鋼圍堰設(shè)計(jì)與施工工藝

陳中月 （安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088）

1 工程概況

1.1 橋梁概況

巴中至達(dá)州高速公路某特大型橋梁的跨徑組合為（8×40m）簡(jiǎn)支T梁+（85m+160m+85m）連續(xù)剛構(gòu)+（10×40m）簡(jiǎn)支T梁，橋梁全長(zhǎng)1070m。主橋9#、10#主墩為空心薄壁墩，墩高約為120m，截面為7.75×10m，壁厚0.8～1m。樁基采用5m厚承臺(tái)下設(shè)16根220cm鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)32m。

1.2 河流概況

跨越河流為Ⅵ級(jí)航道，河寬約250m，跨越河段為水電站庫(kù)區(qū)范圍，設(shè)計(jì)水位為302m，施工水位為288m，水深17m，橋面至水面高差約為107m。施工期間最大流速按電站放水流速測(cè)定為2.0m/s。

2 施工方案概述

根據(jù)墩位處的實(shí)際施工水深和地質(zhì)條件以及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的具體形式，決定采用鋼圍堰方案進(jìn)行樁基和承臺(tái)施工。在枯水期之前制作好鋼圍堰及鉆孔鋼護(hù)筒，在墩位附近做好圍堰就位的一切準(zhǔn)備工作，待枯水期到來(lái)時(shí)，立即進(jìn)行導(dǎo)向浮箱平臺(tái)的安設(shè)并搭設(shè)施工用門(mén)式吊機(jī)及鋼圍堰首節(jié)拼裝平臺(tái)。首節(jié)鋼圍堰在拼裝平臺(tái)上拼裝完成后，用門(mén)式吊機(jī)吊放入水，然后逐節(jié)接高鋼圍堰并吸泥下沉鋼圍堰至河床巖面，在圍堰內(nèi)上搭設(shè)鉆孔平臺(tái)，然后進(jìn)行圍堰封底，待封底混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求后，開(kāi)始進(jìn)行樁基施工，最后進(jìn)行承臺(tái)施工的方案。

3 具體工藝及流程

3.1 水上導(dǎo)向平臺(tái)設(shè)計(jì)

導(dǎo)向平臺(tái)均采用自制浮箱組拼而成，自制浮箱尺寸為4.0m×3.0m×2.0m，自重4.0t。每墩處設(shè)導(dǎo)向浮箱40個(gè)。

3.1.1 受力計(jì)算

①鋼圍堰動(dòng)水壓力R1=KrAV2/2g

K——水流阻力系數(shù)，矩形取K=1

r——水密度，r=10kN/m3

g——重力加速度，g=9.81m/s2

A——鋼圍堰入水部分在垂直水流平面上的投影面積A=22.7×17=386m2

V——計(jì)算流速，V=1.1×2×1.1=2.42m/s

R1=1.0×10×386×2.422/(2×9.81)=1153（kN）

②鋼圍堰風(fēng)阻力:R2=K1×KZ×W0×F

K1——風(fēng)載體形系數(shù)，K1=1.0

KZ——風(fēng)壓高度變化系數(shù)，KZ=1.0

W0——基本風(fēng)壓，W0=0.5kN/m2

F——擋風(fēng)面積,在計(jì)算水位下鋼圍堰露出水面的高度:1.0m，F(xiàn)=22.7×1=22.7m2

R2=1.0×1.0×0.5×22.7=11.4kN

③導(dǎo)向浮箱水流阻力R3=(fSV2＋ΦA(chǔ)1V2)×10-2×2

f——鐵駁摩阻力系數(shù),f=0.17

S——船舶浸水面積,S=L(2T+0.85B),L 為船舶長(zhǎng)度(48.0m)，T 為吃水(1.25m)，B 為船寬(6.0m)，S 為48×(2×1.25＋0.85×6)=355.9m2

Φ——阻力系數(shù)，方頭船Φ=10

A1——船舶垂直水流方向的投影面積,A1=T×B=5.4m2

V——計(jì)算流速，取2.42m/s

R3=(0.17×355.9×2.422＋10×6.0×2.422)×10-2×2=13.4kN

④導(dǎo)向浮箱的風(fēng)阻力R4=K1KZ1W0F1×2＋K2KZ2W0F2

K1=1.0 KZ1=1.0

F1——導(dǎo)向船組擋風(fēng)面積F1=4.5m2

K2——導(dǎo)向船上聯(lián)結(jié)梁,龍門(mén)架等的風(fēng)載體型系數(shù),綜合取0.5

KZ2——上項(xiàng)設(shè)施的風(fēng)壓高度變化系數(shù),綜合取1.15

F2——上項(xiàng)設(shè)施的擋風(fēng)面積,估算為200m2

W0=0.5 kN/m2

R4=1.0×1.0×0.5×4.5×2＋0.5×0.5×1.15×200=62.0kN

⑤主錨所受的總錨力R總=R1+R2+R3+R4=1240 kN

3.1.2 主錨

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式,鋼筋混凝土錨的錨著力可按公式計(jì)算:R=W×K

所需主錨總重量:W=R/K=1240/1.3=954kN

采用294kN鋼筋混凝土錨，954/294=3.2

為安全考慮采用4個(gè)294kN鋼筋混凝土錨,每個(gè)主錨受力:1240/4=310 kN。

3.1.3 尾錨

尾錨的作用是便于和主錨對(duì)拉收緊,調(diào)整導(dǎo)向船上下游位置。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),配2個(gè)100kN鋼筋混凝土錨。

3.1.4 鋼絲繩

選擇用2根6×37-36.5鋼絲繩,按下式校核安全系數(shù):K=αFg/R=2×0.82×856/310=4.53

3.1.5 錨錠制作及拋設(shè)

在臨時(shí)碼頭位置制作好C25混凝土錨錠（30t、敷設(shè)位置見(jiàn)圖1），待錨錠強(qiáng)度達(dá)到C25號(hào)后即可采用吊車(chē)將錨錠吊上由浮箱拼裝的運(yùn)輸船船頭并拖運(yùn)至需設(shè)錨錠位置，下沉錨錠至河床，錨繩采用油桶漂浮待用。

圖1 施工總體布置圖

3.2 浮式平臺(tái)搭設(shè)及龍門(mén)吊安裝就位

浮式平臺(tái)采用自制浮箱及M型萬(wàn)能桿件組拼而成，每個(gè)墩處設(shè)4.0m×3.0m×2.0m浮箱40個(gè)，待整體平臺(tái)拼裝好后，采用預(yù)先已經(jīng)設(shè)置好的錨錠錨繩調(diào)整平臺(tái)平面位置，采取全站儀準(zhǔn)確定位浮箱平臺(tái)平面位置并收緊拉纜。

龍門(mén)吊設(shè)計(jì)承載能力為20t，安裝在已成功定位的浮式平臺(tái)上。浮式吊機(jī)立柱及主梁均采用M型萬(wàn)能桿件組拼而成。

3.3 圍堰施工

3.3.1 圍堰設(shè)計(jì)

施工期間最高設(shè)防水位288m，圍堰頂標(biāo)高為289m，底標(biāo)高為271m，施工時(shí)以實(shí)際巖面標(biāo)高為準(zhǔn)，圍堰高度18m，分節(jié)高度為5+5+4+4的形式，圍堰壁厚1.5m，圍堰內(nèi)壁尺寸為19.7m×26.0m，四周分別比承臺(tái)大1m，以利圍堰下沉和保證承臺(tái)尺寸（見(jiàn)圖2）。

3.3.2 圍堰加工

鋼圍堰沿高度方向分成4節(jié)，沿環(huán)向分為立體狀的8塊，則圍堰總共分成了32塊，其最大分塊重量不大于20t。加工制作好的圍堰塊，采用吊車(chē)起吊上運(yùn)輸車(chē)運(yùn)至裝卸碼頭后，裝上由自制浮箱組拼成的運(yùn)輸船，運(yùn)至拼裝平臺(tái)。

3.3.3 鋼圍堰拼裝及下沉施工

鋼圍堰首節(jié)在首位相連的平駁船上組拼，用導(dǎo)向船上的龍門(mén)架吊裝入水，然后分片分節(jié)接高施沉鋼圍堰，著床后用空氣吸泥機(jī)吸泥下沉。

3.4 鉆孔平臺(tái)搭設(shè)、護(hù)筒安裝及鋼圍堰封底

3.4.1 鉆孔平臺(tái)搭設(shè)

通過(guò)測(cè)量及圍堰糾偏等措施將圍堰準(zhǔn)確下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高和平面位置，在圍堰頂測(cè)量放樣鉆孔平臺(tái)及鋼護(hù)筒位置，利用龍門(mén)吊在圍堰頂安裝型鋼，搭設(shè)好鉆孔平臺(tái)，平臺(tái)頂布置I25a型鋼及10mm花紋鋼板。

3.4.2 護(hù)筒設(shè)計(jì)

圖2 鋼圍堰總體設(shè)計(jì)圖

鋼護(hù)筒采用Q235鋼板，鋼護(hù)筒內(nèi)徑為φ240mm，壁厚為16mm。9#、10#墩基礎(chǔ)樁基施工共32根鋼護(hù)筒，每根鋼護(hù)筒長(zhǎng)18m，分兩節(jié)制作。

3.4.3 護(hù)筒運(yùn)輸及安裝

護(hù)筒在岸上制作完成，用浮式浮箱船轉(zhuǎn)運(yùn)至圍堰旁，在鉆孔平臺(tái)上完成接長(zhǎng)及下放就位。

3.4.4 圍堰封底混凝土澆注施工

單個(gè)鋼圍堰封底混凝土為矩形混凝土結(jié)構(gòu)，其尺寸為19.7m×26m，厚度h=9m。封底混凝土設(shè)計(jì)為水下C20，封底混凝土頂標(biāo)高澆注至承臺(tái)底約30cm時(shí)停止?jié)沧ⅲ瓿煞獾谆炷凉嘧?。利用已搭建好的鉆孔施工平臺(tái)作為圍堰封底混凝土澆注平臺(tái)，在平臺(tái)布置兩個(gè)集料斗和布置混凝土溜槽。封底水下混凝土澆注采用拔球法澆灌，在單個(gè)圍堰范圍內(nèi)均勻布置12根φ299的水下混凝土導(dǎo)管。

3.5 樁基鉆孔成孔成樁施工

9#、10#墩各16根φ2.2m的樁基。樁長(zhǎng)均為32m，進(jìn)入基巖的深度均超過(guò)20m。擬選用一個(gè)主墩8臺(tái)沖擊鉆錯(cuò)孔布置同時(shí)作業(yè)分2批鉆孔實(shí)施成孔施工。鉆孔次序的確定：根據(jù)樁基的具體布置方式對(duì)所有樁基進(jìn)行合理的分批分次排序，然后分配到每臺(tái)鉆機(jī)實(shí)施鉆孔。

3.6 承臺(tái)施工

待樁基全部完成經(jīng)檢查合格后，即開(kāi)始將圍堰內(nèi)水抽出，根據(jù)圍堰內(nèi)外水位差，及時(shí)進(jìn)行內(nèi)撐添加，防止圍堰被擠扁，將圍堰內(nèi)水抽盡后，將樁樁基頭超長(zhǎng)混凝土破除至設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高，然后澆注厚度約30cm的墊層至設(shè)計(jì)承臺(tái)底標(biāo)高，墊層混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求后即可在墊層上面放樣施工承臺(tái)。

[1]JTG/TF50-2011,公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2011.

[2]GB50007-2003,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2003.

[3]王峰.深水基礎(chǔ)超長(zhǎng)鋼板樁圍堰理論研究與應(yīng)用[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2012.

[4]陳侃.安慶長(zhǎng)江公路大橋特大型深水鋼圍堰施工技術(shù)[J].安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2003(1).

[5]彭建萍.單雙壁結(jié)合鋼圍堰設(shè)計(jì)與施工[J].山西建筑,2009(16).

[6]魏安清.嵌巖雙壁鋼圍堰的設(shè)計(jì)與施工[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì),2006(6).