桥梁钢围堰施工技术及变形监测分析

2023-01-14陈斌

设备管理与维修 2022年2期

陈斌

（中铁十九局集团第二工程有限公司，辽宁辽阳 111000）

0 引言

建设工程水下结构施工通常需要辅助措施才能施作，围堰是一种广泛应用的有效方式。对于深水区作业，双壁钢围堰强度高、刚度大，能适应各种构造形式、复杂环境及地质条件，又可兼做承重施工机具、工作平台的结构等，是最常用的施工方式[1-2]。钢围堰属于施工临时辅助结构，是重要的控制水下安全施工质量的组成部分，国内外钢围堰安全质量事故频发，一旦发生事故将造成不可估量的损失，因此施工监控工作是钢围堰安全使用的必要条件[3]。

1 工程概况

某桥梁工程主桥使用上承式连续五跨混凝土拱桥。该桥梁工程P3、P4 墩位处水位较深且变化较大，采用双壁钢围堰围水施工。围堰的设计首先应该根据水文资料确定围堰设计水位，并根据河床标高、承台底标高等设计参数确定围堰的深度，综合各项参数计算得到7#墩承台施工基坑深度达到19 m。再根据承台结构尺寸，考虑到通航区围堰施工需要足够的强度、刚度及稳定性，初步确定采用双壁钢围堰施工方案，并为各墩左右幅承台共用1 个钢围堰形式。围堰设计最高水位取值为7.73 m（20 年一遇洪水水位）。根据初步确定的围堰结构形式及尺寸，再进行双壁钢围堰细部结构设计，在进行细化设计时，一定要结合工程现场条件及并考虑施工便利因素。

该桥使用的矩形双壁钢围堰作为承台施工期间的水土围挡结构，为承台提供无水的施工环境，其断面形式与承台平面布置保持一致。它由内外壁板、箱型隔舱板、竖向桁架、水平环向桁架、刃脚、内支撑、导向装置及连通器等组成。钢围堰壁厚1.5 m，外轮廓尺寸为34.8 m×12.8 m，内轮廓尺寸为31.8 m×9.8 m。考虑到钢围堰沉放施工误差调整及预留需要，内轮廓长边方向与承台距离最小为0.3 m，最大为0.8 m，内轮廓短边方向与承台距离为0.425 m。7#墩矩形双壁钢围堰设计顶标高为8.3 m，设计底标高-10.7 m，总高度19 m（包括刃脚），施工水位取+6 m。根据运输、安装及施工的需要，围堰高度从下往上分为4 节：第1 节高度5.3 m，第2 节高度4.2 m，第3 节高度4.8 m，第4 节高度4.7 m，每节平面上共分为12 块。内部设4 道内支撑，支点支于壁体隔舱结构上。

2 钢围堰施工的难点

钢围堰结构安全是水下施工管控的重点，在其使用过程中的监控监测是重要工作内容。对于钢围堰垂直度、平面位置、封底与舱壁混凝土标高、内外部水位差、水流速度等常规测量，可以借助普通光学测量仪器和简易测试仪器等手段完成监测，但钢围堰结构的变形和应力监测作为监测工作的重难点，钢围堰受力参数是决定钢围堰结构安全性的重要因素。通过对国内外相关技术成果的查阅，应力监测目前主要采用预埋应力传感器进行数据采集与分析的手段进行，其方法是切实有效的；变形监测技术的研发相对落后，相关课题研究不多，相关的技术措施与标准还有待进一步完善[4]。

3 钢围堰施工技术

钢围堰在加工场地分节分块段加工好，经检验合格后，用平板车转运到拼装现场，在作业平台上用履带吊拼装。首先，在拼装平台上测量放样出底节钢围堰刃脚平面轮廓线及块段分段线，钢围堰的拼装顺序是依次逐块拼装，遵循左右对称、前后对称原则，围堰先拼装两侧短边节段，再拼装长边节段，最后在长边节段合龙。实际拼接时要随拼装情况进行调整，待全部点焊成型后方可全面施焊。第一块段钢围堰的安装要严格控制其平面位置尺寸及垂直度偏差，经检测符合要求后方可固定。当拼装某一块段时，发现其平面位置尺寸及垂直度与设计位置误差较大时，尽可能切割接缝调整该块段的位置，以减少合龙段拼装时出现较大的累积误差。焊接两块钢围堰之间的拼装缝，要求用煤油检测其渗透情况，焊接应采取措施减少面板的变形，先分节段对称跳焊，再补焊到达满焊，焊接过程焊接临时固定码板。

拼装围堰合龙段前，对合龙段两侧间距进行监测：监测点布置在两侧节段外壁板上，间隔1 m；确保两侧外壁板垂直度不大于1%，以保证合龙段顺利嵌入；在一天当中的低温时段将合龙段嵌入并焊接固定码板，再进行焊接，以确保围堰整体尺寸的精度。合拢时应注意：①按照设计位置安装导向槽、定位钳、限位座以及5 t 倒链，在围堰壁板上标定连接钢板的位置；②通过拽拉倒链，调整导向槽和定位钳，控制对接偏差在2 mm 内；③围堰对接到位后，插入插销，临时锁定围堰；④按照标定位置焊接连接钢板[5]。

4 变形测量方法选择

钢围堰受构造特性、使用情况、工作环境等制约，其变形监测比较困难。利用普通光学测量仪器使用测边交会、自贴式反射片取代棱镜、免棱镜等方法，不仅不能对其进行直接测量，其测量精度较低不能满足技术要求。在监测钢围堰圆形变形时，相关人员把应变传感器在同一钢围堰的截面上布置，测得平均应变后换算出结构变形的测量方法，但运用这种方法对钢围堰的变形值进行换算得出的并不是局部的变形值，而是一个平均值，并且运用该方法不能测量异形的钢围堰。变形测量目前比较先进的是数字全信息干涉法，因对设备要求高、操作十分繁琐，衍射计算复杂等尚未推广运用，所以想要为钢围堰的使用提供安全保障，需要对测量钢围堰变形的便捷、可靠的方法进行研究和探索。结合国内外结构变形监测技术研究成果，可以选择千分表和位移收敛仪作为有效的测量仪器，其特点是操作简便、测量精度高，运用机械传递位移的原理对测点位移的变形值进行测量，把两者有效结合可对钢围堰的变形进行实时测量[6]。

5 变形监测措施

结合该大桥钢围堰的设计文件，运用MidasCivil 有限元软件，按实际选取钢围堰最不利工况进行结构内力验算，从理论上论证钢围堰结构设计的安全性，并找出结构受力较弱的部位，即把监测点设置在其最小刚度、最大变形量的位置，通过对测点处的理论变形值进行计算，为建立完善的监测预警系统提供保障。在钢围堰使用过程中，运用有限元软件仿真模拟分析钢围堰各工况恢复情况下结构受力情况、内外水位差变化等，使用位移收敛仪和千分表测量相结合的方式，实时采集结构变形数据，通过实测值与理论值对比判定结构的安全状态。通过计算钢围堰截面刚度最小、变形量最大的位置在舱壁混凝土顶面向上50 cm处，在此位置沿钢围堰内壁板面周圈对称布设变形监测点。

钢围堰变形测量宜首选千分表直接测量，采用千分表测量需要设置固定点，但在钢围堰抽水和前期桥墩施工时期并不能搭设固定支架，所以测量时可以使用位移收敛仪。使用位移收敛仪对钢围堰变形进行测量是测量两个测点间距离，因为发生相对位移的两点间测得距离不同，所以两点间的相对位移量就是两次测量的距离差，即变形值。

在钢围堰入水安装前应先对监测变形的点进行设置，使用位移收敛仪设定两对称测点间距离的测量值L，使用钢围堰的过程中两测点距离为Li，测点处实际变形值是ΔL仪=（L-Li）/2，理论算得监测工况下该测点的变形值是ΔLi。对比理论变形值ΔLi和实测变形值ΔL仪，如果理论变形值大于实测变形值，说明实际结构刚度比理论计算刚度大，因为通过理论计算钢围堰各工况的结构变形都符合相应的规范，可判定钢围堰结构是安全性；反之则说明实际结构刚度比理论计算刚度小，但只要其比预警值小仍然可以对钢围堰结构的状态判定为安全，如果超出预警值则应该发出警报，并及时采取针对性的解决措施。

随着测点被不断增加的墩身施工高度遮挡，围堰变形便不再适合使用位移收敛仪进行测量，再对钢围堰变形进行测量时可使用千分表。在对应测点的墩身位置预埋托架，然后安装千分表记录其初始读数是D，而钢围堰实际变形量是运用位移收敛仪测得的ΔL仪=（L-ΔLi）/2 值，也是运用千分表对钢围堰变形量测量的基数。在监测的过程中千分表的读数Di是变形增减量，测点处的具体变形值是ΔL表=ΔL仪+（Di-D），在监测情况下对该测点的变形通过理论计算得出该值是ΔLi，通过对比理论变形值ΔLi和实测变形值ΔL表，判断钢围堰结构的安全情况。

6 实践效果

通过具体的监测施工过程得出，实测的结果和理论数据具有较好的吻合性，实测钢围堰结构变形值比理论计算值偏大约5%～10%。通过对深水钢围堰变形监测技术在本工程中的研究及运用，表明所选理论与实测对比分析评价的监测方案及位移收敛仪与千分表相结合的测量方法可行性高、稳定性好，为围堰在各工况下的稳定、安全运行，为及时、准确地掌握数据变化提供了良好的保障，圆满完成了P3、P4 桥墩深水基础施工，可在今后类似的钢围堰施工监测中推广运用。