傾斜硬巖條件下深水墩異形雙壁鋼圍堰施工技術(shù)研究

陸衛(wèi)平

摘要： 針對(duì)河床沖刷嚴(yán)重，巖體傾斜，裸露無覆蓋層，不能進(jìn)行水下爆破等特殊情況，創(chuàng)造性地提出了異形鋼圍堰的新技術(shù)，并對(duì)異形雙壁鋼圍的混凝土封底技術(shù)及施工工藝進(jìn)行了研究，對(duì)施工中出現(xiàn)的一些問題提出了解決方案。成功地在不進(jìn)行水下爆破的情況下完成水中承臺(tái)的澆筑施工，以期能夠?yàn)橄嗨乒こ痰慕ㄔO(shè)提供借鑒。

Abstract： Aiming at the serious erosion of the riverbed， rock slope， bare and non covered， no underwater blasting and other special circumstances， creatively put forward the new technology of special-shaped steel cofferdam， study the concrete sealing techniques of the special-shaped double wall steel cofferdam and the construction technologies， and propose the solution to solve some problems in the construction. In order to provide references for the construction of similar projects， the pouring construction of pile caps in water is successfully completed without the underwater blasting.

關(guān)鍵詞： 無覆蓋層河床；深水基礎(chǔ)；異形雙壁鋼圍堰；封底；施工技術(shù)

Key words： intectate riverbed；deep foundation；deformed double wall steel cofferdam；sealing；construction technology

中圖分類號(hào)：TU753.62 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）03-0122-03

0 引言

雙壁鋼圍堰不僅是承臺(tái)施工擋水結(jié)構(gòu)，常常也作為鉆孔平臺(tái)的支撐結(jié)構(gòu)，因其整體穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)承受水頭壓力、水流沖擊力及施工機(jī)具、支架所產(chǎn)生豎向力的能力較強(qiáng)，具有其它圍堰結(jié)構(gòu)無法比擬優(yōu)點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于大型橋梁深水基礎(chǔ)的施工中。

在通常的地質(zhì)及施工條件下，雙壁鋼圍堰制作、下沉著床及封底等技術(shù)已是非常成熟。但對(duì)于河床無覆蓋層，基巖堅(jiān)硬，且因周邊條件限制無法進(jìn)行水下爆破清基的情況下，無法按常規(guī)施工方法進(jìn)行雙壁鋼圍堰的制作、下沉著床及封底等施工。本項(xiàng)目通過*****大橋工程深水承臺(tái)的施工實(shí)踐，探索與研究了在水深11m，基巖裸露且不能進(jìn)行水下爆破的施工條件下，采用異形雙壁鋼圍堰進(jìn)行承臺(tái)施工的新技術(shù)。文中詳細(xì)描述了異形雙壁鋼圍堰的施工技術(shù)和方法，以及在施工中所遇到的技術(shù)難題的解決及處理技術(shù)措施，希望給在類似橋梁工程的建設(shè)者提供一些思路與啟示。

1 工程概況

******鐵路大橋橋型布置為3×32m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁+（55+100+55m）預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)（主橋）+2×32m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋。其5號(hào)主墩位于深水中，采用鉆孔樁基礎(chǔ)，墩身為雙薄壁柔性墩，下段為矩形實(shí)心截面，上段為矩形空心截面。

5號(hào)墩采用矩形低樁承臺(tái)的形式，承臺(tái)尺寸為12.2m×10.3m×4m，承臺(tái)嵌入基巖內(nèi)，基礎(chǔ)為8根樁徑2.0m的鉆孔灌注樁，樁長為12m。

橋位區(qū)屬于河流侵蝕河谷地貌，河谷呈V字形，兩岸階地多被第四系地層覆蓋。為弱-中風(fēng)花崗巖，中厚-巨厚層狀構(gòu)造，巖石堅(jiān)硬，裂隙稍發(fā)育，多閉合。5號(hào)主墩為深水墩，墩位處河床無覆蓋層，基巖裸露，河床面傾斜，起伏較大，承臺(tái)范圍內(nèi)河床沿橋縱向高差3.8m，沿橋橫向高差5.5m。

2 深水裸露斜巖雙壁鋼圍堰施工技術(shù)創(chuàng)新

5號(hào)墩位于河流深水中，施工期間常水位深約為11m。河床無覆蓋，基巖裸露，巖性堅(jiān)硬。橋墩承臺(tái)嵌入基巖達(dá)4m左右，如果承臺(tái)施工采用常規(guī)形式的雙壁鋼圍堰，則需對(duì)基坑進(jìn)行大面積水下爆破及基底清碴。但基巖為花崗石硬巖，且構(gòu)造復(fù)雜，承臺(tái)基坑的爆破及清渣施工難度高，工程量大，工期長。

此外，距本橋15m的上游處為既有鐵路橋梁。鐵路運(yùn)營繁忙，進(jìn)行水下爆破施工時(shí)對(duì)既有橋梁基礎(chǔ)及鐵路的安全運(yùn)營造成影響，在不能采取確保既有橋梁基礎(chǔ)及鐵路安全運(yùn)營有效措施的情況下，鐵路部門不允許進(jìn)行水下爆破施工。

因此本項(xiàng)目在不能進(jìn)行水下爆破的前提下，開展了橋梁深水基礎(chǔ)雙壁鋼圍堰施工的技術(shù)及工藝創(chuàng)新，以減少基底整平清碴量。在鋼圍堰的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面突破了常規(guī)堰壁等高的結(jié)構(gòu)形式，采用堰壁不等高，順應(yīng)地形變化的異形雙壁鋼圍堰的新結(jié)構(gòu)。突破了常規(guī)的雙壁鋼圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，進(jìn)行了技術(shù)創(chuàng)新。

3 深水斜巖基礎(chǔ)異形雙壁鋼圍堰設(shè)計(jì)及施工

3.1 異形雙壁鋼圍堰設(shè)計(jì)

3.1.1 總體設(shè)計(jì)方案

因5號(hào)墩的承臺(tái)結(jié)構(gòu)尺寸較大，橋墩處施工水深為11m左右，根據(jù)地質(zhì)情況及不同類型圍堰的適用情況，決定5號(hào)墩承臺(tái)施工采用矩形雙壁鋼圍堰。雙壁鋼圍堰頂面設(shè)計(jì)標(biāo)高為268.50m，比施工期最高洪水位高267.37m高1.13m，圍堰壁厚為1.0m，平面外緣尺寸為18.2×16.3m。鋼圍堰底部設(shè)高120cm的開口刃角，底部用L160×100×12角鋼包腳。異形雙壁鋼圍堰平面布置如圖1所示。

河床不僅傾斜，且各處參差不齊，異形鋼圍堰也難以齒合如此復(fù)雜的地形。為此在設(shè)計(jì)鋼圍堰各側(cè)面結(jié)構(gòu)的尺寸前，采用沖擊錘沿鋼圍堰著床處沖鑿一條寬1.5m的石槽，使原本參差不齊的巖面形成相對(duì)平順、規(guī)則的基面，然后對(duì)鑿出的石槽標(biāo)高進(jìn)行測(cè)量，作為底節(jié)鋼圍堰刃角形狀及標(biāo)高的設(shè)計(jì)依據(jù)，雙壁鋼圍堰順橋向橫斷面布置如圖2所示。

3.1.2 鋼圍堰壁體

雙壁鋼圍堰的內(nèi)外壁均為δ6mm鋼板制成，豎向加勁肋采用[10號(hào)槽鋼，按間距80cm布設(shè)。內(nèi)外壁之間水平支撐采用L75×6mm角鋼鋼性聯(lián)結(jié)，按間距1m布設(shè)，圍堰底部設(shè)高120cm開口刃腳，底部用L160×100×12角鋼包腳。

3.1.3 內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)

圍堰內(nèi)設(shè)置2層水平內(nèi)支撐，支撐順橋縱向設(shè)置。每層對(duì)撐為2根，采用？準(zhǔn)630×10mm圓管。四角設(shè)水平角撐，采用[10號(hào)槽鋼。

3.1.4 連接法蘭

分塊的鋼圍堰采用螺栓連接，其法蘭使用180×10mm鋼板制成，螺栓孔為30×25mm橢圓形，配置？準(zhǔn)20×70普通螺栓，法蘭間設(shè)置厚10mm的止水橡膠條。

3.1.5 吊掛系統(tǒng)

本標(biāo)項(xiàng)目的吊掛系統(tǒng)以水上施工平臺(tái)為承重主體，在施工平臺(tái)上設(shè)置2條承重梁，鋼圍堰懸掛在承重梁上，吊掛系統(tǒng)需承受異形鋼圍堰的全部重量。吊掛系統(tǒng)的承重梁為2片貝雷桁架拼接而成，吊桿采用Ф32精軋螺紋鋼，吊掛系統(tǒng)如圖3所示。

3.1.6 導(dǎo)向定位系統(tǒng)

鋼圍堰為橋梁水中墩基礎(chǔ)施工時(shí)擋水及施工平臺(tái)的構(gòu)筑物，其著床定位的準(zhǔn)確性對(duì)橋墩承臺(tái)的位置是否準(zhǔn)確存在直接影響，因本項(xiàng)目鋼圍堰不能切入河床基低，其穩(wěn)定性較差。為此，在鉆孔樁護(hù)筒上設(shè)置定位器及在鋼圍堰上設(shè)置導(dǎo)軌，定位器與鋼護(hù)筒焊接牢固，導(dǎo)軌與鋼圍堰內(nèi)壁焊接牢固。當(dāng)圍堰下沉?xí)r，水平位置受到定位器及導(dǎo)軌的引導(dǎo)及限制，不會(huì)產(chǎn)生太大偏差，圍堰下沉到位后僅經(jīng)簡單調(diào)整即可，使得下沉著床對(duì)鋼圍堰的監(jiān)控量測(cè)及調(diào)整工作量大幅減少，加快了施工進(jìn)度。經(jīng)最終著床后測(cè)量，鋼圍堰沿橋縱向偏位7.5cm，沿橋橫向偏位6.0cm，中心扭曲角度0.125°。滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。

3.2 異形雙壁鋼圍堰施工關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 雙壁鋼圍堰的加工

鋼圍堰在項(xiàng)目部的鋼結(jié)構(gòu)加工廠內(nèi)進(jìn)行加工，按在平面內(nèi)分塊（每個(gè)側(cè)面分4塊，每塊長度控制在6m內(nèi)）、立面內(nèi)分段（分2段，上段長度為4.5m，余下部分為另一段）的辦法進(jìn)行加工。分塊單重控制在8t內(nèi)，鋼圍堰整個(gè)結(jié)構(gòu)采用電焊連接，要求密不透水。

鋼圍堰的加工精度、焊接質(zhì)量要滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，對(duì)內(nèi)外側(cè)壁的對(duì)焊接縫進(jìn)行煤油滲透試驗(yàn)，對(duì)滲漏處進(jìn)行補(bǔ)焊。

鋼圍堰各單元在鋼結(jié)構(gòu)加工廠制作完成后，用船運(yùn)至主墩旁，由50t吊船逐塊吊放在鋼圍堰組拼平臺(tái)上。

3.2.2 雙壁鋼圍堰的拼裝下沉

①底節(jié)鋼圍堰拼裝。

在5號(hào)墩旁的施工平臺(tái)進(jìn)行雙壁鋼圍堰底節(jié)拼裝，根據(jù)施工需要對(duì)平臺(tái)進(jìn)行了加寬及加固。在平臺(tái)上測(cè)放出各單元塊的輪廓位置，搭設(shè)臨時(shí)支腿，每個(gè)單位塊設(shè)置兩處支腿，共設(shè)置32處。支腿頂部高度標(biāo)高與異形鋼圍堰尺寸相對(duì)應(yīng)，采用25T汽吊居中進(jìn)行吊拼，在吊拼最后一塊之前，汽吊移至圍堰外側(cè)再進(jìn)行作業(yè)。因底節(jié)圍堰各處高度不同，在吊裝時(shí)極易發(fā)生變形扭曲，采用[10槽鋼設(shè)置了多道臨時(shí)內(nèi)撐及角撐進(jìn)行加固。

②底節(jié)鋼圍堰吊移至墩位。

采用2臺(tái)50t汽吊及一臺(tái)25t浮吊同時(shí)進(jìn)行吊裝入水。3臺(tái)吊車同時(shí)吊起底節(jié)鋼圍堰后，將32個(gè)臨時(shí)支腿切割清除，然后3臺(tái)吊機(jī)同步向墩位方向移動(dòng)5m后，用枕木設(shè)立臨時(shí)支墩，浮吊持續(xù)用力，兩臺(tái)汽吊脫鉤，鋼圍堰下放至臨時(shí)支墩上，兩臺(tái)汽吊前移5m，重新吊起底節(jié)鋼圍堰向橋位處移動(dòng)，往復(fù)幾次，直至底節(jié)鋼圍堰吊移至墩位處。

③鋼圍堰接高與下沉。

在鋼護(hù)筒及平臺(tái)支承樁上焊接牛腿，在牛腿上橫穿I36b工字鋼橫梁作為支撐底節(jié)鋼圍堰的平臺(tái)，在平臺(tái)上進(jìn)行上節(jié)鋼圍堰的吊裝與焊接施工。

圍堰下沉著床施工安排在水流較緩時(shí)期進(jìn)行，并在施工前對(duì)河床沖槽進(jìn)行一次全面清理與測(cè)量，采取鑿除及加墊片石等措施處理與預(yù)計(jì)不符之處。鋼圍堰接高完工后，利用吊掛系統(tǒng)將鋼圍堰吊起少許，使圍堰底部與橫梁脫離后，將橫梁、牛腿及其它影響鋼圍堰下水的結(jié)構(gòu)全部切除。再對(duì)鋼圍堰、吊掛系統(tǒng)、定位系統(tǒng)及機(jī)械設(shè)備情況進(jìn)行全面檢查且合格后，各吊點(diǎn)的吊桿同時(shí)均勻緩慢放松，使圍堰下沉，在下沉過程中對(duì)鋼圍堰空間位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，偏位值超過要求則及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

當(dāng)鋼圍堰下沉至距基巖面約30cm時(shí)停止下沉，對(duì)鋼圍堰的空間位置參數(shù)進(jìn)行精確測(cè)量，調(diào)整及糾正不符合設(shè)計(jì)要求之處。確定鋼圍堰位置準(zhǔn)確后，用高壓水槍沖洗干凈沖槽，并在沖槽內(nèi)放置寬50cm的橡膠止水帶，再將鋼圍堰緩慢下沉，當(dāng)鋼圍堰的刃角觸碰到巖面后，立即停止下沉，再進(jìn)行位置確認(rèn)無誤后，完全松開吊桿，使鋼圍堰穩(wěn)固在支承在巖面上。

④鋼圍堰懸空部分的處理措施。

因靠河流中心側(cè)巖面標(biāo)高突降，使得基巖各處高差過大，難以進(jìn)行處理，鋼圍堰難以完全順應(yīng)地形，在鋼圍堰著床后，在靠河流中心側(cè)部分刃腳為懸空狀態(tài)。其處理措施如圖2所示。

3.2.3 封底設(shè)計(jì)及施工

因5號(hào)墩鋼圍堰內(nèi)為傾斜巖面，圍堰中間和巖體需鑿除以便修筑承臺(tái)，故不能照搬常規(guī)鋼圍堰的全基坑等厚度混凝土封底。本項(xiàng)目創(chuàng)造性地采用了條狀封底，即沿承臺(tái)外緣至鋼圍堰間澆筑一條狀混凝土封底。即在處理完畢鋼圍堰懸空部分后，用袋裝砂礫沿承臺(tái)邊緣線堆碼形成矩形圍堰（袋裝砂礫圍堰外緣與承臺(tái)外緣平齊，其頂面高度不能低于標(biāo)高262.20m，以確保澆筑的封底最小厚度滿足設(shè)計(jì)要求），然后在袋裝砂礫圍堰與鋼圍堰內(nèi)壁間澆筑水下混凝土，形成條狀封底，條狀封底的寬度為2.0m，最少厚度不得小于2.0m。

鋼圍堰的混凝土封底不僅要起到止水作用，還要在鋼圍堰抽水后承受巨大的水頭壓力，因此封底的安全可靠性對(duì)承臺(tái)施工時(shí)的人員安全起到關(guān)鍵性的作用。經(jīng)對(duì)條狀封底進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全驗(yàn)算，在理想計(jì)算條件下承載能夠滿足要求，但考慮到為水下施工，存在諸多影響施工質(zhì)量的因素，很難達(dá)到驗(yàn)算所假設(shè)的質(zhì)量狀態(tài)。為了確保安全，本項(xiàng)目在條狀封底中部按間距為2m設(shè)置鉆孔灌注抗拔樁與封底共同抗浮。樁身直徑為60cm，嵌巖深度為3m，在抗拔樁鋼護(hù)筒內(nèi)外側(cè)焊接一定數(shù)量放射狀鋼筋，以使抗拔樁與封底混凝土聯(lián)結(jié)成牢固的抗浮整體。

3.2.4 承臺(tái)施工

封底完成，且混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，進(jìn)行堰內(nèi)抽水，鋼圍堰內(nèi)支撐隨著水位的下降，及時(shí)施工。等圍堰內(nèi)水排干后，采用風(fēng)鎬進(jìn)行承臺(tái)基坑巖石鑿除。基坑經(jīng)檢查合格后澆筑承臺(tái)混凝土。

4 結(jié)束語

本項(xiàng)目針對(duì)深水基礎(chǔ)中巖面傾斜、基巖堅(jiān)硬、巖體裸露、不能進(jìn)行水下爆破清基的特殊受限施工條件下，創(chuàng)新出使用異形鋼圍堰的施工方案。并對(duì)其封底進(jìn)行研究與分析，對(duì)封底抗浮能力較差的問題，提出了設(shè)置抗拔樁共同抗浮的解決方案。上述方案的實(shí)施非常成功，安全順利地完成承臺(tái)的澆筑施工，達(dá)到了預(yù)期的效果。

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