潮汐条件下双壁钢围堰施工技术研究

白华伟

(江苏燕宁工程科技集团，南京 210013)

据不完全统计，自双壁钢围堰技术在九江长江大桥施工中首次应用以来，我国境内成功运用该技术进行建造的桥梁已达30余座。目前，钢围堰的形式已不仅仅局限于圆形，如武汉军山长江大桥采用的异型双壁钢围堰、矩形双壁钢围堰和杭州下沙大桥的尖端型双壁钢围堰均取得了成功。双壁钢围堰技术的运用领域广泛，不仅可用于桥梁基础的修建，也可创新性地应用于其他领域，如虎门大桥辅航道桥为避免船舶碰撞大桥主墩，在主墩上下游分别设置双壁钢围堰和钢筋混凝土圈体的结合体作为主墩防撞设施。国际上通用的双壁钢围堰通常有两种类型：一是我们国内普遍采用的即上文所述的钢板围堰；二是钢板桩双壁钢围堰，即将打入水中平行的两列钢板桩进行横向及纵向连接和锁定，并在两层之间的间隙填入砂石或其他材料的方法。

双壁钢围堰着床过程中，墩位处河床因受到冲刷作用而呈现较大的高差时，多采用抛填片石的方式进行防护。由于乐清湾港区瓯江特大桥在潮汐条件下施工，河流水位变化大，流速快，钢围堰入土深，施工条件复杂，因此，有必要针对本次钢围堰施工特点，对潮汐条件下双壁钢围堰施工技术进行研究。

1 工程概况

浙江省乐清湾港区铁路支线工程瓯江特大桥位于温州市鹿城区仰义街道与永嘉县桥下镇交界处，主跨为300 m的双塔双索面混凝土斜拉桥，主桥桥跨布置为52 m+90 m+300 m+90 m+52 m，桥梁全长1 193.72 m，设17#墩和18#墩两个主塔墩。17#墩承台为矩形承台，承台平面尺寸均为21.6 m×21.6 m，厚度为6 m，承台底标高为-14.157 m，其下布置16根φ2.8 m钻孔桩。17#墩基础采用先平台后围堰的方法施工，钢围堰作为主塔墩基础施工的挡水结构，设计为圆形双壁结构。17#墩围堰底标高为-19.657 m，顶标高为+5.643 m，壁舱内填充8.5 m高C30水下混凝土，封底厚度为4.5 m，其立面布置如图1所示。

图1 钢围堰立面布置(单位：m)

2 地质水文概况

瓯江特大桥设计水流速度为2.07 m/s，十年一遇最高水位+5.13 m，潮汐性质为规则半日潮，一般涨潮最高水位为+4.5 m，落潮最低水位为-1.5 m。17#墩围堰范围内的地质情况为：-7.78～-8.3 m为江底浮砂；-8.3～-24.48 m为淤泥层；墩位处河床标高-7.3 m。

3 施工方案

3.1 双壁钢围堰施工方案的确定

根据现场施工条件，钢围堰每节分为16个单元块，分别在钢结构生产车间的场地内胎膜上进行加工制造，然后运输至施工现场。到达现场后，将其在改造好的拼装平台上进行底节拼装，通过吊挂系统将底节围堰下沉到位，接高中、顶节围堰后，通过壁仓内灌水、灌注混凝土和吸泥等方法将围堰下沉到指定位置[1-5]。

3.2 钢围堰结构设计与计算

3.2.1 钢围堰结构设计

17#墩钢围堰外径φ33.9 m，内径φ31.5 m，壁厚为1.2 m，总高度为25.3 m。围堰侧板竖向分为底、中、顶三节，每节均分为16个单元块进行加工制作，其中，底节和中节的高度分别为13 m、9.8 m，顶节为单壁结构，高2.5 m，总重为639.2 t。围堰由双壁侧板、导向装置、下放吊挂系统、封底混凝土和壁舱混凝土组成，其平面布置如图2所示。围堰面板均采用6 mm厚钢板，竖向加劲肋采用∠75×50×6角钢，角钢布置间距为295 mm；隔舱板由14 mm厚钢板加工制造而成，单侧采用∠100×8角钢加劲；水平环板为250×14 mm、250×16+150×16 mm、250×20+150×20 mm等三种钢板，布置间距分别为1.0 m、1.2 m、1.5 m；水平环内支撑为∠63×6、∠75×8等两种角钢；导向装置由40 a、20 a槽钢以及10～16 mm铁板组成；吊挂系统由1 200 mm×7 500 mm的箱型梁、千斤顶、φ32精轧螺纹、钢垫块、I36工字钢以及10～30 mm铁板组成。

3.2.2 钢围堰结构计算

(1) 荷载组合

根据施工过程，考虑①围堰自重；②刃脚混凝土自重(高1.5 m)；③壁仓内混凝土自重(高7 m)；④壁仓内水自重(高8 m)；⑤封底混凝土自重；⑥浮力；⑦静土压力；⑧静水压力；⑨流水压力；⑩护筒与封底混凝土的黏结力，得到荷载组合及计算工况如表1所示。

图2 钢围堰平面布置(单位：mm)

施工程序计算内容荷载组合围堰接高完成吃水深度和侧板受力验算①+⑧+⑨围堰着床、下沉围堰下沉系数计算①+②+⑥+⑧+⑨围堰封底、抽水抽水后侧板验算围堰抗浮验算封底混凝土强度验算①～⑩

(2) 围堰结构计算

工况1：围堰底节与中节接高完成后；

工况2：围堰下沉到位封底抽水后，围堰外侧处于最高水位+5.13 m，壁仓内水的高度为8 m，壁仓内混凝土浇筑高度为8.5 m。

① 工况1计算

底节与中节围堰重约 604 t，刃脚部位混凝土浇筑高度 1.5 m(倒角以上 0.3 m)，重约255 t，围堰刃脚部位的体积约74 m3，围堰内外壁板范围面积约123.2 m2，假定底节(包含刃脚部位混凝土重量)与中节围堰拼装完成后，围堰吃水深为h，根据公式ρgV=G可知，1.0×10×[74+(h-1.2)×123.2]=8 590，求得h=7.5 m，此状态下围堰内外壁板所受荷载如图3所示。

采用Midas/civil进行计算，内外壁板及环向加劲板采用板单元模拟，壁板之间对撑角钢采用梁单元模拟，该工况计算时围堰刃角底部采用竖向约束，内导向部位采用平面内约束。根据计算结果，各构件内力均满足要求。

图3 工况1围堰荷载示意

② 工况2计算

围堰封底抽水完成后，其顶标高为+5.643 m，底标高为-19.657 m，围堰壁舱内混凝土高8.5 m，壁舱内水的高度为8.0 m，外侧板最高水位为+5.13 m，此状态下，围堰受力情况如图4所示。

计算采用通用软件Midas/civil，内外壁板及环向加劲板采用板单元模拟，壁板之间对撑角钢采用梁单元模拟，该工况计算时，围堰封底高度范围采用固结约束，根据计算结果，各构件内力均满足要求。

(3) 封底混凝土计算

围堰下沉到位封底后，其底标高为-19.657 m，顶标高为+5.643 m，封底混凝土厚度为4.5 m，双壁间填充壁舱内混凝土高为8.5 m(含刃脚)，双壁间灌水高度为8.0 m。在此基础上，对围堰整体抗浮及抗沉进行计算，并对封底混凝土强度进行验算。

① 封底厚度确定

不同施工水位下，围堰封底厚度的计算参数如表2所示。

图4 工况2围堰荷载示意

参数参数值参数参数值护筒外径D/m3.10承台桩数n/根16.00承台底高程h1/m-14.16施工高水位h2/m5.13施工低水位h3/m-1.50封底厚度h4/m4.50封底混凝土底高程h5=h1-h4/m-18.66侧板内混凝土高度h6/m8.50侧板内充水高度h7/m8.00围堰外轮廓底面积A0=πd2/4(m2)d=33.9m902.13护筒面积A1=n×πD2/4(m2)120.70围堰底面积(m2)(去孔后)A2=A0-A1781.43双壁面积A3/m3123.20高水位浮力F1(t)=r(h2-h5)×A218 587.83低水位浮力F2(t)=r(h3-h5)×A213 406.96围堰自重G1/t663.0封底混凝土自重G2(t)=2.3×(A2-A3)×h468 121.66侧板内混凝土自重G32 238.50侧板内充水自重G4(t)=1×A3×h7985.60护筒与封底混凝土黏结力τ/(t·m-2)15.00黏结力T(t)=nπD×h4×τ10 512.72抗浮力G(t)=G1+G2+G3+G4+T21 207.48抗浮系数k=G/F11.141/2承台重G53 639.17下沉力G'=G1+G2+G3+G4+G514 333.93抗沉力F'=T+F223 919.68承台二次浇筑 抗沉系数k'=F'/G'1.67承台一次浇筑 抗沉系数k'=F'/G'+G51.33

② 封底混凝土强度计算

利用Midas/civil建立封底混凝土实体单元模型，分别对封底混凝土在高、低水位情况下的主拉应力及护筒间的黏结力进行计算，根据计算结果，以上参数均满足要求。

3.3 钢围堰总体施工工艺流程

钻孔桩施工完成后，拆除围堰区域钻孔平台，组合围堰拼装平台。接高四个角上的钢护筒，在护筒上按照设计位置安装围堰吊挂系统。在拼装平台上完成底节围堰拼装后，安装下导向，利用吊挂系统提升底节脱离拼装平台，拆除围堰范围内的平台，围堰下放入水。自浮稳定后，灌注1.5 m高的刃脚混凝土。对称散拼接高中节和顶节围堰，并安装上导向装置，在调整好平面位置及垂直度后辅以围堰壁仓内灌注混凝土、注水、吸泥等方式使围堰下沉至设计标高。抛填片石后，利用钢护筒搭建封底平台，采用垂直导管法进行封底施工，封底混凝土达到设计强度后，抽水，割除多余护筒，凿桩头，进行承台、塔座施工。具体工艺流程如图5所示。

图5 钢围堰总体施工工艺流程

3.3.1 钢围堰拼装、接高

围堰拼装前，将钻孔平台改造成围堰拼装平台。接高四角钢护筒作为起吊围堰的支撑，底节围堰单元块采用130 t履带吊和200 t浮吊起吊，逐块拼装焊接，在平台上利用三角架和撑杆固定，底节围堰利用8台100 t千斤顶和精轧螺纹起吊，脱离平台后，拆除平台，在高潮时下放入水自浮， 中节围堰对称逐块散拼焊接成整体。中节拼装完成并验收后，先向壁仓内注水，待围堰入土稳定，不再漂浮时，再向壁仓内灌注混凝土。所有围堰拼装完成后，需先后对焊缝进行外观、煤油渗透及无损探伤检测。

3.3.2 钢围堰吸泥下沉

围堰壁仓灌注混凝土后，开始进行吸泥下沉作业[6]。采用两套吸泥管，4台20 m3/min空压机，两台吊机配合；理论吸泥方量为8 820 m3，考虑1.5系数，拟定吸泥方量为13 230 m3，吸泥过程中应遵循“分层、均匀、对称”的原则，每层吸泥厚度≤50 cm；吸泥时，应保证泥面标高不低于围堰底标高，并时时关注外侧河床冲刷情况，当其变化量过大时，需要填筑碎石，防止因围堰入土不均匀引起倾斜或突沉。

本项目自2016年9月6日夜间开始吸泥作业，至3天后吸泥结束，整个过程中，围堰顶面高差最大达 79 cm。造成围堰出现不均匀下沉的主要原因为潮汐对河床的冲刷大，围堰外侧上游及下游侧河床标高不断变化，高潮与低潮之间的差值大多在1～1.5 m之间; 潮汐条件下水位变化大,最大涨落潮差达 6 m，围堰所受的浮力随着水位的变化而变化，下沉系数也随之变化 。针对潮汐对河床冲刷大的情况，采取了短时间内增加围堰埋深的对策，较好地降低了冲刷的影响。具体操作方法为：沿着围堰内壁分层均匀吸泥，减少侧摩阻力，使围堰快速下沉，围堰埋深足够且稳定后，中间区域吸泥找平，然后重复上述方法使围堰下沉到位。针对潮汐条件下水位变化大的情况，采取了加强吸泥控制的对策，使围堰埋深均匀，保证了其在低水位时平稳下沉。具体操作方法为：严格按照正式指令吸泥，严禁随意更改，同时做好实际测量和记录，加强低潮期的测量检测力度。

吸泥方案调整后，采用两套吸泥管沿围堰内壁刃角附近4 m范围内分层对称吸泥，使围堰缓慢下沉。其中一套吸泥管从下游侧2#点沿顺时针方向进行吸泥，另一套吸泥管从上游侧6#点沿逆时针方向进行吸泥，吸泥点布置如图6所示。

图6 围堰吸泥点布置

吸泥过程中，应根据测量的数据值，严格按照吸泥指令进行作业。当围堰埋深增加至6 m左右时，将围堰中心区域泥面补吸至与刃角附近相同标高，按同样的方法使围堰下沉到位。方案调整前后围堰下沉监测记录如表3所示。

(续表)

由表3可知，采用新的吸泥方案后，围堰顶面高差逐渐缩小。待围堰下沉到位，及时将上导向与护筒焊接固定，可防止围堰突沉。2016年9月10日至9月29日，围堰累计下沉约9.78 m，按照预期时间完成了吸泥任务，围堰顶面标高在允许偏差范围内，工期及质量均得到了保证。

4 结语

浙江乐清湾港区瓯江特大桥17#主墩位于瓯江流域，潮汐条件下水位变化大，涨落潮差达6 m；流速快，达2 m/s以上；钢围堰入土深，底部在河床以下10.3 m，下沉阻力大，施工条件复杂。为确保围堰结构及封底混凝土结构设计具有足够的安全性，本工程钢围堰采用受力情况更为合理的圆形双壁钢围堰。

钢围堰下沉初期，围堰顶面高差达79 cm，造成围堰出现不均匀下沉的原因主要在于潮汐条件下河床标高在不断变化，其高潮位与低潮位之间的差值为1～1.5 m。通过围堰内壁吸泥作业，在短时间内增加围堰的埋深，当围堰埋深达到6 m时,对围堰中心区域补吸至与刃角位置相同标高，该方法使围堰顶面的高差逐渐缩小至2 cm。

综上所述，可知潮汐条件下钢围堰施工时，应加强对河床冲刷的监测，吸泥下沉初期应尽量增加围堰刃角的埋深，以确保围堰结构的稳定性，避免围堰发生偏斜。