蘭州中山橋橋墩外鋼圍堰施工關鍵技術

陳新林 李少芳 朱慈祥 鄭 偉 武向東

（武漢二航路橋特種工程有限責任公司 武漢 430071）

蘭州市中山橋位于蘭州城北白塔山下、金城關前，有“天下黃河第一橋”之稱，是蘭州市內標志性建筑之一，2006年被確定為國家文物單位。大橋全長233.5m，為5跨簡支鋼桁架橋，單孔跨徑46.7m，橋寬9.55m。中山橋作為一座歷史悠久的橋梁，現已超過其設計使用年限，到了功能快速衰退期。2009年8月19日是蘭州黃河鐵橋建成100周年，近代雖然經過5次維修，但是百年老橋經過風雨滄桑，橋梁發生了一些影響安全及耐久性的病害。因經濟社會發展及文物保護的要求，需對本橋進行維修加固，以提高橋梁結構的防洪、抗震及耐久性。根據現場實際情況以及往年水文資料顯示，本次橋墩加厚混凝土施工正位于中山橋黃河水位枯水期，施工時橋墩處水深2～4m［1］。為此，采取在橋墩處安裝鋼圍堰，對圍堰內清基封底抽水后，進行墩柱外包混凝土施工。

1 工程概況

1.1 水文地質

中山橋建于百年之前，原建橋資料匱乏，為了保證橋墩鋼圍堰施工的順利進行，對橋墩及基礎的水下情況、橋墩材料及位處的河床情況進行鉆探和試驗。鉆探的辦法主要是對橋墩和基礎進行鉆探取心。通過鉆探得出的數據見表1。

表1 1～4號橋墩高度及厚度 m

通過水下探測試驗發現：橋墩由漿砌片石和素混凝土組成，橋墩基本都坐落在基巖上，橋墩覆蓋層為粒徑3～8cm 黃河卵石［2］。

1.2 鋼圍堰施工重點和難點

中山橋橋墩采用外包混凝土進行加固，為此提出沉箱干作業法加固水下橋墩技術，即根據工程實際情況及技術論證，在橋墩外設置分節分單元的鋼圍堰截水來實現干作業空間。施工重點、難點如下：

（1）由于覆蓋層厚，全是大粒徑黃河卵石，水下施工困難，鋼圍堰下沉難度十分大。

（2）由于受條件限制和保護文物的需要，起重設備和大型船舶無法使用，且橋下空間狹小，鋼圍堰吊裝十分困難。

2 鋼圍堰設計與受力驗算

2.1 鋼圍堰結構設計

蘭州中山橋鋼圍堰施工邊界條件復雜，施工時期為黃河枯水期，黃河上無大型起重設備，且大型機械設備無法作業施工，同時吊裝時受到橋面系的影響。經綜合考慮，采用了分3節拼裝焊接施工的雙壁鋼圍堰，同時考慮到在吊裝時較少水沖擊力對圍堰的影響，將圍堰的結構形式設計為尖角狀態，鋼圍堰設計圖見圖1～圖2。

圖1 圍堰平面總體布置圖（單位：mm）

圖2 圍堰立面布置圖（單位：mm）

2.2 鋼圍堰計算基礎數據

鋼圍堰頂標高＋8.2 m，底標高＋0 m，下沉水位＋8.2－0.7＝7.50 m，施工（抽水）水位＋7.50m；基巖標高－3.50 m，下沉時最大流速＋3.0m／s；第1節高度3.4m（含刃角），第2節高度3.0m，第3節高度1.8m；第1節吊裝時起吊重量49t，第2節吊裝時起吊重量32t，第3節吊裝時起吊重量19t；混凝土干容重24kN／m3，護筒與封底混凝土間的粘結力f＝100kN／m2；鋼圍堰內周長尺寸39.6m，外周長尺寸45.0m，壁厚0.8m，壁體面積33.84m2。

2.3 鋼圍堰驗算結果

結構受力工況見圖3、圖4。

圖3 內面板受力體系

圖4 外面板受力體系

計算中避開傳統計算的解析算法，直接考慮圍堰整體的空間受力特性，采用 MIDAS／CIVIVL對鋼圍堰進行空間分析。面板采用板單元，豎向支撐和橫撐采用梁單元，環板采用T 形截面，實腹部分采用三點板單元。空間模型共有1333個節點，2516個梁單元，1210個板單元。面板采用δ＝8mm 鋼板，隔艙板采用δ＝12mm鋼板，縱向次梁為∠75 mm×50 mm×8 mm 角鋼，水平環板為12mm×200mm 和12mm×228 mm 鋼板，水平斜撐為∠70mm×70mm×6mm等邊角鋼。主要計算結果見圖5～10。

本鋼圍堰主材為Q235鋼材，查文獻［1］的容許應力為：抗拉、抗壓和抗彎強度設計值f＝215 MPa，抗剪強度設計值為125 MPa。計算結果均滿足規范要求。變形最大為9.73 mm。經后期施工驗證，鋼圍堰的設計計算完全滿足施工要求［3－4］。

圖5 空間模型

圖6 壁板壓力荷載

圖7 板單元應力

圖8 豎撐應力

圖9 梁單元應力

圖10 壁板變形

3 鋼圍堰施工關鍵技術

3.1 鋼圍堰區域卵石覆蓋層開挖

通過前期地質調查發現，橋墩覆蓋層為大粒徑的黃河卵石，卵石粒徑3～8cm，最大粒徑為40 cm。由于卵石層厚、粒徑大，通過簡單的射水振搗下沉鋼圍堰方式很難使鋼圍堰下沉到設計高度。為此，通過慎重考慮，采用事先對基坑進行開挖后再下沉鋼圍堰的方式進行施工。

挖機開挖的辦法是：先加工一個可以用于裝載挖機的鋼浮箱，然后將挖機固定在鋼浮箱上，通過機動船將鋼浮箱移至橋墩處，待鋼浮箱與橋墩固定后挖機開始開挖覆蓋層。

實踐證明，通過挖機開挖卵石是最行之有效的辦法，既解決了鋼圍堰下沉難度大的問題，也節約了大量的人力物力。

3.2 鋼圍堰安裝

考慮到鋼圍堰安裝的條件限制，施工從2個方面考慮：首先吊裝支架必須輕巧可行，單個吊點的受力不能過大；其次吊裝的空間不夠，必須減小鋼圍堰一次安裝的高度。基于這兩點，采用了“化整為零”的方法，即將一個鋼圍堰分成豎向3 節段、平面6節段進行加工，然后單片運至現場進行安裝，這樣就減小了鋼圍堰的安裝重量和高度［5］。

3.2.1 導向架設置

一般水位情況下，橋下凈空只有5m 左右，大型船舶和起重設備無法使用。針對實際情況，首先在橋墩上設計一個用型鋼制作的多功能整體支架，該支架在鋼圍堰安裝時具有和定位、導軌和吊裝反力支架作用，并能提供強大的水流抗力。

3.2.2 鋼圍堰吊裝

由于橋下的吊裝空間不夠，根據實際情況，等裝好鋼圍堰的運輸駁船定位后，通過前后吊點先把單片鋼圍堰整體平吊起來，然后將船移開，通過各吊點葫蘆的相互調節將單片鋼圍堰安裝至正確位置；然后按此辦法依次吊裝其他單片鋼圍堰。待1節6片鋼圍堰全部吊裝完畢后，再整體調位拼裝，拼裝誤差精度控制在5mm 以內。

3.2.3 鋼圍堰下沉

鋼圍堰是由豎向3節、橫向6節段組成，考慮到橋下凈空有限，下沉施工順序是：先拼裝鋼圍堰第1節，待拼裝完成后下沉至留出第2節鋼圍堰拼裝的空間，然后等第2節拼裝完成并和第1節連接成整體，再進行第二次下沉，直至設計深度。

鋼圍堰下沉主要是通過往鋼圍堰內倉注水加重的方式。鋼圍堰下沉的過程如下：

（1）對接及水密試驗。待第1節鋼圍堰和第2節鋼圍堰對接完成后，并將接高部分的所有焊縫進行水密試驗后開始對鋼圍堰整體下沉著床。

（2）復測標高。沿鋼圍堰周邊復測河床面標高，核對刃腳的高度及定位樁的長度、位置與實際情況是否相符，否則，采取相應措施。

（3）注水著床。復核無誤后對鋼圍堰立即注水加壓下沉，當鋼圍堰底部距河床面0.5 m 時，停止注水，進行糾偏，當位置正確，迅速注水著床。

（4）糾偏。在鋼圍堰內兩側面設置糾偏葫蘆，與導向支架連接，利用兩側糾偏纜同時收、放或一側松、一側緊等辦法以達到糾偏的目的。

（5）輔助下沉。鋼圍堰著床時，如遇到大的卵石，應派專業潛水員下到圍堰位置協助鋼圍堰吸土（石）下沉。

3.2.4 鋼圍堰封堵

待鋼圍堰著床后，圍堰外側利用挖機堆埋一定厚度的石頭，圍堰內側由潛水員在刃腳處堆填沙袋，直至圍堰內形成相對靜水環境［6］。

3.3 鋼圍堰封底混凝土施工

鋼圍堰封底混凝土施工屬于水下混凝土施工，水下混凝土就是在靜水或流速較小的水流條件下澆筑的混凝土［7］。也稱導管混凝土，是通過豎立的管子，依靠混凝土的自重進行灌注的混凝土。水下混凝土在水中能很好地流動擴展，具有一定的和易性和抗離析的特點，施工時塌落度一般在18～20cm。

由于橋下空間小、不能使用吊車等起重設備，為保證封底一次成功，考慮一定的流動半徑，在鋼圍堰內設8根導管，2個集料斗，通過地泵泵送混凝土。施工過程中每根導管都首封，導管澆筑水下混凝土示意圖見圖11。

圖11 導管作用示意圖

4 結語

在黃河上對舊橋橋墩外圍進行鋼圍堰施工還屬首次，蘭州市中山橋橋墩外圍鋼圍堰設計施工中不僅克服了技術上的很多難題，更是克服了冬季環境惡劣對施工的影響，保質保量地完成了所有加固內容。這為以后類似橋梁加固提供了一個成功的案列。

［1］中交路橋技術有限公司.蘭州中山橋維修加固工程兩階段施工圖設計［M］.北京：中交路橋技術有限公司，2010.

［2］甘肅水文地質工程地質勘察院.巖土工程勘察報告［R］.蘭州：甘肅水文地質工程地質勘察院，2010.

［3］GB50017－2003鋼結構設計［S］.北京：中國建筑工業出版社，2003.

［4］GB50300－2001建筑工程施工質量驗收統一標準［S］.北京：中國建筑工業出版社.2001.

［5］中交第二航務工程局.蘭州中山橋維修加固施工組織設計［M］.武漢：中交第二航務工程局，2010.

［6］謝媛媛，張建輝.阿蓬江大橋4 號墩雙臂鋼圍堰的設計與施工［J］.鐵道標準設計，2003（S1）：167－169，171.

［7］榮勁松.雙壁鋼圍堰封底混凝土施工［J］.華南港工，2007（2）：47－49，67.