大型雙壁鋼圍堰分節(jié)段陸地吊運(yùn)水上拼裝施工技術(shù)

程 祥

（福州新區(qū)開發(fā)投資集團(tuán)有限公司，福建 福州）

1 工程概況

1.1 工程概述

西芹大橋全橋長402.5 m，其中主橋?yàn)橄鲁惺戒撓涔皹颍L233.2 m，橋面寬34.12 m。主橋橋墩1#、2#位于西溪主河道內(nèi)，墩身承臺(tái)為大型低樁承臺(tái)，承臺(tái)直徑11.8 m，高4 m。承臺(tái)面在河床線以下，為深水基礎(chǔ)，墩身為門式剛構(gòu)墩，橋墩寬43 m，高26 m，見圖1。

圖1 大橋平面布置圖（單位：m）

1.2 地質(zhì)情況

根據(jù)地勘資料和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘查，河道寬約300～550 m，彎曲不規(guī)則，而且河床面高差起伏較大。由于常年受上游水電站發(fā)電放水以及泄洪等河水沖刷影響，河床大面積基巖裸露，無泥沙層覆蓋，無沉積物，均為質(zhì)地堅(jiān)硬的花崗巖巖層。由于河床為巖層，高程落差較大，同時(shí)水位急漲急落，無法在河床上搭設(shè)施工便橋、施工平臺(tái)支架等措施，橋梁的樁基承臺(tái)施工受嚴(yán)重制約，施工較為困難。

2 施工方案確定

根據(jù)本工程水文地質(zhì)條件以及施工作業(yè)環(huán)境，并結(jié)合本工程橋梁結(jié)構(gòu)類型，大橋下部結(jié)構(gòu)采用“先堰后樁”施工順序，即先開挖承臺(tái)基坑，基坑內(nèi)安裝圍堰，圍堰上搭設(shè)施工平臺(tái)進(jìn)行樁基施工，最后在圍堰內(nèi)進(jìn)行承臺(tái)墩身施工。在山區(qū)河流中建造橋梁水下基礎(chǔ)，其圍堰工程的選擇有很多，根據(jù)西芹大橋的現(xiàn)場(chǎng)水流流速，考慮到工期和工藝的要求，常用的土石草袋圍堰、有底套箱圍堰和鋼板樁圍堰都不適用現(xiàn)場(chǎng)施工要求。鑒于我國在大江大河中多次成功地使用雙壁鋼圍堰進(jìn)行基礎(chǔ)施工的經(jīng)驗(yàn)，本工程選擇雙壁鋼圍堰。以往大型鋼圍堰都是采用整體制作，水上整體浮運(yùn)和定位船施工，但受上游電站影響，全天候水位變化無常，時(shí)起時(shí)落，水流不穩(wěn)且湍急，無大型運(yùn)輸船航道，無法進(jìn)行常規(guī)的水上整體浮運(yùn)和定位船施工。因此，選擇何種施工工藝將鋼圍堰成功安裝到位是本工程的需要解決的重難點(diǎn)問題。

西芹大橋主墩承臺(tái)為圓形水下承臺(tái)，采用雙壁鋼圍堰施工工藝，考慮裸巖地質(zhì)情況，承臺(tái)基坑采用水下爆破施工，基坑爆破范圍比鋼圍堰大0.5 m。待爆破完成后進(jìn)行水下承臺(tái)基坑開挖，基坑底部水下清渣和填滅，以保證鋼圍堰底部平整和結(jié)構(gòu)整體受力均勻以及鋼圍堰刃腳平穩(wěn)著床。

3 雙壁鋼圍堰施工

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘察和多方論證，最終采用分節(jié)段陸地大型吊車吊運(yùn)水上拼裝焊接施工工藝。雙壁鋼圍堰設(shè)計(jì)內(nèi)徑為12 m，外徑為15 m，內(nèi)外壁間距1.5 m，內(nèi)壁板設(shè)置10 cm定位誤差調(diào)整量。第一節(jié)段為刃腳段，高度3.2 m，第二節(jié)段為鋼圍堰雙壁加強(qiáng)段，高度1.5 m，第三、四、五節(jié)段為鋼圍堰雙壁擋水段，每節(jié)高3.3 m，鋼圍堰總高度14.6 m。采用熱軋鋼板作為圍堰內(nèi)外雙壁板，厚度8 mm。鋼圍堰刃腳結(jié)構(gòu)高2 m，內(nèi)壁板底角為45°，方便圍堰平穩(wěn)著床。為增強(qiáng)刃腳強(qiáng)度，設(shè)計(jì)鋼圍堰刃腳外壁板采用加厚的熱軋鋼板進(jìn)行加強(qiáng)，壁厚16 mm。鋼圍堰每節(jié)段再分為8 個(gè)隔艙，下沉過程中向隔艙內(nèi)陸續(xù)加水配重，保證鋼圍堰在下沉階段能夠均衡穩(wěn)定下沉，見圖2。

圖2 鋼圍堰節(jié)段結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

3.2 鋼圍堰制作及運(yùn)輸

考慮到鋼圍堰施工質(zhì)量以及施工安全保證，而且鋼圍堰為大型鋼結(jié)構(gòu)，決定在工廠加工預(yù)制圍堰節(jié)段。為了控制加工質(zhì)量又同時(shí)便于鋼圍堰結(jié)構(gòu)運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)，鋼圍堰采用分艙分節(jié)制造工藝，劃分后的工廠加工構(gòu)件主要由鋼圍堰內(nèi)外壁板、隔艙板及內(nèi)外壁板之間的型鋼支撐、型鋼加勁肋等部件焊接組成。鋼圍堰所有拼縫都使用焊接，鋼板對(duì)接焊采用熔透剖口焊，型鋼支撐和加勁肋對(duì)接焊接采用鋼板搭接，采用二級(jí)焊縫標(biāo)準(zhǔn)控制焊縫質(zhì)量，同時(shí)進(jìn)行密水性檢查，防止后期鋼圍堰滲漏。

在施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置兩處拼裝區(qū)胎膜架，用于節(jié)段拼裝焊接以及存放，拼裝區(qū)胎膜架采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)保證胎膜架承載能力。鋼圍堰預(yù)制構(gòu)件加工完成并通過質(zhì)量驗(yàn)收后，運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行構(gòu)件分塊組裝焊接，形成鋼圍堰節(jié)段。

3.3 雙壁鋼圍堰的吊裝

本工程鋼圍堰采用400 t 履帶吊車陸地吊運(yùn)水上拼裝，在400 t 履帶吊車進(jìn)場(chǎng)前，先將河岸地基進(jìn)行加固處理，鋪設(shè)路基板，以保證河岸地基承載力滿足吊車使用要求。吊裝最重節(jié)段是鋼圍堰刃腳節(jié)段約為52 t（含吊架），根據(jù)合理的場(chǎng)地布置，現(xiàn)場(chǎng)的吊裝半徑和吊裝重量滿足吊車性能參數(shù)表要求。鋼圍堰節(jié)段拼裝完成后吊車就位，先進(jìn)行試吊裝，檢驗(yàn)鋼絲繩、扣件、吊耳等吊裝部件的受力狀態(tài)以及使用狀態(tài)是否滿足要求。一切無誤后，將鋼圍堰節(jié)段起吊，履帶吊按規(guī)定線路行走，吊運(yùn)至橋梁承臺(tái)基坑位置，緩慢下放鋼圍堰節(jié)段，鋼圍堰節(jié)段靠自身浮力懸浮于河面上，此時(shí)履帶吊以及吊裝的鋼絲繩繼續(xù)保持受力狀態(tài)。

充分利用施工現(xiàn)場(chǎng)地勢(shì)地形，在河岸邊設(shè)置四個(gè)地錨點(diǎn)，通過初步測(cè)量放樣，對(duì)著床過程的鋼圍堰進(jìn)行四個(gè)方向的定點(diǎn)牽引。粗調(diào)整鋼圍堰位置后，利用四個(gè)方向的牽引拉住鋼圍堰，采用兩艘駁船在鋼圍堰的上下游兩側(cè)位置頂住并臨時(shí)加固鋼圍堰，以限制鋼圍堰漂移范圍。對(duì)鋼圍堰進(jìn)行精確測(cè)量，通過地錨纜繩上手拉葫蘆對(duì)鋼圍堰進(jìn)行精確微調(diào)就位。鋼圍堰就位位置滿足設(shè)計(jì)要求后對(duì)鋼圍堰的隔艙進(jìn)行均勻?qū)ΨQ加水，見圖3。

圖3 鋼圍堰下水錨固點(diǎn)牽引就位圖

每個(gè)鋼圍堰節(jié)段采用八點(diǎn)吊，設(shè)置8 個(gè)臨時(shí)吊耳，吊耳設(shè)置在內(nèi)壁面板與吊架相交處，吊耳與內(nèi)壁板焊接連接，設(shè)置吊耳處的內(nèi)壁板與隔艙板采用兩塊加勁板進(jìn)行焊接補(bǔ)強(qiáng)，增加吊耳處內(nèi)壁板的整體穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。本次吊裝最大重量52 t，設(shè)計(jì)鋼絲繩吊裝角度為60°，兩個(gè)吊耳共用一根鋼絲繩，考慮最不利情況下，假設(shè)吊裝過程中一根鋼絲繩或者一處吊耳損壞立即停止吊裝，此時(shí)只有6 個(gè)吊耳受力，動(dòng)載系數(shù)取值1.2。則單個(gè)吊耳所承受最大荷載為52 t×1.2/（3×sin60°）=12 t，見圖4 和圖5。

圖4 圍堰吊裝布置示意圖

圖5 吊耳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖（單位：mm）

吊耳驗(yàn)算：

根據(jù)吊耳數(shù)量以及布置的吊裝位置，吊耳與鋼圍堰壁板的焊接縫需承載120 kN的拉力。

則焊縫應(yīng)力計(jì)算

綜上所述，吊耳強(qiáng)度滿足相關(guān)規(guī)范以及設(shè)計(jì)要求。

3.4 鋼圍堰定位下沉

鋼圍堰刃腳節(jié)段入水并注水受力平衡，達(dá)到整體穩(wěn)定后，檢查整個(gè)鋼圍堰的順直度是否滿足要求，針對(duì)鋼圍堰的密封性能，檢查內(nèi)外壁板是否有漏水滲水問題，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)進(jìn)行修正，有利于下一節(jié)鋼圍堰拼裝，此時(shí)吊裝的鋼絲繩松解，履帶吊解除受力狀態(tài)。根據(jù)設(shè)計(jì)位置，鋼圍堰精確定位并加水下沉，下沉到滿足拼裝焊接施工的合理位置，后續(xù)各節(jié)段依照刃腳節(jié)段拼裝焊接施工程序，依次分節(jié)段拼裝，履帶吊陸地吊運(yùn)水上拼裝接高，見圖6。

圖6 鋼圍堰接高

上下兩節(jié)鋼圍堰對(duì)接臨時(shí)固定后，檢查鋼圍堰的內(nèi)外壁板接縫是否滿足施工要求，如果發(fā)現(xiàn)空隙、錯(cuò)開等問題及時(shí)進(jìn)行修正或特殊處理，以保證后續(xù)的焊縫質(zhì)量。焊接結(jié)束后檢查焊縫的水密性，保證接高后的圍堰不漏水，上下直順并且滿足尺寸要求，拼接過程防止圍堰傾斜，保持鋼圍堰平衡。拼接完成后，在距離接縫的上下各0.5 m位置，用角鋼順著內(nèi)壁板一周加焊兩道水平加勁肋，增強(qiáng)鋼圍堰接頭強(qiáng)度。

鋼圍堰整體拼裝并且定位完成后，繼續(xù)注水下沉，當(dāng)刃腳距離承臺(tái)基坑底面1 m處左右停止下沉。利用鋼圍堰上下游兩側(cè)的兩艘駁船進(jìn)行精確定位糾偏緩慢下沉。鋼圍堰在著床之前，鋼圍堰的平面位置通過地錨纜繩精確定位。如果鋼圍堰著床以后水平和豎直方向偏差值過大，對(duì)圍堰內(nèi)外壁之間的隔艙進(jìn)行抽水，靠浮力使圍堰自動(dòng)上浮，通過駁船牽引重新定位圍堰平面位置，通過水下放置鋼凳墊來調(diào)整垂直度。

3.5 鋼圍堰混凝土封底

采用垂直導(dǎo)管法對(duì)鋼圍堰封底混凝土進(jìn)行多點(diǎn)灌注。考慮封底施工是水下大體積混凝土灌注，混凝土的流動(dòng)性和初凝時(shí)間必須控制到位，采用C30 水下不分散混凝土，增加混凝土的流動(dòng)性和延長初凝時(shí)間，以滿足施工需要。先灌注鋼圍堰各分艙底部，等到混凝土終凝后，使鋼圍堰整體穩(wěn)定固結(jié)，再灌注鋼圍堰內(nèi)底部。封底混凝土滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，繼續(xù)向鋼圍堰內(nèi)加水配重，保證鋼圍堰穩(wěn)定不影響后期施工。

根據(jù)鋼圍堰的結(jié)構(gòu)尺寸和橋梁樁基鋼護(hù)筒位置情況設(shè)置混凝土灌注點(diǎn)，保證水下混凝土能順利澆筑，從而提高封底施工質(zhì)量。按照混凝土流動(dòng)半徑2.5 m范圍以及分析灌注過程中的測(cè)量數(shù)據(jù)設(shè)置6 個(gè)固定點(diǎn)位和1個(gè)移動(dòng)點(diǎn)位布置導(dǎo)管。混凝土封底順序按先兩邊后中間方法進(jìn)行封底，混凝土灌注厚度2.5 m，混凝土灌注必須連續(xù)作業(yè)，混凝土封底完成，通過專業(yè)設(shè)備測(cè)量混凝土頂面標(biāo)高，誤差控制在設(shè)計(jì)頂標(biāo)高的+10～-20 cm范圍內(nèi)，見圖7。

圖7 導(dǎo)管的布設(shè)點(diǎn)位平面圖

結(jié)束語

西芹大橋大型雙壁鋼圍堰順利施工完成，成功解決了山區(qū)裸巖河床急流河段施工環(huán)境下橋梁大型基礎(chǔ)施工困難的問題，積累了寶貴的施工經(jīng)驗(yàn)。充分利用大型機(jī)械設(shè)備陸地吊運(yùn)鋼圍堰，成功避免了山區(qū)河流大型運(yùn)輸船無法航行、無法進(jìn)行鋼圍堰浮運(yùn)和水上精確定位的難題。雙壁鋼圍堰工藝對(duì)于山區(qū)裸巖河床急流河段適用性更強(qiáng)，雙壁鋼圍堰采用吊車陸地吊運(yùn)水上拼裝工藝，施工速度快，安全可靠，不需要大量的施工材料和搭設(shè)便橋平臺(tái)支架等，可以適應(yīng)不同地勢(shì)和不同高度的施工作業(yè)面，充分滿足了工程建設(shè)需要。