主塔围堰施工技术

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　　摘要：随着我国桥梁建设向大跨度、深基础方向迈进。墩位处往往水深流急，地质条件复杂，水流冲刷较深，水中的承台一般采用“钢围堰法”施工。钢围堰通常采用角钢、工字钢或槽钢等刚性杆件与钢板施焊连接，按照承台的结构型式加工制成，具有可靠的整体性和良好的防水性能，既可作为承台施工时的挡水结构，又可作为承台混凝土浇注用的模板，还具有易加工、速度快、周期短的特点，受到各施工单位的欢迎。
　　关键词：钢围堰；深基础；承台
　　1.工程简介
　　1.1桥梁结构形式
　　 黄冈公铁两用长江大桥主桥全长1215.0m，采用五跨连续钢桁梁斜拉桥，结构对称布置，跨度为（81＋243＋567＋243＋81）=1215.0m。具体形式见“图1.1”
　　
　　
　　图1.1 黄冈公铁两用长江大桥立面布置图
　　1.2主塔墩基础结构形式
　　 黄冈公铁两用长江大桥主塔墩基础形式为高桩承台形式，由31根φ3.0m钻孔灌注桩组成群桩基础，钻孔桩布置为行列式：纵桥向5排，横桥向7排；承台平面为矩形，承台长51.2m，宽34.2m，高6.5m。
　　1.3钢围堰概况
　　 主塔墩基础施工采用双壁钢吊箱围堰法施工，钢围堰集钻孔平台、承台模板、钢护筒定位导向三种功能于一体，围堰平面为矩型，轮廓尺寸为：长55.4m，宽38.4m，高16.5m，双壁舱宽2.0m，围堰内设底隔仓，底隔仓高4.4m，浮运总重约2794t，围堰自浮状态下吃水深度约2.5m。布置方式见“图1.2 围堰总布置图”
　　
　　
　　 图1.2 围堰总布置图
　　2.工程特点
　　2.1基础施工工期紧
　　 工程于2010年1月开工，基础工期由常规的一个枯水期加一个洪水期，缩短为一个洪水期内完成。
　　2.2桥址处流量大
　　 桥址上游河道由南北向转入东西向为呈90°弯曲，且河道较宽（1450m）。桥址下游再次由东西向转入南北向呈90°弯曲，河道宽（3500m），桥址处水面宽约1060m，最大水深约23～24m。桥址处流量大（洪水期流量达71800m3/s），流速达3.0m/s，流向与桥址呈0°夹角。因此对钢围堰精定位造成困难。
　　2.3墩位覆盖层薄、易冲刷
　　 由于桥址处河道变化的特殊性，造成墩位覆盖层薄、冲刷严重。钢护筒插打后冲刷情况反映桩位迎水面覆盖层为零。所以钢围堰定位桩承受水平力及弯矩的能力大幅缩减。
　　2.4 岩面倾斜
　　 由于水流沿河道冲刷造成桥址处岩面由鄂州向黄冈方向倾斜，设计资料反映30m平距范围内倾斜高差为2.5m。实际情况反映局部岩面倾斜较严重（3.2 m平距范围内倾斜高差为1.1m）。
　　3.围堰定位方案的确定
　　 黄冈公铁两用长江大桥主塔墩墩位处水深、流急冲刷大，如采用锚墩定位方案其锚墩基础施工难度较大，设备要求高，精定位时定位锚墩刚度相应降低，变形增加，在技术上重锚定位方案更能适应施工条件。并且重锚定位方案为成熟工艺，常规设备，可超前准备，尽快形成定位系统。应此黄冈从公铁两用长江大桥主塔墩钢围堰采用围堰底节在岸上整体制造，气囊法断缆下水，浮运至墩位，重锚精确定位，插打钢护筒，围堰挂桩形成钻孔平台的施工方案。
　　4.双壁钢吊箱围堰施工技术
　　4.1钢围堰制造
　　（1）围堰制造基本情况
　　 双壁钢吊箱底节由龙骨、底板、外侧板、底隔舱、吊杆、内支撑桁架及上下导环组成。主要制造方案为将其分为若干个单元块，在下水场地进行拼装的制造方案。其底板和底龙骨在拼装现场进行制造；侧板分成单块最大重量约为30t的单元，在钢结构车间制造成壁板单元，用汽车运到拼装场地后，进行焊接拼装；内支架在钢结构车间内形成桁架单元，运到拼装现场后，在现场进行拼装焊接；吊杆制造单桁进行拼装，桁间散拼进行现场拼装焊接；其它附属结构在车间内分别制造好后，在现场拼焊。
　　（2）关键技术
　　 由于钢围堰作为主塔墩承台模板的同时兼作为钢护筒插打导向结构，这就要求围堰在制造过程中就需要开始严格测量控制围堰的轮廓尺寸、桩位、上下导环的位置、上下导环的同心度。以便浮运到墩位进行精确定位时控制围堰的平面位置偏移、扭转和围堰的垂直度,以保证桩位和承台偏差在允许范围内。
　　 ①钢吊箱围堰的制造及测量控制准备
　　 在钢吊箱围堰制造过程中，建立独立坐标系的局部控制网。及时测量下固定导环、下活动导环和上固定导环的中心位置，并且用下固定导环的中心位置检查上固定导环的同心度，并检查各导环8个方位的内径尺寸。在钢围堰的顶部测量围堰的理论纵横轴线、测量围堰顶部四个角点的相对高程。
　　 ②数据分析
　　 a分析下固定导环实际中心偏离设计桩中心位置最大偏差和围堰在承台顶标高处，理论轴线至各内边缘的最大偏差，得出实际围堰平面中心偏位的允许误差范围。例如最大偏差20mm，规范要求各桩中心偏位±100mm，则实际围堰中心偏位控制在±80mm即可。
　　 b分析下活动导环与固定上导环的最小水平距离，根据围堰下活动导环到固定上导环的高度，此推算围堰的垂直度。
　　 c得出下活动下导环与下固定导环的水平距离的最小距离。根据设计位置围堰下固定导环到定位桩底部的高度，推算定位桩钢护筒允许最大垂直度。
　　 ③钢吊箱围堰精定位的测量控制数据的确定
　　 由于钢吊箱围堰在制造时各桩位的中心位置已造成一定的偏差，为确保钻孔桩最后成桩后桩顶处的各桩中心偏差在±100mm以内，通过分析得出精确调整围堰的平面位置的偏差小于50mm，同时还应当控制围堰纵横轴线的扭转偏移：短边扭转偏移≤28mm、长边扭转偏移≤43mm。
　　 由于水流和施工顺序的原因，当钢护筒插打时围堰可能会往下游方向偏移，因此围堰的平面位置应预偏上游30～80mm。
　　 我们用围堰顶部四个角点的相对高程差来调整围堰的相对垂直度，以1/1000来控制，推算出围堰长边的相对高差的偏差和短边的相对高差的偏差。
　　 根据分析得出钢护筒插打的垂直度以1/500来控制，由于水流的作用钢护筒会贴着下游侧的导环内缘，因此围堰的垂直度应尽量调整，若不易调整时最好能以上口向下游方向倾斜为准则。
　　 4.2钢围堰下水
　　 （1）钢围堰下水基本情况
　　 钢吊箱下水采用气囊断缆法。根据场地条件、下水坡道长度、坡度大小及气囊受力等分析计算，将下水坡道分为3个调节段，从1：30逐渐调整为1：5。吊箱在1：10的坡度下断缆起动，其重力沿坡道的分力大于气囊滑动摩檫力，起动下滑。经计算吊箱入水速度为10m/s，滑移距离为110m。距水边线5.0m实测水深2.5m，30.0m实测水深5.0m。钢吊箱需要滑行的最小安全距离为90m。因此钢吊箱可通过气囊断缆法安全快速完成下水，下水自浮稳定后其吃水深度为3.36m。
　　 （2）关键技术
　　 ①气囊法断缆下水是围堰断开拉缆后，在自重分力作用下起动，沿坡道快速下滑入水，在围堰尾端吃水下沉搁浅前，迅速到达深水区域，实现安全自浮。
　　 ②为增加钢围堰浮力，减少钢围堰吃水深度，保证钢围堰入水瞬间前端不搁浅，全部入水后后端不搁浅。钢围堰除按照设计图纸对4个角桩位进行临时密封外，对前端隔舱的6个桩位进行临时密封。
　　 ③为防止围堰下水后由于水流作用，出现顺水流方向加速漂移。下水前在上游80～100m处进行抛锚定位，并用钢丝绳将定位船与围堰后端的临时系揽柱连接，保证围堰下水后的安全，给浮运编队充足的时间。
　　 4.3钢围堰浮运
　　 浮运采取顶、帮结合的形式，选用操纵性能好的两艘2640马力的全回转拖轮作为主拖，以稳定航向，控制航向和前进的速度。右侧采用540马力拖轮帮靠，顶推以稳定船位，兼作监护。浮运到位，定位船过缆到钢围堰后，拖轮即行解队。

　　 4.4锚碇系统抛锚预绞
　　 （1）配备原则
　　 锚碇定位系统的作用是保证钢吊箱在水流阻力、风力等外力作用下，平面位移满足轴线偏差小于±5cm的精度要求。定位系统除了承受水流力、风力外，主尾锚、边锚主要还应承受一定的预拉力。设置预拉力的目的，主要是为了尽可能消除定位系统的非弹性变形，增强锚碇抗走锚能力，有效控制围堰的平面位移。锚碇布置见“图4.1 双壁钢吊箱围堰锚碇布置图”。
　　
　　
　　 图4.1 双壁钢吊箱围堰锚碇布置图
　　 （2）抛锚作业
　　 抛锚作业技术要求：抛锚位置误差±5.0m；定位船位置应相对其设计位置预偏向上游5m。
　　 采用自制的简易抛锚船来进行锚碇抛投施工。抛锚船上布置一台15T的单筒慢速卷扬机，一个特制系缆将军柱（用于绕系φ47.5mm锚绳），一个马口及一台发电机。将锚链、锚绳在上展开并接好。将卷扬机的钢丝绳通过卡环系在锚链上，将铁锚吊起挂于抛锚船头，使锚链从船头马口中通过。至此，抛锚准备工作完毕。540马力拖轮将抛锚船拖至锚位，测量人员测量好位置后，利用卷扬机控制将铁锚一梢一梢慢慢放入水中。在卷扬机松锚的同时拖轮带着抛锚船缓慢向定位船遛放，使锚链在河床上摊开。
　　 （3）锚碇对拉预绞
　　 锚绳预绞的目的主要是为了检验锚碇系统的安全性，并且尽可能消除定位系统的非弹性变形，增强锚碇抗走锚能力，有效控制围堰的平面位移。
　　 锚碇的受力特点是抛设的时间越久，受力越牢。为了使锚碇在围堰就位前就稳固在河床上，缩短围堰定位时间，在前后定位船的锚碇抛投完毕后，立即进行预绞作业。其方法是将上、下游两定位船用两根对拉绳连接起来，把所有主锚、边锚均进行预绞紧。
　　 由于前锚总体力量远大于后锚总体力量，预绞顺序为：先后锚，后前锚。首先由全部主锚提供对拉吨位，对拉吨位略大于单根主锚的设计值，收紧其中一根主锚到设计吨位后稳定5分钟，注意观察前后定位船有无位移变化，索力是否有所减小，如果索力减小再补足吨位，并延长稳定时间，直至索力保持设计吨位不再变化为止。释放该锚的力量至初始值，重复下一根主锚的收紧，直至全部完成。
　　 （4）关键技术
　　 抛锚作业过程中要控制拖轮拖带抛锚船的速度要始终略大于卷扬机放稍的速度，保证使锚链平躺于河床，铁锚抓入泥中。防止锚链堆积在河床上，增加定位系统的非弹性变形，从而不能有效控制围堰的平面位移。
　　 4.4钢围堰定位
　　 钢围堰在水流力、风力、施工荷载及拉缆拉力作用下，其弹性变形很小，钢围堰的位移可视为刚体位移；锚绳为线性材料，锚碇与河床为固结，锚绳与锚碇、钢吊箱间为铰接。由于水流影响，依靠锚碇系统将围堰长时间稳定在毫米级精度的定位要求内是不现实的，因此通过锚碇系统将围堰调整至设计位置，在短时间内插打准备好的4个对角的定位钢护筒并进行挂桩，通过定位钢护筒承受一部分水流力，达到精定位的目的。
　　 （1）初定位
　　 通过调整前、后定位船主锚及围堰绞锚平台边锚的索力，保证各锚绳受力均匀，钢围堰定位初始状态为设计中心偏上游5～15cm，偏差控制在±40cm以内。同时调整围堰双壁仓内水量，保证围堰相对垂直度在1/1000以内。完成初定位。
　　 (2) 精定位
　　 通过灌水将围堰调平，将围堰相对垂直度（1/1000以内）、平面位置（偏上游3～8cm）及扭转（短边不超过28mm，长边不超过43mm）均控制合格后，即可进行定位钢护筒插打工作。
　　 a 围堰垂直度调整
　　 通过对围堰双壁舱内对称抽、灌水来调整围堰相对倾斜度，将围堰垂直度度控制在1/1000，即长边方向相对高差允许偏差51mm，短边方向相对高差允许偏差34mm。
　　 b 围堰的扭转调整
　　 围堰的平面位置如果扭转偏差较大时，则先进行扭转偏差的调整。按照围堰需要扭转的方向，先将围堰慢慢放松一角拉缆，同时慢慢收紧对角侧拉缆，直至将围堰的扭转偏差控制在允许范围内；
　　 c 围堰横桥向位置调整
　　 在围堰经过扭转调整后，围堰的纵、横桥向轴线已平行于墩轴线，围堰平面位置通过调整前、后定位船拉缆进行。如当围堰偏下游时，先同时慢慢放松后定位船的拉缆，同时收紧前定位船拉缆，将围堰向上游拉，调整至围堰轴线与墩轴线上下游偏差在5cm以内。在调整时要注意保持各锚索的受力均匀。
　　 (3)定位钢护筒插打
　　 定位钢护筒插打按照先四个对角、先上游后下游、对称插打的原则进行。钢吊箱精度满足要求后，依次插打剩余8根定位钢护筒。
　　 （4）钢围堰挂桩、体系转换
　　 定位钢护筒插打完毕，双壁仓内注水下沉，钢围堰支撑于12根定位钢护筒，收紧活动上、下导环并固结，形成固定平台，完成体系转换，插打剩余19根钢护筒。
　　 （5）精确定位成果
　　 钢围堰定位精度为： 上游偏北34mm，下游偏北36mm，整体偏上游55mm，南北高差19mm，上下游高差14mm。
　　 （6）关键技术
　　 选用冲击钻机在定位钢护筒内钻孔入岩3.0m并灌注6.0m高素混凝土，对定位钢护筒进行锚固，是解决由于墩位覆盖层薄、易冲刷、岩层强度高且岩面倾斜造成定位钢护筒承受水平力及弯矩的能力大幅缩减的有效方法。
　　 定位钢护筒内径3.2m，考虑到钢护筒制造存在一定椭圆度且冲击成孔有一定扩孔，选用直径3.15m冲击钻头进行成孔，成孔孔径约3.2m，成孔入岩深度3.0m以上。再采用APE600振动桩锤，振动钢护筒下沉至孔底。有效的解决了岩层强度高、岩面倾斜地层无法锚固钢护筒的问题。
　　 5.结束语
　　 黄冈公铁两用长江大桥主塔基础采用双壁钢吊箱工厂整体制造、浮运的施工方案，吊箱集钻孔平台、承台模板、钢护筒定位导向三种功能于一体，并采用重锚加定位船的定位方案，其平面定位精度在5cm内，钢吊箱垂直度在1/1000内，钢护筒垂直度在1/500内，实现了在水深流急、河床冲刷大、颜面倾斜、通航干扰大等复杂施工条件下双壁钢吊箱整体浮运精确定位施工技术的新突破，为复杂建桥条件下大型深水基础的建造技术积累了宝贵的经验。
　　
　　注：文章内的图表、公式请到PDF格式下查看

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