雙壁鋼圍堰施工技術(2011科技論文).doc

水中雙壁鋼圍堰設計與施工技術 佛肇城際gzzh-4標項目部 許如?！菊浚弘p壁鋼圍堰是大中型橋梁深水主墩施工的大型臨時設施。文章以珠三角城際軌道交通佛山至肇慶段項目gzzh-4標北江特大橋設計與施工的實例 ,介紹雙壁鋼圍堰加工制作、組拼、下沉著床的技術要點為論述，本文將與大家討論，以供交流。關鍵詞：水中 雙壁鋼圍堰 施工技術1. 工程概況1.1 工程簡介北江特大橋起訖里程為dk061+607.185dk064+683.615，全橋長3076.43m，為跨越北江而設。橋址于dk063+149.3dk063+353.61處跨越北江副航道（寬約200m），于dk063+682.57dk064+252.85處跨越北江主航道（寬約570m），江中有簕竹洲（寬約370m）。北江特大橋5055和6473為水中承臺，共16個，其中5055水中承臺位于北江副航道，6473水中承臺位于北江主航道。5255及6572承臺采用無底雙壁鋼圍堰施工，承臺高度均為5m，承臺底標高為9.941m0.964m，除69、70主墩外，其余承臺結構形式均為加臺型（3m底臺+2m加臺）。北江施工常水位標高1.2m，施工最高水位按標高5.0m，北江水流最大流速2.3m/s，主航道河床標高為0.51m6.53m，副航道河床標高為1.3m2.5m。圍堰埋入河床深度為4.97m9.5m，埋深范圍地層為淤泥、中砂、全風化泥質砂巖和強風化泥質砂巖?，F場環(huán)境平面效果圖現場環(huán)境勘測調查圖現場環(huán)境勘測調查圖現場環(huán)境勘測調查圖1.2 水文資料根據佛山水文站提供的珠三角城際交通佛肇段北江大橋施工工程水文測量及分析計算成果報告可知，北江5年一遇洪水施工水位為9.18m，水流最大流速為2.3m/s。2011年23月份施工期間常水位為1.2m，副航道水深3m4m，主航道水深7m9m。汛期一般在58月。1.3 氣象資料橋區(qū)屬熱帶季風海洋性氣候，冬春季節(jié)多陰雨，雨季長，夏秋汛期多臺風暴雨，平均年降雨量16002200mm，雨季為49月份；臺風登陸時間一般為5至10月，并以79月多見，最大風速可達12級。1.4 工程地質資料水中承臺圍堰深度范圍河床地層為：淤泥，粉質粘土，中砂，礫砂及泥質粉砂巖。主航道河床平均標高為-6.6m，一般沖刷線標高為8.107m；副航道河床平均標高為-2.6m，一般沖刷線標高為5.706m。1.5 通航資料北江主航道為現狀級航道，規(guī)劃級航道，要求單向通航凈寬不小于55m，雙向通航凈寬不小于120m，凈高不小于10m。北江副航道為級航道，要求單向通航凈寬不小于35m，雙向通航凈寬不小于70m，凈高不小于6m。2. 鋼圍堰設計雙壁鋼圍堰是用于水下施工的臨時性擋水設施，主要由三部分組成：雙壁鋼圍堰側板、圍堰內支撐體系和封底砼。鋼圍堰的作用是通過圍堰側板和封底混凝土擋水，為承臺施工提供無水的施工環(huán)境。鋼圍堰側板兼做承臺側向模板，封底混凝土兼做承臺施工底模。其具體設計情況如下：2.1 雙壁鋼圍堰側板圍堰寬度為1.4m，鋼圍堰側板由內外側鋼板、豎向加勁肋、水平桁架（水平桿、豎桿和斜桿）及豎向隔艙板（隔艙桁架和隔艙面板）組成。內外側鋼板厚度6mm；豎向加勁肋采用l758等邊角鋼，間距為40cm；水平加勁肋間距為80cm，采用758等邊角鋼；隔艙板設置在圍堰分塊的兩端，面板采用10mm鋼板，桁架桿件采用l758等邊角鋼，刃角封口板采用10mm鋼板。2.2 圍堰內支撐內支撐采用60012mm鋼管（本工程利用公司地鐵鋼支撐），圍檁采用2i45b和 2i56b雙拼工字鋼。2.3 封底混凝土封底混凝土采用c30，厚度為2m或2.5m，頂面與承臺底齊平。2.4 設計考慮荷載1、水平荷載：靜水壓力、流水壓力、主動土壓力、波浪力、風力、土壓力；2、垂直荷載：圍堰自重、圍堰側壁填充砼自重、灌水自重、封底砼自重、水浮力、封底砼與護筒粘結力、鋼圍堰與側壁土粘結力。2.5 設計檢算方面1、圍堰下沉計算2、圍堰下沉到位、封底前的抗滑移計算3、圍堰封底抽水架撐后，封底混凝土抗彎抗剪計算（按周邊簡支雙向板）4、圍堰整體抗浮計算5、圍堰側壁局部強度計算6、圍堰側壁整體強度計算7、圍堰內支撐圍檁計算3. 鋼圍堰施工3.1 鋼圍堰加工制作鋼圍堰統(tǒng)一在加工場分塊分節(jié)加工制作成型，半成品加工完成后經現場技術人員驗收合格后，由汽車吊配合平板車運送到鋼圍堰臨時堆放場地堆放。下面以69#、70#圍堰設計加工圖例說明。69#、70#墩承臺尺寸為21m15.2m，考慮到圍堰下沉的施工誤差，圍堰加工時每邊擴大20cm，即69#、70#圍堰外圍設計尺寸為24m18.2m（內壁尺寸為21.2m15.4m），圍堰上下共分為3節(jié)（8m+7m+3.5m），每節(jié)圍堰共14塊組成。圖3.1-1 69#、70#鋼圍堰加工設計圖圖3.1-2 69#、70#鋼圍堰現場加工圖圖3.1-3 69#、70#鋼圍堰半成品現場堆放圖3.2 施工方法及施工工藝雙壁鋼圍堰施工，首先拆除水上鉆孔平臺，用抓斗或水上長臂挖掘機清理圍堰范圍內的河床，然后在鋼護筒頂安裝縱橫向主梁（作圍堰下沉對位、固定用），并在護筒距離水面高約1.3m處安裝牛腿，然后將岸邊分塊加工制作好的鋼圍堰，用浮吊運至墩位處，將底節(jié)圍堰分塊吊裝至牛腿上，對位、固定、焊接、合攏，灌注刃腳砼，且在圍堰內壁焊接下沉定位設置、安裝固定導鏈，利用導鏈將底節(jié)鋼圍堰吊起，拆除牛腿，下放底節(jié)鋼圍堰，下沉到位后，再按同樣方法拼裝焊接下沉第二、三節(jié)鋼圍堰，最后利用吸泥機進行吸泥清基，灌注封底砼，待承臺施工完畢并且墩身施工出水面之后,將鋼圍堰拆除。3.2.1 圍堰拼裝前準備工作根據地質資料顯示，北江特大橋承臺埋深大，本工程水中承臺多數埋入河床以下，承臺底部距離下伏200-300kpa泥質砂巖較近，鋼圍堰基本嵌入基巖中，圍堰下沉到位困難。因為在在鉆孔樁施工過程中，利用施工平臺，進行圍堰施工區(qū)域超前地質鉆，詳細掌握地質情況，在樁基施工完拆除平臺后，利用特殊機械對圍堰區(qū)域進行處理，對于河床表層中粗砂、粉質粘土層等軟弱層采取采用水下抓斗配合裝砂船清理圍堰范圍內的河床的方法；對于強風化、中風化等砂巖地質較硬地段，采取挖掘能力較強的長臂挖機進行水下清理圍堰范圍內的河床至設計標高，并將清理出的河床棄放到指定地方，確保圍堰下沉時，不僅有效的減少了吸泥下沉時間，而且在清理后期因水流運動堆積過來的圍堰范圍的河床高度僅采用常規(guī)高壓水槍、大功率污水泵即可完成吸泥下沉到位。超前地質補鉆基底下伏基巖水下抓斗作業(yè)長臂挖掘機作業(yè)圖3.2-1提前清理圍堰范圍內河床3.2.2 底節(jié)鋼圍堰拼裝1、臨時鉆孔平臺改造及準備工作將鉆孔平臺周邊影響底節(jié)鋼圍堰就位及下沉的630mm鋼管樁及鉆孔平臺進行拆除。為增加鋼圍堰下沉時導向系統(tǒng)的剛度及下沉時鋼護筒的穩(wěn)定，在已成樁的鋼護筒頂部相互間用2*45a工鋼進行連接，工鋼橫梁長度等于圍堰的內部尺寸，以便縱橫梁兼做鋼圍堰拼裝時的頂層定位裝置及鋼圍堰下發(fā)時導鏈上部掛點。在鋼護筒距離水面以上1.3m處（估計實際水位為+1.2，拼裝懸臂梁頂標高取+2.5）進行焊接拼裝懸臂梁，采用雙拼36a槽鋼作為拼裝懸臂梁，共需焊接16根，單根長3.5m。懸臂梁作為圍堰拼裝時的臨時支撐系統(tǒng)。鋼護筒臨時連接加固立面圖鋼護筒臨時連接加固平面圖牛腿安裝分配梁安裝圖3.2-2鋼圍堰牛腿、分配梁施工圖2、底節(jié)鋼圍堰就位與拼裝臨時平臺改造完成后，利用浮吊進行鋼圍堰的分塊拼裝。底節(jié)鋼圍堰擱置在拼裝懸臂梁上進行組拼。為確保圍堰的定位準確，在圍堰內壁每對應承臺四周鋼護筒位置處，豎向間隔3m焊接一道定位支撐，定位支撐采用雙拼的22a槽鋼焊接而成，定位支撐與鋼護筒之間預留5cm的空隙，便于圍堰下沉。由于定位支撐與圍堰一起下沉，確保了圍堰的定位準確。首片鋼圍堰由浮吊吊起緩緩落置對應的懸臂拼裝梁上，經測量校核圍堰的定位點及垂直度無誤后，掛好導鏈并拉緊，鋼圍堰與鋼護筒頂部的縱橫向梁臨時焊接，在圍堰底部懸臂拼裝梁上側再用22槽鋼將圍堰內側與鋼護筒之間焊接，使其臨時固定后，浮吊松鉤，這樣第一片圍堰作為定位基準塊，浮吊依次吊裝其余圍堰，依次就位完畢，經測量校核其平面位置及垂直度均合乎要求后，利用臨時懸掛平臺依次滿焊圍堰橫向、豎向合攏縫，且對于焊縫密封性采用在焊縫上涂刷煤油，觀察是否侵過焊縫另一側的方式進行檢驗。鋼圍堰吊裝鋼圍堰拼裝鋼圍堰焊接鋼圍堰焊接導鏈吊耳加工導鏈設置下沉限位裝置第一節(jié)圍堰拼裝完成圖3.2-3鋼圍堰牛腿、分配梁施工圖3.2.3 底節(jié)鋼圍堰下沉圍堰下沉選擇在北江水流較平穩(wěn)時進行，利用16個性能完好的30t手拉葫蘆、16根直徑32.5mm的鋼絲繩和30t的卡環(huán)將圍堰吊在鋼護筒上，在現場總指揮的統(tǒng)一指揮下，16名操作工人同時拉動葫蘆，收10cm，使鋼圍堰脫離裝懸臂梁支撐，此時檢查葫蘆及吊耳受力狀態(tài)，確定懸掛系統(tǒng)無變形后割除鋼護筒上的牛腿，注意牛腿要割除干凈不留突出鐵件，避免造成圍堰下沉困難。拼裝懸臂梁全部切割完畢，檢查護筒及圍堰內外壁上無殘留的施工物件后，由現場總指揮統(tǒng)一指揮下，同時均勻拉動手拉葫蘆，以每一聲令下放10cm為原則，使圍堰在導向系統(tǒng)作用下徐徐入水。然后用潛水泵分別向圍堰艙內注水，鋼圍堰在水配重作用下徐徐下沉，同時測量觀測圍堰的頂面高差，通過隔艙內的注水量調平，待圍堰下沉至2m時（底節(jié)圍堰頂面標高高于拼裝平臺約1.5m左右，以電焊工便于底節(jié)圍堰與第二節(jié)圍堰焊接為準），停止注水。鋼圍堰停止下沉后，調平鋼圍堰，用手拉葫蘆將圍堰懸掛在鋼護筒頂部縱橫向定位梁上，且圍堰與鋼護筒之間的臨時焊接，確保穩(wěn)定。同時為確保定位準確，防治圍堰在下沉過程中及圍堰封底前，由于受水流沖擊、風力等影響導致圍堰偏位，圍堰四周設置錨繩，臨時錨固圍堰。下沉刻度標線統(tǒng)一指揮，拉動導鏈下沉鋼圍堰下沉刃腳進入水中首節(jié)鋼圍堰下沉到位圖3.2-4 首節(jié)鋼圍堰下沉3.2.4 第二節(jié)鋼圍堰拼裝、下沉上述工作完畢后，使用浮吊配合，吊裝鋼圍堰塊件至底節(jié)鋼圍堰上安裝，鋼圍堰塊件在吊裝過程中，作業(yè)人員隨時觀察圍堰外側油漆對接標記是否對攏，若發(fā)現不對攏，須重新吊起調整。鋼圍堰對接合攏后，檢查上下兩節(jié)圍堰的接縫是否密貼，各隔艙分隔線是否對齊，岸上的觀測人員通過儀器檢測上下兩節(jié)是否在同一條直線上，檢查無誤后，電焊工開始焊接。電焊結束后，應用煤油對焊縫進行滲透試驗，檢查焊縫的水密性，如有滲漏應及時補焊。對鋼圍堰位置進行定位測量和全面檢查，檢查合格后，解除與鋼護筒的臨時連接，作業(yè)人員在統(tǒng)一指揮下使鋼圍堰緩慢下沉，每下沉一定深度，要全面檢查是否漏水。處于懸浮狀態(tài)的鋼圍堰，采取對稱加水的方法，讓鋼圍堰下沉。3.2.5 精確定位與鋼圍堰落河床第二節(jié)鋼圍堰下沉一定高度后，當接觸河床面時，先停止下沉，對鋼圍堰的位置進行測量。鋼圍堰下沉后的下一步工作就是正式定位，正式定位測量采用前后交會定點和全站儀坐標定點控制圍堰的位置，鋼圍堰的垂直狀態(tài)測量，則是用水平儀測量鋼圍堰水平高差，推算圍堰中心與墩位中心偏差不超過圍堰高度的1/50。根據測量結果，調整手拉葫蘆，使鋼圍堰處于設計位置，調整圍堰四周上下的錨繩，使鋼圍堰置于垂直位置，且圍堰中心與墩中心基本重合。鋼圍堰著床前，對所有錨錠設備及導向設施進行一次全面檢查和調整，用調整錨繩和拉纜的辦法使鋼圍堰精確定位。鋼圍堰精確定位后，由于底節(jié)鋼圍堰刃角處為楔形結構，受力面積小，該部位易產生應力集中，造成刃角處鋼板彎曲，引起圍堰局部漏水。為避免該現象，保證圍堰刃角處有足夠的剛度和密水性，防止尖部被破壞，圍堰刃腳加工時采用10厚鋼板加強，且在圍堰著床后，刃腳滿灌c30混凝土。圍堰下沉采取吸泥和隔倉內注水方式下沉。下沉過程中，遇河床阻力太大時，圍堰壁倉內可以灌注混凝土，增大重量，加快圍堰下沉能力。圍堰進入河床一定深度后進一步調整圍堰平面位置，確保圍堰定位準確。第二節(jié)鋼圍堰拼裝灌注刃腳砼抽砂下沉設備抽砂下沉圖3.2-5 第二節(jié)鋼圍堰下沉3.2.6 第三節(jié)鋼圍堰拼裝、下沉第三節(jié)鋼圍堰拼裝下沉工藝與第二節(jié)相同，此處不再進行贅述。3.2.7 圍堰終沉當圍堰進尺到最后1m時就進入到終沉階段，在終沉時，挖土鍋底形狀由“凹面逐步過度到“凸形反鍋底，并且適當放慢吸泥速度和數量，嚴格按照均勻對稱的原則布置吸泥范圍，當圍堰四個控制點高差大于20mm時，及時糾偏，糾偏方法以調整各隔倉吸泥速度為主。圍堰刃腳踏面標高達到設計標高時，立即停止吸泥,測量密切注意觀測，8h內圍堰下沉不大于10mm，即為圍堰沉停成功。圍堰到位后，錨好圍堰四周錨繩，且圍堰與鋼護筒之間臨時焊接牢固，確保圍堰穩(wěn)定。測量要求每間隔6h觀察一次四個方向標高，校核圍堰終沉后位置有無放生變化。3.2.8 鋼圍堰范圍內清基鋼圍堰下沉到位后，采用空氣吸泥機吸泥法的施工工藝，把鋼圍堰范圍內的覆蓋層全部清除。當吸泥至設計高程后，滿足封底厚度要求后，潛水工下水，用高壓水槍對鋼圍堰刃腳內側、鋼護筒周邊進行沖洗，確保鋼圍堰內側、鋼護筒周邊與封底混凝土接觸面有良好的握裹性。3.2.9 水下砼封底1、灌注平臺及導管布設：采用導管法進行封底混凝土灌注，計劃在20小時內完成封底混凝土的澆筑。利用鋼平臺作為封底混凝土灌注平臺，一臺汽車泵停置在鋼棧橋上，利用浮吊分吊點進行封底混凝土灌注。導管在布設時按如下原則進行：導管作用半徑按3m考慮，布設導管布置點，導管作用范圍覆蓋整個混凝土澆筑區(qū)。導管與圍堰內壁保持一定距離，以利混凝土的均勻擴散。按照每根導管作用半徑3m的方式進行導管布置來灌注封底混凝土，每根導管配一個體積為2m3的料斗，導管底部放置一個直徑d=0.8m鋼護筒。第一斗封底混凝土灌注時，封底混凝土從鋼桶口溢出，確?；炷聊軌蚵褡Ч堋?、封底砼澆注前準備：由于鉆孔樁與鋼圍堰下沉施工時間較長，在鋼護筒外壁及鋼圍堰內壁上會存有其他雜物，為保證混凝土與鋼管（圍堰內壁）的握裹力，在封底前需要潛水員用高壓水槍進行清理。3、封底砼的澆注：混凝土采用后場攪拌站集中攪拌供料，封底混凝土在鋼圍堰下沉到位，清基到封底混凝土所要求的標高后即可進行，采用剛性導管法澆注水下封底混凝土，混凝土塌落度為16cm18cm。混凝土采用攪拌站集中攪拌供料，混凝土生產采用兩條hzs90拌合系統(tǒng)進行生產，混凝土攪拌運輸罐車通過棧橋運料至現場，汽車泵泵送料斗，進行封底施工，封底時利用浮吊分吊點從承臺周邊向中心封底。預計混凝土澆注時間20小時，水下混凝土采用c30高流動性水下混凝土?；炷凉嘧r，要勤測圍堰底部混凝土的標高，及時繪制標高曲線，當封底混凝土標高達到設計標高時，提出套管。封底澆筑應連續(xù)一次完成，從周邊開始，依次推進，最終在基底中心結束，封底過程中加強量測，避免封底超高或未到標高。圍堰封底順序示意圖灌注圍堰封底砼圖3.2-6 圍堰封底砼施工4. 圍堰抽水與支撐施工鋼圍堰支撐施工流程：鋼圍堰內水下砼封底抽干鋼護筒水下切割鋼護筒焊接第一層圍檁托架架設第一層圍檁架設支撐抽圍堰中的水至第二層圍堰支撐下1.2m位置（封底砼澆筑7天后才能抽水）焊接第二層圍檁托架架設第二層圍檁架設支撐第三層支撐架設同第二層。封底混凝土澆筑后，其強度達到75%以上時即可進行進行抽水，邊抽水邊進行支撐焊接施工。（1）抽水過程中應加強圍堰的變形監(jiān)測，在圍堰上四周設置監(jiān)測點，在抽水過程中進行全過程監(jiān)測觀察，觀測圍堰的變形與標高變化，發(fā)現異常情況，立即停止抽水，必要時給圍堰內進行注水，保持圍堰穩(wěn)定。然后進行分析，找出問題的根源，制定切實的措施后，再繼續(xù)進行抽水作業(yè)。（2）圍堰內支撐必須嚴格按照設計進行施工，焊接質量必須達到要求。對于支撐圍檁與圍堰壁板之間的空隙，采用不同厚度的鋼板塞緊焊實。保證圍堰受力均勻，確保圍堰安全穩(wěn)定。在圍堰拐角處，圍堰長邊的圍檁直接抵在短邊圍堰內壁上，圍堰短邊的圍檁抵在長邊圍檁上，且長短邊圍檁之間焊牢。鋼管支撐與圍檁之間焊接牢固，圍檁與圍堰壁板之間空隙用小鋼板塞實。（3）圍堰支撐設計不侵入承臺施工空間，承臺施工時不存在拆除支撐進行換撐的情況。對于墩柱施工時，圍堰支撐設計盡可能的避開墩柱結構范圍，如果不能避開，則在圍堰內的墩身采用分段進行施工，在墩身相應位置埋設預埋鋼板，進行換撐施工，確保圍堰的穩(wěn)定與安全。鋼支撐加工制作鋼圍檁加工制作鋼支撐施工鋼支撐施工圖4-1 圍堰抽水、鋼支撐施工5. 圍堰應急保護措施北江屬于季節(jié)性河流，水位高差較大，正常年份汛期水位與常水位高差約5m左右，5年一遇汛期水位與常水位高差達到8m，防洪風險大。為了預防汛期來臨時，江水漲幅較高，一旦圍堰抽水完成后進行承臺墩身施工，水壓差過大造成圍堰損壞，避免重新施做圍堰，將施工風險降低到最小。施工時在圍堰上設置連通器水閘，確保水位快速上漲時，能夠快速向圍堰內灌水，保證圍堰穩(wěn)定安全。連通器水閘連通器水閘圖5-1 圍堰應急保護措施6. 圍堰施工監(jiān)測1、在圍堰下沉、封底、支撐施工過程中，必須動態(tài)監(jiān)控圍堰的平面位移、傾斜度、支撐受力變形情況。2、承臺墩身施工過程中，動態(tài)監(jiān)測圍堰變形情況。應力計安裝布設儀器動態(tài)監(jiān)測圖6-1 圍堰監(jiān)控量測7. 結束語水中雙壁鋼圍堰在深水基礎中施工較常見，施工中要綜合考慮地質、水文、工期、圍堰設計加工質量等綜合風險因素。從北江特大橋水中雙壁的施工情況來看，由于我們缺乏類似工程的施工經驗，致使在