漢宜鐵路蔡家灣漢江特大橋168號主墩雙壁鋼圍堰施工技術

周 文

(中鐵大橋局集團第三工程有限公司,廣州 510800)

1 工程概況

蔡家灣漢江特大橋是新建武漢至宜昌鐵路上的一座主橋跨度最大的雙線鐵路橋梁,橋址位于武漢市東西湖區、蔡甸區內和漢川市內。主橋跨越漢江航道,橋墩號為165號～170號,165號邊墩位于漢江左大堤外側,166號次邊墩位于漢江左大堤內側護坡腳處；167號和168號主墩位于漢江深水區,且168號承臺中心到漢江右堤二級護坡坡腳的距離為17.9 m。169號次邊墩和170號邊墩位于漢江右大堤外側。

主橋上部結構為5跨連續剛構,跨徑為(64+120+168+120+56) m,單箱單室直腹板、變高度、變截面結構,C55混凝土,三向預應力體系,M55管道壓漿。連續剛構箱梁頂板寬12.2 m,底板寬8.5 m,兩側懸臂翼緣板各寬1.85 m,梁高為4.5～10.5 m。下部結構均為圓端形實體墩身和承臺+鉆孔樁基礎,其中167號和168號主墩為雙薄壁墩身。主橋立面見圖1。

圖1 蔡家灣漢江特大橋主橋立面(單位：m)

168號主墩樁基設計為12根φ2.5 m的嵌巖柱樁,樁長24 m,3行4列布置。承臺設計尺寸為20.4 m×15 m×5.5 m,承臺四角均帶1/4圓弧角,圓弧半徑為2.0 m。承臺底面設計高程為+5.134 m,承臺頂面設計高程為+10.634 m。

2 工程地質和水文情況

2.1 水文情況

168號墩位于漢江河道深水中,施工時受漢江水位影響很大。漢江水文成果(橋位處)如下：H1%=28.04 m,Q1%=9 000 m3/s,V1%=1.73 m/s；最高通航水位設計為27.81 m,最低通航水位設計為13.85 m。河床面的實際高程為10.19 m。

漢江水流方向橫穿過橋梁,由線路右側→線路左側,線路法線與水流方向夾角為3°。

漢江(橋位處)在1999～2007年間的水位情況見表1。

表1 漢江(橋位處)1999～2007年水位統計 m

2.2 工程地質

168號主墩處從河床面至下依次為：粉砂、細砂、弱風化灰巖,具體地質情況見表2。

表2 蔡家灣漢江特大橋168號主墩地質情況

3 168號主墩承臺施工擋水結構選擇

168號主墩承臺全部埋置于河床中,屬于低樁承臺,施工時需要專門設置擋水結構擋水。168號主墩承臺施工具有以下難點。

(1)承臺處漢江水流速大：168號主墩位于漢江主河道中,水流速度大,平常最大流速可達1.6 m/s,河床沖刷大。

(2)施工時水位高且承臺設計埋置深：①168號主墩承臺施工安排在2009年4月左右,查表1得4月份平均水位為17.44 m,河床面以上的水深達7 m以上；②承臺底設計高程為5.134 m,河床面的實際高程為10.19 m,承臺施工時需要開挖河床5.056 m。

(3)承臺施工擋水結構受到的沖擊力大：承臺迎水面與漢江流水方向基本垂直，引起承臺截面阻水面積大,從而使擋水結構受到的沖擊力大。

(4)168號主墩承臺中心到漢江右堤二級護坡坡腳的距離為17.9 m,河床高差大,擋水結構施工后進行基坑開挖時靠大堤側會出現較大的側壓力,而擋水結構前后方向兩側上的側壓力差異會使擋水結構向河中方向移動,擋水結構向河中方向移動會使大堤護坡出現裂紋,進而會影響到漢江右堤的穩定。

從上述施工難點可以看出,168號主墩承臺施工的擋水結構需要具有抗沖刷穩定性好、剛度大、抗側壓力和水流沖擊能力強的功能,并且又要施工方便,而雙壁鋼圍堰具有以上功能,因此，168號主墩承臺施工擋水結構選用雙壁鋼套箱圍堰。

4 雙壁鋼圍堰構造

168號主墩雙壁鋼圍堰平面尺寸為23.9 m×18.5 m,四角均設1/4圓弧角,內、外圓弧半徑分別為2.25 m、3.75 m。鋼圍堰總高度為17.8 m,分3個節段,分節高度為6 m(底節)、6.28 m(第2節)、5.52 m(第3節),每節鋼圍堰又分14塊。鋼圍堰內外壁厚為1.5 m,共設置2層鋼管內支撐。水下混凝土封底厚度不小于3.0 m,內壁混凝土填充高度設計為8.0 m。雙壁鋼圍堰示意見圖2和圖3。

圖2 雙壁鋼圍堰立面(單位：mm)

圖3 雙壁鋼圍堰平面(單位：mm)

5 雙壁鋼圍堰施工工藝

雙壁鋼圍堰施工工藝流程：鋼圍堰拼裝平臺搭設→鋼圍堰底節、第2節及底層內支撐拼裝→提升裝置安裝→鋼圍堰提升、拆除拼裝平臺→鋼圍堰下放至水中→隔倉混凝土填充→鋼圍堰定位著床→提升裝置拆除→隔倉混凝土填充→鋼圍堰第3節接高及頂層內支撐拼裝→隔倉混凝土填充→鋼圍堰吸泥下沉、灌水助沉→鋼圍堰水下封底→施工承臺[1]。

5.1 鋼圍堰拼裝施工

鋼圍堰采用35 t浮吊進行對稱拼裝。鋼圍堰底節、第2節和底層內支撐在圍堰拼裝平臺上拼裝,第3節和頂層內支撐在鋼圍堰底節底口進入河床穩定后拼裝。鋼圍堰拼裝平臺示意見圖4。

圖4 雙壁鋼圍堰拼裝平臺及提升裝置示意(單位：mm)

鋼圍堰拼裝方法如下。

(1)鋼圍堰拼裝前要放出底部拼裝輪廓線,一般先拼裝圓弧塊段,再按對稱原則進行剩余塊段拼裝,具體順序如下：(3)→(10)→(6)→(13)→(2)→(9)→(7)→(14)→(4)→(11)→(5)→(12)→(1)→(8)。

(2)圓弧塊段拼裝時采取35 t浮吊垂直起吊,人工微調好刃腳位置,再調整塊段上口位置,最后用型鋼將鋼圍堰塊段內、外壁固定。

(3)其余直塊段拼裝時,塊段后端以前一塊段前端位置為準,塊段前端以測量放線為準。塊段調整好位置后用型鋼固定,再將前、后兩塊段之間的豎向焊縫用小鋼板進行定位焊接。

(4)每節鋼圍堰定位焊接完成,再按對稱的原則將豎向焊縫全部焊牢。當第2節鋼圍堰拼裝時定位焊接完成后,先對稱焊接與底節之間的水平焊縫,再對稱焊接塊段之間的豎向焊縫。

(5)檢查鋼圍堰底節、第2節焊縫,并進行滲透和水密試驗[2],進行軸線和尺寸測量。

(6)在第2節鋼圍堰內壁上安裝內支撐墊座,事先在駁船上將內支撐拼成整體,利用35 t浮吊整體吊裝對孔,安裝螺栓并擰緊。

(7)第3節鋼圍堰按(1)～(4)方法對稱拼裝接高[3],檢查焊縫,進行軸線、尺寸測量和滲透試驗,同時按步驟(6)方法進行頂層內支撐拼裝。

5.2 鋼圍堰提升、拆除拼裝平臺

割除鋼圍堰拼裝時的固定型鋼支撐,利用鋼圍堰提升裝置的提升設備將鋼圍堰底節、第2節及底層內支撐整體提升10 cm高，鎖緊φ32 mm精軋螺紋鋼筋吊桿螺帽。圍堰靜置2 h后,人工開始拆除拼裝平臺。先拆除圍堰刃角下的鋼支墊,再將鋼圍堰下方的部分I25型鋼縱梁移走,最后將拼裝平臺牛腿中間部分割除,保留兩端部分作施工走道。

5.3 鋼圍堰下放至水中

將提升設備千斤頂上方的螺帽擰松,開動油泵使16臺千斤頂油缸均伸出15 cm,再將螺帽擰緊,開動油泵使千斤頂油缸繼續伸出1 cm,擰松千斤頂下方的螺帽,然后16臺千斤頂同時回油(速度保持相同)，使千斤頂伸出的油缸縮回15 cm,擰緊千斤頂下方的螺帽,繼續回油使千斤頂油缸全部縮回。循環操作將鋼圍堰下放入水使鋼圍堰處于自懸浮狀態。

5.4 隔倉內混凝土填充

棧橋上的混凝土泵車分次均勻對稱地對鋼圍堰各隔倉進行混凝土填充,以防鋼圍堰的偏移[4]。混凝土每次填充高度為50 cm,人工配合振搗密實。隔倉內混凝土分4階段進行填充,每階段填充高度分別為2、1.4、3.1、1.5 m,共8 m。鋼圍堰在水中懸浮時,所有的隔倉內對稱均勻填充50 cm高混凝土后,利用提升裝置將鋼圍堰下沉到懸浮狀態。再次向隔倉內填充50 cm高混凝土,再次利用提升裝置將鋼圍堰下放。循環填充至隔倉內混凝土填充至設計高度。鋼圍堰在河床中下沉時,所有的隔倉內對稱均勻填充50 cm高混凝土后,再按原來填充順序進行下一輪50 cm高混凝土填充,循環填充隔倉內混凝土至設計高度。

5.5 鋼圍堰定位著床

圍堰底口離河床面60 cm時停止下沉,讓吊桿承力,分次對稱向隔倉內填充1.4 m高的混凝土,再利用圍堰4個方向上的16根纜繩和牽引裝置調整鋼圍堰底口的平面位置,檢查圍堰的傾斜度,開動提升設備讓鋼圍堰底口著床,再填充隔倉混凝土使圍堰下沉至河床中穩定,拆除起吊裝置。

5.6 鋼圍堰吸泥下沉、灌水助沉

鋼圍堰采用空氣吸泥機吸泥下沉。吸泥管直徑為250 mm,且下端加工成鋸齒狀,空壓機排氣量為20 m3/min。鋼圍堰吸泥下沉方法如下。

(1)吸泥機吸泥應從圍堰中部開始,對稱、均勻、逐步分層向刃腳前進,吸泥管下口不能低于圍堰刃腳尖高程,防止吸泥坑過深引起翻砂。

(2)開通圍堰連通管閥門,保持圍堰內、外水位平衡[5]。專人觀察,水位差大時停止吸泥補水。

(3)吸泥時用浮吊拎住吸泥管，上、下搗動搗松土體加快吸泥。

(4)吸泥出水口遠離鋼圍堰外側設置且經常移動位置,從而使吸出的泥土遠離圍堰且堆放均勻。

(5)在隔倉內均勻對稱加水,增加鋼圍堰質量幫助下沉。

(6)鋼圍堰底口離設計高程差1.5 m時,緩慢吸泥下沉,勤測量,隨時糾偏調整,使鋼圍堰高程到位時底口的位置和底節的傾斜度滿足承臺的結構尺寸和位置要求。

5.7 鋼圍堰水下混凝土封底

鋼圍堰水下混凝土封底采用φ300 mm的導管進行垂直導管法施工[6]。鋼圍堰水下混凝土封底施工從下游向上游進行,同排導管灌注混凝土時先施工挨近圍堰周圈的導管。水下混凝土封底步驟如下。

(1)采用空氣吸泥機對圍堰內河床進行吸泥清基,派潛水員對圍堰刃腳下鋼板面、鋼護筒側面及圍堰內的河床面進行檢查[7]。

(2)打開在圍堰四面安裝的12個φ150 mm內外連通管閥門使圍堰內、外連通。

(3)在圍堰的頂層內支撐上搭設圍堰水下封底平臺,在平臺上成4行4列布置16根水下導管,在4個導管頂口設置儲料斗(倒用,首批混凝土后換用小斗)。

(4)將天泵或地泵前端的輸送軟管接到儲料斗上,將儲料斗儲滿混凝土。打開儲料斗的閥門使混凝土快速下落,與之同時天泵或地泵繼續輸送混凝土到儲料斗中,使首批混凝土下落完成后埋住導管底口0.5 m以上。當導管首批混凝土筑堆成功后,該導管即轉入正常灌注混凝土狀態[8]。

(5)同排靠圍堰周圈的1根導管的混凝土首批混凝土灌注后,再進行旁邊的另一根導管的首批混凝土灌注。后排導管首批混凝土灌注后,再進行前排導管首批混凝土灌注。同時繼續向后排的導管中下混凝土,直到后排導管周圍的混凝土面高程滿足設計要求,抖動拔管,洗凈堆放。

(6)勤量測鋼護筒周邊及圍堰死角處等混凝土面,當封底厚度不夠時，應立即向該部位附近的導管補充混凝土。

6 鋼圍堰施工中問題處理

6.1 大堤方向土體側壓力大處理

為了減小雙壁鋼圍堰下沉時大堤方向土體側壓力,防止鋼圍堰受側壓力后在下沉時向河中方向移動,保待施工期間大堤穩定,提前對大堤進行防護。在離168號主墩承臺中心15.1 m位置(即離漢江右堤二級護坡坡腳2.8 m)，用打樁機沿橫橋向插打1排拉森Ⅵ型鋼板樁,在漢江右堤防護平臺上，打樁機沿橫橋向用插打1排12根φ800 mm的鋼管樁(每2根1組)，再在鋼板樁后設置1根長水平錨梁,在每2根鋼管樁后設置1根短水平錨梁,用6組鋼絞線(6φ15.24 mm)分別前后將長、短水平錨梁錨住。

6.2 河床起伏大鋼圍堰著床后易傾斜處理

河床起伏大鋼圍堰著床后易傾斜,提前對河床進行清理。168號主墩鋼圍堰外側(大堤方向)與大堤防護鋼板樁之間的高河床采取長臂挖掘機挖除表面砂層，以降低高程,其余位置用吸泥船將鋼圍堰下沉范圍內河床進行吸泥降低河床高程,并使圍堰內、外的河床面大致水平。鋼圍堰下沉范圍內河床清理后高程為+8.000 m。

6.3 漢江水流速大,圍堰底口迎水面沖刷大不能封口處理

由于漢江水流速大,圍堰底口著床后在迎水面始終沖刷大且不能封口。處理方法：停止吸泥,在鋼圍堰迎水面外側投填一船碎石防沖刷,將吸泥的棄土堆填在碎石上,同時向圍堰用大功率水泵補水使圍堰內水位略高于外側,然后再進行吸泥,一段時間后圍堰底口全部進入河床。

6.4 吸泥翻砂處理

圍堰下沉處河床為砂層,鋼圍堰吸泥補水不及時就會出現翻砂現象。施工時專人觀察內外水位差,及時用大功率的水泵向圍堰內補水,使圍堰內水位高于外側30 cm左右。吸泥操作時從中間往周圍擴展形成鍋底防止翻砂現象,同時吸泥時吸泥管底部不能超過圍堰刃腳底。

6.5 筑堤黏土層處理

鋼圍堰在漢江右堤側吸泥時遇到硬度較高的筑堤黏土層,吸泥困難。施工時采用高壓射水將黏土層沖松動后,邊用吸泥管鋸齒上、下搗松土體邊用吸泥機吸泥。

6.6 鋼圍堰傾斜和位移處理

鋼圍堰吸泥操作不當時容易出現傾斜和水平位移。鋼圍堰糾偏調整要分次進行,一般是先調整傾斜度，保證鋼圍堰頂口高程一致,再調整鋼圍堰底口的水平位置。具體方法如下。

(1)鋼圍堰傾斜度調整：在頂口高一側的圍堰內、外側吸泥并使之緩慢下沉,并使圍堰頂面逐步調平,逐步減小鋼圍堰傾斜度。

(2)鋼圍堰底口水平位移調整：根據測量資料確定鋼圍堰底口要移動的方向,在鋼圍堰底口要準備移動方向的后面一側的鋼圍堰內、外側進行緩慢吸泥,使后面一側的鋼圍堰先下沉,再對鋼圍堰底口要移動的方向的前面一側的鋼圍堰內、外側進行緩慢吸泥,使前面一側的鋼圍堰在下沉的同時繞已經下沉完成的后面一側的底口轉動,從而使鋼圍堰底口向要移動方向移動。

7 結語

(1)鋼圍堰施工前插打鋼板樁和鋼管樁形成錨固體系對漢江右堤進行防護,減小了鋼圍堰下沉時大堤方向的側壓力,也保證了漢江右堤的安全。

(2)提前利用挖掘機挖除和吸泥船吸泥降低河床高程,既減小了鋼圍堰在河床內下沉的深度和施工難度,又加快了施工進度,還節省了施工費用。

(3)在鉆孔樁施工的同時進行鉆孔平臺外圍部分拆除和安裝圍堰拼裝平臺施工,加快了施工進度。

(4)鋼圍堰在現場拼裝,既利用了現有樁基施工的35 t浮吊,又減少了大型的鋼圍堰浮運機械和定位設備進場,節省了施工費用。

(5)鋼圍堰下沉施工時遇到了筑堤黏土層,吸泥困難,采取了高壓射水與吸泥相結合的方式,并用浮吊拎起吸泥管利用其下端鋸齒搗松黏土層,加快了吸泥施工進度。

(6)鋼圍堰糾偏施工和最后1.5 m緩慢吸泥下沉,使圍堰的下沉精度良好,確保了承臺的設計位置和尺寸。

[1] 付彥生.靈江特大橋41號墩矩形雙壁鋼圍堰施工技術[J].鐵道建筑,2008(4):15-16．

[2] JTJ041—2000,公路橋涵施工技術規范[S]．

[3] 謝媛媛,張建輝.阿蓬江大橋4號墩雙壁鋼圍堰的設計和施工[J]. 鐵道標準設計,2003(S1):161-164．

[4] 鐘振云.深水基礎圍堰施工方案比選[J]. 鐵道建筑,2009(2):6-8．

[5] 曾億忠.南京三橋北主塔承臺啞鈴形雙壁鋼圍堰施工[J].橋梁建設,2005(6):59-62．

[6] 翁典鴻.特殊條件下雙壁鋼圍堰水下封底施工技術[J].鐵道標準設計,2001(4):27．

[7] 張俊慶,黃永紅.印家坡梅江1號大橋3號墩鋼圍堰下沉施工[J].鐵道標準設計,2003(S1):178-180．

[8] 吳勝東.潤揚長江公路大橋建設第四冊—斜拉橋[M].北京:人民交通出版社,2005．