嘉绍跨江大桥主塔承台钢围堰施工技术

2014-02-10洪苏科刘德清

交通科技 2014年1期

洪苏科张敏张牧刘德清

（1.嘉绍跨江大桥工程建设指挥部绍兴 312000； 2.武汉桥梁建筑工程监理有限公司武汉 430034）

1 工程概况

嘉（兴）绍（兴）跨江公路通道嘉绍大桥工程，全长10.137km，主要由南岸水中区引桥、水中主桥、北副航道桥、北岸水中区引桥及北岸陆地区引桥等部分组成，为了减少对钱塘江大潮世界自然奇观的影响，承台采用深埋式，主航道桥为六塔独柱四索面分幅钢箱梁斜拉桥，其跨径布置为70m＋200m＋5×428m＋200m＋70m＝2 680m；索塔基础采用圆形承台，承台顶面设计标高为－4.5m，顶面基本保持与河床平。Z4～Z7索塔承台直径为40.6m，厚6.0m，下设32根直径2.50 m的钻孔灌注桩；Z3和Z8索塔承台直径为39.0 m，厚6.0m，下设30根Φ2.50m的钻孔灌注桩。塔柱与承台之间设置2.5m厚的棱台形塔座，总体布置见图1。

图1 嘉绍大桥主航道桥总体布置

桥址位于钱塘江河口尖山河段，该段河床宽浅、潮强流急、涌潮汹涌，最大水深10m左右，为非正规半日浅海潮流，水位每日2次涨落，水流属往复流，但不对称性较明显，涨潮流大于落潮流，桥址处无长期潮位观测站，依据桥址断面2003年5月短期观测资料，观测期实测最高潮位5.45 m，最低潮位－3.15m，最大潮差8.59m，桥位附近涌潮流速可达9.0～10.0m／s。初勘揭示桥址区地层岩性上部为较厚的第四纪松散沉积物地层，下伏白垩系下统泥质粉砂岩、砂砾岩风化层，桥位区发育一层软土，即淤泥质亚粘土。该层软土水域较厚，一般20～32m，为不良地质层。

根据各种情况综合考虑，承台施工最终采用无底钢围堰技术，主要考虑以下因素：为减小阻水率，本工程承台顶标高较低，为－4.5m，基本埋入河床，施工受潮位及大潮差影响，作业较困难；由于桥位区强涌潮、大潮差、易冲刷的影响，承台采用双壁钢围堰工艺，钢围堰下沉技术难度极大，尤其是入泥阶段对围堰导向定位系统要求极高；围堰沉放施工需避开大潮汛时段，选择在中小潮时进行下沉作业；中小潮段，墩位处河床水深较浅，低潮时一般不足5m，空气吸泥机吸泥效果极差。本文主要介绍钢围堰沉放施工技术。

2 钢围堰结构设计

2.1 钢围堰结构形式

采用无底钢围堰施工，无底钢围堰结构设计由三大系统组成：侧板钢围堰系统；导向内撑系统；钢围堰下放就位系统。双壁钢围堰结构布置：钢围堰由内外壁板、竖向次梁、环向钢板、水平斜撑、井壁隔舱、连通管及其他附属工程组成。双壁钢围堰平面为圆形（以Z5为例），内壁直径40.6 m，外壁直径43.6m，壁厚1.5m。钢围堰双壁部分高度24m，单壁部分高度2.5m，总高度26.5 m，其中挡浪板高度1.5m，刃脚高度2.0m。考虑到施工栈桥通行宽度及运输平板车装载宽度高度限制、安装及拆除的因素，钢围堰竖向分节高度为7.5m＋12m＋4.5m＋2.5m，围堰每节分成16块加工、安装，每节标准段外弧长8.56m。下沉至设计位置的钢围堰顶标高为＋6.5m（不含挡浪板），底标高为－18.0m。壁体重量约800t，加上配载约1 050t，分成16个相对独立的水密舱。双壁钢围堰总体结构见图2。

图2 双壁钢围堰总体结构

2.2 荷载组合及分项系数

钢围堰的主体钢材均为Q235B钢，整体下放吊点采用Q345C钢，封底混凝土及隔舱内混凝土的等级均为C20。荷载主要考虑自重、水压力、浪压力、土压力。根据《水工建筑物荷载规范》，静水压力的作用分项系数采用1.0，动水压力的作用分项系数采用1.2，浪压力的作用分项系数采用1.2，土压力的作用分项系数采用1.2。围堰验算荷载组合以最不利工况作为验算，即：组合＝自重＋1.0×静水压力＋1.2×动水压力＋1.2×浪压力＋1.2×土压力。根据对不同种工况的计算，结果表明钢围堰结构整体满足要求，在实际施工时，对舱壁混凝土顶端及隔舱板、连接板等周围均需进行加劲处理。

3 钢围堰沉放施工

3.1 施工方案

各墩钢围堰采用整体下放方案，单个钢围堰最大的整体下放重量约为1 050t，根据结构特点和荷载分布，主墩围堰采用8个吊点，每个吊点设置1台350t千斤顶，每个墩配置1套中央控制系统。主要分4步：依靠自重下沉→注水下沉→舱壁混凝土浇注及吸泥下沉→最后一次舱壁混凝土浇注及吸泥下沉到位。

3.2 拼装平台的搭设

3.2.1 钻孔平台改装

为了方便侧壁安装，项目开工前需拆除钻孔平台周围的悬臂平台，而钻孔平台内侧则直接作为封底混凝土及侧壁混凝土浇筑平台使用，同时设置通道保证辅助平台与内侧工作区的通畅。

3.2.2 侧壁拼装平台安装

侧壁拼装平台设置位置主要考虑水位的影响、侧壁下放工艺、拼装工艺要求等因素。根据水文气象条件，平均高潮位为4.02m，拼装后采用整体下放工艺，侧壁整体高度高，综合以上因素，拼装平台设置在＋5.0m标高位置，同时在此标高处桩护筒之间采用直径600mm×8mm的钢管连接成整体（在桩基施工期间兼作水位连通管）。在低潮位时在外围钻孔灌注桩钢护筒上焊接拼装平台，每个侧壁单元平台采用2组双拼HM588×30型钢，2组型钢成八字形布置，将最外围钢护筒与平台钢管桩连接，同时在侧壁中心处设置牛腿。

平台安装位置采用“十字撑”结构、相应加劲板对钢护筒进行局部加强。平台外侧搭设环形平台，作为钢围堰的拼装焊接工作平台，环形平台上设置拼装脚手架，与侧壁临时固定，并在壁板拼装线以外安装栏杆，便于壁板施工中的人员行走。综合考虑各种荷载的影响，单个牛腿需承受约100t左右的荷载。

3.3 钢围堰侧壁拼装

双壁钢围堰侧壁上下分成4节，平面位置分成16个单元块，弧度为22.5度，侧壁按分块、分节进行对称拼装。经过预拼、水密性检查，确认符合要求后由平板车经过栈桥运至墩位，单元块运输前需根据单元线形设置运输胎架，固定在平板车上，以防止其在起吊运输、装卸、搁置过程中的局部变形。

3.4 导向定位系统的安装

钢围堰导向系统原设计为导向钢管加导向挂腿，后考虑导向钢管强度较弱，改为直径1.2m的钢管桩，上端与钢护筒焊接固定，下端打入土中8～10m。导向钢管桩用振动锤振沉就位。在导向钢管内灌填砂子，水振密实，在桩顶浇筑不少于2m厚混凝土。钢管桩与钢护筒之间采用型钢焊接成整体，并对钢护筒内腔进行加强，确保导向和护筒共同受力，钢围堰导向系统见图3。钢围堰限位设置见图4。

图3 钢围堰导向系统

图4 钢围堰限位设置

3.5 下放系统的布置

钢围堰整体下放采用连续千斤顶进行，千斤顶布置在承台外周接高的钢护筒顶端的承重架上，护筒选取位置以承台中心径向对称，接高后的钢护筒顶标高为＋15.0m；下端挂腿设置在壁体上。在拼装平台上拼装成整体的钢围堰采用8台350t连续千斤顶整体同步进行下放，单个承重架顶只布置1台千斤顶，单个吊点钢围堰整体下放承重架立面图见图5，钢围堰吊点形式见图6。

图5 钢围堰吊点形式

图6 钢围堰整体下放承重架立面图（单个吊点）

3.6 水密性试验

每节侧壁焊接完成后下水前需进行一次水密性试验，以保证其密封性、防止渗水。水密性试验即用调制好的石灰浆涂刷焊缝处，然后用煤油渗透试验。如发现漏点，用气刨清除后补焊，补焊处应重新做密性试验。

3.7 刃脚混凝土浇注

首节围堰拼装、调试并焊接完成后即可浇注刃脚混凝土。刃脚混凝土标号C20，浇注高度1.7m。刃脚混凝土采用溜槽直接泵送至每个隔舱内，每个隔舱设一个浇注点。为了确保混凝土浇注质量，采用振动棒振捣密实。为保证围堰整体受力均匀，刃脚混凝土分东南西北4个方向对称浇注。

3.8 连通孔设置

连通管的作用有4个：一是克服钢围堰下放过程中的浮力；二是保证吸泥下沉过程中围堰内外水面标高保持一致；三是保证封底混凝土浇注后围堰内外水面一致，封底混凝土承受浮力一致；四是可以减少封底混凝土等强后抽水的工作量。共设置2类连通管：A类连通器将围堰外与围堰内连通，B类连通器将围堰内与舱壁连通。

3.9 钢围堰分成4个阶段

（1）第一阶段。依靠自重下沉。钢围堰做完各项工艺试验及检查后（主要检查壁体结构、定位系统、导向系统、下放系统、护筒与围堰间是否有障碍物等），拆除拼装平台，并派潜水员在围堰位置提前进行水下探摸，确定是否有大块混凝土块、大型铁件或其他影响下放的异物。选择在白天涨潮的同时开始离架正式下放。下放始标高为＋5.0m，小潮汛时平均高平潮标高为＋3.0m左右，涨潮1h后水位标高在＋1.0m左右，此时流速已减缓，基本小于1.5m／s，因此根据下放速度，在1h后，围堰可以入水。入水前应控制下放速度，便于控制和调整早期的钢围堰平面位置和垂直度；随着不断的涨潮，流速越来越缓，可以更好地控制围堰下沉姿态。围堰入泥前泥面标高约－8.0m左右，正常情况下2.5h内可以入泥，此时基本到高平潮。

为了克服围堰下沉过程中的浮力，围堰自重下沉时将所有连通管均打开，按照设计，围堰入水3.2m后，海水可以自动流入舱壁内。经计算，依靠自重，可以入泥约1m左右。围堰自重入泥的姿态对后续下沉的平面位置及垂直度影响很大，因此，围堰入泥着床前必须要通过定位系统及下放系统反复调整围堰的位置，测量确认符合要求后才允许入泥。如入泥后围堰位置尤其是平面位置不符合要求，应关闭B类连通器，抽出舱壁内配重水，重新提起来调整准确后再下放入泥。

（2）第二阶段。注水下沉。围堰自重入泥后，利用小潮汛钢围堰继续下放，此时仍退潮，水流速度较慢，由于土层摩阻力及刃脚抗力的增大，钢围堰入土1m后无法利用自重及吸泥继续下沉。经计算，标高－9.0m以上围堰外侧摩阻力462t／m，－9.0m以下528t／m，浇注舱壁混凝土增加重量267t／m，B类连通器关闭后注水可增加重量180t／m（高出围堰外水位），刃脚抗力为1 750t／m。为了确保围堰快速下沉，采用吸泥和注水配重相结合的办法。关闭下层B类连通器，往钢围堰内注水，确保舱壁内水位比围堰外高3m，同时在围堰内侧对称吸泥至刃脚底，此时围堰可下沉到标高－10.0m。同样的办法，当舱壁内水位高出6m，并吸泥到刃脚处可再下沉1m。

（3）第三阶段。舱壁混凝土浇注及吸泥下沉。钢围堰依靠自重及注水、吸泥可以下沉到标高－11.0m处，稳定后关闭下层B类连通管，打开其他连通管，开始浇注舱壁混凝土配重并吸泥下沉。舱壁混凝土浇注前要慎重检查围堰平面位置和垂直度，并要确定围堰外侧冲刷情况。如处于小潮汛，且冲刷不大，可进行舱壁混凝土浇注施工，若处于大潮汛或冲刷过大，应继续注水下沉或提前做好冲刷防护。舱壁混凝土首次浇注4m约760m3，标号为C20，为保证对称浇注，浇注点设16个，每个舱壁中心点设一个。布置4个3方漏斗。每次均至少4个浇注点对称同时浇注，依次循环，直至浇注4m高。为了保证在混凝土初凝前浇注完成，混凝土供应不得小于160m3／h。舱壁混凝土施工时采用全站仪对钢围堰进行全过程监测，若围堰偏位，可通过调整混凝土灌注进度进行适当的平衡性调整，直至混凝土灌注全部完成。各仓浇注速度要基本保持一致。浇注时各隔舱混凝土顶标高相差不超过0.5m。根据计算，浇注4m舱壁混凝土并注水6m，同时吸泥到刃脚底，可继续下沉约2.5m到标高－13.5m处。此时下层连通管全部关闭。在等强、吸泥下沉过程中，拼装第三节双壁钢围堰，同时准备浇注第二次舱壁混凝土。

注意在大潮汛到来前1～2d做好冲刷防护工作，采用在围堰四周抛1t／个的砂袋的方案进行冲刷防护。为防止吸泥过程中围堰下沉过多，超过设计标高，控制围堰下沉到－16.4m的标高后暂不吸泥。

（4）第四阶段。最后一次舱壁混凝土浇注及吸泥下沉到位。吸泥及配重下沉到－16.4m的标高后，停止吸泥，稳定后浇注最后4m高的舱壁混凝土。如舱壁混凝土浇注完后还不能下沉到位，则关闭上层B类连通管，在低潮时继续向围堰内注水，让围堰缓慢下沉到位，避免下沉过多。通过计算，在最后4m舱壁混凝土浇注到位，注水6m高，并缓慢吸泥至1.1m（离刃脚底口约0.5m）处，围堰可以下沉到设计标高－18.0m。下沉到位后，将钢围堰侧壁与钢护筒的上定位临时焊接固定，防止钢围堰在流水和涌潮冲击下晃动过大。围堰外要连续跟踪监测，如冲刷过大要继续进行冲刷防护，围堰内泥面偏高部分采用吸泥机继续吸泥，基本平整后由潜水员进行基底平整、铺设沙袋及彩条布等工作，为封底混凝土浇注做准备。