深水大直徑超高雙壁鋼圍堰施工關鍵技術

王勇 易先坤 郭星亮

1.中鐵三局集團有限公司，太原 030001；2.中鐵三局集團橋隧工程有限公司，成都 610000

1 工程概況

常德—益陽—長沙鐵路跨沅江大橋主橋為（34+118+240+118+34）m預應力混凝土部分斜拉橋（圖1），全長544.2 m。主梁采用預應力混凝土箱梁，單箱雙室截面；橋塔為鋼筋混凝土橋塔，矩形實體截面；斜拉索為雙索面單絲涂覆環氧涂層鋼絞線拉索。主墩為雙肢薄壁墩，基礎采用22根直徑2.5 m的鉆孔樁，最大樁長88 m，最大孔深128 m，最大施工水深37 m。

圖1 跨沅江特大橋主橋

2 大直徑圓形雙壁鋼圍堰設計

沅江江面寬600～1 000 m，水位約30 m。主墩523#、524#施工期間處于沅江主河道內，樁基礎采用圓形雙壁鋼圍堰施工。圍堰直徑38.50 m，壁厚1.80 m，總高46.41 m，見圖2。

圖2 圍堰結構示意（單位：m）

圍堰由側板、底隔艙、艙壁混凝土和封底混凝土組成。圍堰側板豎向分五節加工制造，均為雙壁結構，底節圍堰質量最大（687 t）。每節圍堰分12個單元塊，每塊最大質量39 t。圍堰頂高程為+35.320 m，底高程為-11.093 m。艙壁內填充水下C30混凝土，分兩次澆筑，第一次澆筑2.2 m，第二次澆筑13.3 m。圍堰封底混凝土采用水下C30混凝土，高度為7.0 m，分區域澆筑［1-2］。為保證封底混凝土受力滿足要求，樁間距較大位置設4根輔助樁，輔助樁為直徑2.5 m鉆孔樁（配直徑2.9 m鋼護筒），樁長36.407 m［3-4］。

圍堰側板由壁板、加勁肋、隔艙板及水平環板組成，壁板采用10 mm厚鋼板，加勁肋采用90 mm×8 mm角鋼，角鋼間距400 mm，隔艙板采用16 mm厚鋼板。水平環板采用300 mm×20 mm的鋼板，圍堰內外兩側從上到下分別設置54道水平環板，最大間距1.0 m，最小間距0.7 m；底隔艙采用雙壁+聯結系結構，壁板厚6 mm，豎向加勁肋采用63 mm×6 mm角鋼，水平環板采用220 mm×16 mm鋼板，封板橫梁采用I25b工字鋼，豎梁采用488 mm×300 mm中翼緣H型鋼。

3 雙壁鋼圍堰施工關鍵技術

圍堰分節拼裝、整體下放。具體流程：施工準備→水上鉆孔平臺施工→鉆孔樁施工→鉆孔平臺改造為拼裝平臺→雙壁鋼圍堰吊放系統和導向系統設置→底節圍堰原位拼裝施工→圍堰提升、拆除部分鉆孔平臺→圍堰下放自浮→中節圍堰拼裝、下沉→澆筑圍堰刃角、艙壁混凝土→向圍堰艙壁內注水下沉→圍堰內吸泥下沉至設計位置→圍堰內清底、下放底隔艙封板→澆筑圍堰封底混凝土→圍堰內抽水施工。

3.1 圍堰拼裝平臺搭設與底節圍堰原位拼裝

圍堰拼裝平臺（圖3）主要由?1 000 mm×12 mm鋼管樁、連接系、2HM588×300分配梁、2HN500×200分配梁、標準貝雷梁、I20b橋面橫梁和10 mm厚鋼橋面板組成。工廠內加工拼裝墊座，鉆孔樁施工完成后在鉆孔平臺圍堰下放處平均安放12對拼裝墊座（每個圍堰單元塊兩端各設1個）。工廠加工制作的圍堰單元塊分塊裝船，水運至拼裝平臺附近；利用150 t履帶吊吊裝至拼裝平臺后按照設計順序（圖4）將圍堰12個單元塊對稱拼裝成整體［5］；每拼裝一個單元塊后安裝臨時撐桿，防止傾覆。圍堰底口刃腳固定在墊座上，防止擠壓變形。對稱焊接底隔倉及連接系（⑦～⑨），整體拼裝焊接完成后進行底節圍堰水密試驗。

圖3 圍堰拼裝平臺示意

圖4 圍堰拼裝順序

3.2 圍堰下放系統及導向系統設置

3.2.1 下放系統設置

下放系統主要由扁擔梁、分配梁、千斤頂、鋼絞線、吊耳、鋼錨箱、鋼護筒加固件等組成，見圖5。單根扁擔梁采用800 mm×25 mm鋼板及1 150 mm×20 mm鋼板拼裝成雙拼工字鋼，長8.4 m。圍堰共設4組吊掛系統，4個下放吊點。單個吊點最大設計承受荷載3 500 kN。在每個吊點處設1臺500 t液壓連續千斤頂，配31根直徑17.8 mm鋼絞線［6］。

圖5 圍堰下放系統示意（單位：mm）

圍堰下放前先接高圍堰4根永久樁及4根輔助樁的鋼護筒至設計高度，相鄰兩根鋼護筒通過鋼管聯結系連接。在8根接高鋼護筒上布設分配梁，分配梁上布設兩根扁擔梁；扁擔梁靠近圍堰中心側設精軋螺紋鋼后錨，另一側上部設置兩根分配梁并安裝千斤頂，千斤頂通過鋼絞線連接圍堰壁板上的吊點［7-8］。

3.2.2 導向系統設置

導向系統由三角形導向底座和導向輪組成（圖6），導向輪與鋼護筒之間預留50 mm空隙，圍堰下放中心位置偏離時可通過導向輪支撐在鋼護筒上，并通過千斤頂頂推調節圍堰平面位置。

圖6 圍堰導向系統（單位：mm）

圍堰底節設置8個固定式導向系統，其余4個節段每層設置8個活動式導向系統。活動式導向系統隨圍堰下放，在被水淹沒前，將其拆除安裝至上一層節段。

3.3 圍堰下放

3.3.1 底節圍堰提升并拆除拼裝平臺

啟動液壓控制系統，頂升千斤頂。當鋼圍堰吊離圍堰刃角的墊塊0.2 m高后，停止頂升靜置5 min，整個圍堰由平臺支承轉變為吊掛系統承載，完成受力體系轉換，拆除臨時撐桿，繼續整體提升圍堰，保證各下放吊點分級同步提升。開始時每級提升高度不超過5 cm，待提升順利后每級提升高度不超過15 cm。每提升50 cm，復核圍堰四點高程，確保各吊點平均受力，共提升1.5 m［9］。

利用150 t履帶吊配合氧割，拆除圍堰拼裝平臺。由上至下拆除欄桿、拼裝墊座、分配梁、拼裝牛腿等。

3.3.2 底節圍堰下放

將導向輪頂推至與鋼護筒貼緊密實，并在下放過程中根據圍堰傾斜度實時調整，確保圍堰平面位置偏差符合要求。各下放吊點分級同步下放，開始每級下放高度不超過5 cm，待下放順利后每級下放高度不超過15 cm。圍堰艙壁聯通孔封閉，下放至自浮，入水深度3.60 m。

3.3.3 圍堰落床

首先吊掛系統鋼絞線第一次收緊，使其均勻受力，精確調整底節圍堰平面位置。采用汽車泵對稱均勻澆筑底隔倉艙壁內6 m高混凝土并養護至設計強度。然后吊掛系統回油，下放底節圍堰至自浮狀態，入水深度6.44 m。最后通過千斤頂頂推導向輪使其頂緊鋼護筒，進而調整圍堰平面位置。

吊掛系統鋼絞線再次收緊，利用150 t履帶吊對稱拼裝接高第二節鋼圍堰，進行水密試驗。吊掛系統回油并下放兩節鋼圍堰至自浮狀態，入水深度8.35 m。吊掛系統鋼絞線第三次收緊，澆筑2.2 m高艙壁混凝土，吊掛系統回油下放兩節鋼圍堰至自浮，入水深度12.00 m。解除吊掛系統，待艙壁混凝土達到設計要求后，圍堰內注水4 m，圍堰入水深度16.10 m。

按設計依次進行第三節到第五節圍堰拼裝下放施工，直至圍堰落床。

3.4 圍堰吸泥下沉

圍堰落床后開始吸泥下沉，直至設計位置。在圍堰內布設4套吸泥設備，采用大功率空氣壓縮機提供空氣壓力。吸泥設備主要由吸泥導管、儲氣罐、連接板、進水管和進水隔倉組成（圖7）。

圖7 吸泥設備

將壓縮空氣輸送到水下空氣儲氣罐，儲氣罐內空氣通過吸泥管壁四周氣孔排到吸泥管內，形成負壓，進而吸泥并排出。同時進水隔倉的水在出水口處高壓噴出，以松動泥沙層，增加吸泥工效。

吸泥方向由內向外，4套吸泥設備同步對稱吸泥。打開圍堰雙壁上的側板連通孔，保證封底施工過程中圍堰內外江水連通，水位保持平衡。

圍堰下沉過程中對圍堰平面位置、垂直度進行實時監測，如有異變立即停止，由潛水員下水檢查整個作業平面，然后作處理。圍堰下放至設計高程以上1 m左右時由吸泥機進行精吸，確保圍堰精確下放到設計位置［10］。

3.5 智能監控

在深水下沉過程中大直徑圍堰姿態受水流、風荷載等影響較大，注水時圍堰內外水位差也會影響圍堰的受力。

采用深水大直徑超高鋼圍堰下沉智能化監控系統（圖8），對圍堰下沉全過程進行實時監控。

圖8 智能化監控系統

該監控系統的主要功能包括：

1）數據自動采集、上傳。在圍堰頂部及控制位置預設自動采集和上傳數據的傳感器、測地型全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）接收機、深井液位測量儀等設備，對圍堰下沉過程中的圍堰姿態、壁板應力及圍堰內外水位差實時無線監控。

2）數據無線傳輸、快速分析處理和預警。將傳感器自動連續采集的各項數據實時傳輸至后臺控制系統，通過后臺處理器快速運算分析，以圖表等形式實時直觀展示圍堰三維下沉姿態及受力狀況。若圍堰下沉姿態及受力偏差超出安全范圍，報警機制會智能化預警。

采用智能化監控系統解決了傳統人工監測頻率低，數據不及時、精度較差、無法預警等問題，大大提高了深水大直徑鋼圍堰下放監控的準確性。

4 結論

1）雙壁鋼圍堰工廠內分塊制作，現場分節拼裝后整體下放，有利于圍堰質量控制。

2）采用先樁后堰法施工，先搭設水上鉆孔施工平臺，待樁基施工完成對平臺進行改造并提前安放拼裝墊座，用于雙壁鋼圍堰整體拼裝，確保圍堰現場整體拼裝安全。

3）在永久樁及輔助樁的接高鋼護筒上安設鋼圍堰下放系統，很好地解決了超高圍堰底節下放難題；在圍堰內側設置由三角形導向底座和導向輪組成的下放導向系統，有利于圍堰平面位置精度控制。

4）圍堰下沉吸泥設備為圍堰快速平穩下沉提供了保障。智能化監控系統對圍堰姿態、壁板應力及圍堰內外水位差的實時監控和反饋，解決了圍堰在深水下沉過程中受水流、風荷載等因素影響導致的圍堰受力過大等問題。