深水中主墩圍堰施工方案比選研究

粟學(xué)平，馬亞飛

(1.路橋華南工程有限公司，廣東 中山 528400;2.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，長(zhǎng)沙 410004)

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展及地區(qū)間交通需求的日益增長(zhǎng)，許多跨江、跨海大橋陸續(xù)興建，而這些大橋都要在深水中進(jìn)行基礎(chǔ)施工。由于不同橋梁所處環(huán)境有所差異，導(dǎo)致相應(yīng)施工方法也不相同，因此，研究深水基礎(chǔ)施工具有重要意義。

李陸平等[1]針對(duì)蔡家灣漢江特大橋167號(hào)和168號(hào)墩的深水基礎(chǔ)用“先平臺(tái)后圍堰”方案施工，采取樁基鉆孔與圍堰拼裝、圍堰接高與吸泥下沉、圍堰下沉與鋼護(hù)筒內(nèi)清渣等工序之間平行作業(yè)的方式，節(jié)省了工期。程建新等[2]介紹了青島海灣大橋大沽河航道橋的鋼套箱圍堰的施工工藝，其關(guān)鍵在于千斤頂下放系統(tǒng)的同步性，該工藝為類似承臺(tái)施工積累了一些經(jīng)驗(yàn)。文獻(xiàn)[3]結(jié)合播丫河大橋5號(hào)墩的地質(zhì)和地形條件，介紹了有底雙壁鋼套箱圍堰的施工方法。上述圍堰施工都結(jié)合自身工程的特點(diǎn)，選擇了不同的施工方案，并取得了良好的效果，這些成功的施工方法為日后類似施工提供了有利的啟示。對(duì)于同一工程，即使兩個(gè)或幾個(gè)方案均可行，也存在一個(gè)最佳方案。許紅勝等[4]結(jié)合長(zhǎng)沙三漢磯湘江大橋深水墩基礎(chǔ)鋼圍堰的結(jié)構(gòu)方案的選型，對(duì)四種應(yīng)用最為廣泛的鋼圍堰的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及適用條件進(jìn)行了詳細(xì)的比較，根據(jù)各種圍堰結(jié)構(gòu)的適用特點(diǎn)進(jìn)行三漢磯湘江大橋圍堰選型。文獻(xiàn)[5]介紹了杭州灣跨海大橋鋼板樁圍堰與鋼吊箱圍堰施工方案，重點(diǎn)對(duì)兩種方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，同時(shí)對(duì)兩種施工方案適用條件進(jìn)行總結(jié)闡述。本文以珠江為例，對(duì)兩種圍堰施工方案進(jìn)行了比選。

1 工程概況

珠江大橋總長(zhǎng)為1 980 m，其中引橋長(zhǎng)1 222 m，斜拉主橋長(zhǎng)758 m。主線為雙向6車道，設(shè)計(jì)車速為80 km/h。主橋采用雙塔單索面預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)斜拉橋。主橋墩身采用雙薄壁實(shí)心墩，主墩承臺(tái)施工包括22#、23#墩，均處于深水中。承臺(tái)為整體式圓柱承臺(tái)，直徑為29.0 m，厚度為5.0 m，頂面高程為－1.3 m，底面高程為－6.3 m。承臺(tái)采用C30混凝土。

區(qū)內(nèi)沿線地表覆蓋第四系沖淤積層及砂土層，根據(jù)鉆探結(jié)果，主橋位區(qū)從上到下:22#墩主要為淤泥層(少部分墩位)、粉砂、全風(fēng)化混合巖、強(qiáng)風(fēng)化混合巖、弱風(fēng)化混合巖、微風(fēng)化混合巖;23#墩主要為淤泥層、全風(fēng)化混合巖、強(qiáng)風(fēng)化混合巖、弱風(fēng)化混合巖、微風(fēng)化混合巖。該區(qū)域水道徑流來(lái)自西江、北江和流溪河，年際變化和年內(nèi)分配與西江、北江的變化一致。多年平均山潮比為0.26，屬潮汐作用為主的河口。

2 主墩承臺(tái)施工方案比選

珠江特大橋兩個(gè)主墩承臺(tái)處地質(zhì)情況復(fù)雜，22#墩處河床最低高程 －1.41 m，承臺(tái)埋置河床深度4.89 m;23#墩處河床最低高程 －2.43 m，承臺(tái)埋置河床3.87 m。根據(jù)基樁勘測(cè)地質(zhì)資料顯示:22#墩從河床向下除局部存在強(qiáng)風(fēng)化巖層外，其余均為砂層;23#墩從河床向下覆蓋1～2 m淤泥外，其下均為全風(fēng)化或者強(qiáng)風(fēng)化巖層。結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)，承臺(tái)封底厚度暫按2.5 m考慮，則22#墩承臺(tái)開(kāi)挖深度最淺為7.89 m，23#墩則為6.87 m。

由于承臺(tái)埋置河床深，受水深(高潮水位至承臺(tái)底深13.84 m)和過(guò)往船只的影響，給施工帶來(lái)了很多難點(diǎn)。為保證施工安全，通過(guò)對(duì)地質(zhì)、水文等分析計(jì)算，決定采用無(wú)底雙薄壁鋼筋混凝土圍堰或無(wú)底雙壁鋼套箱圍堰進(jìn)行承臺(tái)施工。下面對(duì)兩種圍堰從工期、施工安全和經(jīng)濟(jì)性方面進(jìn)行比較[6-8]。

2.1 鋼筋混凝土圍堰

2.1.1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

考慮施工成本及圍堰的受力情況，外殼采用4 mm鋼板內(nèi)填充C30混凝土雙薄壁結(jié)構(gòu)。薄壁厚度為30 cm，雙薄壁混凝土圍堰的厚度為1.6 m，空腔為1 m。每隔1.5 m設(shè)置一個(gè)20 cm隔板，隔板鏤空可以使壓艙水和混凝土流動(dòng)。但每6 m設(shè)置一個(gè)隔艙，利于套箱下沉調(diào)平。圍堰內(nèi)徑29.4 m，外徑32.6 m，圍堰頂高程取+8.5 m，混凝土圍堰底高程取－9.5 m，混凝土圍堰總高度為18 m，總混凝土方量約1 200 m3，鋼材150 t。該圍堰模型圖見(jiàn)圖1。

圖1 鋼筋混凝土圍堰結(jié)構(gòu)模型

2.1.2 施工工藝流程

1)22#墩先基樁后鋼筋混凝土圍堰承臺(tái)施工

要讓病人保持良好的生活習(xí)慣,告訴病人要注意休息,保持充足的睡眠,多吃新鮮水果和蔬菜,避免吃辛辣食物。幫助病人起床,指導(dǎo)病人進(jìn)行必要的康復(fù)鍛煉,加強(qiáng)病人的抵抗力,加速病人的康復(fù)。建議病人根據(jù)醫(yī)生的要求服藥。加強(qiáng)心理咨詢,打消病人的所有擔(dān)憂。

主要施工流程為:振設(shè)護(hù)筒，搭設(shè)工作平臺(tái)→基樁施工(同時(shí)預(yù)制圍堰中間節(jié)、頂節(jié)節(jié)段及加工底節(jié)鋼外殼其余節(jié)段)→工作平臺(tái)拆除→初步清淤并搭設(shè)拼裝平臺(tái)→圍堰底節(jié)放樣、鋪設(shè)墊塊、安裝圍堰底節(jié)→施工底節(jié)混凝土圍堰(鋼筋綁扎、模板安裝、澆筑混凝土并待強(qiáng))→拆支墊，底節(jié)圍堰邊清淤邊下沉→拼裝中間節(jié)圍堰→圍堰第二次邊清淤邊下沉→拼裝頂間節(jié)圍堰→圍堰清淤和第三次下沉→封底前圍堰內(nèi)水下清淤→封底混凝土澆筑、待強(qiáng)→承臺(tái)施工，共367 d。

2)23#墩先鋼筋混凝土圍堰后基樁承臺(tái)施工

根據(jù)該墩地質(zhì)情況，擬定先將河床清理至圍堰底高程(甚至超過(guò)圍堰底高程30～50 cm)，同時(shí)進(jìn)行混凝土圍堰的制作。該圍堰第一層鋼外殼在水中浮拼成整體，然后在水中進(jìn)行混凝土內(nèi)殼施工，隨后在水中浮拼中間節(jié)和頂節(jié)圍堰。同時(shí)拼好一節(jié)就下沉一節(jié)，清淤、下沉到位后，定位主墩基樁鋼護(hù)筒并封底，進(jìn)行主墩樁基承臺(tái)施工等。具體施工流程如下:承臺(tái)范圍內(nèi)河床清理、混凝土圍堰中間節(jié)和底節(jié)的分別制作、圍堰底節(jié)整體制作→圍堰底節(jié)浮運(yùn)墩位下水→中間節(jié)、底節(jié)吊裝和拼裝→圍堰邊清淤邊定位、下沉和固定→圍堰內(nèi)水下清淤→圍堰內(nèi)吊裝、定位鋼護(hù)筒→封底混凝土澆筑、待強(qiáng)→搭設(shè)鉆孔工作平臺(tái)→基樁施工→承臺(tái)施工，共267 d。

2.2 無(wú)底雙壁鋼套箱圍堰

2.2.1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

兩個(gè)主墩處河床面較低，并且整個(gè)承臺(tái)埋置于河床面以下。設(shè)計(jì)通航水位 +7.464 m，承臺(tái)底高程為－6.3 m，因此，承臺(tái)承受較大的水壓力和土壓力。通過(guò)計(jì)算和對(duì)比，設(shè)計(jì)水位取+7.5 m，鋼圍堰堰頂高程為+8.5 m，底高程為－9.5 m，內(nèi)、外徑分別為29.4 m和32.05 m，第1～3層均采用雙壁空腔鋼結(jié)構(gòu)形式。為保證圍堰的順利下放安裝和增強(qiáng)承臺(tái)范圍內(nèi)套箱受力，圍堰底部需設(shè)置一定的壓倉(cāng)混凝土。壓倉(cāng)混凝土從刃腳澆注至承臺(tái)頂以下50 cm，高度7.7 m，總方量約為875 m3，壓艙混凝土采用 C20。鋼圍堰面板采用5 mm，6 mm鋼板制作，水平桁架上、下弦桿采用200 mm寬的鋼板，斜桿采用2∠45×45×5角鋼，總用鋼量約300 t。

第一層由刃腳及底節(jié)組成，總高度為7.5 m，內(nèi)外均采用5 mm鋼板作為面板，按照1.5 m高度布置水平型鋼桁架形成雙壁空腔鋼結(jié)構(gòu)。第二層由圍堰中間節(jié)組成，總高度為6.0 m，內(nèi)外均采用6 mm的鋼板作為面板、[8作為豎向貼面加勁。第三層由圍堰頂節(jié)及防浪段組成，總高度為4.5 m，外堰壁采用6 mm鋼板、內(nèi)堰壁采用5 mm鋼板作為面板，豎向加勁采用∠45×45×5的角鋼。總體布置如圖2所示。

圖2 主墩雙壁無(wú)底鋼圍堰(單位:cm)

2.2.2 施工工藝流程

針對(duì)兩岸不同的水文、地質(zhì)條件(覆蓋層厚度不同、性質(zhì)差異)，22#，23#主墩采取不同的施工方案。22#墩采取先基樁后鋼圍堰承臺(tái)施工，23#采取先鋼圍堰后基樁承臺(tái)施工，具體如下:

該主墩河床覆蓋層基本為砂層，為使其對(duì)后期清淤下沉不致造成較大的難度，擬定先搭設(shè)鉆孔施工平臺(tái)，進(jìn)行主墩樁基礎(chǔ)施工，后進(jìn)行河床清淤和鋼圍堰施工。該圍堰第一層由場(chǎng)外拼裝成整體后，由浮吊整體吊裝就位;其余標(biāo)準(zhǔn)弧段均在此基礎(chǔ)上進(jìn)行，利用兩臺(tái)汽車吊(或履帶吊)進(jìn)行分塊吊裝、焊接，具體施工流程為:振設(shè)護(hù)筒，搭設(shè)工作平臺(tái)→基樁施工(同時(shí)進(jìn)行鋼圍堰底節(jié)整體和其余節(jié)段加工)→工作平臺(tái)拆除→吊裝、定位圍堰底節(jié)→吊裝、對(duì)接中間節(jié)→圍堰清淤和第二次下沉→吊裝、對(duì)接頂節(jié)→圍堰清淤和第三次下沉→封底前圍堰內(nèi)水下清淤→封底混凝土澆筑、待強(qiáng)→承臺(tái)施工，共計(jì)269 d。

2)23#墩先鋼圍堰后基樁承臺(tái)施工

該主墩承臺(tái)施工范圍內(nèi)，從河床向下覆蓋1～2 m淤泥，其余均為全風(fēng)化或者強(qiáng)風(fēng)化巖層。擬定先將河床清理至圍堰底高程(甚至超過(guò)圍堰底高程30～50 cm)，此間同步整體加工圍堰第一層。河床清理完畢，將第一層圍堰整體浮運(yùn)下水，接著利用兩艘10 t浮吊進(jìn)行鋼圍堰其余標(biāo)準(zhǔn)弧段焊接。然后整體過(guò)江，定位主墩鋼護(hù)筒等，再進(jìn)行主墩樁基施工。具體施工流程如下:承臺(tái)范圍內(nèi)河床清理(同時(shí)進(jìn)行圍堰底節(jié)、中間節(jié)和整體加工制作)→圍堰底節(jié)浮運(yùn)下水→剩余部分吊裝、焊接→圍堰整體浮運(yùn)、定位、下沉和固定→圍堰內(nèi)水下清淤→圍堰內(nèi)吊裝、定位鋼護(hù)筒→封底混凝土澆筑、待強(qiáng)→搭設(shè)鉆孔工作平臺(tái)→基樁施工→承臺(tái)施工，共計(jì)211 d。

3 方案選擇與驗(yàn)證

3.1 對(duì)比選擇施工方案

22#和23#鋼圍堰和混凝土圍堰方案各工序的施工時(shí)間、費(fèi)用等比較見(jiàn)表1。從表中可以看出，對(duì)于同一工程，采用不同的施工方案所取得的效果是不相同的。施工中使用圍堰的目的是止水，以實(shí)現(xiàn)承臺(tái)干燥施工的作業(yè)環(huán)境，經(jīng)過(guò)專家多方面的技術(shù)認(rèn)證，并進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)方面的對(duì)比，鋼圍堰比混凝土圍堰工期短、費(fèi)用低。同時(shí)考慮工程規(guī)模與工程進(jìn)度的影響，決定采取鋼圍堰進(jìn)行主墩承臺(tái)施工?？紤]到兩墩地質(zhì)情況的差異，22#墩采取先基樁后鋼圍堰承臺(tái)施工，23#墩采取先鋼圍堰后基樁承臺(tái)的施工方法。

表1 施工方案對(duì)比

為防止環(huán)向標(biāo)準(zhǔn)弧段對(duì)接時(shí)的豎向焊縫形成通縫，第二層圍堰在與第一層對(duì)接時(shí)，整體逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)半個(gè)標(biāo)準(zhǔn)弧段(15°)，同時(shí)應(yīng)保證旋轉(zhuǎn)后的兩層豎向加勁對(duì)齊。圍堰連通管采用12根 φ127 mm×5 mm鋼管，環(huán)向均勻分布于圍堰 +4.5 m處平面，并與圍堰內(nèi)、外面板焊接，保證不漏水。

圍堰標(biāo)準(zhǔn)弧段現(xiàn)場(chǎng)對(duì)接順序如下:各塊件水平焊縫點(diǎn)焊→豎向焊縫點(diǎn)焊→內(nèi)、外環(huán)向加勁板對(duì)接施焊→拼裝前圍堰直徑差為負(fù)值時(shí)，焊外壁板水平縫;正值時(shí)，焊內(nèi)壁板水平縫，進(jìn)行水平縫施焊→內(nèi)外壁板豎縫施焊→其它縫施焊。

為保證套箱圍堰加工偏差滿足要求和解決焊接、拼裝過(guò)程中直徑收縮問(wèn)題，設(shè)置直徑預(yù)擴(kuò)張量 ΔD=D/500=58.8 mm。放樣精度要求平面位置偏差不大于±10 mm;直徑偏差不超過(guò)±20 mm。為了檢查焊縫質(zhì)量，套箱下水前必須進(jìn)行油滲和密水檢驗(yàn)，保證套箱不滲水。

3.2 方案論證

圍堰標(biāo)準(zhǔn)弧段的吊裝和局部撞擊是否滿足要求是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，本文采用有限元軟件MIDAS建立空間模型，對(duì)上述兩種工況下受力進(jìn)行了驗(yàn)算。

3.2.1 標(biāo)準(zhǔn)弧段吊裝

考慮施工現(xiàn)場(chǎng)的吊裝、焊接以及加工工藝，取底節(jié)單塊標(biāo)準(zhǔn)弧段、四點(diǎn)吊裝進(jìn)行分塊分析計(jì)算，此種計(jì)算的邊界條件為履帶吊。

型鋼最大拉應(yīng)力為5.72 MPa，最大壓應(yīng)力為3.56 MPa，二者均發(fā)生于吊點(diǎn)局部豎向加勁型鋼，小于鋼材容許應(yīng)力。鋼面板最大組合應(yīng)力為6.34 MPa，發(fā)生于吊點(diǎn)局部外側(cè)鋼面板。型鋼最大剪應(yīng)力為0.3 MPa，發(fā)生于吊點(diǎn)局部水平桁架處，該應(yīng)力小于鋼材容許應(yīng)力。構(gòu)件最大組合變形值為1.97 mm，發(fā)生于刃腳部位。計(jì)算結(jié)果表明，該雙壁鋼圍堰在加工、使用過(guò)程中具備較好的剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性，滿足吊裝的要求。

3.2.2 圍堰局部撞擊驗(yàn)算

計(jì)算荷載考慮靜水壓力、動(dòng)水壓力、土壓力、波浪力等荷載組合作用，并在圍堰頂部向下3 m處沿動(dòng)水壓力、波浪力同方向施加40 kN的集中力。

型鋼最大拉應(yīng)力為 131.4 MPa，最大壓應(yīng)力為170.6 MPa，二者均發(fā)生于撞擊局部水平桁架。鋼面板最大組合應(yīng)力為8.3 MPa，發(fā)生于撞擊局部外側(cè)鋼面板。型鋼最大剪應(yīng)力為15.7 MPa，發(fā)生于中間節(jié)圍堰豎向加勁處。構(gòu)件最大組合變形值為6.36 mm，發(fā)生于撞擊局部。計(jì)算結(jié)果表明該工況也滿足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)不同地質(zhì)情況，對(duì)兩個(gè)主墩承臺(tái)施工方案進(jìn)行介紹比較，最終選擇的鋼套箱圍堰施工是一個(gè)較為合適的施工方案，實(shí)際應(yīng)用效果較好，降低了施工難度，節(jié)約了施工費(fèi)用，縮短了施工工期。橋梁基礎(chǔ)圍堰施工形式是多樣的，每種圍堰都有其各自的特點(diǎn)和適用條件。因此，無(wú)論使用哪種圍堰在施工中應(yīng)結(jié)合各自不同的水文、地質(zhì)、材料及施工設(shè)備等條件，綜合考慮各種因素進(jìn)行比選，以達(dá)到既滿足施工質(zhì)量，又降低工程項(xiàng)目的投入和加快施工進(jìn)度的目的。

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