橋梁鋼圍堰施工技術及變形監測分析

陳 斌

（中鐵十九局集團第二工程有限公司，遼寧遼陽 111000）

0 引言

建設工程水下結構施工通常需要輔助措施才能施作，圍堰是一種廣泛應用的有效方式。對于深水區作業，雙壁鋼圍堰強度高、剛度大，能適應各種構造形式、復雜環境及地質條件，又可兼做承重施工機具、工作平臺的結構等，是最常用的施工方式[1-2]。鋼圍堰屬于施工臨時輔助結構，是重要的控制水下安全施工質量的組成部分，國內外鋼圍堰安全質量事故頻發，一旦發生事故將造成不可估量的損失，因此施工監控工作是鋼圍堰安全使用的必要條件[3]。

1 工程概況

某橋梁工程主橋使用上承式連續五跨混凝土拱橋。該橋梁工程P3、P4 墩位處水位較深且變化較大，采用雙壁鋼圍堰圍水施工。圍堰的設計首先應該根據水文資料確定圍堰設計水位，并根據河床標高、承臺底標高等設計參數確定圍堰的深度，綜合各項參數計算得到7#墩承臺施工基坑深度達到19 m。再根據承臺結構尺寸，考慮到通航區圍堰施工需要足夠的強度、剛度及穩定性，初步確定采用雙壁鋼圍堰施工方案，并為各墩左右幅承臺共用1 個鋼圍堰形式。圍堰設計最高水位取值為7.73 m（20 年一遇洪水水位）。根據初步確定的圍堰結構形式及尺寸，再進行雙壁鋼圍堰細部結構設計，在進行細化設計時，一定要結合工程現場條件及并考慮施工便利因素。

該橋使用的矩形雙壁鋼圍堰作為承臺施工期間的水土圍擋結構，為承臺提供無水的施工環境，其斷面形式與承臺平面布置保持一致。它由內外壁板、箱型隔艙板、豎向桁架、水平環向桁架、刃腳、內支撐、導向裝置及連通器等組成。鋼圍堰壁厚1.5 m，外輪廓尺寸為34.8 m×12.8 m，內輪廓尺寸為31.8 m×9.8 m。考慮到鋼圍堰沉放施工誤差調整及預留需要，內輪廓長邊方向與承臺距離最小為0.3 m，最大為0.8 m，內輪廓短邊方向與承臺距離為0.425 m。7#墩矩形雙壁鋼圍堰設計頂標高為8.3 m，設計底標高-10.7 m，總高度19 m（包括刃腳），施工水位取+6 m。根據運輸、安裝及施工的需要，圍堰高度從下往上分為4 節：第1 節高度5.3 m，第2 節高度4.2 m，第3 節高度4.8 m，第4 節高度4.7 m，每節平面上共分為12 塊。內部設4 道內支撐，支點支于壁體隔艙結構上。

2 鋼圍堰施工的難點

鋼圍堰結構安全是水下施工管控的重點，在其使用過程中的監控監測是重要工作內容。對于鋼圍堰垂直度、平面位置、封底與艙壁混凝土標高、內外部水位差、水流速度等常規測量，可以借助普通光學測量儀器和簡易測試儀器等手段完成監測，但鋼圍堰結構的變形和應力監測作為監測工作的重難點，鋼圍堰受力參數是決定鋼圍堰結構安全性的重要因素。通過對國內外相關技術成果的查閱，應力監測目前主要采用預埋應力傳感器進行數據采集與分析的手段進行，其方法是切實有效的；變形監測技術的研發相對落后，相關課題研究不多，相關的技術措施與標準還有待進一步完善[4]。

3 鋼圍堰施工技術

鋼圍堰在加工場地分節分塊段加工好，經檢驗合格后，用平板車轉運到拼裝現場，在作業平臺上用履帶吊拼裝。首先，在拼裝平臺上測量放樣出底節鋼圍堰刃腳平面輪廓線及塊段分段線，鋼圍堰的拼裝順序是依次逐塊拼裝，遵循左右對稱、前后對稱原則，圍堰先拼裝兩側短邊節段，再拼裝長邊節段，最后在長邊節段合龍。實際拼接時要隨拼裝情況進行調整，待全部點焊成型后方可全面施焊。第一塊段鋼圍堰的安裝要嚴格控制其平面位置尺寸及垂直度偏差，經檢測符合要求后方可固定。當拼裝某一塊段時，發現其平面位置尺寸及垂直度與設計位置誤差較大時，盡可能切割接縫調整該塊段的位置，以減少合龍段拼裝時出現較大的累積誤差。焊接兩塊鋼圍堰之間的拼裝縫，要求用煤油檢測其滲透情況，焊接應采取措施減少面板的變形，先分節段對稱跳焊，再補焊到達滿焊，焊接過程焊接臨時固定碼板。

拼裝圍堰合龍段前，對合龍段兩側間距進行監測：監測點布置在兩側節段外壁板上，間隔1 m；確保兩側外壁板垂直度不大于1%，以保證合龍段順利嵌入；在一天當中的低溫時段將合龍段嵌入并焊接固定碼板，再進行焊接，以確保圍堰整體尺寸的精度。合攏時應注意：①按照設計位置安裝導向槽、定位鉗、限位座以及5 t 倒鏈，在圍堰壁板上標定連接鋼板的位置；②通過拽拉倒鏈，調整導向槽和定位鉗，控制對接偏差在2 mm 內；③圍堰對接到位后，插入插銷，臨時鎖定圍堰；④按照標定位置焊接連接鋼板[5]。

4 變形測量方法選擇

鋼圍堰受構造特性、使用情況、工作環境等制約，其變形監測比較困難。利用普通光學測量儀器使用測邊交會、自貼式反射片取代棱鏡、免棱鏡等方法，不僅不能對其進行直接測量，其測量精度較低不能滿足技術要求。在監測鋼圍堰圓形變形時，相關人員把應變傳感器在同一鋼圍堰的截面上布置，測得平均應變后換算出結構變形的測量方法，但運用這種方法對鋼圍堰的變形值進行換算得出的并不是局部的變形值，而是一個平均值，并且運用該方法不能測量異形的鋼圍堰。變形測量目前比較先進的是數字全信息干涉法，因對設備要求高、操作十分繁瑣，衍射計算復雜等尚未推廣運用，所以想要為鋼圍堰的使用提供安全保障，需要對測量鋼圍堰變形的便捷、可靠的方法進行研究和探索。結合國內外結構變形監測技術研究成果，可以選擇千分表和位移收斂儀作為有效的測量儀器，其特點是操作簡便、測量精度高，運用機械傳遞位移的原理對測點位移的變形值進行測量，把兩者有效結合可對鋼圍堰的變形進行實時測量[6]。

5 變形監測措施

結合該大橋鋼圍堰的設計文件，運用MidasCivil 有限元軟件，按實際選取鋼圍堰最不利工況進行結構內力驗算，從理論上論證鋼圍堰結構設計的安全性，并找出結構受力較弱的部位，即把監測點設置在其最小剛度、最大變形量的位置，通過對測點處的理論變形值進行計算，為建立完善的監測預警系統提供保障。在鋼圍堰使用過程中，運用有限元軟件仿真模擬分析鋼圍堰各工況恢復情況下結構受力情況、內外水位差變化等，使用位移收斂儀和千分表測量相結合的方式，實時采集結構變形數據，通過實測值與理論值對比判定結構的安全狀態。通過計算鋼圍堰截面剛度最小、變形量最大的位置在艙壁混凝土頂面向上50 cm處，在此位置沿鋼圍堰內壁板面周圈對稱布設變形監測點。

鋼圍堰變形測量宜首選千分表直接測量，采用千分表測量需要設置固定點，但在鋼圍堰抽水和前期橋墩施工時期并不能搭設固定支架，所以測量時可以使用位移收斂儀。使用位移收斂儀對鋼圍堰變形進行測量是測量兩個測點間距離，因為發生相對位移的兩點間測得距離不同，所以兩點間的相對位移量就是兩次測量的距離差，即變形值。

在鋼圍堰入水安裝前應先對監測變形的點進行設置，使用位移收斂儀設定兩對稱測點間距離的測量值L，使用鋼圍堰的過程中兩測點距離為Li，測點處實際變形值是ΔL儀=（L-Li）/2，理論算得監測工況下該測點的變形值是ΔLi。對比理論變形值ΔLi和實測變形值ΔL儀，如果理論變形值大于實測變形值，說明實際結構剛度比理論計算剛度大，因為通過理論計算鋼圍堰各工況的結構變形都符合相應的規范，可判定鋼圍堰結構是安全性；反之則說明實際結構剛度比理論計算剛度小，但只要其比預警值小仍然可以對鋼圍堰結構的狀態判定為安全，如果超出預警值則應該發出警報，并及時采取針對性的解決措施。

隨著測點被不斷增加的墩身施工高度遮擋，圍堰變形便不再適合使用位移收斂儀進行測量，再對鋼圍堰變形進行測量時可使用千分表。在對應測點的墩身位置預埋托架，然后安裝千分表記錄其初始讀數是D，而鋼圍堰實際變形量是運用位移收斂儀測得的ΔL儀=（L-ΔLi）/2 值，也是運用千分表對鋼圍堰變形量測量的基數。在監測的過程中千分表的讀數Di是變形增減量，測點處的具體變形值是ΔL表=ΔL儀+（Di-D），在監測情況下對該測點的變形通過理論計算得出該值是ΔLi，通過對比理論變形值ΔLi和實測變形值ΔL表，判斷鋼圍堰結構的安全情況。

6 實踐效果

通過具體的監測施工過程得出，實測的結果和理論數據具有較好的吻合性，實測鋼圍堰結構變形值比理論計算值偏大約5%～10%。通過對深水鋼圍堰變形監測技術在本工程中的研究及運用，表明所選理論與實測對比分析評價的監測方案及位移收斂儀與千分表相結合的測量方法可行性高、穩定性好，為圍堰在各工況下的穩定、安全運行，為及時、準確地掌握數據變化提供了良好的保障，圓滿完成了P3、P4 橋墩深水基礎施工，可在今后類似的鋼圍堰施工監測中推廣運用。

7 結束語

盡管在測量圍堰變形情況時采用千分表和位移收斂儀相互結合的方式的操作相對簡單，可以得到準確可靠的數據，根據需要對相關數據進行實時采集，對測量各種形狀的鋼圍堰變形都比較適用。科學技術在不斷進步與發展，對鋼圍堰變形監測技術仍需要深入研究和探索，提出更有效、便捷的監測手段。