永定新河特大桥主墩承台钢围堰施工技术

2011-03-12张文海曹建平祝业浩

中国港湾建设 2011年1期

张文海，曹建平，祝业浩

（中交一航局第一工程有限公司，天津300456）

1 工程概况

1）永定新河特大桥位于天津滨海新区境内，跨越规划的永定新河主河道，是海滨大道高速公路的一座重要桥梁。

主桥为90m+160m+90m预应力混凝土变截面直腹板连续箱梁，上部构造为双幅单箱双室箱形截面，基础采用钻孔灌注桩。两个主墩采用70根直径1.8m，长88m、82m桩基。承台平面尺寸为44.4m×30.6m×5.5m，顶标高-5.0m（天津新港理论基准面，下同），底标高-10.5m。主墩承台施工采用钢围堰做挡土和挡水设施及浇筑混凝土时的侧模，为考虑下沉偏差，钢围堰内皮尺寸比承台加大30 cm，墩身施工结束后割除承台顶面以上钢围堰结构。

2）水文、地质条件。主墩承台位于河口近岸海滩上，潮汐为不规则半日潮。一般潮差为2～3m，海流流速较缓，据统计，流速小于40 cm/s的累计频率为96.4%。波高50 a一遇H1%为3.34m，周期5.7 s。地质为海相与陆相互沉积地层，在-14.0m以上范围内，自上而下为淤泥、淤泥质土、淤泥、淤泥质土和粉土。

2 钢围堰设计

2.1 设计条件

各设计条件见表1。

表1 钢围堰设计条件

2.2 钢围堰结构形式

经多个方案比选后决定钢围堰采用无底、双壁钢套箱结构。钢套箱内口平面尺寸为44.7m×30.9m，壁体宽1.5m，高17.7m，围堰顶标高+4.0m，底标高-13.7m，其顶部设置1.5m高的临时挡水结构，单个钢围堰重为1 150 t，封底为厚2.1 m、强度等级C25的混凝土，一次浇筑完成。

钢围堰由壁体，刃脚和内撑三部分组成。壁体为双壁式结构，主要由隔舱板、箱梁、水平环板，横向联系撑及内外壁板构成，刃脚高1.5m，内撑有纵向和横向支撑，共同构成平面框架，与壁体形成完整的稳定结构体系。

根据现场起吊能力，设计时将钢围堰竖直方向分为3节，自下而上高度分别为5.7 m、5.3 m和6.7 m，每节水平方向分为14块，分块单元最重为26 t。钢围堰结构见图1。

图1 钢围堰结构图

设计时对每节钢围堰下沉深度、注水高度及夹壁内浇筑混凝土、注砂高度进行了详细的计算。对封底混凝土厚度验算时，分别计算了抽水时封底混凝土的受力和底板的抗弯抗剪能力以及封底混凝土与灌注桩钢护筒握裹力等。还对壁体面板、隔舱板、箱梁、环板、横向联系撑、内支撑等进行受力验算，充分考虑了钢围堰下沉到位，浇筑水下封底混凝土，在设计高潮位抽干水时的3种受力工况。通过计算，钢围堰能够满足规范及施工要求。

3 钢围堰施工方法

3.1 钢围堰施工流程

钢围堰施工流程见图2。

图2 钢围堰施工流程图

3.2 钢围堰制作、运输

钢围堰按照拼装的先后顺序分节，分块制作。

钢围堰分块单元必须严格按照规范和设计要求，在加工厂搭设的钢平台上制作。先将内外壁板、水平环板、箱梁、隔舱板平面分段进行，再在平台上依次安装外壁板——隔舱板——箱梁——水平环板——内壁板。

壁体分块制作经检验、试拼合格后，用吊机装在平板车上通过施工栈桥运至墩位。运输中应避免其变形，必要时采取局部加固措施。

3.3 钢围堰拼装及沉放

3.3.1 搭设钢围堰拼装平台

在钢围堰四周设置施工辅道，基础采用钢管桩，在辅道钢管桩上焊接牛腿，牛腿之间焊接36号工字钢平联作支撑，利用牛腿辅设脚手板作首节钢围堰拼装平台。

3.3.2 首节钢围堰拼装及下放

在平联支撑上放出钢围堰的理论位置及相邻块体间的拼装线，并在其上焊好限位块，以控制钢围堰下口线的平面位置。将首节钢围堰第一块吊起安装到位，下口与限位块焊接固定，上口由测量控制钢围堰垂直度，用型钢将其与灌注桩钢护筒上焊接的横撑焊接固定。起吊第二块钢围堰安装到位，与第一块钢围堰进行点焊固定好后，进行拼缝焊接，依此类推，将首节钢围堰其余分块拼装好。为确保最后合龙块能够顺利吊进两侧已拼装好的钢围堰内，在制作时，将其做成里口尺寸小，外口尺寸大的块体，以降低钢围堰合龙难度。

首节钢围堰下放是通过下放系统来完成。下放系统由灌注桩钢护筒上焊接的牛腿、250 t穿心千斤顶、液压油泵、高强度钢绞线和钢围堰内侧壁上焊接的锚固牛腿构成。首节钢围堰下放系统平台布置见图3。

图3 钢围堰结构及下放位置图

下放系统安装调试好后，拆除钢围堰的临时固定连接，在围堰4个角点钢护筒上设置钢围堰下放导向装置，利用8台250 t穿心千斤顶、液压油泵、高强度钢绞线组成的柔性吊杆，同时起吊钢围堰脱离拼装平台10 cm，检查下放系统有无异常情况，检查无误后割除拼装平台，利用穿心千斤顶上下夹持器进行松紧锚作业。即先由千斤顶的下夹持器夹紧钢绞线，千斤顶活塞向上前进，活塞到位后夹紧上夹持器，千斤顶活塞继续向上前进3 cm，打开下夹持器，千斤顶活塞向下回缩，钢围堰下放，千斤顶活塞回缩到位后，下夹持器再次夹紧钢绞线完成一次下放循环。通过液压系统重复以上工作，使钢围堰整体同步下放入泥直到沉不动为止。为控制好围堰平面位置和加大入泥下放深度，应选择在低潮时下放，在高潮前，向围堰夹壁内注水，以确保围堰在浮力作用下不出现上浮和倾斜情况。

当注水400 t围堰不再下沉后，在围堰内采用挖掘法和射水法挖泥使其继续下沉。挖掘法是用长臂挖掘机在辅道上将泥直接从围堰内挖出装自卸车运走。射水法是通过人工采用高压水枪冲水，将土层冲破稀释成泥浆，然后采用泥浆泵抽取泥浆排出。施工时，先冲围堰底部中央部位，使围堰底形成锅底状，再由中央部位向刃脚方向逐层全面、对称、均匀地冲削土层，每次削5～10 cm，当土层经不住刃脚的挤压而破裂，围堰便靠自重作用均匀垂直挤土下沉直至顶面达到+2.0m标高。在冲泥过程中，严格控制内外压力差，防止围堰底脚发生穿孔现象。

3.3.3 第二节钢围堰拼装接高及沉放

在首节钢围堰内外侧壁水面附近焊接小三角托架，搭设操作平台，分块起吊第二节钢围堰与首节钢围堰拼装接高。再拆除操作平台，向钢围堰夹壁内反对称均匀浇筑混凝土，继续下沉，当夹壁内混凝土浇筑高度3m，不再下沉后，采用4台空气吸泥机气举吸泥法吸泥。围堰内补水，通过设置的抽水系统平衡围堰内外水头差。对粘结性较强的土层采用高压水枪附着在吸泥管底部辅助扰动土，取得了较好的除土吸泥效果。对围堰内分层吸泥遵循“先中间后周边”的原则对称均匀取土，使围堰内泥面形成锅底状。由中间锅底向四周放坡，这样围堰在自重作用下克服下沉阻力而下沉。在围堰下沉过程中每间隔2 h测一次泥面标高。并绘制出至少3个直径方向的泥面锅底曲线，通过吸泥部位的选择，保持钢围堰均匀下沉。

吸泥下沉施工注意事项为：

1）在吸泥下沉过程中，测量人员应严格监视泥面标高变化情况，并测绘制出泥面变化曲线。

2）围堰的偏位情况应随着围堰下沉同步进行观测，围堰每下沉50 cm左右观测一次偏位情况。

3）当围堰内侧四周泥面标高比刃脚底部略低时，应停止吸泥，以避免使围堰内泥面坡度过陡，土坡失稳滑动造成穿孔，使吸泥量增加。此时，可向围堰夹壁内注水、填砂，增加围堰下沉重力。下沉过程中下沉系数应保持大于1.2，但不能过大，以防止围堰突沉位置偏移。

吸泥施工中导管吸泥位置离刃脚必须有1～2m距离，且不能在同一位置吸泥时间过长，如果有下沉迹象，应另选5m以外的部位进行作业。注意采取补水措施，使围堰内外水头差保持平衡。

采用上述方法拼装接高第三节钢围堰后，继续采用气举吸泥法在钢围堰内侧吸泥，使钢围堰均匀下沉至设计标高。本工程钢围堰入泥深度16m，需要穿过厚度达10m的淤泥质土和粉土，其中个别深度位置的淤泥质土黏性较强，破土困难，特别是刃脚处土体不易崩塌，影响了围堰下沉的速度。为满足下沉系数的要求，施工中根据钢围堰不同的施工阶段，分别采用不同加载助沉措施。首节钢围堰夹壁内注水，第二节钢围堰拼装接高后在夹壁内浇筑混凝土，第三节钢围堰拼装后在夹壁内填砂及在围堰顶堆放钢筋加载。另外，根据围堰受力情况，通过核算，采用降低钢围堰内水位的方法助沉，取得较好的效果。

3.4 浇筑钢围堰封底混凝土

钢围堰下沉到位后，潜水员用高压水枪冲洗钢围堰刃脚、灌注桩钢护筒，并将围堰底部泥面找平，抛填整平30 cm厚碎石垫层，在钢护筒上焊剪力牛腿。在钢围堰顶部设操作平台，利用导管法浇筑封底混凝土。导管采用手拉葫芦吊挂于平台梁上。

根据围堰承受的水头17.0m，结合围堰内桩基数量及布置，通过受力计算确定封底混凝土厚度为2.1m，混凝土标号为C25。按17.0m高水头压力，封底时导管内最大混凝土压力为400 kPa。根据施工经验，导管内混凝土作用半径约为4.5m，考虑到本承台桩基较密，对混凝土流动有一定影响，导管作用范围的部分重叠，导管布置时混凝土作用半径按3m考虑，浇筑区布置21根导管周转使用。按导管首埋深1.0m计算，首批混凝土方量为21.7m3，由于围堰壁及钢护筒壁的作用，混凝土不能形成完整的圆锥需扣除约4.0m3，所以首批混凝土数量可按18m3考虑。

封底混凝土采用混凝土搅拌站生产，罐车运输，泵车连续浇注工艺。浇注顺序按先浇注一角再向外扩散。在一根导管首封完成后，进行其相邻导管封口时，应先测量待封导管底部处的混凝土顶标高，重新调整导管底口的高度。为保证封底混凝土质量，同一根导管两次浇注混凝土的间隔时间控制在45min之内，且每隔一定时间测一次标高，对标高偏低位置实施补料，力求封底混凝土顶面平整，并保证封底混凝土厚度达到设计要求。