水下岩层中大直径双壁钢围堰施工技术

水下岩层中大直径双壁钢围堰施工技术水下岩层中大直径双壁钢围堰施工技术摘要：广深港铁路客运专线沙湾水道特大桥6#、7#、14#主墩低桩承台均嵌入水下岩层中。结合6#、7#、14#墩双壁钢围堰施工，介绍Φ32.6m大直径轻型双壁钢围堰结构设计、水下爆破、岩层开挖；双壁钢围堰制作、浮运、定位、下沉、封底、拆除等关键施工技术。关键词：岩层中水下爆破大直径双壁钢围堰施工技术1工程概况1.1设计概况广深港铁路客运专线ZH-1标沙湾水道特大桥5#～9#墩跨紫坭河设计为(104+2×168+112)m连续刚构，12#～16#墩跨沙湾水道设计为(112+2×168+104)m连续刚构。线路采用无砟轨道，设计时速350km/h。其中6#、7#、14#主墩基础均采用12Φ250cm钻孔桩，承台设计为低桩承台，尺寸为23.5m×17m×5m，全部埋于河床岩层中。承台施工挡水围堰均采用圆形双壁钢围堰。1.2水文资料广深港铁路客运专线与紫坭河斜交30°，与沙湾水道斜交68°。紫坭河为Ⅴ级航道，水深约9m；沙湾水道为Ⅰ级航道，水深约10m。两条河道主要流量、流速等要素如下：紫坭河：Q1/100=2561m3/s，H1/100=4.644m，V1/100=1.37m/s；沙湾水道：Q1/100=7171m3/s，H1/100=4.774m，V1/100=2.62m/s。1.3地质情况6#、7#墩双壁钢围堰嵌入河床约9.5m，其中覆盖层为2m，向下约7.5m深全风化花岗片麻岩。6#墩河床岩面为斜面，一边嵌入强风化花岗片麻岩约1m。14#墩河床无覆盖层，为裸露基岩（弱风化花岗片麻岩），双壁钢围堰嵌入河床约8m。基本承载力：全风化σO=200KPa；强风化σO=400KPa；弱风化σO=800KPa。2双壁钢围堰设计2.1设计思路由于承台伸入到了岩层中，不具备钢吊箱和钢板桩围堰施工的条件，因此选用双壁钢围堰法施工。由于航道通航净宽允许，选用圆形双壁钢围堰，不需要内支撑，对围堰内施工无干挠。内外壁钢板厚度根据下沉最不利工况来设计，双壁钢围堰抽干水时按照钢壳和壁内混凝土共同受力考虑。双壁钢围堰抗浮设计按照桩基部分无浮力，桩基钢护筒参与抗浮来考虑。如果采用“边挖边沉”的常规下沉办法，双壁钢围堰很难下沉到设计位置。因此本桥采用了“先开挖水下基坑，再直接下沉到位”的施工方法。2.2双壁钢围堰结构设计6#、7#墩双壁钢围堰采用圆形双薄壁钢壳和混凝土组合结构，钢围堰内直径为Φ31m（较承台对角线每侧大100cm），外径Φ32.6m，壁间厚度80cm，壁内全部填充C20混凝土。内外壁钢板厚度3mm，竖向主龙骨采用∠75×50×5角钢，横向主龙骨采用∠63×6角钢，横向主龙骨间采用6mm扁钢加强，壁间斜撑采用∠63×6角钢。龙骨间距根据高度方向水压力不同而不同。平面分8块，块间用5mm厚钢板设置隔仓板，底节预制高度为3m，以上节预制高度为4.5m或6m。单块钢围堰吊装最大重量约8t。块与块之间、节与节之间相连均采用8mm钢板焊接。双壁钢围堰设计充分考虑了成形后钢壳和混凝土共同受力，因此钢壳设计比较轻型化，平均用钢量约为100kg/m2。14#墩双壁钢围堰采用了变截面设计，河床以下部分采用与6#、7#墩一样的钢壳与混凝土组合结构（壁厚80cm）。而河床以上部分壁间厚采用了140cm，内外壁板采用δ6mm钢板，内支撑主要采用∠75×8和∠75×10角钢，壁内填砂。表16#、7#、14#墩双壁钢围堰设计参数表序号项目单位6#墩7#墩14#墩备注1河床标高(m)m-4.0-4.5-5.02河床岩面标高(m)m-6.1-6.5-5.03承台底标高(m)m-11.085-11.085-10.0854承台尺寸(m*m*m)m23.5*17*523.5*17*523.5*17*55钢围堰外直径m32.6032.6032.606钢围堰壁厚cm8080下80上1407围堰顶面标高m4.004.005.008围堰底面标高m-14.00-14.00-13.009双壁钢围堰总高度m18.0018.0018.0011双壁钢围堰分节高度m3+4.5*2+63+4.5*2+63+4.5*2+63双壁钢围堰施工方法3.1分块制作为提高钢围堰加工精度，形成规模化流水线生产，在钢围堰加工场地内先加工4座胎架，钢围堰分块在胎架上制作。由于钢围堰壁板较薄（3mm），采用BX5-63B型薄板电弧焊机焊接。每块钢围堰焊接完毕后,内、外壁板焊缝必须进行煤油渗透试验。煤油渗透试验检验方法为：焊缝外涂白垩粉浆，晾干后内刷煤油，经过半小时后检查，无煤油渗漏斑点为合格。否则渗漏处焊缝必须铲除重焊。3.2水下开挖基坑为减少水下开挖后回淤现象，6#、7#墩水下基坑底部直径取40m，向上开挖坡度采用1：1，上口直径约60m，这样6#、7#墩实际水下开挖方量均超过20000m3。14#墩由于河床为裸露基岩，回淤和边坡塌方现象应该很少，因此水下基坑底部直径取37m，上口直径取40m，水下爆破方量约10000m3。3.2.1水下爆破设计水下爆破设计参数14#墩处河床为裸露基岩，基坑开挖采用了水下爆破。水下爆破设计参数见表2。表2水下爆破设计参数表序号名称代用字母单位数量备注1炮孔孔径dcm112炮孔间距acm2203炮孔排距bcm220梅花形布孔3炮孔倾角α度90垂直钻孔4超钻深度hcm1505单位炸药消耗量qkg/m31.10乳化炸药6单孔装药量Qkg32.57最大段别起爆药量Qmaxkg368.4爆破网路采用毫秒导爆管微差起爆网路，如图3。在水中爆破时，瞎炮率比较大。为避免产生瞎炮，每个炮孔应采用两点起爆。在炮孔的下部、上部各设一个起爆点，每个起爆点放二枚雷管。孔内并联，孔外串联。非电雷管共分MS1、MS3、MS5、MS7四段。3.2.2水下爆破施工首先必须向航道、海事、公安部门申报水下爆破审批手续，待各部门批复后方可开工。水下钻孔采用6台GY-2A型潜孔钻一字排开固定在钻探船上同时钻孔，孔位采用 GPS定位。GY-2A型潜孔钻可以克服该水域无覆盖层和岩层破碎不利于爆破成孔的缺点。在钻孔完毕时，外套管仍留在原位，待装药堵塞完毕后才取出。装药、堵塞水下爆破采用2号岩石乳化炸药。为方便施工，炸药加工成直径为Φ80mm的长条圆柱形药卷，并采用特定的塑料波纹管装成柱状，每50cm长一节，节与节之间采用螺旋式拧入连接。在塑料波纹管高度方向的1/3和2/3处各开一小洞，分别将雷管插入药卷内。在药卷一端绑上引绳。用引绳把药卷顺钻孔外套管匀速放下，直至设计位置。为减少冲击波的强度，施工中采用直径Φ70mm，长60cm砂袋装河砂，将装药后的炮孔顶部堵上。最后把外套管轻轻取出。联线联线可在钻探船上进行。每一排的孔尾线分别绑扎在一竹杆上。要注意炮孔的次序与尾线绑扎次序相一致，以免网路连接出错。竹杆两头固定一漂浮物，以增加整个网路系统的浮力。网路由最后一个接力组的连接雷管的尾线引至岸边，起爆电雷管在警戒完毕后才联上网路。警戒和起爆起爆警戒前通知海事局3艘警戒船，对航道进行短时间封航，每次封航时间约30分钟。警戒时从爆区向外辐射清理无关人员和船只到危险区以外。警戒完毕，再进行起爆雷管的连接，连接完成后，立即起爆。起爆完成并检查安全后恢复通航。3.2.3水下基坑开挖表3抓斗式挖泥船性能表船总长42m吊机臂长18m作业最大深度水下45m船宽16.8m起重荷载60t作业半径11m～15m型深3.5m抓斗型式全齿型水上定位仪型号(GPS)HD8900主机功率1500KW抓斗容积8m3测深仪型号SDH-13D6#、7#墩水下基坑直接开挖，14#墩水下爆破完成后再进行开挖。水下开挖采用8m3水上抓斗进行，全齿型抓斗上配有利齿，而且自身重量较大，可以击碎岩石。因此对于软质岩石开挖，抓斗式挖泥船非常方便而快捷。抓斗船上配GPS定位和测深仪，可以精确判断（误差在5cm以内）抓斗的开挖位置和深度。基坑开挖完毕后，采用GPS侧深仪来进行扫床测量，可以准确测出基坑底各点的标高。通过电脑软件分析整理后，可以打印出水下基坑的各点标高图，准确而方便。6#、7#墩水下基坑开挖各用时4天。14#墩水下爆破每天2～3次，爆破共用时15天，水上抓斗开挖时间为11天，这样水下爆破和开挖共用时26天。3.3底节拼装、下水双壁钢围堰3m底节总重约40t，河堤边水深约4m。可以采用“滑道法”、“拼装船法”和“整体吊装法”下水。滑道法需铺设较长滑道，需要较多钢材，而且耗时较长；而拼装船法则需要较多的大型水上船只和施工设备。经综合比选后，底节钢围堰采用了“整体吊装法”下水。首先紧靠河边填筑并平整出一块50m×50m场地，作为临时码头和底节钢围堰拼装场地。然后在码头上将底节钢围堰逐块拼装成形，并设置四个吊点。最后采用两台25T浮吊和两台岸上50T汽车吊同时起吊，浮吊始终不松钩，汽车吊将底节钢围堰吊起后向水中摆动，每次摆动约6m，然后临时将底节放下，汽车吊也前移6m，再次起吊向水中移送6m，如此反复6次，即可将底节全部放入水中。这种下水方法既不必占用大量钢材，也避免了动用大型水上船只设备，节约了施工成本。3.4浮运浮运前要事先确定好浮运就位位置、浮运路线，并探明浮运路线范围内的水深。注意避开天文大潮，尽量选择平潮时开始进行浮运。并请海事局警戒船疏导来往船只。浮运采用3条拖船，一条主拖船牵引，两条辅拖船左右挟持。主拖船提供主要的拖力和掌握前进方向，辅拖船负责提供部分拖力和防止双壁钢围堰旋转和摆尾。3.5水上接高钢围堰就位固定后，采用2台25T浮吊水平环向对称对钢围堰进行接高。为保持钢围堰接高过程中的水平，可采用在壁内充水或抽水的方法来进行调整。接高时先采用点焊固定，确认位置合格后再全面开始焊接。同一节八块之间的桁架必须保证闭合，以保证整体受力安全。壁板采用搭接焊或贴板焊接，焊缝必须做煤油渗透试验来进行检查。3.6定位、下沉双壁钢围堰的定位采用“中心定位法”定位。在双壁钢围堰顶部沿直径方向安放36m长双拼贝雷梁，采用90#花窗连接。用钢尺定出双壁钢围堰中心位置，并用Φ16mm钢筋竖直标示，固定在贝雷梁顶部。双壁钢围堰定位、下沉应选择在平潮时进行。采用两台全站仪交叉定位。根据测量人员的指令，分别开动双壁钢围堰顶部的5台10T卷扬机，来进行精确定位。由于水下基坑已按设计标高开挖到位，向双壁钢围堰内直接灌水就可以下沉到位。双壁钢围堰下沉就位后，潜水员须探明钢围堰底部着床情况。对底部刃脚与基坑底的空隙进行支垫，确保双壁钢围堰底部着床良好。3.7钢平台、钢护筒安装双壁钢围堰在落床、定位并锚固牢固后，开始搭设钢围堰顶钢平台。钢围堰顶平台采用贝雷梁和型钢结构平台尺寸为30m×24m。钢护筒直径采用Φ280cm，壁厚12mm。为确保钢护筒在封底混凝土浇注过程中不发生位移，钢护筒设两层导向架，上层利用钢平台型钢桁架，下层利用钢管桩顶横梁和钢围堰内壁焊制导向架。为了增加钢护筒与桩基混凝土和封底混凝土之间的摩阻力，让桩基更好地参与钢围堰抗浮。在钢护筒下放前，在底部3m范围内壁加焊环向Φ25mm钢筋，间距50cm，在外壁加焊“U”形剪力筋。3.8封底混凝土灌注双壁钢围堰封底C20混凝土厚度3m，设计方量为2263 m3。C20水下混凝土设计配合比：水泥：砂：石子：水：粉煤灰：外加剂（HT-HPC）=190:826:970:171:190:3.8。混凝土缓凝时间不小于32h，坍落度18～22cm。为保证封底混凝土质量，混凝土施工要连续不间断进行，并且在24小时内完成。混凝土采用3台HZS90型拌和机拌和，20台搅拌车运输，两台HBT80型输送泵输送，采用两台HG12型布料杆分布混凝土，3套料斗和导管配合灌注。导管底口离基坑底约25cm，混凝土的扩散半径约为4～6m，圆锥体率约为1/5～1/10。在钢围堰内布置23个灌注点，每换一灌注点必须重新剪球。封底混凝土灌注顺序为先环向闭合，再补中间。3.9壁内填充6#、7#墩双壁钢围堰壁内全部灌注混凝土，14#墩双壁钢围堰下部8m壁内灌注C20混凝土。采用导管法水下灌注，每个隔仓内设2个灌注点。每次灌注高度约3m。14#墩双壁钢围堰上部10m灌砂，采用运砂船水上运输，将砂用输送带直接打入壁内，一次性灌注完毕。3.10钢围堰拆除由于14#墩双壁钢围堰河床以上部分壁内全部填砂，拆除可以在壁内混凝土顶面处直接进行水下切割。6#、7#墩双壁钢围堰为了拆除方便，在河床处设置了环向30cm高砂夹层，内外壁采用6mm钢带加强。墩身施工出水面后，双壁钢围堰即可进行拆除作业。拆除采用水下切割方式进行，竖向沿隔仓板空隙切割，横向沿河床处壁内砂夹层处进行切割。切割完毕后采用40t浮吊起吊，装船运走。4结束语本工程为嵌入裸露基岩和软质岩层中双