深水大流速倾斜岩面河床不等高双壁钢围堰综合施工技术

1、深水大流速倾斜岩面河床不等高双壁钢围堰封底混凝土结构设计与施工成孝玉 中铁十六局集团第四工程有限公司 北京 100104摘要结合巴达铁路石梯巴河特大桥的工程实践，介绍深水大流速倾斜岩面河床条件下，不等高双壁钢围堰设计与施工。关键词：倾斜岩面河床 钢围堰 设计与施工分类号：U443.16+2 文献标识码：B+1.2 工程概况新建巴中至达州铁路石梯巴河特大桥全长1462.94m，采用大跨混凝土连续刚构桥，中心里程为DK90+723，桥跨布置：1×24+10×32+(48+2×80+48)连续刚构+25×32+1×24m，采用2×80m主跨

2、跨越巴河主航道，1×32m跨越S202公路。桥位处轨底至河底高82m，采用T形桥台，圆端形桥墩及圆端形空心墩，主墩墩高为69m，基础采用钻（挖）孔桩基础。桥址区位于巴河达县河段上，主跨桥墩12#、13#基础坐落在巴河深水中。主墩墩位处枯水期自然水深达11m，水流速度4m/s，河水季节涨落幅度大，河床为光面砂岩，局部覆盖有约30cm厚的卵石。墩位承台处在河床倾斜面上，承台宽度范围内高差达3m，承台处最高河床标高比承台底标高低0.5m。巴河属渠江支流，桥位处航道等级为级，桥位处航道尺度（航深×航宽×回旋半径）0.8×28×186m，桥轴线法线与水流

3、的交角10°，常年有水，水量较大。2 研究目的、内容及研究方法2.1 研究目的通过研究，采用深水急流条件下，不等高双壁钢围堰结构设计，封底混凝土结构设计与施工，钢围堰的安全沉降及精确定位技术，解决在倾斜河床上采用双壁钢围堰施工所遇到的系列问题，从而探索出一套安全、经济、省时的双壁钢围堰施工新技术。2.2 研究内容1、深水急流条件下不等高双壁钢围堰结构设计。2、深水急流条件下钢护筒和钢围堰的安全沉降及精确定位。3、倾斜河床局部封底混凝土厚度不足时的封底混凝土结构设计与施工。3 施工技术及研究成果3.1 总体施工方案石梯巴河特大桥主墩基础位于常年流水的巴河深水中，由于环境条件复杂，施工中

4、存在以下难点：（1）主墩墩位处枯水期自然水深达11m，水流速度达4.76m/s，河床冲刷厉害，不等高双壁钢围堰外形尺寸、结构等需要特殊设计。（2）墩位承台处在河床倾斜面上，承台宽度范围内高差达3m，不等高双壁钢围堰重心不在平面中心，就位控制较困难；（3）承台处最高河床标高比承台底标高低0.5m，若直接封底，局部厚度不能满足封底厚度的安全需要；针对以上工程特点，采用先摸清河床地形，再确定双壁钢围堰各面的尺寸，并进行结构设计；在栈桥上设置限位架，控制钢围堰按照预定位置准确下沉、就位；通过在封底混凝土内配筋，提高混凝土抵抗水压的抗弯能力，解决混凝土封底厚度局部不足的问题。3.2 总体施工步骤（1）初

5、步放样水中墩位置，搭设栈桥，以栈桥为工作平台展开水中墩施工。（2）在岸边场地分块加工双壁钢围堰面板。（3）利用栈桥上设置钢围堰导向架，用于拼装、固定、引导钢围堰下沉。（4）将分块加工的钢围堰面板运至工作平台，使用吊车，依托钢围堰导向架和栈桥进行钢围堰逐节拼装。拼装好一节，下沉一节，直至钢围堰按预定位置就位。（5）使用抽砂机械清理围堰内的砂卵石，尽量将其清理干净。（6）设置钢护筒导向装置，安装钻孔桩钢护筒。（7）检查钢围堰四周刃脚着床情况，使用砂袋堵住空隙。（8）灌注钢围堰封底混凝土。3.3 搭设栈桥，设置水中墩工作平台栈桥和工作平台投入使用后，需满足70T履带吊、满载的混凝土运输车等设备行车、

6、制动的安全需要。根据计算，栈桥采用单跨跨径12m，宽6m的平面布置，每联栈桥底部采用4根直径为0.61米、厚度为10mm的钢管桩支撑，桩顶架设两根纵梁长3m的双拼I45工字钢,纵梁上架设1根横梁长6米的双拼I45工字钢，纵梁为贝雷梁（单层8排）拼接而成，在贝雷片上面铺设2×6m的10mm模板，加劲肋为7根I18工字钢，间距0.3米。为提供水中墩作业工作平台，栈桥围绕钢围堰形成“F”形，如图3.3.1 栈桥围堰平面布置图。图3.3.1 栈桥围堰平面布置图3.4 双壁钢围堰的设计与加工3.4.1 双壁钢围堰的尺寸确定石梯大桥12、13号墩承台设计平面尺寸为15.8m×19.3m

7、，高度4m，承台底面设计高程为244.748m。基础为梅花形布设的17根2m的桩基础构成。河床覆盖少量砂卵石，大部基岩裸露。以13#墩为例，施工初期，测量人员乘船使用测绳测得墩位河床面高程大致在240-244m区间。受上游电站发电放水影响，枯水期巴河常水位标高位于250-251m区间。根据承台平面尺寸，确定13#墩钢围堰内空间净平面尺寸为16.8×20.3m。按照墩位处河床和水面高程，确定钢围堰顶面高程为252。先根据河床标高处于241-244m区间进行不等高钢围堰结构设计，并先加工上部结构。围堰底刃脚高程及最下部的双壁钢围堰加工尺寸须根据河床地形精确测量、综合比较后确定。在栈桥搭设

8、完毕后，对围堰拟就位的平面位置进行精确放样。现场使用25钢筋加工成测量棒，用于精确测量围堰各边就位位置处的实际地形。一般沿围堰各边每1m测量一次，将数据整理后用于确定围堰最下面一节面板的加工尺寸，使围堰就位后尽可能与河床吻合，以减少后期使用砂袋堵缺口的工作量。3.4.2 双壁钢围堰的结构设计根据大桥施工图结构布置情况以及墩位处水文地质情况，双壁钢围堰的结构方案为：围堰面板采用壁厚6厚的钢板， I10工字钢作为竖肋，100×100×6等边角钢作为横肋，75×75×6等边角钢作为腹杆新城空间框架结构，整个围堰分为三节制作。单节分为14块，其中一号快10件，2

9、号块2件。2号块对称件2件。块件间采用10厚连接板焊接连接。钢围堰平面外尺寸设计为18.8m×22.3m，围堰内外壁间距为1m，内壁承台边线最小距离为50。结构如下列图示：图3.4.2.1双壁钢围堰平面布置图图3.4.2.2双壁钢围堰1号块结构图图3.4.2.3双壁钢围堰2号块结构图根据上述电算结果可认为当水位超过252m高程，且尚未漫顶之前，结构安全可靠。二）整体抗浮、抗滑移验算当水位达到252m即接近漫顶时，围堰承受的最大浮力为：F浮=22.3×18.8×11×10=46120kN1.围堰自重计算1.1计算钢围堰自重钢围堰材料总质量为M=230t则钢

10、围堰材料的总自重为G1=Mg=230×10=2300kN。1.2计算封底混凝土重量混凝土容重为 =23kN/m3根据现场实测，封底混凝土平均厚度h=2.24m， 围堰内层宽为a=16.8m，长为b=20.3m则封底混凝土的重量为G2=×h×a×b=17570kN1.3计算围堰内隔舱水重水容重/=10kN/m3水头为9.49m，即围堰顶到封底混凝土顶面的高差7.25与封底混凝土平均厚度2.24之和。围堰尺寸a中=17.8m， b中=21.3m，内外两层间距c=1m围堰内水自重G3= 2×（a中+b中）×c×9.49×

11、/=7421kN。1.4围堰的自重G= G1+ G2+ G3= 27291kN2.桩基约束力计算桩基钢护筒与封底混凝土的粘结强度取0.15MPa桩基截面直径d=2.3m，根数为17根，封底混凝土平均厚度2.24m桩基与混凝土接触面积为S=17×3.14×d×h=17×3.14×2.3×2.24=275m2则桩基约束力F2=S×0.15×1000=41250kN3.抗浮计算安全系数K=（G+F2）/F1= 68541/46120=1.49>K0结论：围堰整体能够满足抗浮要求4.抗滑移验算4.1作用于钢围堰上的流

12、水压力可按下式计算： 式中： 取K=1.33，g=10m/s2,v=4.76m/s2,则：A=9.49×18.8=178.4m2P=1.33×178.4×10×4.762/(2×10)= 2688kN4.2抗滑移验算围堰总重G=27291kN，G+F2 - F1=22421而P=2688kN<(G+F2 - F1)=0.15×22421kN=3363kN抗滑移系数为1.25>K,所以满足抗滑移要求。3.4.4 双壁钢围堰的加工面板加工场设在桥位附近的河滩。钢围堰面板组件采取现场就地加工。所有进场钢材须有出厂合格证，有关焊缝

13、要求参考钢结构结构施工质量验收规范。根据运输方便，将围堰高分成三节（底节高4m，中间节3m及上层3m）每节平面按隔舱划分成14块，每块最大重量限制在10t以内。钢面板杆件集中下料，在加工平台上放大样后焊接块件骨架，安装隔舱板、焊接内外壁板检查节间、块间接缝及舱板是否渗水、漏水并及时处理渗水部位，确保钢围堰的严密性。面板组件加工工序为：外壁板竖向竖肋工字钢、水平桁架弦板、水平横肋角钢、水平撑、隔舱板、内壁加劲角钢、内壁板、围堰内支撑系统、焊接成件。加工时要求：上下隔舱板对齐，各相邻水平桁架弦板对齐，上、下竖向竖肋工字钢允许不对准，但必须和水平桁架弦板焊牢。内外壁钢板拼缝不能对接焊时，允许采用搭接

14、焊或贴板焊接，但必须满焊，并保证全焊水密结构的可靠性。3.5 双壁钢围堰的安装就位3.5.1 设置钢围堰就位限位架限位架将提供拼装钢围堰面板组件平台，引导钢围堰平稳、准确就位。如图3.5.1，依托栈桥，对钢围堰就位的平面位置就行精确放样，使用I45工字钢加工钢围堰就位限位架。围堰靠栈桥侧，限位架设置一层；无栈桥侧，限位架设置两层。图3.5.1 钢围堰就位导向架3.5.2 双壁钢围堰面板拼装、下沉、就位3.5.2.1 双壁钢围堰面板拼装、下沉、就位钢围堰在依托施工平台、栈桥及限位架进行组拼，拼装前先在施工平台、栈桥及限位架上画出钢围堰底层的安装位置。拼装时先将设计靠近栈桥的面板组件按沿着限位架缓

15、慢放入水中并固定，然后依次沿着限位架拼装左右两边的面板组件，最后拼装无栈桥及平台的那一面的面板组件。接口对接完整后，先对浮在水上的那一截进行满焊。露在水上的那截满焊完毕后，用两台70t的履带吊将首节围堰提出水面，工人对之前在水里的那部分进行满焊连接，完成第一节拼接。图3.5.2 钢围堰拼装在首节钢围堰锁定后，采用向其隔仓内加水或抽水的措施将围堰调平，并使其下沉一定深度，并予留一定的干舷高度，使其处于待拼次节围堰的状态。由吊车起吊面板组件与首节进行焊接，每接高一节既均匀下沉，并予留相应的干舷高度，以便接高下一节时施焊作业。然后逐节拼装，直至完成整个钢围堰拼装。钢围堰着床是钢围堰施工中的一道重要关

16、键工序，钢围堰着河床后的位置和倾斜率对钢围堰以后的下沉，乃至钢围堰落到设计高程时的质量都有重要影响。为使钢围堰沿着限位架均匀下沉，使其着床前的位置与预定位置不会有大的偏差。现场通过在钢围堰的隔舱内灌水以调平围堰，辅以导链牵引将围堰调整到预定位置，然后再均匀加水，让其缓慢匀速下沉。当围堰接高下沉至刃尖距河床0.5米左右即停灌水下沉，通过限位架反复纠偏以实现围堰的精确定位。然后均匀灌水，快速实现围堰刃脚的着床，继之以均匀下沉使围堰下沉到位。若围堰着床后发现偏位较大，可排除隔仓内的水使围堰上浮再进行第二次准确着床，直到精度符合设计要求。若围堰着床时，由于裸露基岩不平整，露空太多的话，可派潜水员下水用

17、砂包堆填露空的地方。双壁钢围堰在水中是以隔舱内灌水下沉。如遇到刃角有变形时可灌1.0m3.0m的刃角混凝土。3.6 双壁钢围堰混凝土封底3.6.1本桥双壁钢围堰封底存在的问题钢围堰下沉确认合格后，既可进行清基工作。清基到位后，放置钢护筒，钢护筒放好后则可进行水下混凝土封底。初测时，河床标高仅比承台底标高低0.5m，经过清基后，最高河床标高比承台低0.79m，即按此标高进行封底，封底混凝土最薄处的厚度仅0.79m，不能满足封底混凝土的厚度要求。详见3.6.1表 实测河床底标高及封底混凝土厚度表和测点布置图。3.6.1表 实测河床底标高及封底混凝土厚度表实测河床底标高及封底厚度（封底混凝土顶部高程

18、244.75m）点编号1#2#3#4#5#6#7#底部标高（m）243.66242.26241.35243.86242.36241.96240.78封底厚度（m）1.092.493.40.892.392.793.97点编号8#9#10#11#12#13#14#底部标高（m）243.96242.06240.86243.76242.46241.95240.8封底厚度（m）0.792.693.890.992.292.83.95点编号15#16#17#18#19#20#底部标高（m）243.86241.87240.81243.95243.79243.9封底厚度（m）0.892.883.940.80.9

19、60.85平均厚度2.24m 遇到这样的情况，通常的施工方法是进行水下河床基岩爆破，然后使用抓斗或者长臂挖机将爆破后的基岩碎块清除，从而使河床标高满足封底混凝土的厚度要求。按此方案施工，13#墩水下爆破工程量约50m3，需额外投入水下爆破钻孔船、长臂挖机等设备，经济上非常不合理。栈桥基础靠近围堰，水下爆破易破坏河床基地的整体性，易造成栈桥失稳，存在极大的安全隐患。此外考虑到栈桥标高为255，距河床底约12m，高度较大，水下爆破后，无论使用抓斗还是长臂挖机，清渣效率都将较低，清渣所需时间会较长，将影响水中墩枯水期施工进度。因此，进行水下爆破不是最优方案。通过钢围堰的结构和安全分析，现场实测数据，

20、着床于倾斜岩面的13#墩的不等高双壁钢围堰封底混凝土平均厚度为2.24m，整体可以满足安全需要。但1#、4#、8#、11#、15#、18#、19#、20#等测点所代表的靠近围堰大里程侧约3m范围内的封底混凝土厚度不足，易出现围堰内抽水后封底混凝土厚度不足处被水压挤裂，造成封底失败，存在极大的安全隐患。按照桩基约束模型，这个薄弱区域的封底混凝土可以进行加强。3.6.2双壁钢围堰封底薄弱区域结构加强方案按照桩基约束模型，受桩基钢护筒对封底混凝土的约束力影响，桩基数量较多的部位能够满足抗浮要求。现取左边第一排两根桩以内范围进行分析(如右图加粗部分)，顺线路长度3.2m，横向宽度20.3m，封底厚度取

21、实测最小值0.79m，约束桩为2根。由于所取范围较小，为了增加安全系数，故忽略钢围堰的自重（同时不考虑钢围堰内水的重量）。（1）薄弱区域封底混凝土自重计算混凝土的容重取=23kN/m3封底最薄处高度为h=0.79m图示加粗部分的宽度为a=3.2m，长度为围堰的长度b=20.3m则封底混凝土的自重为G=×h×a×b=1180kN。（2）薄弱区域桩基约束力计算桩基钢护筒与封底混凝土的粘结力取0.15MPa桩基截面直径d=2.3m，根数为2根桩基与混凝土接触面积为S=2×3.14×d×h=2×3.14×2.3×

22、0.79=11.41m2，h/为最短桩基与封底混凝土的接触面的最短值。则桩基约束力F1=S×0.15×1000=1712kN（3）薄弱区域浮力计算F2=/×a×b×水头高度=10×3.2×20.3×8.04=5223kN（4）薄弱区域抗浮计算浮力-围堰自重-桩基约束力：F2- F1-G=2331kN>0。此时局部受到的浮力较大，封底混凝土局部受剪。由于围堰整体抗浮满足要求，现场采取配筋的方式解决封底混凝土局部抗浮能力不足的问题。（5）薄弱区域计算配筋面积混凝土所受的每平米的压力为：（F2- F1-G）/ （a

23、×b）=36KPa根据实际情况取，右侧为固支端，左侧为自由端，上下端为简支端。由结构计算软件STR进行结构计算。有关计算结果如下：荷载设计值 q = 36.00kN/m*m位 置弯矩系数弯 矩 钢筋面积X方向跨中-0.0053-74.92499Y方向跨中0.00159.1562左边跨中0.00574.18494右端支座0.0372551.83680实际布置57根间距35cm的I10工字钢，深入超厚的封底混凝土区域，使薄弱区域的封底混凝土与超厚区域的封底混凝土协同受力。为使薄弱区域的封底混凝土受力均匀，在工字钢下面布置横纵向间距为30cm的25的钢筋网片。钢材总面积为1430×

24、;57+490.63×68=114870mm2，每平米的面积为114870/16.4=7004.27mm2大于电算的所需的钢筋最大面积。布置方式见下图：3.6.3双壁钢围堰封底混凝土施工浇注封底混凝土前，需先利用钢护筒导向装置，安装钻孔桩钢护筒。考虑到钢护筒支立在倾斜河床岩面，为防止灌注封底混凝土时钢护筒被挤偏，应提前往钢护筒内填筑2-3m高的钻孔造浆粘土。潜水员还需检查钢围堰四周刃脚着床情况，使用砂袋堵住空隙。浇筑封底混凝土，采用泵送多点用导管浇筑封底混凝土。现场采用6套导管灌注混凝土，原则上从深处向浅出，由河流下游向上游灌注。水下混凝土浇筑过程中应注意的事项：用测深锤每隔一段时间

25、，测出混凝土表面标高，将原始资料记录下来，随时告诉现场值班技术员，用以指导各导管提升及下料，要求混凝土均匀上升，以免造成混凝土面高低偏差过大，同时，也避免导管埋置过浅而使导管悬空，混凝土浇筑终结时，尽量调平混凝土表面平整度。灌注水下混凝土时，准备多套导管提升装置，防止混凝土堵管。为防止灌注过快，混凝土对钢围堰侧压力过大，造成钢围堰侧向位移，封底混凝土采用分层灌注，最下面两层每层灌注高度不超过1m，剩余顶面1.5m-2m一次灌注到位。现场技术员须做好灌注标高测量和围堰、栈桥位移观测。围堰、栈桥位移观测实行测线直观观测和布点全站仪观测，两种方法进行双控。在栈桥及工作平台上，即临钢围堰的3个侧面方向

26、，各布置4个观测点，同时在钢围堰上相同位置对应布置12个观测点，使用全站仪观测。由于栈桥上车辆振动对观测精度影响较大，情况异常时现场观测员应要求各种设备立即暂停施工，保持栈桥稳定，查清钢围堰真实位移情况。若钢围堰出现5mm以内的位移，应立即停止灌注混凝土；若出现5-20mm的位移，观测者应通知围堰和栈桥上的所有操作人员立即停机撤出栈桥；若出现超过20mm位移，且位移还在继续扩大，要求所有人员立即撤离栈桥。封底混凝土完成后，应立即搭设桩基钻孔平台，待混凝土完成7天，即可进行正常钻孔桩施工。4 施工效益4.1 经济效益石梯巴河特大桥水中墩基础施工，通过优化施工方案、比选施工设备、动态施工等各项措施

27、，既保证了施工安全，又节约了投资，经济效益显著。（1）石梯巴河特大桥水中墩基础采用了倾斜岩面河床的不等高双壁钢围堰技术，采用桩基约束模型，加强了封底混凝土薄弱区域，保证了双壁钢围堰封底安全。现该桥墩承台已施工完成，证明了有关技术的安全可靠性。（2）采用不等高双壁钢围堰，石梯巴河特大桥两个钢围堰可节约钢材约40t，节约投资约32万元。（3）在施工过程中，通过精测河床标高，及时调整施工方案，以桩基约束模型为理论依据，采用加强封底混凝土薄弱区域的方案，相对水下爆破方案，可减少长臂挖机、钻孔船等本项目所没有的设备投入，经济效益也相当可观。同时避免了清理河底爆破碎渣，有利于节约工期，使施工进度处于受控状态。4.2 社会效益石梯巴河特大桥是巴达铁路重点工程，施工安全和进度一直受到建设指挥部、设计单位及社会各界的高度重视，从不