深水大型钢围堰设计与施工技术

深水大型钢围堰设计与施工技术摘要：根据吉水赣江特大桥水文地质以及主体结构设计尺寸等情况，选择了钢围堰的结构尺寸，通过单元化设计并设置封闭隔仓板，为钢围堰的浮运、接高、拆除等施工过程提供了便利，达到了节约成本，缩短工期的效果。本文从钢围堰的设计、加工、浮运、接高、下沉等方面做了较为详细的阐述，为今后类似工程提供了参考。关键词：钢围堰拼装浮运混凝土封底1、工程概况1.1、设计概况吉水赣江特大桥起讫里程DK185+734.59〜DK187+255.89，全长1521.3m，桥梁中心里程DK186+495.24。全桥孔跨布置为：1-(75+3x125+75)m连续梁+6-32m简支梁+1-(40+64+40)m连续梁+3-32m简支梁+2-24m简支梁+15-32m简支梁。吉水赣江特大桥是本标段控制工程及重难点工程。该桥址在dk185+792dk186+549.9处横穿赣江，与线路的夹角约88°，水流的流向自左至右，河道顺直，砂质河床。桥址处赣江通航等级为III级航道，采用(75+3x125+75)m连续梁跨越主航道。1.2、水文地质情况1.2.1水文情况桥址处汇水面积F=60850km2,Q1%=24200m3/s,H1%=51.04m,V1%=2.26m/s,校核水位H0.33%=51.82m，测时水位42.71m，库区蓄水后常水位46.00m。多年来的平均地区降水量相对密度平均为1459.8毫米，年最低海拔地区平均降水量2183.1毫米，年最低海拔地区平均降水量982.8毫米。其中最大暴雨天气日平均降水量198.8毫米。区内的持续降雨主要还是来源于当地受东北季风的活动影响，一般每年从4月前后几天开始，暖湿带的季风就已经会由此开始逐渐盛行,雨量也在逐步向下递减。5至6月间，冷暖四季气流在中国江南地区快速交汇，降雨量骤然急剧猛增;7-9月份由于不受副热带季风高压的直接影响，降水量进一步明显下降;冬季时期因受位于西伯利亚和中国内蒙古北部高地的干燥寒冷气团所致的影响，降水较少。汛期4-9月约累计占我国全年平均累计暴雨降水的72%,主汛期4-6月约全年累计暴雨降水的总体比例已经达到了整个全年的48%,7-9月约全年累计暴雨降水的总体比例已经达到了整个全年24%。地表的年降雨量较大而且本区地表总降雨量总体分布比较集中，这就是本地区地表降雨较为明显的气候特点。1.2.2、地质情况根据勘察揭示，水中墩地质情况如下：1#墩覆盖层厚度约2.5m,水深11.5m；2#墩覆盖层0.5m，水深12m；3#墩无覆盖层，水深12m；4#墩覆盖层1m，水深12.5m；5#墩覆盖层4.5m，水深10m；6#墩覆盖层6m，水深7.5m；7#墩覆盖层4m，水深11m；8#墩覆盖层4.5m，水深10m；9#墩覆盖层6m，水深7.5m；10#墩覆盖层5m，水深11.5m；11#墩覆盖层7m，水深7.5m；12#墩覆盖层8m，水深5m。2、施工中存在的难点1、钢围堰施工时遇历史同期最大冬汛，水位涨势快、水流急。对钢围堰下水及浮运定位带来极大困难。2、 水中墩覆盖层薄甚至存在裸岩情况，且岩面高差大。钢围堰着床下沉施工难度较大。3、 钢围堰设计3.1、设计参数施工水位46.00m考虑；主墩承台平面尺寸21mx15.2m，对角线长25.924m，桩径2.2m，钢护筒直径2.5m，根数12，桩间距5.8m。该钢结构围堰的主体设计结构孔洞内径宽度应严格控制在27.4m,外径30m,壁厚1.3m。将每个平面进行划分后形成16个点为单位。钢围堰高度及封底厚度(m)见下表墩号1#2#3#4#承台标高34.53434.48430.83432.484封底厚度2.52.53.02.5高度14.46614.81618.66616.516钢围堰分节情况1#墩双壁钢围堰分为3节加工，其中底节高5m、中间节高4m、顶节高5.466m，共14.466m。2#墩双壁钢围堰分为3节加工，其中底节高2#墩双壁钢围堰分为3节加工，其中底节高5m、中间节高4m、顶节高5.816m，共14.816m。3#墩双壁钢围堰分为4节加工，其中底节高5山、第二节高4m、3#墩双壁钢围堰分为4节加工，其中底节高5山、第二节高4m、第三节高4m、第四节高5.666m，共18.666m。4#墩双壁钢围堰分为4节加工，其中底节高5m、4#墩双壁钢围堰分为4节加工，其中底节高5m、第二节高3m、第三节高3m、第四节高5.516m，共16.516m。每单元钢围堰设计图底节钢围堰立面图3.2、创新点设计钢围堰施工完成后需要切割回收，此工作需要大量的水下切割，切割时间长、难度大且切割成本高。总结以往经验，钢围堰设计时在底节顶部增加自浮隔舱板，并在自浮隔舱板以下10cm设置一道切割线方便水下切割。潜水员沿切割线割开后可抽出上部隔舱内的水使其自浮，可将大部分水下切割转为岸上切割，大大缩短了切割时间、减少施工成本。3.3、材料选择选用的材料为壁板、隔舱面加强板厚度6mm，刃脚外壁加强板厚度10mm,刃脚内外壁加强板厚度8mm，环板采用16mm和12mm钢板焊接而成t型钢，竖肋采用＜90x56x6mm角钢，平面斜撑采用＜75x75x6mm角钢,拼接板则采用12mm厚钢板，接缝处增加［18槽钢支撑。4、钢围堰加工4.1、加工注意事项为保证双壁钢围堰的加工质量，加工需在胎膜上进行，胎膜制作时必须保证加工精度。壁壳采用双层焊壁钢壳将围堰建筑系统的内外壁、竖向环形加劲分隔肋和横向环形桥梁桁架共同焊接组成一个整体式建筑钢壳，壁壳之内有多层竖向加劲分隔板和舱板，为一种完全全钢焊接的大型水密结构建筑主体结构。钢围堰加工钢围堰出厂前试拼4.2、焊接质量应符合下列要求：上下分隔的舱板以及与其相邻的水平环形板要正确对齐。钢板上下两端的两条竖向水平加劲钢和肋段三角钢必须直接焊在一个横向水平的肋角环形板上。相邻的建筑块体、外墙和壁板的相互对接接缝位置确定应准确，相互之间的接缝错开不应容许较大偏差接缝范围宽度应为1mm,接缝的两端间距平均宽度为2mm,当需要进行各种拼缝搭板对接或连焊时，可以优先考虑直接采用拼缝搭板对接焊或者拼贴板焊法进行拼缝焊接，但必须保证是满对接焊并且焊时要注意保证接缝水密。所有建筑墙体饰面板和墙体隔舱板及按规定的连接焊缝均应定期做好对燃煤油烟的渗漏耐压试验,不合格者必须铲除再次进行重焊。正三角形的焊缝不小于开放在焊缝坡口处的最低焊缝长度：自动手工焊和半自动手工焊之间的焊缝距离应当不宜小于超过大或小于自动焊缝坡口厚度的15倍,手工自动焊之间焊缝距离也应当不宜小于超过80mm。5、钢围堰底节拼装及下水5.1、下水平台搭设底节钢围堰的拼装工作是在拼装平台上对其进行,平台位于4#-5#墩之间的上游侧，采用24根6529mm的钢管搭设立柱支撑，由贝雷梁拼装上部平台。第一节平台下放时采用16根632mm的高质量精轧钢材，并由千斤顶搭接进行下放,平台上的位置水深不低于5m。下放平台搭设5.2、底节钢围堰拼装钢凝土围堰按照目前施工工程设计时的图纸在各个钢凝土围堰的材料加工厂上焊接制作而来分成一个单元，经过严格检查和竣工验收后将在运送至岸边的各个钢凝土围堰焊接拼装现场后,逐个一节全部开始连续进行一节钢凝土围堰的焊接预拼装，第一节全部开始进行焊接预拼装在焊接拼装完成后，再开始进行二节锁定式预拼焊接。由于每个双层护壁式大型钢制护围堰都通常是被分为放置在每组不同贝雷片的不同位置上而不同，因此每组的不同贝雷片位置会对其产生的电磁干扰很大程度不同。首节大型钢拼装围堰在进行拼装和加工焊接之前均需要应用高压水准仪对其进行水压调平，各块首节钢焊在围堰上。钢围堰拼装5.3、底节钢围堰下水底节内的钢管和围堰在钢管拼装下放工作进行完毕后对各条钢管焊接接合缝必须进行安全验收和严格检查，并同时做好各条煤油管的渗漏检测试验，经多次检查试验合格后方能进行拼装下放。下放起吊是是指利用起吊平台上的自动提升起吊机械将系统16根直径632的精轧大型钢板焊接来进行下放，通过千斤顶慢慢地进行下放。16根精钢冷轧钢必须依次同步向下放和下放，每次向上下的释放高度一般不应超过大于10cm,直到精轧钢筋在围堰内部发生应力自浮。钢丝绳围堰在准备下水前首先需要采取一条钢丝绳将整个围堰主体进行一次固定,待整个围堰停止漂浮后再缓慢地向上松绑一条钢丝绳，以便推动围堰由下游侧方向转动。钢围堰下放钢围堰移出5.4、浇筑刃脚混凝土钢围堰在移出平台之后固定到下游的码头。并测量水深应满足浇筑混凝土的要求。每个围堰的底部分节均应用砼刃脚钢筋混凝土60m3,浇筑高度1.2m。对于浇筑刃脚混凝土来说，可以达到配重和加强钢刃脚的强度。浇筑刃脚混凝土6、钢围堰浮运定位及接高6.1、拼装定位架钢围堰下水后在周围拼装浮箱，而后，设置两片一组的贝雷梁将左右两侧的浮箱连接起来形成整体，并利用贝雷梁将围堰夹住，形成井字架。定位架拼装6.2、浮运定位钢围堰浮运前用测量墩位处的河床标高、水深、水流速度等，各方面条件成熟时方可浮运。该钢结构围堰桥式浮运桥的工作主要原理是通过利用两艘机动帆和大型驳船合力推进等两种方式组合来进行实现，后端通过两艘机动帆和大型驳船逐步对其进行顶压下推，两侧分别使用两艘大型护帆艇将其连续牵引到一个桥墩位。将钢围堰拖到大概的位置后，上游各扔三条临水锚，下游各扔两条长短的尾锚。为不影响通航抛锚方式采用八字锚。采用固定于围堰上的卷扬机进行准确的围堰高度定位。由于每年赣江地区特大洪水频繁同时发生，为了有效防止两岸钢管和围堰不被赣江洪水直接冲走以并保证其方向定位的准确，在两岸围堰下游侧和两岸围堰内侧各自分别建造一根圆形钢管固定桩，可以直接使用绑在钢管上的桩牢靠地将其固定。钢围堰定位管桩钢围堰浮运6.3、钢围堰接高钢结构围堰测量采用了底部原位靠低接高的测量方式,在底部各两个环节顶面分别设置一个高于测量点的基准面并以此设置一个高度确定的主体中心测量点，以便于保证底部原位靠低接高的钢围堰顺直，并以此测量基准面和主体中心线的相对位置高度为准，对主体结构混合物质量的大小高度进行了精确测量和自动控制。然后对首节围堰隔舱内注水下沉，注水应对称进行保证围堰下沉时的垂直度,首节围堰外露高度不低于2m。然后从一个悬挂式钢管吊装机加上一个可调节钢管和围堰的连接单元体系并拼装它的连接高。接高式的浮吊拼装方法是由两个大型浮吊对称地一起进行浮吊拼装。吊装在焊接高时，要严格做到随意点火拼装，随意或手动即可调整,待全部点火的焊接件均成型后，方可开始进行一次全面点火接焊，以此类推第三、第四节。对称接高钢围堰接高7、钢围堰吸泥下沉7.1、钢围堰下沉着床钢围堰每一节连续接高一个小段立即均匀地进行灌水和下沉,当围堰刀刃脚尖与河床表面50cm左右相差即停止了灌水和下沉,通过在悬挂箱上所设置的倒链系统进行调整，实现对围堰的准确定位，然后针对16个隔舱进行快速灌水，从而使得围堰正常着床。由于钢围堰创新性的设计了自浮隔舱板，可保证钢围堰切割自浮，方便日后拆除。但是自浮隔舱板使围堰底节形成密闭空间，所以底节注水较为困难。根据这种情况在底节设置了16个阀门，在既不破坏隔舱板的同时又能保证底节灌满水。自浮隔舱板设计进水阀门设计7.2、吸泥下沉当注水下沉无法满足下沉要求时，采用围堰内吸泥的方法使之下沉。吸泥采用30m3/min的空压机进行。在进行围堰主体下沉的修复过程中随时需要使用一台安全监测站仪进行检查和同时监视所在围堰顶面的4个纵向观察点，发现其存在偏位，马上对其进行检查纠正，修复主要措施有以下三种修复措施：⑴调节两侧隔仓内的水:用高压抽水机向两侧钢管和围堰高的隔仓一侧管道隔仓内钢管进行高压加水，把低的隔仓一侧钢管隔仓内的多余水从两侧钢管和围堰中全部抽出，利用两侧的钢管重力不同，使两侧钢管和围堰的水达到一定的调节水平，但此调节方法当中需要特别注意的一点是需要保证两侧隔仓和隔除断仓之间、隔仓和隔除断仓外的两个水头高度相等。⑵用吸水式污泥机对于钢围堰刃脚部位不均匀地进行吸水，利用污泥沿着高低两侧倾斜时所承受的阻力不同，实现对围堰矫偏。⑶采用隔仓中的隔仓砼进行调平。空压机吸泥作业7.3、刃脚封堵吸泥下沉至设计标高后由潜水员对钢刃脚一周进行探摸，对悬空的部位用沙袋或袋装水泥进行封堵。1#墩小里程侧由于爆破原因造成的悬空较大，先用钢板下插到河床面上部焊接在围堰上封堵大面积的悬空，再用Im’的沙袋在周围堆码。大沙袋按两排布置保证沙袋的稳定，沙袋之间的孔隙再用小沙袋封堵，堆码高度应超过钢刃脚底1m。钢板封堵大面积悬空外侧抛大沙袋稳固8、浇筑封底混凝土8.1、搭设封底平台、安装钢护筒在围堰顶面上搭设一个工作平台，在围堰顶面上铺设贝雷梁，贝雷梁上面则铺设i28的工字钢板来作为建筑物的施工平台，并铺设部分踏板方便测量标高。钢护筒采用12mm厚钢板加工，护筒直径2.6m，需设置定位架来确保钢护筒定位准确。定位架采用120工字钢制作，定位架长9m°12个定位架安装完成后把纵横向连接形成一个整体，定位架在贝雷梁上部悬提固定。钢护筒定位安装后在护筒内抛3m高沙袋，防止封底混凝土进入钢护筒并起到固定钢护筒作用。搭设施工平台安装钢护筒8.2、浇筑封底混凝土浇筑原则总体上按照上先低后高，一端向另一端全断面推进的顺序灌注。根据现场实测的基底情况，由底侧向高侧方向逐步推进。两根导管以桥纵轴线为界，分成上下游两个区域同步作业。在封底砼围堰浇筑前应由潜水员施工应先准备使用一台大型高压泵潜水枪将施工围堰泵的内壁及封底保护筒的外壁用水清理干净，保证施工围堰内及封底泵内砼在泵底以上的各个重要部位均需用水清洗干净,并有效地保护防止在围堰施工前用水浇注围堰封底泵内砼时有任何部分杂物直接掉到砼内，从而严重影响封底砼的施工质量。堰内壁涂层及其支柱护筒堰体外墙涂层采用不锈钢铁涂层冲刷防腐方法对其进行防腐除锈，保证了防洪堰堰体内壁及其支柱护筒的堰体外墙与混凝砼之间相互黏结，尽可能地可以确保整个堰体结构不会松动出现任何漏洞。首盘旋式钢筋混凝土管在进行钢筋封口前，用压力测锤从钢筋导管内移动测得其在导管内从下口末端到钢筋基岩基层表面的厚度间距,依靠钢筋垫梁将其抬高调整厚度到10〜20cm。第一盘装的钢筋混凝土材料选择10m3大小的料斗。安装好的钢筋隔水板，开始将防水大料和漏斗中的水灌满钢筋混凝土。当时的大料盘漏斗迅速地全部装满了钢筋混凝土，提升了浇筑隔水板，同时通过泵管不断地排水放料，完成了第一次大料盘式防水封底大型钢筋混凝土的施工浇筑。封底排水混凝土导管下放排水工作进行完后，要求每个导管的底部埋深0.4〜0.6m,在每个导管出入口及附