水中橋墩樁基系梁新型圍堰設(shè)計(jì)及施工技術(shù)

鄭忠

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)圍堰存在著內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)干擾系梁施工及需要潛水員下水封堵作業(yè)等問(wèn)題，文章依托工程實(shí)例，提出一種新型圍堰創(chuàng)新技術(shù)，并建立有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析。該新型圍堰在5種工況下整體應(yīng)力應(yīng)變滿足施工階段的要求，具備足夠的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，且無(wú)須安裝內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)及潛水員水下封堵作業(yè)，同時(shí)減少大量的封底混凝土澆筑，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：水中樁基系梁；圍堰；封底混凝土；粘結(jié)力；有限元

中圖分類號(hào)：U445.55+6? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文意編號(hào)：1673-4874（2024）04-0156-04

0 引言

在河流上的橋梁建設(shè)，需要在水中進(jìn)行樁基施工，由于受到水深或者橋梁高度等眾多因素影響，為了滿足設(shè)計(jì)受力要求，部分系梁需設(shè)計(jì)在水中。但是在水中進(jìn)行系梁的模板安裝、鋼筋綁扎、混凝土澆筑施工是十分困難的，既要保證作業(yè)人員的安全，又要保證混凝土的質(zhì)量。水中系梁施工必須要設(shè)置圍堰，把圍堰里面的水抽干方能進(jìn)行鋼筋綁扎和混凝土施工，因此有必要探尋一種經(jīng)濟(jì)、安全、高效的施工方法［1］。

本文介紹一種全新的水中橋墩樁基系梁新型圍堰，從根本上解決了傳統(tǒng)技術(shù)的難題，通過(guò)采用圍堰構(gòu)件預(yù)先整體拼裝完成，然后用吊裝系統(tǒng)下放；通過(guò)拉緊組件以合上堵漏板，無(wú)須潛水員下水封堵圍堰結(jié)構(gòu)與樁基鋼護(hù)筒之間的間隙，可以減少大量的水下作業(yè)，大大提高施工效率。

1 傳統(tǒng)圍堰技術(shù)存在的問(wèn)題

目前，在水中系梁施工中，一般采用潛水人員下水進(jìn)行圍堰底板與鋼護(hù)筒的縫隙進(jìn)行密封、防水等工作，然后把圍堰模板進(jìn)行內(nèi)部支撐、固定等工序，最終形成一個(gè)水中系梁施工圍堰，其施工時(shí)存在以下缺點(diǎn)：

（1）需要抽水后安裝內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)，干擾系梁鋼筋綁扎及混凝土澆筑工作。

（2）需要潛水員下水封堵鋼護(hù)筒與底板之間的間隙，水下視線不佳，易封堵不到位，導(dǎo)致封底混凝土外漏等問(wèn)題，同時(shí)水下作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)大。

（3）傳統(tǒng)圍堰需要澆筑大量的水下封底混凝土，成本高，且圍堰設(shè)有圍檁內(nèi)支撐，會(huì)給施工過(guò)程的系梁鋼筋綁扎、混凝土澆筑施工造成干擾，影響施工進(jìn)度。

2 新型圍堰創(chuàng)新技術(shù)

本文研發(fā)了一種水中橋墩樁基系梁新型圍堰結(jié)構(gòu)及其施工方法，新型圍堰三維效果圖見(jiàn)圖1。有別于傳統(tǒng)水中系梁施工圍堰，本工法中圍堰結(jié)構(gòu)內(nèi)部沒(méi)有內(nèi)支撐，系梁底模可以事先加工，整體吊裝安裝，外側(cè)桁架（施工平臺(tái)）可以防止圍堰模板變形，同時(shí)又能兼作工人操作平臺(tái)，在圍堰結(jié)構(gòu)下放到位之后，方便操作者操縱拉緊組件上的轉(zhuǎn)動(dòng)手把，對(duì)圍堰結(jié)構(gòu)與樁基鋼護(hù)筒周圍空隙進(jìn)行封模，不用潛水員下水封堵內(nèi)部的間隙，減少了水下作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)。整體圍堰可以先在水上進(jìn)行拼裝，然后用吊裝系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)下放，相比在水中作業(yè)，施工難度小、進(jìn)度快，安裝方便快捷。

本工法只需在圍堰底端支撐框架內(nèi)澆筑封底混凝土，與傳統(tǒng)系梁圍堰結(jié)構(gòu)需要在全部底部澆筑封底混凝土相比，可以減少封底混凝土用量，同時(shí)上部模板可以回收利用，系梁不用單獨(dú)加工模板，節(jié)省材料，節(jié)約成本。

3 新型圍堰應(yīng)用實(shí)例概況

金光大橋位于壇洛鎮(zhèn)下楞村附近，橋梁擬建為4～30 m預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁簡(jiǎn)支梁橋，橋墩設(shè)計(jì)為雙柱式墩，樁基礎(chǔ)。

橋梁橋型布置圖見(jiàn)下頁(yè)圖2，其中1#、2#、3#橋墩的樁基系梁頂面標(biāo)高分別為75.834 m、75.962 m、75.834 m，常水位標(biāo)高為76.4 m，樁基系梁整體位于水中，樁基所屬區(qū)域水深大概在2.2～3.8 m，此范圍水深可采用筑島圍堰方式，形成無(wú)水作業(yè)條件后開(kāi)挖施工樁基系梁，但是金光大橋所處河道屬于水源保護(hù)區(qū)，河道主管部門禁止采用填土筑島的方式施工。因此只能采用搭設(shè)鋼棧橋鋼平臺(tái)的方式施工樁基及系梁。為實(shí)現(xiàn)系梁無(wú)水作業(yè)施工，須采用鋼板樁圍堰或鋼吊箱圍堰的方式。但傳統(tǒng)圍堰存在較多施工難題，綜合分析后研發(fā)并應(yīng)用了一種新型圍堰［2］。

4 新型圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 新型圍堰結(jié)構(gòu)總體布置

水中橋墩樁基系梁新型圍堰結(jié)構(gòu)（圖3、圖4），包括圍堰底端支撐框架、系梁底模、鋼模板組件、吊裝系統(tǒng)和拉緊組件，兩個(gè)圍堰底端支撐框架之間安裝有系梁底模，且圍堰底端支撐框架和系梁底模上圍設(shè)有鋼模板組件以形成一個(gè)圍堰整體結(jié)構(gòu)，拉緊組件安裝在鋼模板組件上，每一個(gè)圍堰底端支撐框架上方在相鄰的兩個(gè)施工鋼平臺(tái)之間均架設(shè)有吊裝系統(tǒng)。

4.2 新型圍堰關(guān)鍵結(jié)構(gòu)深度設(shè)計(jì)

4.2.1 圍堰底端支撐框架設(shè)計(jì)

圍堰底端支撐框架包括槽鋼框架、鋼模板和兩層槽鋼圍檁框架，槽鋼框架上方安裝鋼模板，鋼模板上開(kāi)設(shè)直徑大于樁基鋼護(hù)筒直徑的圓孔，方便圍堰結(jié)構(gòu)下放水下時(shí)能夠穿過(guò)樁基鋼護(hù)筒；圓孔的直徑比樁基鋼護(hù)筒直徑大10 cm為最佳尺寸。

圍堰底端支撐框架的高度為50 cm，槽鋼框架由槽鋼焊接而成。同時(shí)可在圍堰底端支撐框架外側(cè)四周焊接支腿，支腿設(shè)置相應(yīng)的螺栓連接預(yù)留孔，焊接必須滿焊牢固且避免疊縫滲水，用于支撐安裝在圍堰底端支撐框架上的鋼模板組件［3］。

4.2.2 圍堰堵漏系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鋼模板上面放置兩塊對(duì)稱設(shè)置的堵漏板，堵漏板上開(kāi)設(shè)半圓槽口，且兩塊堵漏板上的兩個(gè)半圓槽口合并時(shí)形成的圓形槽口的直徑等于樁基鋼護(hù)筒直徑，方便后續(xù)圍堰結(jié)構(gòu)與樁基鋼護(hù)筒周圍空隙的封模；堵漏板靠近開(kāi)口的一端安裝有牽引板。

每塊堵漏板上方在鋼模板組件上均安裝一個(gè)拉緊組件，拉緊組件包括轉(zhuǎn)動(dòng)手把、鋼絲繩和定滑輪，轉(zhuǎn)動(dòng)手把通過(guò)設(shè)置在鋼模板組件上的卡扣片與鋼模板組件轉(zhuǎn)動(dòng)連接，將定滑輪安裝在鋼模板的上面，鋼絲繩一端轉(zhuǎn)動(dòng)連接在轉(zhuǎn)動(dòng)手把上，另一端依次穿過(guò)定滑輪和其中一塊堵漏板上的牽引板，并與另一塊堵漏板上的牽引板固定連接。兩塊堵漏板分別可以通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)側(cè)拉緊組件上的轉(zhuǎn)動(dòng)手把往樁基鋼護(hù)筒的軸心方向牽引，促使兩個(gè)半圓槽口收攏合并時(shí)形成的圓形槽口卡合在樁基鋼護(hù)筒上，從而實(shí)現(xiàn)圍堰結(jié)構(gòu)與樁基鋼護(hù)筒周圍空隙的封模。

4.3 新型圍堰結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

4.3.1 施工階段分析

新型圍堰的主要施工階段有5個(gè)工況：

工況1：圍堰在拼裝平臺(tái)上拼裝。

工況2：圍堰整體提升離開(kāi)拼裝平臺(tái)10 cm并靜置，確認(rèn)無(wú)異常后懸吊下放。

工況3：通過(guò)懸吊系統(tǒng)吊掛圍堰，澆筑水下封底混凝土。

工況4：封底混凝土強(qiáng)度滿足要求后，拆除懸吊系統(tǒng)，然后抽干圍堰內(nèi)部的水。

工況5：抽干水后，破除樁頭，綁扎系梁鋼筋，澆筑系梁混凝土。

各工況的荷載組合見(jiàn)下頁(yè)表1。

4.3.2 模型計(jì)算分析

建立有限元模型（見(jiàn)圖5），并進(jìn)行不同施工階段結(jié)構(gòu)的受力分析，提取各主要桿件5個(gè)工況下的組合應(yīng)力σ及剪應(yīng)力τ匯總成表2，并繪制桿件應(yīng)力折線圖（見(jiàn)圖6、圖7），分析結(jié)構(gòu)不同階段的應(yīng)力變化趨勢(shì)。

從應(yīng)力折線圖中分析，鋼圍堰結(jié)構(gòu)應(yīng)力從工況1～5呈上升趨勢(shì)，在工況1～4的結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值總體較小；最不利工況發(fā)生在工況5，［8號(hào)槽鋼組合應(yīng)力達(dá)186.32 MPa，＜215 MPa，剪應(yīng)力達(dá)32.91 MPa，＜125 MPa，結(jié)構(gòu)應(yīng)力均滿足要求。提取最不利工況5的有限元計(jì)算模型應(yīng)力云圖（見(jiàn)圖8），桿件應(yīng)力最大的點(diǎn)位于圍堰側(cè)板與封底混凝土交界處，此處結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生應(yīng)力集中，提取工況5結(jié)構(gòu)位移等值線圖（見(jiàn)圖9），結(jié)構(gòu)最大變形為2.1 mm，變形趨勢(shì)為整體外移，變形值較小，滿足結(jié)構(gòu)使用要求。

4.3.3 封底混凝土計(jì)算分析

封底混凝土厚度取值主要考慮其與鋼護(hù)筒之間的粘結(jié)力滿足抗浮或抗沉要求，分析本結(jié)構(gòu)抗浮力比抗沉力大，因此提取計(jì)算模型工況4結(jié)構(gòu)浮力為229.08 kN，參考相關(guān)文獻(xiàn)，鋼護(hù)筒于封底混凝土之間的粘結(jié)力取值為280 kPa，并考慮本圍堰封底混凝土較薄，計(jì)算粘結(jié)力折減取值為224 kPa，粘結(jié)力計(jì)算為：224 kPa×1.6 m×3.14×0.5 m=562.69 kN，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)為562.69/229.08=2.46，圍堰抗浮及抗沉滿足要求［4］。

綜上分析，結(jié)構(gòu)在5種工況下整體應(yīng)力應(yīng)變滿足施工階段的要求，具備足夠的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，可根據(jù)本設(shè)計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工。

5 新型圍堰施工技術(shù)

5.1 圍堰模塊加工

在工廠按照?qǐng)D紙尺寸加工各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊件，包括鋼模板組件、吊裝系統(tǒng)以及一些桿件設(shè)置的螺栓孔，并在工廠進(jìn)行預(yù)拼裝。在加工廠按照設(shè)計(jì)尺寸先焊接好成整體框架，在圍堰底端支撐框架四周的用于支撐系梁底模及圍堰側(cè)模的支腿也提前在加工廠焊接好。

5.2 圍堰模塊拼裝

在施工現(xiàn)場(chǎng)，按照測(cè)量進(jìn)行放樣定位，將4根支撐橫梁安裝在樁基鋼平臺(tái)上，每根支撐橫梁兩端搭設(shè)在樁基施工鋼平臺(tái)上的部分，長(zhǎng)度要預(yù)留0.5～1 m，并進(jìn)行穩(wěn)固；將在加工廠已經(jīng)拼裝焊接好的圍堰底端支撐框架安裝在支撐橫梁上，過(guò)程中需要復(fù)核圍堰底端支撐框架上的底模圓孔中心是否與樁基鋼護(hù)筒的圓心對(duì)準(zhǔn)。圍堰拼裝效果圖見(jiàn)圖10。

在圍堰底端支撐框架安裝完成并復(fù)核無(wú)誤后，安裝系梁底模，系梁底模安裝應(yīng)平齊穩(wěn)固，并及時(shí)安裝系梁底模與圍堰底端支撐框架之間的連接螺栓；在系梁底模安裝完成并且穩(wěn)固后，進(jìn)行鋼模板組件安裝，先安裝系梁底模上的第一模塊單元，因?yàn)榈谝荒K單元中的三塊模板鉸鏈連接可以形成中間的模板，且其與兩端的模板垂直，將其安裝在系梁底模上時(shí)，只需把螺栓擰緊穩(wěn)固即可，無(wú)須再對(duì)模板進(jìn)行防止側(cè)翻的臨時(shí)穩(wěn)固；在鋼模板組件安裝過(guò)程中，所有拼縫在安裝前必須先安裝止水條，并驗(yàn)收合格，方可安裝模板單元，且模板單元間連接螺栓必須擰緊牢固，不得遺漏；在鋼模板組件安裝完成后，先對(duì)整個(gè)圍堰結(jié)構(gòu)進(jìn)行密封檢查，檢查完畢后，安裝施工平臺(tái)和拉緊組件及堵漏板，安裝完成后先進(jìn)行試轉(zhuǎn)動(dòng)，來(lái)檢驗(yàn)安裝是否合格［5］。

5.3 圍堰下放就位

吊裝系統(tǒng)（見(jiàn)圖11）包括吊裝架和液壓千斤頂，吊裝架包括主橫梁和設(shè)在主橫梁兩端的支撐架，液壓千斤頂安裝在主橫梁上，支撐架包括橫桿、豎桿和斜撐，豎桿的一端安裝在主橫梁上。進(jìn)行吊裝系統(tǒng)安裝時(shí)，在安裝前先將在鋼模板組件上端的吊耳焊接好，吊耳為受力結(jié)構(gòu)，必須焊接牢固，然后安裝吊裝系統(tǒng)。

在吊裝系統(tǒng)安裝并固定好后，將吊裝系統(tǒng)上的精軋螺栓鋼連接到鋼模板組件上端的吊耳上并鎖緊，然后進(jìn)行試吊，試吊完成后可以對(duì)圍堰結(jié)構(gòu)進(jìn)行下放；圍堰結(jié)構(gòu)下放時(shí)，先用吊裝系統(tǒng)將其上提10 cm，然后將支撐橫梁移開(kāi)，通過(guò)吊裝系統(tǒng)上的液壓千斤頂慢慢將圍堰結(jié)構(gòu)下放到水中；下放到位后，先進(jìn)行測(cè)量復(fù)核，測(cè)量無(wú)誤后對(duì)圍堰結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定。

5.4 澆筑封底混凝土

封底混凝土澆筑前要先將圍堰底模板與樁基鋼護(hù)筒之間的縫隙進(jìn)行封堵。通過(guò)人工轉(zhuǎn)動(dòng)手把，牽引兩塊對(duì)稱設(shè)置的堵漏板向內(nèi)收攏并把圍堰結(jié)構(gòu)與樁基鋼護(hù)筒周圍的空隙進(jìn)行封模，然后水下混凝土澆筑封底，澆筑高度為50 cm，即封底混凝土頂面與系梁底模平齊即可。待封底混凝土齡期達(dá)到要求后，可以對(duì)圍堰結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行抽水，水抽干后如發(fā)現(xiàn)一些小的滲水要及時(shí)密封好，最后切割樁基鋼護(hù)筒，破樁頭，鑿毛后綁扎系梁鋼筋并進(jìn)行系梁混凝土施工。

6 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的水中橋墩樁基系梁新型圍堰，在現(xiàn)有技術(shù)上進(jìn)行了創(chuàng)新，解決了鋼護(hù)筒與底板間隙堵漏的難題，無(wú)須水下作業(yè)；圍堰通過(guò)外設(shè)桁架結(jié)構(gòu)加強(qiáng)側(cè)板剛度，無(wú)須安裝內(nèi)支撐及圍檁結(jié)構(gòu)，不影響樁基系梁的施工。

通過(guò)設(shè)計(jì)圍堰底端支撐框架，在拼裝階段起到骨架作用，在澆筑封底混凝土階段起到模板作用，相比傳統(tǒng)需要整個(gè)系梁圍堰底板澆筑封底混凝土，新型圍堰僅需澆筑封底混凝土在圍堰底端支撐框架內(nèi)即可滿足抗浮及止水的要求，減少了大量的封底混凝土澆筑工程，節(jié)約了成本。

通過(guò)對(duì)有限元計(jì)算結(jié)果的分析，圍堰結(jié)構(gòu)還可以進(jìn)一步優(yōu)化，可采用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行圍堰桿件間距等的最優(yōu)化配置分析，保證安全的前提下，最大限度地節(jié)省材料。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：鄭 忠（1971—），工程師，主要從事道路橋梁施工技術(shù)管理工作。