低凈空條件下在役橋梁水中鋼圍堰設計和施工技術方案

■伍趙亮

（福建省高速公路養護工程有限公司，福州　350002）

低凈空條件下在役橋梁水中鋼圍堰設計和施工技術方案

■伍趙亮

（福建省高速公路養護工程有限公司，福州350002）

本文以廈漳高速西溪特大橋橋梁承臺維修加固工程為背景，介紹了低凈空條件下水中鋼圍堰的設計及施工技術。該技術的實施取得了良好的效果，總結了一些經驗，對將來類似工程的實施具有一定的借鑒價值。

低凈空在役橋梁鋼圍堰設計與施工

1　工程概況

西溪特大橋為廈漳高速公路跨九龍江西溪的一座特大橋梁，全長1264.98m。上部結構為：9×25m預應力混凝土T型準連續梁+35.4m+11×50m+35.4m預應力混凝土箱型連續梁+17×25m預應力混凝土T型準連續梁，全橋分為5聯，15#～18#墩為水中墩；下部結構為鋼筋混凝土雙柱橋墩，下接承臺，承臺平面尺寸為6.4×5.2m，高2m，每個承臺下設4根直徑為Φ1.5m的鉆孔樁，承臺底位于沖刷線以上，屬于高樁承臺。其中14#～18#墩承臺出現不同程度的剪切、斜向裂縫，混凝土掉塊等病害，同時承臺還存在被過往船只撞擊的痕跡（見圖1～2），需進行維修加固。

圖1　承臺裂縫

圖2　承臺被船撞擊

橋址地處九龍江下游，河槽受潮汐影響，南北兩岸筑有防洪堤壩，主流在堤壩內擺動。水流與路線成41°斜交，墩臺在主槽中順水流線方向左右幅錯位布置。橋下通航按五級（300t）航道標準。地震烈度為七度，按八度設防。通過現場實際觀測，發現水流速度一般為0～1.5m/s左右，由于施工現場位于入海口且上游不遠處有水閘，在兩種因素的雙重作用下，九龍江在施工現場區域具有如同海水一般的漲落潮現象。

圖3　鋼圍堰布置平面示意圖

2　鋼圍堰的結構設計方案

施工現場區域潮差較大，且鋼圍堰施工工藝具有結構合理，適應性強，安全可靠等特點，因此本工程采用鋼圍堰施工工藝進行承臺加固。本次承臺加固需要在14#～18#墩進行外包混凝土施工，通過水文資料調查，承臺加厚混凝土施工時橋墩處水深8～12m，因此采取在橋墩處安裝鋼圍堰，對圍堰內清基封底抽水后，進行承臺外包混凝土及墩柱外包混凝土施工。鋼圍堰平面布置圖見圖3。

2.1設計參數

鋼圍堰尺寸：內口尺寸為8.0m×8.8m；鋼圍堰外沿尺寸為9.6m×10.4m；鋼圍堰壁厚0.8m；

鋼圍堰入泥深度 2.0m；鋼圍堰頂距高潮位距離0.86m。

2.2鋼圍堰基本要求

（1）鋼圍堰露出水面的高度不小于0.86m。

（2）鋼圍堰內壁距加固后的承臺側面距離不小于0.60m。

（3）鋼圍堰入泥深度不小于2.0m。

（4）鋼圍堰塊與塊、節與節之間采用螺栓連接，便于循環周轉使用。

（5）鋼圍堰內部不加橫撐。

2.3鋼圍堰所用材料

面板：δ=5mm；隔艙板：δ=5mm；縱向次梁：∠63×40× 5mm；水平環板：-10×200mm，-10×220mm；水平橫撐：［10；內斜撐：I18。

2.4鋼圍堰計算模型

計算鋼圍堰總高度為12.8m，平面分為6節，空間分為4節，節段高度為4.6m、2.6m、2.6m、3.0m。詳見圖4和圖5。

圖4　橋墩鋼圍堰布置平面圖（單位：mm）

圖5　橋墩鋼圍堰布置立面圖（單位：mm）

2.5鋼圍堰結構分析計算

在鋼圍堰沉入設計標高，封底混凝土澆筑完畢達到設計強度后，抽干鋼圍堰內的水后，鋼圍堰處于高潮水位（3.640m）時為最不利工況，并根據最不利工況來進行結構計算。

采用MIDAS/Civil2010對鋼圍堰進行空間分析，面板及環板采用板單元，豎向支撐和橫撐采用梁單元。分別對整體單元、內外壁板、豎撐、橫撐、環板、內斜撐等進行受力分析。詳見圖6。

圖6　鋼圍堰有限元分析模型

計算分析結果見表1。

2.6鋼圍堰的創新點

（1）鋼圍堰拼接采用無焊接的螺栓連接

一般鋼圍堰的連接均采用焊接連接，焊接連接拼裝和拆卸鋼圍堰施工技術要求高、施工難度大、施工周期長、循環率低。為了縮短拼裝和拆卸鋼圍堰施工周期、降低施工難度、提高循環利用率，塊與塊、節與節之間連接采用無焊接的螺栓連接。

（2）鋼圍堰內無橫撐

表1　鋼圍堰結構計算結果

一般大截面和深水位的鋼圍堰內均加有橫撐。此鋼圍堰截面跨度大于10m，水深也大于10m。由于是在已有橋墩周圍搭設鋼圍堰，鋼圍堰內增加橫撐不僅給鋼圍堰拼裝和拆卸帶來不便，還對原有橋墩有所影響。因此在鋼圍堰內不設橫撐，巧妙的在受力最大節段的四個角點增加三道短斜撐來降低跨度減少鋼材用量，提高經濟指標。

3　鋼圍堰施工方案

由于本工程是在既有橋梁下進行施工，橋下凈空低，作業空間小，大型施工船舶、機械等無法進入橋下進行鋼圍堰的吊裝。因此該鋼圍堰的施工不能采用常規的在水上平臺拼裝完成后，采用大型機械直接吊裝到位的方法。本工程采用在橋梁梁底板植入鋼筋吊環后懸掛手拉葫蘆，通過手拉葫蘆對鋼圍堰進行逐塊吊裝、安裝。每一層鋼圍堰分為6塊，每塊通過可拆卸鋼板封閉鋼圍堰，使得鋼圍堰在水上懸浮后拉至施工點，通過手拉葫蘆進行吊裝、拼接，逐層灌水配重下沉后，吸泥，封底。

3．1鋼圍堰吊裝及拆卸系統的安裝

鋼圍堰吊裝及拆卸系統由梁底吊環、鋼絲繩和手拉葫蘆共計三大部件構成。其中梁底吊環是由Φ25 HRB235鋼筋在箱梁底板與翼板植筋形成吊裝環構成；鋼絲繩為Φ32鋼絲繩；手拉葫蘆選取10t葫蘆。為了便于梁底板鉆孔施工，采用橋底吊籃進行鉆孔作業的辦法。

鋼圍堰吊裝及拆卸系統的植筋點的選取根據鋼圍堰分塊在箱梁底板與翼板的投影線而定。由于鋼圍堰每節分為6塊拼裝而成，故安裝每塊兩個吊點每個吊點兩個植筋孔的方式進行鉆孔植筋。箱梁底板共計16個吊裝點，每個吊裝點植25mm的整條U型螺紋筋，每個孔徑為30mm，孔深25cm，每個吊裝點兩個植筋點。

3．2鋼圍堰導向架安裝

鋼圍堰導向架是由I10的工字鋼作為前端導軌裝置，C10槽鋼作為骨架及連接裝置，L90角鋼作為內部骨架及X型連接裝置和螺栓緊固件構成。導向架通過在承臺上事先放線定點鉆孔植筋的方式錨固到承臺上。導向架在現場焊接而成，提前根據需要在加工場下料對位后，編號拖到現場進行焊接。

3．3鋼圍堰安裝

（1）第一層鋼圍堰通過在圍堰頂及兩側安裝可拆卸鋼板封閉，使得鋼圍堰成為一個密閉的空間，放入水中自懸浮，采用繩索拉至施工點后采用圍堰吊裝及拆卸系統的葫蘆下放鋼絲繩栓于每塊鋼圍堰吊裝點之上進行起吊拼裝。鋼圍堰的拼裝順序是依次逐塊拼裝。拼裝方式為采用螺栓連接的方式。在各塊與節之間采用橡膠護墊進行止水處理。

第一層鋼圍堰拼裝完畢后，懸吊系統安裝完成并經檢查符合要求后。手拉葫蘆同時提升鋼圍堰，通過調節葫蘆的拉力，調整整節鋼圍堰的空間狀態，調節到適當的位置后開始下放鋼圍堰，使得圍堰基本維持自浮的狀態，然后開始向第一節圍堰倉內注水，使得鋼圍堰上表面整體下沉到離水面約1m的位置停止下沉。詳見圖7和圖8。

（2）按照第一層運輸、吊裝、拼裝基本同樣的方式安裝第二節鋼圍堰。在第一節固定的圍堰上對應放上第二節相應的單元，再通過螺栓連接。在進行第二節鋼圍堰拼裝前，需在第一節鋼圍堰頂部節間環板上預先布置好橡膠護墊后再進行鋼圍堰的下放。在接高時，單塊放松第一節的對應位置的豎向約束（其他單元的吊點保留，并調節圍堰的空間狀態），留出和第2節對接的空間，在第2節鋼圍堰的角鋼連接件螺栓孔處，穿過鋼絲繩連接到導向架上鎖定，防止鋼圍堰在拼接過程中轉動。

（3）按照第二節吊裝、拼裝同樣的方式安裝第三節、第四節鋼圍堰。

3．4鋼圍堰著泥下沉

（1）鋼圍堰的著泥需選擇在小潮時候，在鋼圍堰接高完成后，立即均勻灌水下沉。在鋼圍堰下沉過程中，圍堰吊裝及拆卸系統與鋼圍堰的連接要始終保持，通過手拉葫蘆與鋼絲繩控制鋼圍堰的下降速度。當圍堰刃尖距河床0.5m左右停止灌水下沉，之后緩慢灌水，使圍堰均勻準確著床。

（2）鋼圍堰下沉過程中要平衡灌水 ，如刃腳仍有部分懸空時 ，可用吸泥機并高壓射水管沖射 ，直至雙壁鋼圍堰落穩在河床。雙壁鋼圍堰著床后，用2臺吸泥機布置在圍堰的中心從中間逐步向刃角處對稱分層吸泥。圍堰吸泥下沉時應密切注意堰內河床變化，確保圍堰內河床平穩下降，不出現翻砂、圍堰傾斜現象。

（3）圍堰壁內灌注艙內砂壓重，并結合圍堰導向架使圍堰平、穩、正、直地下沉。砂注入時，應前后、左右對稱灌入，砂灌注速度一致，確保圍堰均勻下沉。吸泥過程中，用水泵不停地向圍堰內補水，以保持圍堰內、外水位相平或圍堰內水位略高于圍堰外水位，防止內外水頭差過大引起刃腳底翻砂，圍堰下沉過程中應隨時用儀器觀測圍堰的偏位情況及時糾正，圍堰一邊下沉一邊調整，確保其始終在準確位置下沉。

圖7　鋼圍堰拼裝

圖8　鋼圍堰下沉

4　施工的重點、難點

4.1高潮差、低凈空、高水深條件下的鋼圍堰水上施工

在役橋墩鋼圍堰施工本身就是一個業內公認的一個比較考驗技術能力的施工技術。對于九龍江上的廈漳西溪大橋來說，在此基礎之上，其又增加了漲落潮這個不穩定因素的影響以及橋下不足10m凈空，橋下最深處水深達10m的這些情況直接增加了工程的難度系數。

4.2鋼圍堰懸掛拼裝

由于設備和操作空間的限制，鋼圍堰須分階段懸掛焊接拼裝，導致鋼圍堰對接時安裝就位十分困難。考慮到精度和拼接的質量要求非常高，加上鋼圍堰外側拼接沒有施工平臺，操作不便，根據實際情況，采取在鋼圍堰外側懸掛小型掛梯，然后由專業人員做好安全防護的前提下上掛梯拼接，此方式輕便，易于操作。

4.3鋼圍堰下沉著泥

鋼圍堰下沉著泥也是本工程的一個難點，由于江水的不斷漲落潮導致鋼圍堰本身的不穩定性。對此鋼圍堰在導向架定位的輔助下，主要是通過高壓射水、吸石（吸小撿大）、配重（刀刃內澆筑混凝土，圍堰其他位置灌水）下沉，圍堰內的卵石采用人工或抓斗掏出。

5　結語

廈漳高速西溪特大橋承臺加固工程，橋下凈空低，施工難度大，采用該種鋼圍堰施工工藝，施工方便，定位準確，質量高，無滲漏現象。由于鋼圍堰內施工空間充足，施工環境安全，且不再受江水潮位的影響，極大加快了承臺外包混凝土施工的速度，保證了施工質量。該鋼圍堰的設計與施工工藝也可為今后相類似的工程提供一個借鑒作用。

［1］JTJ04-2000，公路橋涵施工技術規范［S］.

［2］JTGD06-2004，公路橋涵設計通用規范［S］.

［3］鋼結構設計手冊（第三版）［M］.北京.中國建筑工業出版社.2004.

［4］趙天法.強潮涌河段雙壁鋼圍堰設計及施工技術.北京：路橋集團國際建設股份有限公司.

［5］北京邁達斯技術有限公司.邁達斯鋼圍堰分析.