶的使用，用一艘400 t拖船就能進行鋼圍堰的浮運。

雙壁鋼圍堰每次分節組拼完成后均要進行煤油滲水實驗，檢驗合格后方可注水下沉，進入下一節段的拼裝。

在鋼圍堰下沉過程中，接近巖面時，停止下沉，對鋼圍堰位置進行測量和調整，直至鋼圍堰處于設計位置，圍堰中心與墩中心基本重合后，繼續在鋼圍堰內灌水下沉至巖面。當確認鋼圍堰有一點已經接觸巖面，就不再繼續下沉，用浮吊吊裝4根I36工字鋼沿鋼圍堰外壁豎直插入直至工字鋼底部與巖面接觸，在水面以上將工字鋼與鋼圍堰焊接牢固。由潛水員在適當位置將鋼圍堰刃腳與巖面間隙進行抄墊堵塞，再次進行測量檢查，確認無誤后，向鋼圍堰隔艙內灌水加重，使鋼圍堰穩妥地支承在巖面上。

在雙壁鋼圍堰定位過程中避免了使用錨索，確保了航道內船只的暢通，在施工中未搭設水中拼裝平臺，節約了成本，取得了較好的經濟和社會效益。

3.4 抗浮措施

著床后鋼圍堰底標高為-6.70 m，較承臺底標高低1.18 m，為增加鋼圍堰的抗浮力，37#墩雙壁鋼圍堰封底高度1.2 m，38#雙壁鋼圍堰封底高度0.9 m。在施工過程中對雙壁內注水以增大雙壁鋼圍堰重力。

3.5 水下混凝土封底施工

鋼圍堰就位后，布置清基設備，作最后一次吸泥清基，確保混凝土能很好地與巖面粘結在一起。清基后，利用棧橋平臺采用汽車泵，用漏斗灌注封底水下混凝土，灌注時導管固定，料斗采用移動式。在封底過程中要不停地測量混凝土頂面上升高度，避免混凝土封底過高造成以后破除困難。

3.6 擋水效果

在基坑抽水的同時采取適當的堵漏措施，當水基本抽完時，可清楚觀察到圍堰擋水和止水效果：鋼板樁圍堰內表面基本沒有漏水，基坑內也沒有出現滲漏、管涌等現象。

3.7 變形觀測

在鋼圍堰擋水期間，定期對鋼圍堰頂的位移進行觀測，發現鋼圍堰頂向基坑內的偏移量穩定在2 cm以內，說明堰體是穩定的。

4 結語

由于南方地區河流較多，雨季長，洪水較多，安全可靠的水中平臺和圍堰顯得至關重要，茅嶺江特大橋水中平臺和雙壁鋼圍堰的施工技術，對于類似深水基礎施工具有參考意義。

［1］王秀麗，舒麗紅.韓江特大橋雙壁鋼圍堰結構有限元分析［J］.鐵道建筑，2011(7)：14-16.

［2］張永賓，朱爾玉，于大廠.灤河特大橋雙壁鋼圍堰三維有限元分析［J］.鐵道建筑，2011(8)：5-8.

［3］趙興寨，張斌斌，劉蓓.襄樊漢江五橋雙壁鋼圍堰分層分塊施工技術［J］.鐵道建筑，2011(12)：31-33.

［4］中華人民共和國交通部.JTG D60—2004 公路橋涵設計通用規范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［5］中華人民共和國建設部.GB 50017—2003 鋼結構設計規范［S］.北京：中國計劃出版社，2003.

U443.16+2

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2013.05.11

1003-1995(2013)05-0035-03

2012-11-29;

2013-02-23

王紅偉(1973— )，男，河南漯河市人，高級工程師，碩士。

(責任審編 李付軍)