双壁钢围堰施工技术(2011科技论文).doc

水中双壁钢围堰设计与施工技术 佛肇城际gzzh-4标项目部 许如专【摘要】：双壁钢围堰是大中型桥梁深水主墩施工的大型临时设施。文章以珠三角城际轨道交通佛山至肇庆段项目gzzh-4标北江特大桥设计与施工的实例 ,介绍双壁钢围堰加工制作、组拼、下沉着床的技术要点为论述，本文将与大家讨论，以供交流。关键词：水中 双壁钢围堰 施工技术1. 工程概况1.1 工程简介北江特大桥起讫里程为dk061+607.185dk064+683.615，全桥长3076.43m，为跨越北江而设。桥址于dk063+149.3dk063+353.61处跨越北江副航道（宽约200m），于dk063+682.57dk064+252.85处跨越北江主航道（宽约570m），江中有簕竹洲（宽约370m）。北江特大桥5055和6473为水中承台，共16个，其中5055水中承台位于北江副航道，6473水中承台位于北江主航道。5255及6572承台采用无底双壁钢围堰施工，承台高度均为5m，承台底标高为9.941m0.964m，除69、70主墩外，其余承台结构形式均为加台型（3m底台+2m加台）。北江施工常水位标高1.2m，施工最高水位按标高5.0m，北江水流最大流速2.3m/s，主航道河床标高为0.51m6.53m，副航道河床标高为1.3m2.5m。围堰埋入河床深度为4.97m9.5m，埋深范围地层为淤泥、中砂、全风化泥质砂岩和强风化泥质砂岩。现场环境平面效果图现场环境勘测调查图现场环境勘测调查图现场环境勘测调查图1.2 水文资料根据佛山水文站提供的珠三角城际交通佛肇段北江大桥施工工程水文测量及分析计算成果报告可知，北江5年一遇洪水施工水位为9.18m，水流最大流速为2.3m/s。2011年23月份施工期间常水位为1.2m，副航道水深3m4m，主航道水深7m9m。汛期一般在58月。1.3 气象资料桥区属热带季风海洋性气候，冬春季节多阴雨，雨季长，夏秋汛期多台风暴雨，平均年降雨量16002200mm，雨季为49月份；台风登陆时间一般为5至10月，并以79月多见，最大风速可达12级。1.4 工程地质资料水中承台围堰深度范围河床地层为：淤泥，粉质粘土，中砂，砾砂及泥质粉砂岩。主航道河床平均标高为-6.6m，一般冲刷线标高为8.107m；副航道河床平均标高为-2.6m，一般冲刷线标高为5.706m。1.5 通航资料北江主航道为现状级航道，规划级航道，要求单向通航净宽不小于55m，双向通航净宽不小于120m，净高不小于10m。北江副航道为级航道，要求单向通航净宽不小于35m，双向通航净宽不小于70m，净高不小于6m。2. 钢围堰设计双壁钢围堰是用于水下施工的临时性挡水设施，主要由三部分组成：双壁钢围堰侧板、围堰内支撑体系和封底砼。钢围堰的作用是通过围堰侧板和封底混凝土挡水，为承台施工提供无水的施工环境。钢围堰侧板兼做承台侧向模板，封底混凝土兼做承台施工底模。其具体设计情况如下：2.1 双壁钢围堰侧板围堰宽度为1.4m，钢围堰侧板由内外侧钢板、竖向加劲肋、水平桁架（水平杆、竖杆和斜杆）及竖向隔舱板（隔舱桁架和隔舱面板）组成。内外侧钢板厚度6mm；竖向加劲肋采用l758等边角钢，间距为40cm；水平加劲肋间距为80cm，采用758等边角钢；隔舱板设置在围堰分块的两端，面板采用10mm钢板，桁架杆件采用l758等边角钢，刃角封口板采用10mm钢板。2.2 围堰内支撑内支撑采用60012mm钢管（本工程利用公司地铁钢支撑），围檩采用2i45b和 2i56b双拼工字钢。2.3 封底混凝土封底混凝土采用c30，厚度为2m或2.5m，顶面与承台底齐平。2.4 设计考虑荷载1、水平荷载：静水压力、流水压力、主动土压力、波浪力、风力、土压力；2、垂直荷载：围堰自重、围堰侧壁填充砼自重、灌水自重、封底砼自重、水浮力、封底砼与护筒粘结力、钢围堰与侧壁土粘结力。2.5 设计检算方面1、围堰下沉计算2、围堰下沉到位、封底前的抗滑移计算3、围堰封底抽水架撑后，封底混凝土抗弯抗剪计算（按周边简支双向板）4、围堰整体抗浮计算5、围堰侧壁局部强度计算6、围堰侧壁整体强度计算7、围堰内支撑围檩计算3. 钢围堰施工3.1 钢围堰加工制作钢围堰统一在加工场分块分节加工制作成型，半成品加工完成后经现场技术人员验收合格后，由汽车吊配合平板车运送到钢围堰临时堆放场地堆放。下面以69#、70#围堰设计加工图例说明。69#、70#墩承台尺寸为21m15.2m，考虑到围堰下沉的施工误差，围堰加工时每边扩大20cm，即69#、70#围堰外围设计尺寸为24m18.2m（内壁尺寸为21.2m15.4m），围堰上下共分为3节（8m+7m+3.5m），每节围堰共14块组成。图3.1-1 69#、70#钢围堰加工设计图图3.1-2 69#、70#钢围堰现场加工图图3.1-3 69#、70#钢围堰半成品现场堆放图3.2 施工方法及施工工艺双壁钢围堰施工，首先拆除水上钻孔平台，用抓斗或水上长臂挖掘机清理围堰范围内的河床，然后在钢护筒顶安装纵横向主梁（作围堰下沉对位、固定用），并在护筒距离水面高约1.3m处安装牛腿，然后将岸边分块加工制作好的钢围堰，用浮吊运至墩位处，将底节围堰分块吊装至牛腿上，对位、固定、焊接、合拢，灌注刃脚砼，且在围堰内壁焊接下沉定位设置、安装固定导链，利用导链将底节钢围堰吊起，拆除牛腿，下放底节钢围堰，下沉到位后，再按同样方法拼装焊接下沉第二、三节钢围堰，最后利用吸泥机进行吸泥清基，灌注封底砼，待承台施工完毕并且墩身施工出水面之后,将钢围堰拆除。3.2.1 围堰拼装前准备工作根据地质资料显示，北江特大桥承台埋深大，本工程水中承台多数埋入河床以下，承台底部距离下伏200-300kpa泥质砂岩较近，钢围堰基本嵌入基岩中，围堰下沉到位困难。因为在在钻孔桩施工过程中，利用施工平台，进行围堰施工区域超前地质钻，详细掌握地质情况，在桩基施工完拆除平台后，利用特殊机械对围堰区域进行处理，对于河床表层中粗砂、粉质粘土层等软弱层采取采用水下抓斗配合装砂船清理围堰范围内的河床的方法；对于强风化、中风化等砂岩地质较硬地段，采取挖掘能力较强的长臂挖机进行水下清理围堰范围内的河床至设计标高，并将清理出的河床弃放到指定地方，确保围堰下沉时，不仅有效的减少了吸泥下沉时间，而且在清理后期因水流运动堆积过来的围堰范围的河床高度仅采用常规高压水枪、大功率污水泵即可完成吸泥下沉到位。超前地质补钻基底下伏基岩水下抓斗作业长臂挖掘机作业图3.2-1提前清理围堰范围内河床3.2.2 底节钢围堰拼装1、临时钻孔平台改造及准备工作将钻孔平台周边影响底节钢围堰就位及下沉的630mm钢管桩及钻孔平台进行拆除。为增加钢围堰下沉时导向系统的刚度及下沉时钢护筒的稳定，在已成桩的钢护筒顶部相互间用2*45a工钢进行连接，工钢横梁长度等于围堰的内部尺寸，以便纵横梁兼做钢围堰拼装时的顶层定位装置及钢围堰下发时导链上部挂点。在钢护筒距离水面以上1.3m处（估计实际水位为+1.2，拼装悬臂梁顶标高取+2.5）进行焊接拼装悬臂梁，采用双拼36a槽钢作为拼装悬臂梁，共需焊接16根，单根长3.5m。悬臂梁作为围堰拼装时的临时支撑系统。钢护筒临时连接加固立面图钢护筒临时连接加固平面图牛腿安装分配梁安装图3.2-2钢围堰牛腿、分配梁施工图2、底节钢围堰就位与拼装临时平台改造完成后，利用浮吊进行钢围堰的分块拼装。底节钢围堰搁置在拼装悬臂梁上进行组拼。为确保围堰的定位准确，在围堰内壁每对应承台四周钢护筒位置处，竖向间隔3m焊接一道定位支撑，定位支撑采用双拼的22a槽钢焊接而成，定位支撑与钢护筒之间预留5cm的空隙，便于围堰下沉。由于定位支撑与围堰一起下沉，确保了围堰的定位准确。首片钢围堰由浮吊吊起缓缓落置对应的悬臂拼装梁上，经测量校核围堰的定位点及垂直度无误后，挂好导链并拉紧，钢围堰与钢护筒顶部的纵横向梁临时焊接，在围堰底部悬臂拼装梁上侧再用22槽钢将围堰内侧与钢护筒之间焊接，使其临时固定后，浮吊松钩，这样第一片围堰作为定位基准块，浮吊依次吊装其余围堰，依次就位完毕，经测量校核其平面位置及垂直度均合乎要求后，利用临时悬挂平台依次满焊围堰横向、竖向合拢缝，且对于焊缝密封性采用在焊缝上涂刷煤油，观察是否侵过焊缝另一侧的方式进行检验。钢围堰吊装钢围堰拼装钢围堰焊接钢围堰焊接导链吊耳加工导链设置下沉限位装置第一节围堰拼装完成图3.2-3钢围堰牛腿、分配梁施工图3.2.3 底节钢围堰下沉围堰下沉选择在北江水流较平稳时进行，利用16个性能完好的30t手拉葫芦、16根直径32.5mm的钢丝绳和30t的卡环将围堰吊在钢护筒上，在现场总指挥的统一指挥下，16名操作工人同时拉动葫芦，收10cm，使钢围堰脱离装悬臂梁支撑，此时检查葫芦及吊耳受力状态，确定悬挂系统无变形后割除钢护筒上的牛腿，注意牛腿要割除干净不留突出铁件，避免造成围堰下沉困难。拼装悬臂梁全部切割完毕，检查护筒及围堰内外壁上无残留的施工物件后，由现场总指挥统一指挥下，同时均匀拉动手拉葫芦，以每一声令下放10cm为原则，使围堰在导向系统作用下徐徐入水。然后用潜水泵分别向围堰舱内注水，钢围堰在水配重作用下徐徐下沉，同时测量观测围堰的顶面高差，通过隔舱内的注水量调平，待围堰下沉至2m时（底节围堰顶面标高高于拼装平台约1.5m左右，以电焊工便于底节围堰与第二节围堰焊接为准），停止注水。钢围堰停止下沉后，调平钢围堰，用手拉葫芦将围堰悬挂在钢护筒顶部纵横向定位梁上，且围堰与钢护筒之间的临时焊接，确保稳定。同时为确保定位准确，防治围堰在下沉过程中及围堰封底前，由于受水流冲击、风力等影响导致围堰偏位，围堰四周设置锚绳，临时锚固围堰。下沉刻度标线统一指挥，拉动导链下沉钢围堰下沉刃脚进入水中首节钢围堰下沉到位图3.2-4 首节钢围堰下沉3.2.4 第二节钢围堰拼装、下沉上述工作完毕后，使用浮吊配合，吊装钢围堰块件至底节钢围堰上安装，钢围堰块件在吊装过程中，作业人员随时观察围堰外侧油漆对接标记是否对拢，若发现不对拢，须重新吊起调整。钢围堰对接合拢后，检查上下两节围堰的接缝是否密贴，各隔舱分隔线是否对齐，岸上的观测人员通过仪器检测上下两节是否在同一条直线上，检查无误后，电焊工开始焊接。电焊结束后，应用煤油对焊缝进行渗透试验，检查焊缝的水密性，如有渗漏应及时补焊。对钢围堰位置进行定位测量和全面检查，检查合格后，解除与钢护筒的临时连接，作业人员在统一指挥下使钢围堰缓慢下沉，每下沉一定深度，要全面检查是否漏水。处于悬浮状态的钢围堰，采取对称加水的方法，让钢围堰下沉。3.2.5 精确定位与钢围堰落河床第二节钢围堰下沉一定高度后，当接触河床面时，先停止下沉，对钢围堰的位置进行测量。钢围堰下沉后的下一步工作就是正式定位，正式定位测量采用前后交会定点和全站仪坐标定点控制围堰的位置，钢围堰的垂直状态测量，则是用水平仪测量钢围堰水平高差，推算围堰中心与墩位中心偏差不超过围堰高度的1/50。根据测量结果，调整手拉葫芦，使钢围堰处于设计位置，调整围堰四周上下的锚绳，使钢围堰置于垂直位置，且围堰中心与墩中心基本重合。钢围堰着床前，对所有锚锭设备及导向设施进行一次全面检查和调整，用调整锚绳和拉缆的办法使钢围堰精确定位。钢围堰精确定位后，由于底节钢围堰刃角处为楔形结构，受力面积小，该部位易产生应力集中，造成刃角处钢板弯曲，引起围堰局部漏水。为避免该现象，保证围堰刃角处有足够的刚度和密水性，防止尖部被破坏，围堰刃脚加工时采用10厚钢板加强，且在围堰着床后，刃脚满灌c30混凝土。围堰下沉采取吸泥和隔仓内注水方式下沉。下沉过程中，遇河床阻力太大时，围堰壁仓内可以灌注混凝土，增大重量，加快围堰下沉能力。围堰进入河床一定深度后进一步调整围堰平面位置，确保围堰定位准确。第二节钢围堰拼装灌注刃脚砼抽砂下沉设备抽砂下沉图3.2-5 第二节钢围堰下沉3.2.6 第三节钢围堰拼装、下沉第三节钢围堰拼装下沉工艺与第二节相同，此处不再进行赘述。3.2.7 围堰终沉当围堰进尺到最后1m时就进入到终沉阶段，在终沉时，挖土锅底形状由“凹面逐步过度到“凸形反锅底，并且适当放慢吸泥速度和数量，严格按照均匀对称的原则布置吸泥范围，当围堰四个控制点高差大于20mm时，及时纠偏，纠偏方法以调整各隔仓吸泥速度为主。围堰刃脚踏面标高达到设计标高时，立即停止吸泥,测量密切注意观测，8h内围堰下沉不大于10mm，即为围堰沉停成功。围堰到位后，锚好围堰四周锚绳，且围堰与钢护筒之间临时焊接牢固，确保围堰稳定。测量要求每间隔6h观察一次四个方向标高，校核围堰终沉后位置有无放生变化。3.2.8 钢围堰范围内清基钢围堰下沉到位后，采用空气吸泥机吸泥法的施工工艺，把钢围堰范围内的覆盖层全部清除。当吸泥至设计高程后，满足封底厚度要求后，潜水工下水，用高压水枪对钢围堰刃脚内侧、钢护筒周边进行冲洗，确保钢围堰内侧、钢护筒周边与封底混凝土接触面有良好的握裹性。3.2.9 水下砼封底1、灌注平台及导管布设：采用导管法进行封底混凝土灌注，计划在20小时内完成封底混凝土的浇筑。利用钢平台作为封底混凝土灌注平台，一台汽车泵停置在钢栈桥上，利用浮吊分吊点进行封底混凝土灌注。导管在布设时按如下原则进行：导管作用半径按3m考虑，布设导管布置点，导管作用范围覆盖整个混凝土浇筑区。导管与围堰内壁保持一定距离，以利混凝土的均匀扩散。按照每根导管作用半径3m的方式进行导管布置来灌注封底混凝土，每根导管配一个体积为2m3的料斗，导管底部放置一个直径d=0.8m钢护筒。第一斗封底混凝土灌注时，封底混凝土从钢桶口溢出，确保混凝土能够埋住导管。2、封底砼浇注前准备：由于钻孔桩与钢围堰下沉施工时间较长，在钢护筒外壁及钢围堰内壁上会存有其他杂物，为保证混凝土与钢管（围堰内壁）的握裹力，在封底前需要潜水员用高压水枪进行清理。3、封底砼的浇注：混凝土采用后场搅拌站集中搅拌供料，封底混凝土在钢围堰下沉到位，清基到封底混凝土所要求的标高后即可进行，采用刚性导管法浇注水下封底混凝土，混凝土塌落度为16cm18cm。混凝土采用搅拌站集中搅拌供料，混凝土生产采用两条hzs90拌合系统进行生产，混凝土搅拌运输罐车通过栈桥运料至现场，汽车泵泵送料斗，进行封底施工，封底时利用浮吊分吊点从承台周边向中心封底。预计混凝土浇注时间20小时，水下混凝土采用c30高流动性水下混凝土。混凝土灌注时，要勤测围堰底部混凝土的标高，及时绘制标高曲线，当封底混凝土标高达到设计标高时，提出套管。封底浇筑应连续一次完成，从周边开始，依次推进，最终在基底中心结束，封底过程中加强量测，避免封底超高或未到标高。围堰封底顺序示意图灌注围堰封底砼图3.2-6 围堰封底砼施工4. 围堰抽水与支撑施工钢围堰支撑施工流程：钢围堰内水下砼封底抽干钢护筒水下切割钢护筒焊接第一层围檩托架架设第一层围檩架设支撑抽围堰中的水至第二层围堰支撑下1.2m位置（封底砼浇筑7天后才能抽水）焊接第二层围檩托架架设第二层围檩架设支撑第三层支撑架设同第二层。封底混凝土浇筑后，其强度达到75%以上时即可进行进行抽水，边抽水边进行支撑焊接施工。（1）抽水过程中应加强围堰的变形监测，在围堰上四周设置监测点，在抽水过程中进行全过程监测观察，观测围堰的变形与标高变化，发现异常情况，立即停止抽水，必要时给围堰内进行注水，保持围堰稳定。然后进行分析，找出问题的根源，制定切实的措施后，再继续进行抽水作业。（2）围堰内支撑必须严格按照设计进行施工，焊接质量必须达到要求。对于支撑围檩与围堰壁板之间的空隙，采用不同厚度的钢板塞紧焊实。保证围堰受力均匀，确保围堰安全稳定。在围堰拐角处，围堰长边的围檩直接抵在短边围堰内壁上，围堰短边的围檩抵在长边围檩上，且长短边围檩之间焊牢。钢管支撑与围檩之间焊接牢固，围檩与围堰壁板之间空隙用小钢板塞实。（3）围堰支撑设计不侵入承台施工空间，承台施工时不存在拆除支撑进行换撑的情况。对于墩柱施工时，围堰支撑设计尽可能的避开墩柱结构范围，如果不能避开，则在围堰内的墩身采用分段进行施工，在墩身相应位置埋设预埋钢板，进行换撑施工，确保围堰的稳定与安全。钢支撑加工制作钢围檩加工制作钢支撑施工钢支撑施工图4-1 围堰抽水、钢支撑施工5. 围堰应急保护措施北江属于季节性河流，水位高差较大，正常年份汛期水位与常水位高差约5m左右，5年一遇汛期水位与常水位高差达到8m，防洪风险大。为了预防汛期来临时，江水涨幅较高，一旦围堰抽水完成后进行承台墩身施工，水压差过大造成围堰损坏，避免重新施做围堰，将施工风险降低到最小。施工时在围堰上设置连通器水闸，确保水位快速上涨时，能够快速向围堰内灌水，保证围堰稳定安全。连通器水闸连通器水闸图5-1 围堰应急保护措施6. 围堰施工监测1、在围堰下沉、封底、支撑施工过程中，必须动态监控围堰的平面位移、倾斜度、支撑受力变形情况。2、承台墩身施工过程中，动态监测围堰变形情况。应力计安装布设仪器动态监测图6-1 围堰监控量测7. 结束语水中双壁钢围堰在深水基础中施工较常见，施工中要综合考虑地质、水文、工期、围堰设计加工质量等综合风险因素。从北江特大桥水中双壁的施工情况来看，由于我们缺乏类似工程的施工经验，致使在