深水中主墩围堰施工方案比选研究

粟学平，马亚飞

(1.路桥华南工程有限公司，广东 中山 528400;2.长沙理工大学 土木与建筑学院，长沙 410004)

随着经济的不断发展及地区间交通需求的日益增长，许多跨江、跨海大桥陆续兴建，而这些大桥都要在深水中进行基础施工。由于不同桥梁所处环境有所差异，导致相应施工方法也不相同，因此，研究深水基础施工具有重要意义。

李陆平等[1]针对蔡家湾汉江特大桥167号和168号墩的深水基础用“先平台后围堰”方案施工，采取桩基钻孔与围堰拼装、围堰接高与吸泥下沉、围堰下沉与钢护筒内清渣等工序之间平行作业的方式，节省了工期。程建新等[2]介绍了青岛海湾大桥大沽河航道桥的钢套箱围堰的施工工艺，其关键在于千斤顶下放系统的同步性，该工艺为类似承台施工积累了一些经验。文献[3]结合播丫河大桥5号墩的地质和地形条件，介绍了有底双壁钢套箱围堰的施工方法。上述围堰施工都结合自身工程的特点，选择了不同的施工方案，并取得了良好的效果，这些成功的施工方法为日后类似施工提供了有利的启示。对于同一工程，即使两个或几个方案均可行，也存在一个最佳方案。许红胜等[4]结合长沙三汉矶湘江大桥深水墩基础钢围堰的结构方案的选型，对四种应用最为广泛的钢围堰的结构特点及适用条件进行了详细的比较，根据各种围堰结构的适用特点进行三汉矶湘江大桥围堰选型。文献[5]介绍了杭州湾跨海大桥钢板桩围堰与钢吊箱围堰施工方案，重点对两种方案进行技术经济比较，同时对两种施工方案适用条件进行总结阐述。本文以珠江为例，对两种围堰施工方案进行了比选。

1 工程概况

珠江大桥总长为1 980 m，其中引桥长1 222 m，斜拉主桥长758 m。主线为双向6车道，设计车速为80 km/h。主桥采用双塔单索面预应力混凝土刚构斜拉桥。主桥墩身采用双薄壁实心墩，主墩承台施工包括22#、23#墩，均处于深水中。承台为整体式圆柱承台，直径为29.0 m，厚度为5.0 m，顶面高程为－1.3 m，底面高程为－6.3 m。承台采用C30混凝土。

区内沿线地表覆盖第四系冲淤积层及砂土层，根据钻探结果，主桥位区从上到下:22#墩主要为淤泥层(少部分墩位)、粉砂、全风化混合岩、强风化混合岩、弱风化混合岩、微风化混合岩;23#墩主要为淤泥层、全风化混合岩、强风化混合岩、弱风化混合岩、微风化混合岩。该区域水道径流来自西江、北江和流溪河，年际变化和年内分配与西江、北江的变化一致。多年平均山潮比为0.26，属潮汐作用为主的河口。

2 主墩承台施工方案比选

珠江特大桥两个主墩承台处地质情况复杂，22#墩处河床最低高程 －1.41 m，承台埋置河床深度4.89 m;23#墩处河床最低高程 －2.43 m，承台埋置河床3.87 m。根据基桩勘测地质资料显示:22#墩从河床向下除局部存在强风化岩层外，其余均为砂层;23#墩从河床向下覆盖1～2 m淤泥外，其下均为全风化或者强风化岩层。结合以往经验，承台封底厚度暂按2.5 m考虑，则22#墩承台开挖深度最浅为7.89 m，23#墩则为6.87 m。

由于承台埋置河床深，受水深(高潮水位至承台底深13.84 m)和过往船只的影响，给施工带来了很多难点。为保证施工安全，通过对地质、水文等分析计算，决定采用无底双薄壁钢筋混凝土围堰或无底双壁钢套箱围堰进行承台施工。下面对两种围堰从工期、施工安全和经济性方面进行比较[6-8]。

2.1 钢筋混凝土围堰

2.1.1 结构简介

考虑施工成本及围堰的受力情况，外壳采用4 mm钢板内填充C30混凝土双薄壁结构。薄壁厚度为30 cm，双薄壁混凝土围堰的厚度为1.6 m，空腔为1 m。每隔1.5 m设置一个20 cm隔板，隔板镂空可以使压舱水和混凝土流动。但每6 m设置一个隔舱，利于套箱下沉调平。围堰内径29.4 m，外径32.6 m，围堰顶高程取+8.5 m，混凝土围堰底高程取－9.5 m，混凝土围堰总高度为18 m，总混凝土方量约1 200 m3，钢材150 t。该围堰模型图见图1。

图1 钢筋混凝土围堰结构模型

2.1.2 施工工艺流程

1)22#墩先基桩后钢筋混凝土围堰承台施工

要让病人保持良好的生活习惯,告诉病人要注意休息,保持充足的睡眠,多吃新鲜水果和蔬菜,避免吃辛辣食物。帮助病人起床,指导病人进行必要的康复锻炼,加强病人的抵抗力,加速病人的康复。建议病人根据医生的要求服药。加强心理咨询,打消病人的所有担忧。

主要施工流程为:振设护筒，搭设工作平台→基桩施工(同时预制围堰中间节、顶节节段及加工底节钢外壳其余节段)→工作平台拆除→初步清淤并搭设拼装平台→围堰底节放样、铺设垫块、安装围堰底节→施工底节混凝土围堰(钢筋绑扎、模板安装、浇筑混凝土并待强)→拆支垫，底节围堰边清淤边下沉→拼装中间节围堰→围堰第二次边清淤边下沉→拼装顶间节围堰→围堰清淤和第三次下沉→封底前围堰内水下清淤→封底混凝土浇筑、待强→承台施工，共367 d。

2)23#墩先钢筋混凝土围堰后基桩承台施工

根据该墩地质情况，拟定先将河床清理至围堰底高程(甚至超过围堰底高程30～50 cm)，同时进行混凝土围堰的制作。该围堰第一层钢外壳在水中浮拼成整体，然后在水中进行混凝土内壳施工，随后在水中浮拼中间节和顶节围堰。同时拼好一节就下沉一节，清淤、下沉到位后，定位主墩基桩钢护筒并封底，进行主墩桩基承台施工等。具体施工流程如下:承台范围内河床清理、混凝土围堰中间节和底节的分别制作、围堰底节整体制作→围堰底节浮运墩位下水→中间节、底节吊装和拼装→围堰边清淤边定位、下沉和固定→围堰内水下清淤→围堰内吊装、定位钢护筒→封底混凝土浇筑、待强→搭设钻孔工作平台→基桩施工→承台施工，共267 d。

2.2 无底双壁钢套箱围堰

2.2.1 结构简介

两个主墩处河床面较低，并且整个承台埋置于河床面以下。设计通航水位 +7.464 m，承台底高程为－6.3 m，因此，承台承受较大的水压力和土压力。通过计算和对比，设计水位取+7.5 m，钢围堰堰顶高程为+8.5 m，底高程为－9.5 m，内、外径分别为29.4 m和32.05 m，第1～3层均采用双壁空腔钢结构形式。为保证围堰的顺利下放安装和增强承台范围内套箱受力，围堰底部需设置一定的压仓混凝土。压仓混凝土从刃脚浇注至承台顶以下50 cm，高度7.7 m，总方量约为875 m3，压舱混凝土采用 C20。钢围堰面板采用5 mm，6 mm钢板制作，水平桁架上、下弦杆采用200 mm宽的钢板，斜杆采用2∠45×45×5角钢，总用钢量约300 t。

第一层由刃脚及底节组成，总高度为7.5 m，内外均采用5 mm钢板作为面板，按照1.5 m高度布置水平型钢桁架形成双壁空腔钢结构。第二层由围堰中间节组成，总高度为6.0 m，内外均采用6 mm的钢板作为面板、[8作为竖向贴面加劲。第三层由围堰顶节及防浪段组成，总高度为4.5 m，外堰壁采用6 mm钢板、内堰壁采用5 mm钢板作为面板，竖向加劲采用∠45×45×5的角钢。总体布置如图2所示。

图2 主墩双壁无底钢围堰(单位:cm)

2.2.2 施工工艺流程

针对两岸不同的水文、地质条件(覆盖层厚度不同、性质差异)，22#，23#主墩采取不同的施工方案。22#墩采取先基桩后钢围堰承台施工，23#采取先钢围堰后基桩承台施工，具体如下:

该主墩河床覆盖层基本为砂层，为使其对后期清淤下沉不致造成较大的难度，拟定先搭设钻孔施工平台，进行主墩桩基础施工，后进行河床清淤和钢围堰施工。该围堰第一层由场外拼装成整体后，由浮吊整体吊装就位;其余标准弧段均在此基础上进行，利用两台汽车吊(或履带吊)进行分块吊装、焊接，具体施工流程为:振设护筒，搭设工作平台→基桩施工(同时进行钢围堰底节整体和其余节段加工)→工作平台拆除→吊装、定位围堰底节→吊装、对接中间节→围堰清淤和第二次下沉→吊装、对接顶节→围堰清淤和第三次下沉→封底前围堰内水下清淤→封底混凝土浇筑、待强→承台施工，共计269 d。

2)23#墩先钢围堰后基桩承台施工

该主墩承台施工范围内，从河床向下覆盖1～2 m淤泥，其余均为全风化或者强风化岩层。拟定先将河床清理至围堰底高程(甚至超过围堰底高程30～50 cm)，此间同步整体加工围堰第一层。河床清理完毕，将第一层围堰整体浮运下水，接着利用两艘10 t浮吊进行钢围堰其余标准弧段焊接。然后整体过江，定位主墩钢护筒等，再进行主墩桩基施工。具体施工流程如下:承台范围内河床清理(同时进行围堰底节、中间节和整体加工制作)→围堰底节浮运下水→剩余部分吊装、焊接→围堰整体浮运、定位、下沉和固定→围堰内水下清淤→围堰内吊装、定位钢护筒→封底混凝土浇筑、待强→搭设钻孔工作平台→基桩施工→承台施工，共计211 d。

3 方案选择与验证

3.1 对比选择施工方案

22#和23#钢围堰和混凝土围堰方案各工序的施工时间、费用等比较见表1。从表中可以看出，对于同一工程，采用不同的施工方案所取得的效果是不相同的。施工中使用围堰的目的是止水，以实现承台干燥施工的作业环境，经过专家多方面的技术认证，并进行了经济方面的对比，钢围堰比混凝土围堰工期短、费用低。同时考虑工程规模与工程进度的影响，决定采取钢围堰进行主墩承台施工。考虑到两墩地质情况的差异，22#墩采取先基桩后钢围堰承台施工，23#墩采取先钢围堰后基桩承台的施工方法。

表1 施工方案对比

为防止环向标准弧段对接时的竖向焊缝形成通缝，第二层围堰在与第一层对接时，整体逆时针旋转半个标准弧段(15°)，同时应保证旋转后的两层竖向加劲对齐。围堰连通管采用12根 φ127 mm×5 mm钢管，环向均匀分布于围堰 +4.5 m处平面，并与围堰内、外面板焊接，保证不漏水。

围堰标准弧段现场对接顺序如下:各块件水平焊缝点焊→竖向焊缝点焊→内、外环向加劲板对接施焊→拼装前围堰直径差为负值时，焊外壁板水平缝;正值时，焊内壁板水平缝，进行水平缝施焊→内外壁板竖缝施焊→其它缝施焊。

为保证套箱围堰加工偏差满足要求和解决焊接、拼装过程中直径收缩问题，设置直径预扩张量 ΔD=D/500=58.8 mm。放样精度要求平面位置偏差不大于±10 mm;直径偏差不超过±20 mm。为了检查焊缝质量，套箱下水前必须进行油渗和密水检验，保证套箱不渗水。

3.2 方案论证

围堰标准弧段的吊装和局部撞击是否满足要求是一个重要环节，本文采用有限元软件MIDAS建立空间模型，对上述两种工况下受力进行了验算。

3.2.1 标准弧段吊装

考虑施工现场的吊装、焊接以及加工工艺，取底节单块标准弧段、四点吊装进行分块分析计算，此种计算的边界条件为履带吊。

型钢最大拉应力为5.72 MPa，最大压应力为3.56 MPa，二者均发生于吊点局部竖向加劲型钢，小于钢材容许应力。钢面板最大组合应力为6.34 MPa，发生于吊点局部外侧钢面板。型钢最大剪应力为0.3 MPa，发生于吊点局部水平桁架处，该应力小于钢材容许应力。构件最大组合变形值为1.97 mm，发生于刃脚部位。计算结果表明，该双壁钢围堰在加工、使用过程中具备较好的刚度、强度和稳定性，满足吊装的要求。

3.2.2 围堰局部撞击验算

计算荷载考虑静水压力、动水压力、土压力、波浪力等荷载组合作用，并在围堰顶部向下3 m处沿动水压力、波浪力同方向施加40 kN的集中力。

型钢最大拉应力为 131.4 MPa，最大压应力为170.6 MPa，二者均发生于撞击局部水平桁架。钢面板最大组合应力为8.3 MPa，发生于撞击局部外侧钢面板。型钢最大剪应力为15.7 MPa，发生于中间节围堰竖向加劲处。构件最大组合变形值为6.36 mm，发生于撞击局部。计算结果表明该工况也满足要求。

4 结语

本文根据不同地质情况，对两个主墩承台施工方案进行介绍比较，最终选择的钢套箱围堰施工是一个较为合适的施工方案，实际应用效果较好，降低了施工难度，节约了施工费用，缩短了施工工期。桥梁基础围堰施工形式是多样的，每种围堰都有其各自的特点和适用条件。因此，无论使用哪种围堰在施工中应结合各自不同的水文、地质、材料及施工设备等条件，综合考虑各种因素进行比选，以达到既满足施工质量，又降低工程项目的投入和加快施工进度的目的。

[1]李陆平，尤继勤，王吉连.蔡家湾汉江特大桥深水基础钢套箱围堰施工技术[J].桥梁建设，2010(1):59-62.

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[3]张朝强，苏小敏.深水墩高桩承台钢套箱围堰施工技术[J].四川建筑，2008，28(6):189-191.

[4]许红胜，颜东煌，黄元群.深水基础钢围堰结构方案比选研究[J].中外公路，2007，27(3):94-97.

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[6]钟振云.深水基础围堰施工方案比选[J].铁道建筑，2009(2):6-8.

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[8]王贵春.桥梁深水基础双壁钢围堰施工技术分析[J].铁道建筑，2007(8):22-24.