不等刃腳雙壁鋼圍堰在水中承臺施工中的應用

穆 穎

中鐵建工集團有限公司北京路橋分公司 北京 100070

目前，在深水基礎施工中，雙壁鋼圍堰因為加工制作便捷、抗水壓等優點而應用較為廣泛，是橋梁下部施工中的阻水結構，其作用是通過四周倉壁、刃腳和封底混凝土圍水來承受較大的水壓，從而為深水基礎提供安全、無水的施工環境。但圍堰施工對河床面的平整度有著很大的要求。不等刃腳雙壁鋼圍堰與傳統的雙壁鋼圍堰相比，著床前水下爆破、清渣工作量小，施工安全簡便，可有效縮短施工工期。因不等刃腳雙壁鋼圍堰根據河床坡面進行設計，減少了圍堰自身鋼材用量和封底混凝土的數量，降低了施工成本，同時也免去了大量爆破對相鄰墩臺基礎及兩岸居民造成的不利影響[1-9]。

1 工程概況

州河鐵路特大橋全長842.46 m，孔跨布置為4×32 m＋（72＋128＋72） m連續剛構＋13×32 m預應力混凝土梁橋。全橋墩臺共計21個，最高墩47 m。主要施工內容：橋梁下部基礎、墩臺身、連續剛構懸灌梁。本橋位于河谷區，橋址處州河兩岸地勢陡峭，河水流量大。溝床為軟土，局部為粉質黏土地覆蓋，溝床縱坡較大。根據對現場環境條件的充分了解，在此基礎上制定了不等刃腳雙壁鋼圍堰的施工方法。不等刃腳雙壁鋼圍堰在特定的工程環境下，能夠有效應對河床坡度的變化，同時具有水下爆破量小、結構用料省等其他圍堰無法比擬的優勢。

2 工程重難點

不等刃腳雙壁鋼圍堰適用于水深＞10 m且河床坡度較大或河床面高低不平的深水基礎施工。河床覆蓋層較厚或是不允許水下爆破及有特定環保要求的深水基礎也可采用不等刃腳雙壁鋼圍堰進行施工。不等刃腳雙壁鋼圍堰根據實際探測的河床面高程數據進行少量爆破，通過圍堰四周不等刃腳和河床面相契合，有效地應對河床坡度的變化，再利用封底混凝土在水中創造一個無水的施工作業面。

3 施工工藝流程

3.1 不等刃腳雙壁鋼圍堰施工工藝流程

首先對鋼圍堰著床基礎位置進行摸底探測，并結合水文及地質資料設計鋼圍堰，設計、驗算完成后進行施工。也可安排有經驗的潛水員水下勘察、測量。具體施工工藝流程如下：實際探測→根據探測結果設計不等刃腳雙壁鋼圍堰→加工、制作雙壁鋼圍堰→少量爆破河床并進行清底→運輸不等刃腳雙壁圍堰至施工現場→放樣、定位圍堰位置→按照設計圖紙逐步拼接、下放鋼圍堰→圍堰封底混凝土施工→抽水后開始深水基礎施工。

3.2 不等刃腳雙壁鋼圍堰總體設計方案

州河鐵路特大橋8#墩所處地形為1∶1.5陡坡，地質為鈣質泥巖，覆蓋層較薄。設計不等刃腳雙壁鋼圍堰前、后壁為雙壁鋼圍堰；側壁后半部分（即河床底高于承臺底部分）采用雙排φ508 mm×10 mm鎖扣鋼管樁，鋼管樁側壁通過堵頭板與后壁雙壁鋼圍堰之間采用螺栓連接；側壁前半部分（即河床底低于承臺底部分）雙壁鋼板圍堰與后側壁之間采用鎖扣相連。

圍堰平面形狀為矩形，內長23 m（承臺長22.6 m），內寬16.2 m（承臺寬14.8 m）。雙壁鋼板圍堰采用厚6 mm鋼板做內、外壁面板，厚16 mm鋼板做橫梁桁架內、外弦，[10型鋼做豎肋桿和支撐桿，刃腳開放并用厚10 mm鋼板加強。設計刃腳穿過全風化鈣質泥巖，與中風化巖層接觸。圍堰水平內支撐采用φ508 mm×10 mm鋼管，設置3層，上層和中層間距均為6.0 m，中層和下層間距為4.0 m，下層支撐在承臺頂標高以上50 cm。3層水平內支撐間設置豎向φ508 mm×10 mm鋼管樁（圖1）。

圖1 不等刃腳施工方案

3.3 不等刃腳雙壁鋼圍堰施工方法

3.3.1 不等刃腳雙壁鋼圍堰加工

1）材料要求：鋼料、焊劑、焊條等主要材料均應符合主墩承臺雙壁鋼圍堰設計圖和現行標準的要求并附有出廠合格證。所用鋼材表面應平整光潔，沒有疤痕、分層、夾渣壓入的氧化皮及其他影響強度的缺陷；工廠手工焊和工地手工焊所用焊條主要用J422酸性焊條。有些鋼材由于工期緊，短時間內難以在市場采購到，可以向總工程師及設計部門申請，改變鋼材的型號尺寸，總工程師及設計部門全部同意后，才可以使用。

2）加工場地及起重設備要求：為了滿足從加工廠到橋墩位處的要求，需將圍堰分塊加工運輸，除底節外，其余各節均為5 m標準節。鋼結構加工廠場內應設置胎具焊接內桁架以防扭曲變形，胎具外徑即為圍堰外壁半徑。場地內還應有單臺8 t起吊能力的吊機，以滿足焊接拼裝需要。

3）下料要求：鋼材下料精度按鋼結構加工規范的有關要求執行，鋼板下料用自動切割機，鋼板切割后，實際切割線與預定切割線（號料線）的偏差不得超過1 mm，切割后的邊緣不得有裂紋及超過1 mm的缺棱。考慮電焊收縮，雙壁鋼圍堰在弧長方向下料時每單元應加長5 mm。焰割后應清除表面的金屬毛刺、濺斑和熔瘤。鋼材要用紙板放樣配套才能下料，鋼板、型鋼下料前要求調直、檢查、編號。

4）焊接拼裝組成單節：雙壁鋼圍堰分塊制作，按豎向分節，其中前壁和側壁鋼圍堰分節相同，分節均為三大節，底節和中節均為10 m（各由長5 m的兩小節構成），頂節為5 m；后壁鋼圍堰分為兩大節，底節為8 m，頂節為5 m。橫向以每一個倉為單位分塊，寬5 m左右前后壁橫向均由5個倉構成。在施工現場分塊匹配加工。鋼板電焊組拼和肋角定位點焊，所用焊接材料型號不得低于正式焊接所使用的焊接材料。點焊高度一般不宜超過設計焊高的1/2。長度為50 mm，間距400～500 mm。鋼板在平臺上組拼時，先用手工點焊，再用自動電焊機焊接，焊接順序應先焊橫縫后焊縱縫。焊縫高度和長度滿足施工組織設計要求。雙壁鋼殼每一單元在胎具內施焊完一面之后，經檢查認可，然后將其翻身進行另一面焊接，平時不得任意翻身。每一單元雙壁鋼殼組拼施焊完畢后，量出其輪廓尺寸進行一些必要的修整。對各單元編號并填寫檢查表格進行出廠前檢查驗收。加工的圍堰塊段，其尺寸精度、表面平整度、焊接的密封性通過檢驗合格后，方可投入使用。

5）焊縫質量檢查：所有焊縫除滿足設計要求外，還應在焊縫處正面用石灰水刷成白色，背面涂刷煤油，觀察其滲透情況。無煤油滲至正面，則為合格。否則鏟除焊縫復焊。焊縫尺寸及施焊順序的要求需按圍堰設計圖紙所規定的內容進行檢驗。

3.3.2 不等刃腳雙壁鋼圍堰底節拼裝

1）鋼圍堰安裝前，對圍堰范圍內河床進行標高測量，應在鉆孔完畢后加密測點測量，隨時掌握河床標高與設計圖紙變化情況，根據測量結果對河床進行降低或回填處理，以滿足鋼圍堰刃腳均勻著床。

2）擺放圍堰Ⅰ22b#支承梁，凈距≤25 cm。

3）圍堰拼裝平臺應滿足平整度要求，由測量組放出圍堰外輪廓邊線。圍堰單元在鋼結構加工廠按設計圖和制造工藝分塊制造合格后，經運輸棧橋運至墩位處拼裝。

4）根據加工廠對每節圍堰單元的竣工尺寸進行組合和編碼，最終達到拼裝后的整體尺寸誤差為最小的目的。

5）利用25 t吊機拼裝焊接圍堰底節，施工過程中，為防止圍堰單元拼裝過程中傾覆，采用設置型鋼臨時支撐的方式，型鋼焊接在護筒和圍堰之間。底節圍堰拼裝完成后，在圍堰刃腳灌注高0.5 m的C25混凝土。

6）使用空氣吸泥機將底部泥土吸取干凈，從中間位置向兩側分段分層進行，使鋼圍堰逐步豎直下沉。

7）分倉注水進行水密試驗，倉內注水時，應對稱進行。灌水高度為9 m，若發現有滲漏處，用顏色筆（或石筆）做好記號，待放水后將焊縫鏟除，重新施焊。

8）在底節圍堰壁板上焊接雙層導向裝置，使之與鋼護筒保持一定間隙，以便約束圍堰的傾斜和位移。

3.3.3 不等刃腳雙壁鋼圍堰底節下沉和接高

1）鋼圍堰采用千斤頂下沉。先在樁基護筒和棧橋樁上安裝剛性門架，在門架的橫梁上安裝200 t穿心千斤頂，用精軋螺紋鋼作吊桿。千斤頂先空載頂出大部分活塞，再上緊螺帽頂起圍堰，然后落頂下沉。共安裝4臺千斤頂，前、后壁各2臺。安裝好的4臺千斤頂頂起圍堰底節1 m，其間，將阻擋圍堰落下的構件拆除。

2）在同一時間，同一進度中緩慢下放圍堰，在自身重力和浮力作用下，圍堰下落到水中平衡位置。

3）圍堰在接高過程中始終保持對稱，對圍堰壁板和支撐進行調整、焊接，檢查合格即可加水下沉。

4）圍堰的中節位置拼裝與底節位置拼裝過程基本相同，圍堰的中節位置對接完成，在檢查驗收合格后，開始加水下沉。加水要對稱進行，并且在下沉過程中要盡量使圍堰頂面水平，下沉直至圍堰著床。著床前，測量圍堰的位置和傾斜度是否滿足承臺施工要求。調整好位置后，下沉使圍堰著床。

5）在鋼圍堰壁內用風壓吸泥機吸取河床表面的松砟，使圍堰繼續下沉。邊下沉邊糾偏，直至圍堰刃腳接觸到中風化層。

6）圍堰著床注意事項：圍堰著床前，保證圍堰內通過水壓保證調平，并且通過測量保證著床位置及刃腳在河床面上0.5 m處。著床后，需保證圍堰內水位始終略高于外部水位，以免造成翻砂現象。必要時用水泵往圍堰內部注水保持水位。使用空氣吸泥機將底部泥土吸取干凈，從中間位置向兩側分段分層進行，使鋼圍堰逐步豎直下沉。如果圍堰未能整體下沉，則適當擴大吸泥范圍。

3.3.4 不等刃腳雙壁鋼圍堰頂節接高和下沉

在中節圍堰頂面拼裝焊接頂節圍堰。焊接順序及要求與中節對接時相同，拼裝焊接完成并檢查驗收合格后，開始布設灌注隔倉內水封混凝土設備。使用高壓射水設備，將圍堰的內壁及鋼護筒的外壁反復沖洗，完成后使用空氣吸泥機清基，達到澆筑封底混凝土條件。水封混凝土采用C25，灌注時各隔倉對稱進行。灌注過程中圍堰會繼續下沉，直到灌注完畢，圍堰下沉到位。

3.3.5 不等刃腳雙壁鋼圍堰封底

圍堰內河心側（即河床低于承臺底標高的地方），采用C25水下混凝土進行封底。封底混凝土高度到達承臺底標高，厚度為2.5 m。封底前用測量繩測河床標高，當低于承臺底標高2.5 m以上時，回填石砟至河床距承臺底標高2.5 m處。潛水員下水檢查未回填石砟部分的鋼圍堰刃腳，如有局部刃腳懸空處，則由潛水員水工下用砂袋堵塞縫隙。

河床處理滿足要求后開始布設水封設備。封底混凝土灌注方法是用垂直導管法，來灌注水下混凝土。

在圍堰頂面布置3個下灰點，采用3根（每根長約20 m）水封導管（河心側呈上、下游均布），另增1根備用，導管的底口高于河底20～30 cm，導管上口安裝下料斗（不小于3 m3）。

不等刃腳雙壁鋼圍堰導管全長組拼完成后，用鋼尺準確丈量長度，做好標記并編號。每根導管必須作0.6 MPa水密試驗，經檢查無漏水、破裂、變形才能使用。每根導管頂配備1 m短節不少于1節。

使用混凝土包作為隔水球，在每次“砍球”前先用準備灌注的混凝土制作好隔水球，隔水球比導管內徑稍小一點，使其能夠塞滿整個導管口，用一根鐵線將其捆扎牢固，將隔水包塞入導管口，將鐵線的另一頭吊掛固定在水封料吊邊上，待“砍球”時將鐵線切斷即可。混凝土總槽的吊耳、支腿及起吊扁擔千斤等，由于吊重較大，必須檢算強度是否符合要求。

封底之前，有關設施如封底平臺（利用圍堰內支撐和鉆孔樁鋼護筒搭設）、儲料設備、測量設施等，應安裝就位完畢，由項目部成立檢查組，全面進行檢查。封底主電源使用主電路，備用電源采用1套發電機組。備用柴油發電機提前檢修試機，主電路等均由項目部檢查組在封底前進行全面檢查。油料儲備充足。

混凝土工廠開盤和停盤、接力泵的開機和停機、導管“砍球”與停灌、施工中履帶吊機移位等，均由總指揮發出通知后再進行，隊長或現場負責人為總指揮。

3.3.6 不等刃腳雙壁鋼圍堰抽水、支撐

在同條件養護混凝土試件強度到設計強度70%后，開始抽水。抽水共分3次完成。第1次抽水，使水面標高低于圍堰上層內支撐。安裝上層內支撐。上層內支撐安裝好經檢查合格后，再進行第2次抽水。

第2次抽水，使水面標高低于圍堰中間層內支撐位置，然后安裝中間層內支撐，中間層內支撐安裝完成后，安裝上、中層內支撐之間的豎向支撐，使上、中層內支撐連接成整體。安裝完成，經檢查合格后可進行下步第3次抽水施工。第3次抽水至圍堰底，抽水過程中應隨時觀察鋼圍堰內水位變化和圍堰結構穩定情況，如發生漏水現象，則采用撒砂等方法堵漏。如圍堰結構穩定異常則應立即停止抽水作業，并對圍堰進行臨時加固支撐。

不等刃腳雙壁鋼圍堰加固支撐完成后，即可進入下道工序施工。

3.4 效益分析

本工程使用的不等刃腳雙壁鋼圍堰與其他形式圍堰相比，材料用量少，加工制作快。同時可適用于坡度較大河床面的深水基礎，大大減少水下爆破及清渣的工程量，節約了施工成本，同時也消除了爆破對周圍墩臺和當地村民帶來的不利影響。

在工期緊、汛期急的情況下，有力地保證了施工進度、生產安全，避免了大量機械設備和材料的投入，搶在河流汛期前完成了深水基礎施工，也為項目消除了不可預見的風險。

4 結語

州河鐵路特大橋項目8#墩深水基礎采用不等刃腳圍堰施工，在業主工期緊、河水深、河床地形復雜的情況下，充分發揮了鋼圍堰因地制宜、制造方便、施工迅速、安全可靠等優勢，保質保量地按時完成了施工任務，取得了良好效果。可見，高、低刃腳雙壁鋼圍堰施工在深水橋梁建設中優勢明顯，且在特定的工程環境下，能夠有效應對河床坡度的變化，有著水下爆破量小、結構用料省等其他圍堰無法比擬的優越性。