江顺大桥主桥Z4号主墩钢吊箱围堰设计与施工

2013-07-10尚庆果张家伦

交通科技 2013年3期

胡勇唐勇尚庆果张家伦

（1.中铁大桥局集团有限公司第四工程有限公司南京 210031；2.中铁大桥局集团有限公司设计分公司武汉 430050）

广东江顺大桥是连接江门市蓬江区与佛山市顺德区的一座特大型桥梁，大桥全长2 297m，由东引桥、主桥和西引桥组成。其中主桥设计为双塔双索面混合梁斜拉桥，跨径布置为60 m＋176 m＋700m＋176m＋60m＝1 172m，是目前广东省路径第一的斜拉桥。

江顺大桥主桥Z4号墩承台之下布置有28根直径3.0 m 钻孔灌注桩，承台尺寸73.052 m×24.5m×6.5m，高桩承台，哑铃型。Z4号墩基础平面布置见图1。

图1 Z4号主墩基础结构布置示意图（单位：cm）

1 地质水文条件

Z4号承台墩位处平均水深18.74 m。西江每年5～10月为汛期，可造成水位暴涨暴落。20年一遇设计高水位＋7.23 m，低水位＋0.33 m，洪水期间最大流速2.34 m／s。施工期间潮汐特点是落潮历时长，涨潮历时短，涨落潮差约1 m。根据地勘资料，对承台围堰施工最不利地质条件为浅覆盖层，平均15.65m。

2 承台施工难点分析

2.1 结构尺寸特点

Z4号承台为大体积承台，与同类大跨度斜拉桥主墩承台类似，但其结构存在两个特点：①哑铃型系梁区间隔15.6 m 没有设计永久结构桩基，因此系梁区封底将会出现较大的拉应力；②承台边桩到承台边缘的最大悬臂距离达4.5m 以上，因此悬臂区封底也将会出现较大的拉应力。

2.2 自然条件带来的难点

（1）深水高桩，因此大型双壁钢吊箱围堰必不可少［1］。

（2）洪水期间水位暴起暴落。据2008年水文数据，从6月11日到16日的4d时间里，距桥位上游50km 处的马口水文站水位涨幅超过7 m，24h最大涨幅达2.88m，此时洪峰流量达到46 800m3／s，该流量超50年一遇，位居解放后第二位。由于围堰施工处于5～8月之间，因此防洪是围堰安全作业首要考虑因素。

（3）浅覆盖层使得桩基能够提供的抗拔力有限，对围堰抗浮不利。

2.3 施工环境带来的难点

经调查，江顺大桥附近已建桥梁通航净空最高为23.29 m，因此1 000t级以上浮吊无法进场。围堰整体下放［2］的设想无法实现。

3 围堰方案比选和设计

综合Z4 号自然环境、承台结构等各方面特点，围堰方案的总体思路确定为：双壁钢吊箱后场分块加工，运输至墩位平台上拼装成整体，接高护筒后利用同步吊放系统下放围堰至设计标高，然后封底抽水，形成无水环境再施工承台。据此思路，围堰结构由双侧壁板、底板、吊挂、内支撑等各系统组成，平面尺寸为75.452m×26.9m×12.5 m，壁厚为1.2 m，全焊结构。针对施工难点，相应设计应对措施图如下。

3.1 围堰总体设计

总体设计的重点在于施工阶段的划分，其施工阶段划分见表1［3］。

表1 围堰施工阶段划分表

根据施工阶段划分，初步拟定封底厚度为2.5 m。为适应承台的结构特点，设计了2 种方案予以比较，①系梁区加临时桩；②增加系梁区封底厚度，见图2和图3。经计算，2种方案的封底结构在各施工阶段其应力参数值均能满足规范［4］要求，说明只要封底厚度不小于2.5m，2种方案均可行，可以克服承台系梁跨度大、悬臂距离长带来的设计难度。计算表明：系梁区封底在抽水工况受控，悬臂区封底在浇筑第一次承台工况受控；护筒与封底混凝土的粘结力，加桩方案较加厚方案小。因此从设计角度讲，宜选择加桩方案。

图2 系梁区局部加厚封底方案示意图

图3 系梁区局部加桩封底方案示意图

从施工角度出发，2 种方案施工利弊比较结果见表2。

通过设计和施工2方面的比较，并考虑服从总工期的要求，最终确定应用加桩方案。

表2 2种围堰封底方案施工利弊比较表

3.2 围堰侧板

吊箱侧板主要承受水侧压力及水流力、承台混凝土浇筑侧压力，设计重点是确定侧板顶标高。考虑西江洪峰期水位极不稳定，按最大涨率0.12 m／h计算，从常水位＋2.5m 涨水至＋7.23m 仅需40h。在此时段组织临时加高围堰不可能实现，因此最终取侧板顶标高＋8.3m。经计算，封底抽水工况下，即在最大水头82.1kN 的压力下，侧板构件受力最大，其面板组合应力小于170 MPa，变形小于L／400，截面抵抗矩均能满足规范［5］要求，不会出现侧板失稳、扭曲破坏。

3.3 围堰底板

底板的控制工况为围堰封底时段，重点验算底板龙骨应力和吊杆受力大小，特别是落潮对吊杆受力的影响。为确保吊杆受力安全，设置既定流程：当浇筑封底厚度达到1 m 时，围堰双壁内部往外抽水2m，然后继续浇筑封底混凝土直至完成。为减小封底浇筑时混凝土的供应压力，在底板上设置2道隔舱板［6］，将封底混凝土分3个舱顺序浇筑，隔舱板高2.5m。

3.4 围堰内支撑和下放导向

按照侧板外水侧压力、水流力和承台混凝土初凝前侧压力的计算结果，内支撑设计为单层直径800 mm 钢管，标高＋3.3 m。钢管与撑脚用法兰连接，撑脚与围堰侧板内壁焊接。内支撑完成第一次承台混凝土浇筑后拆除。下放导向在围堰内分8 个点控制围堰平面位置，纵横向各4个点［7－8］。

4 围堰施工

4.1 施工准备

（1）钻孔平台改造，使其成为围堰拼装平台。（2）精确测量护筒偏位，包括护筒的平面偏差和实际垂直度，以指导吊箱底板开孔。

4.2 围堰加工制作及拼装

底板分底龙骨和面板2部分加工。纵桥向龙骨分11块整桁预制，整桁之间散拼横桥向龙骨形成整体。预留焊接收缩量以控制龙骨位置误差小于5mm。底板面板分块下料制造，焊接于龙骨之上，焊接方式为四边围焊和分跨处板内开孔塞焊。底板开洞范围原则为：开孔线与护筒间隙≥100mm，即开孔半径R≥（设计桩径＋25cm）。

整个围堰侧壁板分34块制造，最重单元块小于20t。制造要点：借助刚度足够的胎架防止侧板构件焊接变形；对密闭式隔舱板进行煤油渗透试验，不得漏水；联通管按实际水位进行标高调整。其他构件，如内支撑、隔舱板、导向等可按图纸尺寸加焊接收缩余量分段下料加工。各构件后场分块加工后在拼装平台处拼装。

4.3 围堰下放及定位

由于1 000t级浮吊无法进场，围堰无法采用浮吊整体下放，因此确定采用计算机控制液压同步升降技术施工［9］。该技术的特点在于：提升油缸锚具具有逆向运动自锁性，使升降过程十分安全，并且构件可在升降过程中的任意位置长期可靠锁定；其次升降系统具有mm 级的微调功能，能实现空中垂直精确定位。

下放施工控制点如下。

（1）设备安装位置精确，特别是泵站方位应考虑与油缸匹配，缩短油管管路。

（2）钢绞线安装必须使用疏导板，确保钢绞线在油缸中的位置正确。

（3）下放前系统联调，空载运行不少于1h，确保通信线路正确无误，传感器灵敏。

（4）围堰等结构检查，重点是底板与护筒之间的间隙检查。确保围堰各部位构件处于正常状态。然后布设测控点及双壁内水泵，单台水泵抽水流量不小于40m3／h。

（5）当控制系统和结构系统均检查无误后，开始围堰下放。根据计算，围堰入水4.22 m 即可自浮，因此在围堰自浮前灌水，保持2 m 水头做围堰的重力导向，直至围堰下放到设计标高。

（6）下放过程中以侧壁板上的导向架控制围堰平面位置，同时在导向架与护筒之间安装水平顶，作为平面位置微调设备，最终完成围堰定位。

4.4 体系转换及堵漏

下放就位后，应立即进行体系转换。除接高的4根护筒外，其余24根护筒顶部的十字形吊挂的吊杆，即直径32mm 精轧螺纹钢筋预先锚固于底板龙骨，上端临时固定，随围堰下放到标高。当吊杆全部受力后，下放千斤顶逐步卸载归零，拆除下放系统，围堰重量转移至24根护筒承受，并传递至桩基上。

护筒与底板的间隙采用环形弧板封堵。环形弧板分4块制作，板的尺寸比缝隙略宽。下放过程中，板应临时固定。下放完成体系转换后，由潜水员下水将板贴紧护筒，并收紧环形弧板之间的长杆螺栓，形成整体圆环。并且对环形弧板与护筒外壁之间的间隙逐个用水泥砂袋水下封堵。

4.5 围堰封底

根据施工水位实际状况和混凝土的供应能力，在围堰设计之初即考虑在底板上设置隔舱板。因此封底方案确定为：3 500m3封底混凝土沿横桥向分3次顺序灌注，即先系梁区隔舱，而后上游圆端区，最后下游圆端区。混凝土由岸上2 座180 m3／h的混凝土拌和站供应，单个隔舱布置2台布料机和多导管作业，将作业时间控制在12h之内，单个舱内灌注方向从上游侧向下游侧逐步推进。