深水裸巖條件下鋼圍堰定位糾偏技術*

李勇海，項遠方

(中鐵四局集團第二工程有限公司，江蘇 蘇州 215000)

1 工程概況

涪陵烏江右線大橋是渝懷鐵路涪陵—梅江段增建二線規模最大、結構最復雜的橋梁工程，橋址地處三峽大壩上游，常年有千噸級貨輪通航，下游距既有渝懷鐵路烏江大橋約250m。橋梁采用2×32m簡支T梁+(98+192+94)m預應力混凝土連續剛構形式跨越國道G319與烏江主航道，全長460.1m。橋梁布置如圖1所示。

圖1 烏江右線大橋總布置

3號主墩位于烏江深水航道區，設計施工水位為173.600m，水深37m，水速為3.92m/s，基礎位于烏江主河道邊坡內，河床為裸巖，陡坡坡度達50°，巖層堅硬且裂隙較發育，圍堰所在范圍內高差達7m以上，需水下爆破圍堰基槽，清渣后定位、下放鋼圍堰。如何在深水區內有效精確定位雙壁鋼圍堰及糾偏垂直度是亟待解決的問題。

2 鋼圍堰優化設計

3號墩位于烏江水位較深處，河床地質為堅硬裸巖，且矩形承臺尺寸大(14.4m×19.6m)，基礎采用圓形雙壁鋼圍堰先堰后樁的施工工藝[1]。根據承臺高程和水文資料計算鋼圍堰高度取為38.4m，采用MIDAS/Civil 2016對鋼圍堰進行建模分析，3號墩施工期間鋼圍堰受到自重、靜水壓力、流水壓力等荷載的共同作用，對圍堰最不利工況進行計算，優化鋼圍堰尺寸及材料型號。經計算確定，鋼圍堰內徑25m、外徑28m、倉壁1.5m、總重1 400t。結合結構和現場起重設備起重能力要求，鋼圍堰在豎向設置6節，從下至上分別為第1～6節，高度分別為6.0，6.4，6.4，6.4，6.0，7.2m。依據現場水上起重工具起重能力限制在2×10t以內的技術資料，在雙壁鋼圍堰平面上分塊，將圍堰設為16塊，最大塊重16t。圍堰結構驗算受力簡圖及計算模型分別如圖2，3所示。

圖2 圍堰結構驗算受力簡圖

圖3 圍堰結構計算模型

3 鋼圍堰平面定位

根據3號墩所處地形坡度達50°以上，鐵錨在陡坡裸巖河床上無法起到錨碇作用，然而，錨碇系統對鋼圍堰的定位至關重要，經多次討論及研究，確定采用岸邊地錨、靠江側混凝土梳齒錨的錨碇方式錨固[2]，錨碇系統布置如圖4所示，采用卷揚機、5t手拉葫蘆對鋼圍堰進行調整，觀測控制網測點坐標，精確定位雙壁鋼圍堰。

圖4 錨碇系統布置

4 鋼圍堰定位糾偏方案比選

根據高低水位2種因素，鋼圍堰定位糾偏有2種方案：①方案1 拼裝3節鋼圍堰，然后定位，采用向隔倉注水的方法調整鋼圍堰垂直度，再利用鼎形分布找平器連續不斷地糾偏鋼圍堰垂直度，當垂直度滿足要求后，通過拋石及砂袋將鋼圍堰底部墊平，然后下放鋼護筒進行封底，使鋼圍堰及封底混凝土構成穩固施工平臺，最后拼裝剩余3節鋼圍堰。②方案2 將6節鋼圍堰拼接完成后，定位鋼圍堰，采用向隔倉注水的方法調整鋼圍堰垂直度，通過潛水員下水作業，將鋼圍堰底部通過砂袋整平，然后注水下沉，下放鋼護筒對鋼圍堰進行封底。

近6年烏江水位隨時間變化曲線如圖5所示。由圖5可知，水位高度月變化較大，每年5—9月為枯水期，其中6月水位高度達到最低，8月底水位約為147m，爆破河床找平區域水深約為12.3m，按拼裝速度6～7d/節，3節圍堰拼裝所需時間約為20d，9—10月水位漲幅較大約為1m/d。因此，方案1，2鋼圍堰定位、下放、糾偏涉及低水位和高水位施工，水深從12m變為32m，施工環境發生巨大變化。下面對2種方案進行對比。

圖5 2010—2015年烏江水文曲線

4.1 潛水員水下作業時間對比

潛水員在不同潛水深度下作業時間及減壓所需時間如表1所示[7]。由表1可知，12m水深時，潛水員水下作業105min,所需減壓時間2min;36m水深時潛水員水下作業45min，所需減壓時間66min。根據潛水員水下作業規程要求，在低水位時，潛水員每天下水次數不受限制，可全天作業，高水位時每次只能作業1次。由于后期鋼圍堰刃腳堵漏及鋼護筒垂直度控制需潛水員水下墊平，需長時間操作，在水深12m時，潛水員水下作業時間遠大于水深36m時的作業時間，施工效率高，因此在低水位下放、定位鋼圍堰及鋼護筒，潛水員的水下作業時間長，作業難度低，可縮短工期，經濟效益高。

表1 不同潛水深度下作業時間及減壓時間

4.2 鋼圍堰拼裝、下放風險對比

鋼圍堰拼裝完成后處于懸浮狀態時，隔倉內外水頭高差計算如式(1)所示：

Mg+ρgA(38.4-Δh-h1)=ρgA(38.4-h1)

(1)

式中：M為鋼圍堰自重；A為鋼圍堰隔倉面積；Δh為鋼圍堰懸浮時烏江水面與隔倉水面高差；h1為鋼圍堰頂部與烏江水面距離。

式(1)可簡化為：

M-AΔh=0

(2)

從式(2)可看出，鋼圍堰懸浮時烏江水面與隔倉水面高差Δh和自重M成正比，2種方案下，鋼圍堰隔倉與烏江水面高差如表2所示。由表2可知，方案1低水位定位下放鋼圍堰時，鋼圍堰隔倉與烏江水面高差值較小，焊縫所受應力相對較小，安全風險低。

表2 鋼圍堰拼裝懸浮狀態時水頭差

4.3 鋼護筒定位及下放

鋼護筒位置及垂直度直接關系到后期樁質量及鉆孔樁施工進度，又由于鋼護筒造價高，考慮經濟性，采用高度為6.5m半護筒，可節約材料費100余萬元，然而半護筒定位及垂直度控制是否具有可實施性與水位高低有很大關系。在低水位時，由于定位架下放前還處于水面之上，鋼護筒定位可采用以往施工經驗進行定位下放，操作簡單；當水位較高時，由于定位架處于深水區，其準確位置很難確定，鋼護筒下放位置均難以確定，準確定位困難，操作難度大。因此，在低水位時使用半護筒經濟效益高。

4.4 鋼圍堰刃腳位置堵漏經濟性對比

鋼圍堰定位下放后，需對刃腳位置進行堵漏，圍堰外拋填碎石達到承臺頂標高，高度為4m，所需方量757m3。低水位定位下放鋼圍堰時，鋼圍堰外拋石可利用河床爆破碎石，既減少爆破清渣碎石運輸費，又避免了碎石運輸購買；而高水位圍堰外拋碎石時，石料需從隧道進行周轉，但由于烏江常年水流較大，石料需采用噸袋進行裝包，采用浮吊船進行拋石，拋石所需時間長達10d，由計算可知，所需噸袋及機械費用達10多萬元。

從技術可行性、施工投入及工期等方面對2種方案進行對比，方案1可連續調整鋼圍堰垂直度，精度高，投入少；方案2施工難度大、施工工期長、資金投入大，需安排潛水員水下作業找平，人工精度差，所需工期長，且不能連續調整垂直度。故本工程宜采用方案1進行鋼圍堰糾偏施工。

5 鋼圍堰糾偏技術

5.1 河床基底整平

3號墩所處位置河床為起伏不平的無覆蓋層裸巖，且巖層堅硬、裂隙較發育、坡面陡，巖面傾角>50°，為保證鋼圍堰安全著床及滿足后期施工平臺垂直度要求，基礎需通過水下爆破、清渣方式對河床進行整平，最大爆破深度約10m。為了解爆破開挖前后基底標高及平整度，指導水下爆破、清渣，需測量河床地形。水下爆破后的地形測量不同于陸地地形測量，可有效選擇地形特征點進行測繪[3]，因此，前期采用中海達單波束測深儀測量爆破成坑后的底面高程，生成爆破后河床地形，用以指導水下爆破及清渣，爆破清渣驗收前采用SONIC 2024 & 2022 寬帶多波束測深儀掃描河床斷面，精確反映出河床斷面起伏與標高，為后期鋼圍堰著床提供依據。河床斷面三維掃描如圖6所示。

圖6 河床斷面三維掃描(單位：m)

由圖6可知，爆破清渣后，河床基底并不平整，呈高低起伏形態，存在超挖情況，鋼圍堰所處位置的圓周最大超挖約2.12m，最小超挖0.71m，因此，后期仍需對鋼圍堰基底進行進一步整平。為保證鋼圍堰垂直度及精確定位要求，采取向刃腳底部拋砂石袋措施，對鋼圍堰基底進行初步整平。借鑒精密儀器找平方法，結合本工程鋼圍堰具體情況，設計鼎形分布找平器，解決了因鋼圍堰基底不平整帶來的傾斜問題，有效保證了鋼圍堰垂直度。

5.2 鼎形分布找平器工作原理

現有全站儀等精密儀器找平是通過調整3個腳點高程從而確定1個水平面，受此啟發，構想在鋼圍堰設置鼎形分布的6處鋼管，通過千斤頂液壓裝置，調整鋼管位置標高，為鋼圍堰提供活動式刃腳[4-5]，調整鋼圍堰垂直度。

5.3 鼎形分布找平器設計

鋼圍堰鼎形分布找平器布置如圖7所示，由反力托架、6臺液壓千斤頂、φ108×8鋼管、導向軌道、反扣輪構成，軌道和反扣輪保證鋼管垂直度及限制鋼管在徑向方向的位移，在后期拼裝過程中，將導向軌道接長，反力托架由工字鋼焊接而成，將反力托架焊接在第3節鋼圍堰頂部，為千斤頂提供反力，通過千斤頂施加反力，調整鋼圍堰高度。通過調整6個腳處的高度，調整鋼圍堰高度。

圖7 鋼圍堰鼎形分布找平器布置

5.4 鋼管、反力托架強度及穩定性計算

由河床斷面掃描可知，河床基底處超挖最大高差為1.41m，鋼圍堰調整前后狀態如圖8所示。

圖8 鋼圍堰調整前后狀態

觸底前，鋼圍堰處于懸浮狀態，重力和浮力相等，即G=F浮，當調整鼎形分布找平器位置處鋼管高程時，鋼圍堰重力不變，入水體積發生變化，故鋼圍堰浮力發生變化，其差值由鼎立分布的鋼管承受。為簡化計算，將浮力變化值加載至2根鼎立分布的鋼管上，鋼圍堰鼎立分布鋼管強度計算如式(3)所示：

F1=σA

F2=ρgv排

(3)

v排=π(R2-r2)ΔH/2

式中：σ為鋼管屈服應力；A為鋼管截面面積；R為鋼圍堰外壁半徑；r為鋼圍堰內壁半徑；ΔH為鋼圍堰傾斜高差。

令F1≥F2，代入已知數據，計算得出，鼎形分布的φ108×8鋼管理論上最大可調節1.93m高差。

鋼管在軸向荷載作用下正應力不超過其許用應力，在強度上保證了鋼管正常工作，然而對于細長鋼管軸向受壓時，鋼管穩定性問題是保證鋼管正常工作的重要因素。由歐拉公式可知，將鋼管簡化為兩端鉸接，計算可得鋼管屈服荷載為容許荷載，即590.24kN，鋼管穩定性滿足要求。

將千斤頂反力施加于反力托架上，檢算托架強度，反力托架強度計算如圖9所示。由圖9可知，托架應力最大值117.7MPa，小于鋼板屈服強度，因此，反力托架強度滿足要求。

圖9 反力托架受力分析(單位：MPa)

5.5 方案實施

鋼圍堰著床定位糾偏是施工中重要工序，直接影響其最終定位質量[6]，故設立鋼圍堰定位糾偏指揮中心。采用2臺全站儀觀測第3節鋼圍堰控制網2個測點坐標，并將觀測結果及時向指揮中心通報，作為指揮中心調整的依據，指揮中心通過計算得出鋼圍堰偏移量，下達指令，通過地錨及靠江側混凝土梳齒錨精確定位鋼圍堰著床前位置，然后啟用抽水機向16個隔倉對稱注水，鋼圍堰下沉過程中隨時用儀器觀測其偏位情況并及時糾正，確保其始終在準確位置下沉，當鋼圍堰初步下沉至指定高度時停止注水，通過鼎形分布找平器調整鋼管所處位置的鋼圍堰標高，精確調整其垂直度，并觀測、調整其水平位置，直至平面位置垂直度滿足要求。當鋼圍堰定位及糾偏工序完成后，由潛水員下水探明底部著床情況，對底部刃腳與基底空隙用袋裝水泥拌合物塞墊，確保底部著床穩固良好，然后向鋼圍堰外拋石，觀測控制網4個點坐標，隨時調整其水平位置及垂直度，最后對其進行封底。

6 結語

通過對涪陵烏江右線大橋在深水裸巖條件下鋼圍堰定位糾偏問題的研究，設計了鼎形分布找平器，最大可調整1.93m高差。采用鼎形分布找平器可精確調整深水裸巖河床上鋼圍堰垂直度，避免了傳統水下作業人工找平的盲目性，具有較好的經濟效益及應用價值。