潮汐河深水承台施工技术

2010-08-04韩伟奇

铁道标准设计 2010年4期

韩伟奇

(中铁十八局集团有限公司,天津 300222)

1 工程概况

东北东部铁路新建前阳至庄河段工程 DT-2标段大洋河特大桥全长 1.418 km,桥梁跨度均为 32m。本桥跨越大洋河,河面宽度约 320m,该河为潮汐河,每天潮起潮落两次,河水面至承台底面深度最深达到18m,潮汐差 3～5m,潮汐期间的水流速度达 4m/s,给承台的施工带来很大的困难。

2 施工方案

大洋河特大桥所处地段的地层以淤泥层和砂层为主,采用双壁钢套箱围堰进行基础施工,钢套箱在工厂加工,浮运到施工现场,拼装、下沉。采用空气吸泥机清除套箱内河床土层辅助下沉,分别通过焊接在钢护筒上的牛腿和定位平台的钢丝绳控制钢套箱围堰下沉的位置与方向。双壁钢套箱围堰下沉到位后,灌注水下混凝土进行封底,封底混凝土达到设计强度后,抽干水进行护筒切除、桩头凿除,进行钢筋绑扎及安装冷却水管,最后进行承台混凝土浇筑。

3 施工方法

3.1 双壁钢套箱施工

3.1.1 钢套箱设计与加工

本桥钢套箱设计为采用双层薄壁结构,壁厚 1.0 m。采用厂制,除钢套箱底节刃脚部分整体船运至现场外,其余接高部分按隔水舱分为 16块浮运至现场拼装成形。钢围堰结构如图1、图2所示。

图1 钢围堰平面(单位:cm)

图2 钢围堰立面(单位:cm)

钢套箱上下分为 4节,第一节高 3.15m,底部设有刃脚,以利下沉和着床。其余三节均为 5m。围堰外径为 22.4m,内径为 20.4m,平面分为 16块,现场拼接成形。围堰内外壁均设有防水结构,加工后必须作水密试验。为保持吸泥下沉灌注封底混凝土过程中围堰内外水的平衡,在围堰底部 3m范围内对称设置2个 φ400mm的通水孔,以便调整钢套箱下沉时的重心及垂直状态。另外还要在上部设置吊耳、四周设锚耳等,以便吊装及定位锚固。

3.1.2 钢套箱运输与拼装

由于钢套箱加工量大,且要求加工质量较高,因此,本桥钢套箱采用工厂加工,现场用 60 t浮吊进行拼装。为保证围堰起吊平稳及防止变形,在围堰上设 8个吊点,进行对接。

底节钢围堰在静水区域的拼装船上拼装,利用浮吊起吊,拼装船用两艘 400 t驳船中间焊接 I30b型钢连接而成,上面铺板材作为操作平台,拼装船组拼示意如图3所示。

图3 拼装船组拼示意

钢围堰拼装工艺为对称拼焊,要求上下隔舱板对齐、各相邻水平环形板对齐、上下竖向肋角与水平环形板焊牢;内外壁钢板接缝尽量采用对接焊,确有困难时,采用搭接焊或贴板焊接,但必须满焊,并确保水密性。钢套箱内、外壁板为 δ6mm钢板,其上有75mm×75mm角钢竖肋和 δ10mm环形板加强,两壁板之间用隔舱板和水平桁架连接,隔舱板为 δ6mm钢板,水平桁架为75 cm×75 cm角钢。节与节之间采用 δ10 mm厚的节间环板连接。16块隔舱板将钢套箱均分成16个互不相通的隔舱。为防止刃脚与封底混凝土之间渗水,在刃脚内侧加焊 2道 100mm×10mm钢板止水带。

完成后对钢套箱尺寸、焊接质量、杆件部位、附加结构部位进行全面检查验收,并作水密试验(即油浸试验)。水密试验的方法是先在钢套箱外壁用排笔沿着焊缝刷上石灰浆,待浆干后,在内壁沿着焊缝刷上体积比为 7∶3的煤油和汽油的混合液。

钢套箱底节拼装完成后,在夹壁中注水使钢套箱呈浮体状态(r＞h,其中 r—定倾半径,h—浮心到重心距离)以保持浮运稳定性,然后用拖轮将钢套箱顶推浮运至墩位平台上准备定位。

3.1.3 钢套箱定位

钢套箱浮运就位后,利用在导向船上的万能杆件起落架将底节钢围堰吊起,在绑定锚缆后退出拼装船,底节下水,绞拉锚缆将钢围堰定位,然后用 16台抽水机向围堰的 16个隔舱均匀灌水,当套箱刃尖距离河床0.5m左右即暂停灌水下沉,对钢套箱进行精确定位。受每日潮汐影响,涨落潮时水流对钢套箱的精确定位增加一定难度,需要设置定位锚固系统。

在河道中设置可移动拼装的锚块,采用 I22型钢焊接成底部为长方体顶部为三棱锥形的锚箱,长方体与三棱锥相接处采用铰接方式。棱锥坡面平行于流水方向,减小流水阻力以利锚块稳定,锚箱内部放置混凝土块,水下锚块与锚定船固定后再通过锚缆固定钢围堰,共同组成钢围堰准确定位的锚定系统。锚定船与钢围堰之间设置上下两层锚缆,分别控制钢围堰顶部和底部,以控制潮汐期间水流对钢围堰的影响,底部锚缆在钢围堰沉入河床 1m之后拆除。在钢套箱距河床0.5m时,由岸上测量人员与锚定船上调系缆人员配合实现钢套箱的精确定位,然后立即启动 16台抽水机向围堰的 16个隔舱快速灌水,使套箱围堰刃脚迅速落入河床。钢围堰锚定示意见图4、图5。

3.1.4 吸泥下沉

钢套箱的下沉主要是采取在围堰内吸泥,并往隔舱内注水,靠围堰自重和水重使之下沉。整体下沉前,首先在围堰较高一侧吸泥,将围堰顶面找平,然后将φ460mm吸泥管放在围堰中心附近开始吸泥,使中间形成锅底形状,并逐渐向刃脚方向移动,沿四周对称均匀进行。为防止围堰不均匀下沉,正常情况下各点吸泥时间不要过长。控制围堰内除土深度,在围堰刃脚处,除土面不得低于刃脚尖。

图4 钢围堰锚定平面

图5 钢围堰锚定立面

当钢套箱刃脚已基本悬空且顶面高差、中心位置偏差符合要求,但钢套箱停止下沉时就要浇筑壁舱混凝土或抛填砂石等,增加钢套箱重力以克服下沉摩擦力,混凝土浇筑要对称均匀,严格控制浇筑高度,尽量使每个壁舱混凝土浇筑到统一高程,使围堰均匀下沉。在下沉过程中,发现障碍物时,立即停止吸泥下沉,潜水进行详细勘察,摸清情况,分析原因,采取措施及时处理。吸泥过程中由于吸泥机排水量较大,要打开在围堰的上下游方向设置的 φ420mm的补水孔,以保持围堰内外水位差,防止内外水头差过大而引起刃脚翻砂。

围堰下沉的允许偏差为(25+H/50)cm(其中 H为围堰高度)。

下沉过程中,要定时用全站仪监控围堰顶面的 4个点,计算出偏位和倾斜情况,发现问题要及时纠正。

3.1.5 钢套箱接高

第一节钢套箱着床下沉到一定深度后,就要将围堰接高,采用墩旁60 t浮吊在墩位处分块拼接,钢围堰接高时应结合每天潮汐时间,应在水位平稳时施做。首先是间隔舱焊接,待全部合龙,检查尺寸符合要求后再进行满焊。

钢套箱下沉往往是跳跃式的,并非理想中的均匀下沉,当外壁与土层摩擦力及刃脚支撑力大于自重时,围堰就不动。下沉初期主要是刃脚支撑力的大小决定着围堰是否下沉,当内部吸空,刃脚支撑力减小到一定程度,围堰就会突然下沉很多。所以初期要特别注意及时接高,以防围堰突然下沉,使顶部淹没水中。每次接高后,钢围堰顶部锚缆逐步上移至钢围堰顶部位置。

3.1.6 刃脚支垫、封堵

围堰到达设计高程后,经测量确认位置偏差在设计要求之内后,用袋装混凝土填缝,使围堰内部紧闭。然后进行吸泥清基,并用 2 cm的钢板焊成的楔形盒子及 φ420mm钢管制做的钢板凳支垫钢套箱刃脚,以确保围堰稳定。为保证封底混凝土的可靠性,在围堰外周围抛填片石钢筋笼护脚,并用袋装混凝土封堵围堰内刃脚。同时在钢护筒上焊接牛腿并安装吊梁,通过精轧螺纹钢连接钢围堰,以更好地稳定钢围堰。

3.1.7 清基

为了保证水下封底混凝土与钢套箱内壁结合紧密,避免出现夹砂层。采用 φ460mm直管吸泥机先从中部开始,逐渐向围堰内壁移动吸取围堰内淤泥和泥砂。吸泥机不能直接对着刃脚底部吸泥,以免将刃脚处的堵塞物吸走,引起涌水翻砂。封底混凝土厚度范围内钢套箱内壁上的淤泥由潜水员用高压水冲洗干净,并用钢刷拉毛封底混凝土厚度范围内钢套箱内壁,利于封底混凝土与围堰内壁紧密结合。清基完成后用测深仪测基底高程,供下放导管时使用。

利用钻孔桩将双壁钢套箱固定,复核其中心位置及顶面高程,并随时检查其变化情况,经 72 h观测,无变化时,要立即将悬空部分用工字钢垫或袋装混凝土填塞,保持双壁钢套箱位正、平稳。

3.1.8 混凝土封底

双壁钢套箱围堰封底混凝土施工见图6。

图6 双壁钢套箱围堰封底混凝土施工示意

封底前,由潜水员对双壁钢套箱围堰刃脚处的基底情况及双壁钢套箱围堰内的情况再次进行准确探摸,以确定水下封底混凝土的施工方案。封底混凝土厚度以钢套箱总重 +封底混凝土重以满足克服抽水后双壁钢套箱总浮力的原则确定,并进行强度检算。其抗浮检算公式为:抽水后双壁钢套箱浮力 Q=D(钢套箱自重 D1+封底混凝土重量 D2+双壁钢套箱壁间水重 D3)。钻孔桩的抗拔力作为安全系数考虑,不列入抗浮检算。封底混凝土强度等级为 C20。

在灌注封底混凝土前,沿双壁钢围堰周围抛填片石堵塞漏洞,防止漏浆造成混凝土的流失,以及对双壁钢围堰内基底淤泥抛填一定数量的片石,以挤淤增强淤泥层的密实度;再对双壁钢围堰内基底用吸泥机普遍吸一遍,确保封底混凝土的厚度和质量。

封底混凝土的施工平台利用钻孔时的平台,在平台工字钢间隙,布置 10根 φ325mm混凝土灌注导管,制做 2个 2.0m3的混凝土漏斗,循环使用。在平台的中心,利用万能杆件拼装 1个2m×2m×5m的钢骨架,顶上安放 1个 10m3的旋转储料斗(储料斗的旋转,是在料斗底部和钢骨架顶部各焊接一块钢板,钢板上各焊接 3 cm高、半径 80 cm的圆环槽,内放 70个 φ70mm的钢球,并注满润滑油,上下对放,进行旋转),储料斗对称设置两个出料口,利用可上下及伸缩的混凝土缩槽将混凝土放到漏斗内,依次进行,灌注封底混凝土。在每根工字钢上布设 6个测点,共布设 48个点。以控制封底混凝土的高程及混凝土的灌注情况。

3.1.9 混凝土灌注

先灌注钢套箱双壁间混凝土,待其混凝土终凝后,形成固结整体稳定双壁钢套箱围堰;再灌注双壁钢套箱内的封底混凝土。

双壁钢围堰水下封底混凝土施工是大桥水中基础施工的一道重要工序,也是大桥施工的关键。由于一次灌注的混凝土量较大,混凝土的生产运输是决定封底成功与否的关键环节。

根据现场的地形和大桥配备的设备情况,混凝土主要在拌和站集中拌制,通过设置在施工栈桥上的混凝土输送管道将混凝土送至承台位进行混凝土施工。

封底混凝土采用垂直导管法灌注水下混凝土,即在双壁钢围堰内垂直放入内径为 φ300 mm的钢制导管,管底距基底面 30 cm,在导管顶部连接有一定容量的漏斗,在漏斗颈部安装球塞,并用绳索系牢,漏斗内满盛坍落度较大的混凝土,然后利用索吊提拔球塞,同时迅速不断地向漏斗内灌入混凝土,此时导管内之空气和水均受混凝土重力挤压由管底排出,瞬间,混凝土在管底周围堆筑成一圆锥体堆,将导管下端埋入混凝土堆内至少 1m以上,使水不能流入管内,将以后再灌注的混凝土在无水的导管内源源不断地灌入混凝土堆内,随灌随向周围挤动、摊开及升高。

混凝土的灌注顺序为先周边后中间的原则进行;因封底的底部为淤泥,在灌注前,在双壁钢围堰内先抛填片石,进行挤淤,提高淤泥的密实度;且在导管口下端即淤泥面上安放一块 150 cm×150 cm的厚 4mm钢板,以防止混凝土冲入淤泥,将淤泥翻起,影响封底混凝土质量。

在混凝土初凝以前,使 10根导管全部灌注一遍(每根导管的灌注时间不得超过 1.5 h),以保证混凝土将淤泥全部覆盖,再进行第二次循环。

混凝土的灌注,严格按照水下混凝土的灌注要求进行,导管的埋置深度不小于 0.5m,导管的提拔和拆卸通过浮吊进行。混凝土在开盘后,即做一组试件,核实混凝土的初凝时间,以便调整导管灌注顺序,保证导管不至于埋在已初凝的混凝土内,并避免混凝土形成断层。混凝土灌注至顶时,高程要比设计高程略高 20～30 cm,因为顶部的混凝土为浮浆和淤泥的混合物,在抽水施做承台时要将之凿除。

3.2 承台混凝土施工

3.2.1 割钢护筒、凿桩头

封底完毕,混凝土达到设计要求强度后,先抽干套箱内积水,边抽水边加强内支撑,水排干后即可割除钢护筒,凿除桩头。φ2.5m大直径钻孔桩桩头凿除是一项耗时多的工序,为尽量减少这一工序时间,严格按规范规定控制混凝土灌注高程比桩顶高程超高 0.8～1.0m,然后再凿除桩头,以加快施工进度。

首先核实承台底面高程及每根基桩埋入承台长度,并对封底混凝土表面进行修整;承台底面以上到设计高程范围的基桩顶部应露出新鲜混凝土面,基桩埋入承台长度及桩顶主钢筋锚入承台长度应满足设计要求。

3.2.2 承台钢筋加工和安装及散热管的安装

钢筋在岸上加工车间制作,严格按照施工规范和图纸要求检验材质及加工,现场绑扎,严禁漏绑。特别注意预埋钢筋的位置及加固,防止浇筑混凝土时跑位。底部设置的钢筋网,在越过桩顶处不得截断。在钢筋与模板之间设置混凝土垫块,垫块与钢筋扎紧,并相互错开,根据图纸预埋各种预埋件。

在钢筋绑扎的同时布置和安装冷却循环水管道和测温孔。

3.2.3 承台混凝土灌注

混凝土严格按照试验并经监理工程师批准的配合比准确计量,集中拌和,输送泵输送,用串筒送混凝土至灌注部位。为确保施工质量,采用斜向水平推进法施工。混凝土自由下落高度不超过 2m,保持水平分层,且分层厚度不超过 30 cm。采用插入式振捣棒振捣,振捣棒插入下层混凝土 8 cm左右,插入间隔小于其 1.5倍作用半径,不漏捣和重捣。每一层边振动边逐渐提高振动棒,避免碰撞模板。浇筑过程中,设专人负责检查围堰、钢筋和墩柱预埋钢筋的稳定情况,发现问题,立即处理。浇至设计高程后,振捣时观察混凝土不再下沉,表面泛浆,水平有光泽即可缓慢抽出振捣棒,防止混凝土内产生空洞。混凝土浇筑完成后,对混凝土裸露面及时进行修整、抹平,等定浆后再抹第二遍进行压光。混凝土初凝后覆盖养护,并做好测温和循环水循环工作,安排专人负责此项工作。