单壁钢围堰在深水承台中的应用

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　　摘 要：以兰渝铁路嘉陵江特大桥工程实际为依托，介绍单壁钢围堰在深水承台中的应用方法，从加工、拼装、下沉、封底等方面介绍其施工技术，供类似工程应用。
　　关键词：单壁钢围堰;拼装;下沉;起吊系统;封底
　　1 工程概况
　　 嘉陵江施工常水位为269.3米，流速0.5米/秒，桥址内地质覆层主要为卵砾石层，下伏基岩为紫红色砂岩、泥质岩。根据方案比选，嘉陵江特大桥88#、89#、99#、101#、102#墩深水承台采用单壁钢围堰进行施工。
　　2 施工原理
　　 围堰的作用是通过围堰壁板和封底混凝土围水，为承台施工提供无水的干处施工环境。
　　 根据单壁钢围堰使用功能，将其分为壁板、内支撑、起吊系统、定位系统四大部分。其中，壁板是单壁钢围堰的主要阻水结构并兼作承台模板。
　　3 适用范围
　　 单壁钢围堰适用于水深大于6米，河床覆盖层较薄或大的卵砾石及漂石地层以及级配较差的砂卵石地层。
　　4 施工工艺
　　4.1 结构说明
　　 89#单壁钢围堰内尺寸为16.7m×13.2m（承台尺寸16.5m×13.0m），围堰由上下两节拼装组成，每节由10小块拼装而成，上节高3.9m，下节高6.0m。壁板采用8mm厚钢板，上节竖楞采用【14a槽钢，下节竖楞采用【25a槽钢，环向主梁采用2【32b槽钢，环向次梁采用【32b槽钢，横肋采用【10槽钢，每50cm设一道;内支撑采用Φ720螺旋焊管;起吊系统采用6台5吨卷扬机。
　　4.2 工艺流程
　　 拆除钢平台→河床开挖→搭建兜底平台→拼装底节围堰→安装起吊系统→底节围堰下沉→拼装顶节围堰→围堰整体下沉→封底→抽水→安装内支撑→割除钢护筒→承台施工。
　　4.3 施工方法
　　4.3.1 拆除钢平台
　　 根据不同的围堰形式、地质条件可以采用不同的拆除方案。
　　 方案一：拆除全部钢平台，其优点是减少钢围堰在下沉和着床就位前渣土开挖及清渣工程量，可加快施工进度和缩短工期;缺点是承台两侧工作钢平台上构部分需重新搭设，另由于钢栈桥钢管桩基础埋置较浅，对钢栈桥横向稳定影响较大。方案二：保留承台两侧钢平台，其优点是可保留承台两侧工作钢平台，不需重新搭设，对钢栈桥影响较小;缺点是钢围堰在下沉和着床就位前渣土开挖和清渣工程量较大，施工不确定因素较多，施工难度较大，施工进度较慢，施工时间长。
　　 根据实际地质情况，89#拆除钢平台采用第二种施工方案。
　　4.3.2 河床开挖
　　 河床开挖根据地质情况，主要采用长臂挖机挖掘、抓斗抓渣、空压机吸泥进行组合施工，遇到泥岩等坚硬地质需要采用潜水员水下开挖。
　　 在围堰下沉前将河床开挖至设计封底底标高位置，围堰中部位置可采用长臂挖机进行挖渣，四周距离钢平台较近处，受长臂挖机大臂影响，无法深入到河床，故采用抓斗进行抓渣。
　　4.3.3 搭设兜底平台
　　 利用外围一圈直径1800mm钢护筒搭建底节钢围堰拼装平台，其搭建原则是在不受江水影响的情况下，尽可能地降低标高，以利于以后的钢围堰吊装，按目前水位暂定拼装平台顶面标高为+270.53米（施工水位按+269.0米考虑）。在标高+269.5米的钢护筒上焊接厚10mm三角板钢板牛腿，牛腿上设置单根Ⅰ22a工字钢作为底节钢围堰拼装平台主横梁，在里、外排Ⅰ22a工字鋼之间铺设分配梁[14a槽钢，分配梁[14a槽钢两端铺设厚35mm木板，作为施工人员操作平台，从而形成底节钢围堰简易拼装平台，简易拼装平台表面平整度控制在20mm以内。
　　4.3.4 拼装底节钢围堰
　　 根据钢围堰设计图在工作平台上进行分节和分段加工，钢围堰制作总体工艺采取先进行散件下料加工，在场内按设计分节、分段、分块制作成块件，再将块件运抵施工现场进行组拼。钢围堰利用50吨履带吊车起吊拼装。具体操作工序如下：
　　 （1）各项准备工作做好以后，在拼装平台上按设计图纸测量放样出钢围堰刃角轮廓线。
　　 （2）复核钢围堰刃脚处平台的标高，如有不平应提前处理，确保钢围堰吊装后就位准确。
　　 （3）必须严格按钢围堰的分节段编号摆放好，运到现场后，能按次序吊装到拼装平台。因钢围堰每块段自重达6吨左右，而首节钢围堰安装后只有刃脚处与平台接触，稳定性较差，所以在刚开始安装时，应特别注意施工安全。从安全角度出发，首节安装易从钢围堰转角处开始，即最先安装的两块不在同一直线上，从而形成一个直角，以提高钢围堰的抗倾覆能力。
　　 （4）钢围堰运输到现场后，用50吨履带吊将钢围堰块段吊装到位，按照测量放样对其位置进行调整，包括底脚平面位置和垂直度均调整到设计位置。
　　 （5）第一块钢围堰拼装时，用钢板将底角垫高2-3cm，以有利于后面钢围堰块段的拼接。第一块安装后，吊车不松钩，进行临时固定：在钢护筒侧焊接临时支撑钢围堰侧面;以上固定措施完成后，吊车缓慢松钩，在松钩过程中注意观察钢围堰是否变动，如有则不再松钩，并调整到大样位置加强固定，直到安全后，再彻底松钩。
　　 （6）当第一块钢围堰安装好后，吊装相邻块段钢围堰，缓慢向第一块靠拢，并按照测量放样调整第二块的位置，检查钢围堰的垂直度和两块之间的距离，使两块之间的拼接处缝隙达到最佳状况，穿好螺栓，使其形成较为稳定的结构，再将吊车缓慢松钩。
　　 （7）固定两块钢围堰之间的螺栓时，对于下段，施工人员可站在拼装平台的木板上固定;对上面部分，可通过站在自行加工的梯子挂篮上进行固定。
　　 （8）此步骤循环进行，直到将底节10个块段钢围堰全部拼装完毕。
　　 （9）检查所有固定螺栓，看是否有未固定螺栓，如发现问题及时处理。 　　4.3.5 安装围堰起吊系统
　　 施工过程中采用过两种起吊系统。
　　 其一：采用千斤顶起吊系统整体起吊和下沉钢围堰方案，其二：采用卷扬机起吊系统整体起吊和下沉钢围堰方案。
　　 （1）千斤顶起吊下沉方案，围堰下沉所需吊点设置须与围堰底节的拼装同步进行，围堰下沉设4个吊点，吊点布设在围堰底节壁板上，起吊系统基础的布设是依靠部分护筒和原有的部分钻孔平台，根据现场实际需要，适当加高护筒和管桩的高度。在钢护筒和平台之间架设承重梁，并安装千斤顶及精轧螺纹钢。
　　 （2）卷扬机悬吊系统下沉方案，钢围堰的提升、下放是利用6台5吨慢速卷扬机组实现。在搭建拼装平台的同时，安装钢围堰悬吊系统。悬吊系统是利用基桩钢护筒作为承载支撑，每四个相邻钢护筒作为一组，纵横桥向支垫两层贝雷，然后在其上面安装上卷扬滑车吊点，共安装6个悬吊点。下卷扬滑车吊点安装在相对应的钢围堰隔舱板位置内壁板上，标高为刃角上来2.70米位置（共6个）。悬吊系统主要有贝雷支架、型钢、5吨卷扬机、滑轮组等组成。
　　 89#单壁钢围堰采用第二种施工方案，采用6台卷扬机进行围堰下沉。
　　4.3.6 安装导向装置
　　 （1）测量安装导向架的护筒垂直度。
　　 （2）根据护筒的垂直度，计算导向架的坡度，制作导向架。
　　 （3）导向架主要由型钢I22a加工而成，长度1.5米，与钢围堰接触面设置硬橡胶，导向架与钢围堰内壁板之间间隙按50mm控制安装。
　　 （4）导向架安装在四周对称的8个钢护筒侧面，即2#、4#、6#、10#、11#、15#、17#、19#护筒。
　　4.3.7 底节钢围堰下沉
　　 底节围堰拼装完成后，检查螺栓及橡胶条无漏缝，起吊系统吊点及卷扬机正常工作后开始准备下沉。
　　 （1）将所有悬吊系统的卷扬机同时启动，并调整到受力大致相等，整体起吊钢围堰，当钢围堰起吊离开拼装平台10cm左右，应停止起吊，稳定10分钟左右观察，如无特殊情况，安排尽快拆除钢围堰兜底平台。为减少卷扬机起吊时间，使钢围堰尽快入水。
　　 （2）再次启动所有悬吊系统的卷扬机，同步缓慢松绳，并在过程中注意观察钢围堰的顶面大致水平，检查各卷扬机的钢绳松紧程度，防止卷扬机间用力不平衡发生事故。直到钢围堰入水后达到平衡不再下沉，暂停卷扬机松绳。
　　 （3）悬吊系统适当紧绳，以防止拼顶节围堰时底节围堰不平衡而倾斜。
　　 （4）测量检查钢围堰的平面位置和垂直度，如偏差较大，应设法校正。如顶面不平，通过卷扬机调整重心位置使其基本平衡，最终目标是顶面高差不宜超过20cm，垂直度不超过1.0%。
　　 （5）确保钢围堰下沉时6台卷扬机均匀同步的措施：
　　 1）钢围堰下放前进行详细的技术及安全交底，让参与施工的每一位员工心中有数;
　　 2）设立总指挥1人，下设总调度1人，6台卷扬机钢丝绳的收放必须听从总调度的统一口令，每台卷扬机安排2人负责，1人主操作，另1人协助、观察等;
　　 3）6台卷扬机安装好后，进行一次卷扬不受力的模拟演练，做到每台机子步调一致;
　　 4）6台卷扬机的型号相同，滚筒直径、长度一致，里面缠放的钢丝绳圈数、长度相同;
　　 5）每台卷扬机相对应处钢围堰侧板上划上刻度，每10cm一道，每50cm一道长标志，相对应的标高一致，卷扬机下放时每下50cm暂停一次，调整每台卷扬机受力一致后再下放50cm，依次循环操作，直至下沉到位为止。
　　4.3.8 拼装顶节钢围堰
　　 对称拼装顶节钢围堰，同样，所有顶节的块段拼装完后，认真检查钢围堰的拼接缝，包括底节与顶节的水平接缝和顶节各块段之间的竖向拼缝。在施工过程中要注意调整钢围堰的垂直度，也即保持钢围堰的整体平衡。
　　4.3.9 下沉整体钢围堰
　　 当上下两节钢围堰全部拼装完成，检查各项指标均满足要求后，开始整体围堰下沉工作。单壁钢围堰下沉主要依靠围堰自重。
　　 卷扬机组起吊能力的验算：5吨卷扬机通过滑车组的作用，可大大提升其起吊能力。卷扬机滚筒卷绕直径17.5mm钢丝绳（钢丝6×37，绳芯1;钢丝强度1700Mpa），钢丝绳通过上、下滑车走8线，绕出绳从动滑轮绕出，然后将上、下滑车捆绑在上、下吊点横梁上。直径17.5mm钢丝绳（钢丝6×37，绳芯1;钢丝强度1700Mpa）理论上最大破断拉力為189.5KN，89#单壁钢围堰总重量按120吨计算，6台滑车组共同受力，平均每台卷扬机组受力为20吨，考虑不均衡等因素，取1.5的系数，计算中平均每台卷扬机组起吊总重量Q=20吨×1.5=30吨;通过查表、计算出绕出绳头的拉力S为3.86吨，5吨卷扬机起吊能力满足，钢丝绳安全系数K1=18.95/3.86≈5（满足要求）。
　　4.3.10 水下砼封底
　　 钢围堰下放到位后，封底前，进行基底及围堰壁板和钢护筒的清理。采用空压机将基底的浮渣及淤泥抽出围堰外，派潜水员进行水下检查，并用高压水枪对封底范围内的钢护筒周围及钢围堰内壁板进行清理，以保证封底砼的握裹力，避免抽水后，封底与钢护筒之间形成孔洞漏水。封底混凝土底面标高为：+271.03，封底厚度1.5m。
　　 封底是围堰施工最重要的一步施工工艺，砼封底主要施工技术措施如下：
　　 （1）由于钢围堰在水下放置时间很长，内部有大量泥砂、杂物等需要清除，否则将影响混凝土与钢围堰的粘接效果。
　　 （2）混凝土配合比设计与供应：由于封底混凝土方量大，达254方，灌注时间长，其性能要求为：混凝土设计强度为水下C25;坍落度控制在20～22cm之间;流动度保持在2小时内坍落度不低于16cm;初凝时间：20～30小时，混凝土必须有良好的和易性、流动性。
　　 （3）采用内径Φ300mm导管，导管使用前组装编号后进行水密承压、接头抗拉试验，合格后和漏斗连接下放。
　　 （4）封底混凝土采用导管检球法灌注，浇筑导管按混凝土扩散半径为4.5m进行布置2根可移动导管，按下游往上游方向顺序进行灌注。
　　 （5）封底前布置足够数量的测量点，以全面了解围堰内水下混凝土面的标高情况，实际封底高度较设计标高高出约15～30cm，待抽水后凿除浮浆。
　　 （6）封底混凝土强度达到设计要求前，围堰不得受到冲击、干扰和承受额外荷载，以免影响混凝土强度增长，确保混凝土强度、整体性和水密性。
　　4.3.11 抽水、焊接内支撑
　　 砼养生强度达80%以上时，进行围堰内抽水，随抽水标高变化及时安设两层钢管内支撑。在抽水过程中随时观测围堰内水位变化情况，采取相应堵漏措施，若发现较大涌水，则应停止抽水，派潜水工下水调查，查明原因后再采取针对措施，不可强行抽水，避免事态扩大。
　　4.3.12 割除钢护筒
　　 抽水结束，内支撑全部焊接完成后，开始割除钢护筒，割除部分为封底顶以上部分，护筒割除完毕后即可以承台施工。
　　5 总结
　　 根据嘉陵江特大桥深水承台施工，与其他围堰形式相比，我认为单壁钢围堰作为深水承台施工的一种围堰形式具有以下优点。
　　 （1）不受河床地形、地质的限制。
　　 （2）充分利用钻孔平台就可以完成围堰施工的全过程。
　　 （3）加工、运输、拼装下沉平行作业，缩短工期。
　　 （4）可重复利用，无材料损耗，一套单壁钢围堰可以周转3～4次。
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