双壁吊箱围堰施工技术.doc

双壁吊箱钢围堰在水上施工平台施工中的应用
潘留生
(中铁四局集团有限公司 安徽合肥 230023)

【摘要】 介绍在长江上游这种水深、流急、航道狭窄、航运繁忙、覆盖层为卵（漂石）的条件下，水中墩桥梁基础双壁吊箱围堰施工方法，包括双壁吊箱围堰结构、锚碇布置、导向船定位、施工平台建立等。
【关键词】 双壁吊箱 施工 技术

1 工程概况
长寿长江特大桥是新建铁路渝怀线上跨越长江的一座特大桥，位于重庆市长寿区境内，桥跨布置为2x24m+3×32m预应力混凝土简支梁+(144+2×192+144)m下承式连续钢梁+2×32m预应力混凝土简支梁。桥梁全长898.36m，全桥位于曲线及直线平坡上，桥高95m。按复线要求一次建成。主墩为圆端形空心墩，墩身高度为49.3m，6号、7号墩采用桩基础、高桩承台，每墩10根φ3.0m钻孔桩，承台尺寸25.2m×17.4m×6 m。
桥位范围水深流急，水运繁忙。6号、7号墩枯水期水深分别是16m和31m，水流为2.5～3m/s。河床覆盖层为卵（漂）石，6号墩河床底部段有8～9m卵石土，7号墩河床底部段有3.5～11m卵石土。其中，6号墩处漂石含量约50～75%，粒径200～450mm，个别大于500mm，卵石含量约20%，粒径一般50～200mm，少数20～50mm；7号墩处卵石粒径20～200mm为主，约占55%～70%，个别大于200mm。下伏岩为泥岩夹砂岩和砂岩，极限抗压强度分别为13MPa和29MPa。7号墩岩面倾斜37°。该桥施工难度大，为渝怀线十大重点控制工程之一。

2 双壁吊箱围堰方案简介
双壁吊箱围堰的总体思路是将双壁钢围堰在水上的大量拼焊工作提前到岸上完成，围堰在工厂（船厂）整体制造，同时进行导向船拼装和抛锚定位工作，围堰制造好并验收合格后，利用船坞（滑道）下水，浮运至墩位，将双壁吊箱围堰的兜缆过渡到定位船上，收兜缆将围堰喂入导向船内，在双壁围堰内加水，使围堰下沉，将围堰两侧的支撑牛腿支在导向船的分配梁上，与导向船连为一体。通过收紧锚绳调整并定位双壁吊箱围堰的位置。
双壁吊箱围堰设计为一个带底板结构，将钢护筒的导向架、施工平台、吊箱围堰的功能融为一体，一次到位，围堰定位后，通过设在围堰上的上下导环，插打钢护筒，并在护筒内外中岩一定深度填充素砼，利用主体结构钢护筒（钢护筒须加厚）作定位桩。待4根定位桩完成后（6号墩为6根），进行体系转换，将双壁吊箱围堰挂在定位桩上，围堰与导向船脱离关系。在围堰平台上继续插打其余钢护筒至入岩少许，然后将其与围堰支撑环焊接。在围堰平台上安装钻机钻孔，先钻位桩之外的桩，然后施工定位桩处的桩孔，完成后吊箱围堰内封底，达到强度后，抽水施工承台（承台分二次浇注），基础施工完成。
在渝怀线长寿长江特大桥水中基础施工中，采用双壁吊箱围堰施工方法，成功地在一个枯水期，完成了两个枯水期的施工任务，保证了总工期要求。

3 双壁吊箱围堰施工技术
3.1 锚碇布置
3.1.1主要组成部分及作用
根据桥位处的地质、水文、航道及工期情况，设计了2套锚碇系统来满足6号、7号墩基础施工需要。其基本布置思路是因地制宜，必须安全强大且能够迅速高效地实施布设。
锚碇系统由前定位船（4000kN铁驳）、导向船（2艘8000kN铁驳）和主锚、尾锚、侧锚、锚链、锚绳及收紧系统等几部分组成。定位船在墩位上游设置，用作确定、调整导向船及围堰顺水方向位置，控制主锚受力。导向船是由万能杆件连成整体的2艘8000kN铁驳，既作为调整钢围堰位置的约束体系，又作为基础施工的辅助工作平台。导向船与定位船之间通过6根φ43拉缆连接固定。围堰与定位船、导向船间设兜揽连接。
主锚承担锚碇系统顺水方向的所有外力（风力及水流冲击力）作用。尾锚主要是承受尾部方向的风荷载，适应主锚受力及调节导向船系统和围堰的位置。侧锚作用是调节和控制定位船、导向船的横向位置，使定位船、导向船在横向风力、水力、船舶撞击下保持稳定。为保证航道通航安全，侧锚采用长锚链将锚绳尽量压在河床下。
3.1.2锚碇系统计算分析
锚碇系统总压力是根据水流、风向对钢围堰、定位船、导向船、工作船作用的力进行计算的。在不同的施工阶段围堰及船组的受力情况也不同，取围堰下沉到位为控制工况。
围堰受水流阻力是主要因素。其计算公式如下：
R=kr(V2 /2g)·A
式中： k——水流阻力系数，取0.75
V——计算水流速度，取3m/s
A——围堰入水部分在垂直水
流方向的投影面积m2
3.1.3锚碇系统施工
由于长寿长江大桥工期紧张，在抛锚工作量非常大、时间又短的情况下，各类锚（地龙除外）均采用铁锚，主要施工工序如下：
导向船尾锚、边锚抛锚定位

导向船拼装、浮运就位
定位船抛锚定位
钢围堰导向船刚性连接、精确定位后开始插打护筒
钢围堰制造、浮运

为减小投入，长寿桥采用100kN以下旧的霍尔式铁锚及有档锚链，并用“甩梢”的方法进行抛锚：抛锚时采用拖轮拽带抛锚船浮运至锚位，由测量组用全站仪测量位置后，松开挂置铁锚的钢丝绳，铁锚因自重而落入河床，锚绳及锚链也随之落入河中。
3.2 导向船布置
3.2.1布置简介
导向船采用两艘8000kN铁驳，以万能杆件桁梁联结而成。两驳船间净距30m，两连接梁内桁间距35m，为方便围堰由下游进入导向船，下游连接梁柱脚高于上游连接梁。每套导向船组上布置一台500kN架梁吊机，一台200kN桅杆吊机，以满足钢护筒吊装，钻机吊装和钢筋笼吊装需要，其中500kN吊机是按最大吊装重量配置的主要吊机，200kN为辅助施工吊机。为确保围堰在水流及风力作用下保持稳定，在导向船上设4个导向支架。
3.2.2 导向船计算分析
导向船计算分为两部分:船体结构计算及连接桁梁计算。导向船8000kN铁驳采用的是非工程驳，其导水流作用优于工程驳，但船头、船尾等部分受力情况比工程驳要差一些。考虑到吊机及其支架自重、围堰支承牛腿反力等外荷载的不平衡作用，首先要对船舱进行压重，确保船体受力均衡。在各种外荷载（吊机、压重、支架等）作用下，除应验算船体总体应力（验算龙骨系统）外，在荷载作用点下还要验算局部受力状况，不足处需进行加固。
连接梁是空间桁架结构，分为以下两个工况进行计算：浮运和吊机吊重。浮运时由于导向船是单独浮运（与围堰分开），受力并不大，计算时视导向船为刚体，两边连接梁与之铰接，形成框架形结构。以一艘导向船为支点，计入另一艘导向船所受风力、水流阻力及连接梁所受风力进行计算。吊重工况计算时根据吊机在不同的方位起吊时计算其下支架及连接梁的受力状况，比较后取最大值配置杆件，荷载应计入侧锚预拉力、风力及施工荷载等。
3.2.3 导向船施工
为减小拼装难度及不影响航道，导向船连接梁及吊机可在岸边用500kN及300kN浮吊拼装，完成后由2艘拖轮浮运至定位船后方，系好拉缆后逐步放松，使导向船组顺流浮运到墩位，然后再系定边锚及尾锚。
3.3 双壁吊箱围堰设计制造及浮运定位
3.3.1结构设计概况
双壁吊箱围堰设计，应考虑水流冲击、结构受力、浮运要求等。该桥围堰平面尺寸为33.2m×20m，圆端形结构。6号墩围堰高15.5m，自重6000kN；7号墩围堰高13m，自重5600kN。围堰由侧板、底板及龙骨、内支撑架和上下导环等部分组成，形成集钻孔平台和承台施工平台为一体的结构，综合了双壁钢围堰与吊箱围堰的特点。
侧板为双壁结构，内外壁间距1.2m，具备自浮能力，通过舱内灌(抽)水可调节围堰标高。面板为δ6mm钢板，竖向用L75X50X6角钢加劲，布置间距400～500mm。内外壁间采用水平支撑环板，通过L75X75X6（8）角钢斜撑连成整体。水平环板间竖向间距1000或1200mm，并根据计算水头分别采用δ10、δ12、δ14及δ14外贴δ20mm加强板四种断面形式。为有利围堰下沉、加强双壁整体性，在内外壁间设18道隔舱板，将双壁间分成若干小隔舱。
底板直接支承于龙骨上，并通过模板间缝隙将底板与龙骨焊连。底板龙骨采用Ι40b组成纵横框架结构形式，交叉处采用等强焊接，通过吊杆将荷载传至内支撑架。内支撑架既是围堰竖向及水平传力构件，同时也是施工平台的组成部分，由万能杆件及新制杆件组成。
上下导环既作为钢护筒插打的导向装置，又是钢护筒与围堰形成整体的连接装置。护筒插打完后，将下导环锲紧，上导环与钢护筒焊接，围堰与护筒即形成整体框架结构。具体详见图1 深水基础双壁吊箱围堰平、立面布置图。

图1 深水基础双壁吊箱围堰平、立面布置图

3.3.2计算分析
双壁吊箱围堰除浮运计算外，还应计算以下三部分：围堰与定位桩形成的平台系统计算、围堰本体结构计算及整体抗浮计算。
(1)平台系统计算
假定围堰是支承于4根定位桩的刚性梁，定位桩锚固于基岩中，计算模式如下：

平台计算控制工况是插打离平台中心最远的非定位桩钢护筒时，荷载组合为：竖向力（平台自重+导向架及接桩钢护筒自重+施工荷载）+平台及支承桩所受的风力、水流力+单根桩下沉所受水流力。根据计算结果确定钢护筒的壁厚及护筒嵌岩深度。
(2)本体结构计算
结构计算采用有限元程序进行电算，建立空间模型:内外壁板及环板视为空间板壳单元，水平斜撑及竖肋采用空间梁单元，围堰内支撑杆件视为桁元，根据不同的工况进行计算，根据各种工况下计算结果的最不利应力状态来选取杆件尺寸。
为了校核计算结果，在如下假定下进行手算复核：（1）对环板和水平斜撑技术时考虑壁板50倍板厚的宽度参与受力；（2）竖向加劲板按满跨连续梁计算，同时考虑壁板50倍板厚的宽度参与受力；（3）壁板接支撑在竖向加劲肋上的满跨连续板计算。两种计算结果吻合较好。
计算表明：外侧板由围堰下沉过程中水头控制，内侧板及环板由围堰在抽水后隔仓内填充水头控制，底板由浇注水下砼重量控制，而内支撑杆件则在浇注封底砼、钻孔及抽水工况中均有局部杆件受控制。
(3)整体抗浮计算
围堰完成抽水时，吊箱承受浮力，应进行整体抗浮稳定验算，确定隔仓内灌水压重。
3.3.3围堰制造及浮运定位
双壁吊箱围堰制造应就近选择造船厂或具备下河条件的场地进行，围堰整体制造（施工平台后装），按钢结构施工规范加工、验收，并对焊缝作煤油渗透检查。
由于围堰整体浮运吃水较深，长江上游江面水流湍急，局部区段流速达4m/s，围堰逆水而上须克服相当大的阻力（约500kN），计算需用3675kW以上拖轮拖运。实际施工中，采用一艘3675kW拖轮顶推，另一艘1470kW护航协助。围堰拖运至导向船尾部后，在定位船及导向船上设拉缆共同将围堰拉入导向船内设计位置。
在围堰上焊接牛腿支架与导向船刚性连接，同时安装限位架，在限位架及牛腿支架的共同作用下将围堰与导向船形成一个整体，通过强大的锚碇系统来保证围堰的准确位置，从而保证钢护筒的精确位置。
3.4 钢护筒插打和平台形成
先打定位桩，平台定位桩是利用主体结构桩位和钢护筒。由于墩位处漂卵石粒径大，采用2500kN打桩机将钢护筒振动下沉，同时辅以吸泥、冲击钻或冲抓锥等方法使护筒跟进。
定位桩完成后，解除围堰与导向船的连接，围堰加水下沉，到设计标高后与定位桩固结。继续插打其余钢护筒，同时与围堰固结，形成钻孔桩施工平台。
3.5 钻孔桩施工、封底、承台浇注
由于钢护筒插打嵌入岩面，根据该桥地质情况，选用KPG-3000型钻机，楔齿滚刀钻头，清水反循环钻进方法。每墩布置3台钻机，每台钻机砂岩层平均钻进速度为8～9cm/h，泥岩层平均钻进速度9～12cm/h。
钻孔桩快要完成时，就开始进行清基工作。待钻孔桩完成后，进行封底。6号、7号墩封底厚度分别为2.5m、2.0m。导管根据混凝土的流动性能计算设置，封底从一端向另一端进行。混凝土储料应有足够，滑槽及转向灵活方便，保证混凝土封底工作顺利，快速完成。
根据封底混凝土的承载能力，承台混凝土分二次浇注，每次3m高，按大体积混凝土工艺施工，内部设置降温管和温度监控元件，外部采用保温保湿养护。

4 结论
通过采用双壁吊箱围堰施工新技术，长寿长江特大桥实现了一个枯水期完成两个深水基础的目标，确保了总工期。实践证明，平台围堰一体化双壁吊箱围堰与钢围堰施工相比，具有如下主要优点：
（1）阻水宽度小，有利于安全通航。双壁吊箱围堰在外形上做成圆端形，阻水面宽度为20m，减小了阻水面积和航道占用宽度，通航条件有较大改善。
（2）工期短。双壁吊箱围堰可以在工厂整体制造，下滑入水，浮运就位，省去了双壁钢围堰在现场拼装接高的大量工作，赢得了时间。
（3）施工难度减小。双壁吊箱围堰是带底板结构，无需下入河床，只要将钢管柱下插至岩面。虽然在这种卵石层中插打钢管柱也有难度，但比整个钢围堰下沉至岩面难度要小。
（4）经济指标好，用钢量比较接近，砼用量少。
总之，采用吊箱围堰一次成型，既作护筒导向和施工平台，又作围堰，与主体桩位钢护筒形成一体的双壁吊箱围堰施工方法，是对长江上游深水、大流速、浅覆盖层基础的传统围堰施工方法的创新，对今后类似工程有一定借鉴作用。

参 考 文 献
[1] 铁道部第三勘测设计院主编.桥梁地基与基础.北京：中国铁道出版社，1996。
[2] 罗邦富，魏明钟，沈祖炎，陈明辉.钢结构设计手册.北京：中国建筑出版社。