深水大流速傾斜巖面河床不等高雙壁鋼圍堰綜合施工技術研究

姜創業

（中鐵十六局集團第四工程有限公司 北京 101400）

1 引言

圍堰是指在水利工程建設中，防止水土進入修建位置而修建的一種臨時性結構［1-2］。雙壁鋼圍堰是上世紀70年代修建九江長江大橋時采用的一種新型的圍堰形式，其具有結構剛度較大、提供工作空間較大、工序簡單以及經濟適用等特點，在深水基礎施工中獲得普遍使用［3-6］。但是，由于雙壁鋼圍堰作為橋梁深水基礎施工的一種臨時性結構，無論是在設計方面還是在施工方面均未得到足夠的重視，使得雙壁鋼圍堰施工存在較大的風險，造成了一系列的安全事故［7-9］。

因此，本文針對性研究石梯巴河特大橋12#、13#主墩基礎雙壁鋼圍堰施工，重點對深水大流速傾斜巖面河床條件下雙壁鋼圍堰的結構設計、安全沉降以及封底混凝土結構設計與施工進行研究。

2 工程背景

2.1 工程簡介

巴達鐵路位于四川北部，西起樂巴鐵路終點巴中車站，向東南經巴中市巴州區、平昌縣，經過達州市達縣、渠縣，接入襄渝線，是廣元至達州鐵路的東段。石梯巴河特大橋全長1 462.94 m，從達縣石梯鎮橫跨巴河，是巴達線的重點工程。該橋橋址枯水期自然水深達13 m，河水季節漲落幅度大，河床為光面砂泥巖，其主橋為（48+80+80+48）m的四跨剛構連續梁，12#、13#、14#主墩基礎位于巴河水中，設計采用雙壁鋼圍堰施工。

2.2 工程難點分析

石梯巴河特大橋主墩基礎位于常年流水的巴河深水中，由于環境條件復雜，施工中存在以下難點：

（1）主墩墩位處于水深11m、流速4.76 m／s的河流中，河床沖刷厲害，圍堰的尺寸、結構等需特殊設計；

（2）墩位承臺處在河床傾斜面上，承臺寬度范圍內高差達3 m，不等高雙壁鋼圍堰重心不在平面中心，就位控制較困難；

（3）封底混凝土局部厚度不能滿足封底厚度的安全需要［10］。

2.3 整體方案設計

針對以上工程特點，采用先摸清河床地形，再確定雙壁鋼圍堰各面的尺寸，并進行結構設計；在棧橋上設置限位架，控制鋼圍堰按照預定位置準確下沉、就位；通過在封底混凝土內配筋，提高混凝土抵抗水壓的抗彎能力，解決混凝土封底厚度局部不足的問題［11］。

3 雙壁鋼圍堰設計

3.1 雙壁鋼圍堰的尺寸確定

石梯巴河特大橋12#、13#墩承臺設計平面尺寸為15.8 m×19.3 m，高4 m，承臺底面設計高程為244.748 m。基礎由17根樁徑2 m的樁基礎組成，梅花形布置。河床大部基巖裸露，覆蓋少量砂卵石。

以13#墩為例，測量人員測得墩位河床面高程大致在240～244 m區間。受上游電站發電放水影響，枯水期巴河常水位標高位于250～251 m區間。根據承臺平面尺寸，13#墩鋼圍堰內空間凈平面尺寸16.8 m×20.3 m，頂面高程為252 m。先根據河床標高處于241～244 m區間進行不等高鋼圍堰結構設計，并先加工上部結構。圍堰底刃腳高程及最下部的雙壁鋼圍堰加工尺寸須根據河床地形精確測量、綜合比較后確定［12］。

在棧橋搭設完畢后，對圍堰擬就位的平面位置進行精確放樣。現場使用φ25鋼筋加工成測量棒，用于精確測量圍堰各邊就位位置處的實際地形。一般沿圍堰各邊每1 m測量一次，將數據整理后用于確定圍堰最下面一節面板的加工尺寸，使圍堰就位后盡可能與河床吻合，以減少后期使用砂袋堵缺口的工作量。

3.2 雙壁鋼圍堰的結構設計

根據大橋施工圖結構布置情況以及墩位處水文地質情況，雙壁鋼圍堰的結構方案為：圍堰面板采用壁厚6 mm的鋼板，10工字鋼作為豎肋，∠100×100×8 mm等邊角鋼作為橫肋，∠75×75×6 mm等邊角鋼作為腹桿形成空間框架結構，整個圍堰分為3節制作。單節分為14塊，其中1#塊10件，2#塊4件。塊件間采用δ10 mm厚連接板焊接連接。鋼圍堰平面外尺寸設計為18.8 m×22.3 m，圍堰內外壁間距為1 m，內壁承臺邊線最小距離為50 cm。結構如圖1～圖3所示。

圖1 雙壁鋼圍堰平面布置

圖2 雙壁鋼圍堰1#塊結構

圖3 雙壁鋼圍堰2#塊結構

3.3 雙壁鋼圍堰的結構驗算

由于13#墩承臺底標高較12#墩低，因此這里以13#墩鋼圍堰結構最不利工況為例進行結構力學計算。

3.3.1 有限元模型建立

采用Midas-Civil有限元分析軟件對鋼圍堰進行力學模型建模，豎肋及橫肋按量單元考慮，并進行力學分析。橫豎肋交點按分離式節點設置，交叉節點間采用剛度較大的彈性連接。彈性連接類型考慮兩節點間相對位移接近完全約束。不考慮橫肋豎肋間相互傳遞力矩。腹桿按桁架單元考慮，即忽略腹桿桿端焊接對力矩的傳遞。壁板按板單元考慮。壁板與豎肋間連接視為節點剛接。邊界條件設置：圍堰刃腳底面節點僅約束豎向位移自由度，封底混凝土頂面的圍堰內壁板節點約束水平方向的兩個位移自由度。由于圍堰結構關于承臺縱橫軸線對稱，故模型可簡化為實際結構的1／4進行分析即可。對稱軸位置設置相應軸向位移自由度約束及三軸扭轉自由度約束。

驗算最不利工況：堰內水抽空，堰外水位達到252 m高程時圍堰漫頂前最大水壓力作用下圍堰受力工況。電算模型如圖4所示。

3.3.2 計算結果分析

（1）橫肋、豎肋-梁單元應力水平分析

橫肋豎肋最大應力為σmax＝162.7 MPa，出現在第二層角支撐的支點位置，如圖5所示。但作為臨時結構，相對于永久結構其容許應力［σ］可適當增大，通常控制在1.3［σ］＝1.3×140＝182 MPa。因此 σmax＝162.7 MPa＜［σ］＝182 MPa。結構安全。

圖4 三維模型

圖5 橫肋、豎肋-梁單元應力水平示意

（2）腹桿-桁架單元應力水平分析

腹桿應力最大為σmax＝162.37 MPa，同樣出現在第二層角支撐的支點位置，σmax＜［σ］＝182 MPa，結構安全。應力云圖如圖6所示。

（3）面板-板單元應力分步情況分析

面板應力云圖如圖7所示，顯示最大應力僅為σmax＝40 MPa，遠小于［σ］＝140 MPa，結構滿足受力要求。

圖7 面板-板單元應力水平示意

圖6 腹桿-桁架單元應力水平示意

（4）圍堰變形分析

圍堰在最不利工況下，最大變形發生在橫橋向下層支撐與封底砼之間結構對稱軸附近。最大位移為5.04 mm，變形量較小，滿足施工要求。變形云圖如圖8所示。

根據上述電算結果可認為當水位超過252 m高程，且尚未漫頂之前，結構安全可靠。

圖8 鋼圍堰變形情況示意

4 雙壁鋼圍堰安裝就位技術

4.1 設置鋼圍堰就位限位架

限位架的設置可為鋼圍堰的面板組建提供施工平臺，可引導鋼圍堰平穩、準確就位，如圖9所示。依托棧橋，對鋼圍堰就位的平面位置進行精確放樣，使用 45工字鋼加工鋼圍堰就位限位架。圍堰靠棧橋側，限位架設置1層；無棧橋側，設置2層。

4.2 面板拼裝、下沉、就位

鋼圍堰依托施工平臺、棧橋及限位架進行組拼，拼裝前先在施工平臺、棧橋及限位架上畫出鋼圍堰底層的安裝位置。拼裝時先將設計靠近棧橋的面板組件沿著限位架緩慢放入水中并固定，然后依次沿著限位架拼裝左右兩邊的面板組件，最后拼裝無棧橋及平臺的那一面的面板組件。接口對接完整后，先對浮在水上的那一截進行滿焊。露在水上的那截滿焊完畢后，用2臺70 t的履帶吊將首節圍堰提出水面，工人對之前在水里的那部分進行滿焊連接，完成第一節拼接（見圖 10）。

圖9 鋼圍堰就位導向架

圖10 鋼圍堰拼裝

首節鋼圍堰鎖定后，采用調整鋼圍堰隔艙內的注水量的方式，調平圍堰，同時使圍堰下沉到設計位置，使其處于待拼次節圍堰的狀態。由吊車起吊面板組件與首節進行焊接，拼裝完成后均勻下沉，逐節拼裝，直至完成。

鋼圍堰著床是鋼圍堰施工中最重要的工序之一，鋼圍堰著床后的位置和傾斜率對后續鋼圍堰的下沉質量有著重要的影響。為了保證鋼圍堰下沉質量，使其沿著限位架均勻下沉，現場通過調整鋼圍堰隔艙內的灌水量，通過導鏈牽引，將圍堰調整到預定位置，最后均勻加水，使其勻速下沉。

5 雙壁鋼圍堰混凝土封底技術

5.1 鋼圍堰封底存在的問題

鋼圍堰下沉確認合格后，即可進行清基工作。清基到位后，放置鋼護筒，鋼護筒放好后則可進行水下混凝土封底。初測時，河床標高僅比承臺底標高低0.5 m，經過清基后，最高河床標高比承臺低0.79 m，即按此標高進行封底，封底混凝土最薄處的厚度僅0.79 m，不能滿足封底混凝土的厚度要求（見表1）。

表1 實測河床底標高及封底混凝土厚度m

5.2 雙壁鋼圍堰封底薄弱區域結構加強方案

通過現場實測數據可知，封底混凝土平均厚度為2.24 m，整體滿足安全需要。但 1#、4#、8#、11#、15#、18#、19#、20#等測點封底混凝土厚度不足，圍堰抽水后易被水壓擠裂，導致封底失敗。

為消除安全隱患，工程中按照樁基約束模型，受樁基鋼護筒對封底混凝土的約束力影響，樁基數量越多，抗浮能力越強。取左邊第一排兩根樁以內范圍進行分析（如圖11加粗部分），順線路長度3.2 m，橫向寬度20.3 m，封底厚度取實測最小值0.79 m，約束樁為2根。

圖11 樁基布置示意

通過對薄弱區域樁基約束力、抗浮力及配筋面積計算，布置27根間距60 cm的 18工字鋼，深入超厚的封底混凝土區域，使薄弱區與超厚區域的封底混凝土共同受力（見圖12）。同時在工字鋼下面布置30 cm×30 cm的φ25鋼筋網片，使薄弱區域的封底混凝土受力均勻。

5.3 雙壁鋼圍堰封底混凝土施工技術

在澆筑封底混凝土前，先利用鋼護筒導向裝置，安裝鉆孔樁鋼護筒。為防止在傾斜河床巖面上灌注封底混凝土時鋼護筒被擠偏，提前向鋼護筒內填筑鉆孔造漿黏土，高度以2～3 m為宜。同時檢查鋼圍堰刃腳著床情況，用砂袋堵住空隙。

圖12 薄弱區域配筋布置

采用泵送導管進行封底混凝土澆筑。現場采用6套導管，從深處向淺處，由河流下游向上游灌注混凝土。

在水下混凝土澆筑過程中，應及時檢測混凝土標高，現場技術人員應根據實測數據，調整混凝土澆筑速度，使得混凝土均勻上升，避免因導管埋置較淺而導致導管懸空。澆筑結束時，整理混凝土表面平整度。在實際施工過程中應準備多套導管提升裝置，防止混凝土堵管。同時封底混凝土應采用分層澆筑，在澆筑最下面兩層時，每層澆筑高度不宜超過1 m，頂面1.5～2 m一次灌注到位。

現場技術員須做好測量工作，包括灌注標高、圍堰和棧橋位移等。圍堰和棧橋位移觀測采用測線直觀觀測和布點全站儀觀測進行雙控。在棧橋及工作平臺上，即臨鋼圍堰的3個側面方向，各布置4個觀測點，同時在鋼圍堰上相同位置對應布置12個觀測點，使用全站儀觀測，量測位移大小與其對應的工程措施如表2所示。

表2 圍堰位移大小與其對應工程措施

封底混凝土完成后，搭設樁基鉆孔平臺，待混凝土完成7 d，即可進行正常鉆孔樁施工。

6 結束語

在石梯巴河特大橋水中墩基礎施工中，采用不等高雙壁鋼圍堰技術，解決了深水大流速傾斜巖面基礎施工的難題，同時為保證圍堰封底安全，采用樁基約束模型，加強了封底混凝土薄弱區域。現該橋墩承臺已施工完成，施工質量優良，證明了有關技術的安全可靠性，主要取得的經濟社會效益如下：

（1）石梯巴河特大橋施工中，鋼圍堰采用不等高設計，節約鋼材約40 t，節約投資約32萬元。

（2）以樁基約束模型為理論依據，加強封底混凝土薄弱區域，與傳統水下爆破方案相比，可減少挖機、鉆孔船等大量設備的投入，避免了清底工作，縮短了工期，降低了造價。

（3）采用該技術施工，施工質量優良，各項指標均滿足設計要求，加快了施工進度，確保了業主節點目標的實現，受到了建設、監理單位的充分肯定，取得了良好的社會效益。