陳新林 李少芳 朱慈祥 鄭 偉 武向東

（武漢二航路橋特種工程有限責(zé)任公司 武漢 430071）

蘭州市中山橋位于蘭州城北白塔山下、金城關(guān)前，有“天下黃河第一橋”之稱，是蘭州市內(nèi)標(biāo)志性建筑之一，2006年被確定為國家文物單位。大橋全長233.5m，為5跨簡支鋼桁架橋，單孔跨徑46.7m，橋?qū)?.55m。中山橋作為一座歷史悠久的橋梁，現(xiàn)已超過其設(shè)計(jì)使用年限，到了功能快速衰退期。2009年8月19日是蘭州黃河鐵橋建成100周年，近代雖然經(jīng)過5次維修，但是百年老橋經(jīng)過風(fēng)雨滄桑，橋梁發(fā)生了一些影響安全及耐久性的病害。因經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展及文物保護(hù)的要求，需對本橋進(jìn)行維修加固，以提高橋梁結(jié)構(gòu)的防洪、抗震及耐久性。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況以及往年水文資料顯示，本次橋墩加厚混凝土施工正位于中山橋黃河水位枯水期，施工時(shí)橋墩處水深2～4m［1］。為此，采取在橋墩處安裝鋼圍堰，對圍堰內(nèi)清基封底抽水后，進(jìn)行墩柱外包混凝土施工。

1 工程概況

1.1 水文地質(zhì)

中山橋建于百年之前，原建橋資料匱乏，為了保證橋墩鋼圍堰施工的順利進(jìn)行，對橋墩及基礎(chǔ)的水下情況、橋墩材料及位處的河床情況進(jìn)行鉆探和試驗(yàn)。鉆探的辦法主要是對橋墩和基礎(chǔ)進(jìn)行鉆探取心。通過鉆探得出的數(shù)據(jù)見表1。

表1 1～4號(hào)橋墩高度及厚度 m

通過水下探測試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：橋墩由漿砌片石和素混凝土組成，橋墩基本都坐落在基巖上，橋墩覆蓋層為粒徑3～8cm 黃河卵石［2］。

1.2 鋼圍堰施工重點(diǎn)和難點(diǎn)

中山橋橋墩采用外包混凝土進(jìn)行加固，為此提出沉箱干作業(yè)法加固水下橋墩技術(shù)，即根據(jù)工程實(shí)際情況及技術(shù)論證，在橋墩外設(shè)置分節(jié)分單元的鋼圍堰截水來實(shí)現(xiàn)干作業(yè)空間。施工重點(diǎn)、難點(diǎn)如下：

（1）由于覆蓋層厚，全是大粒徑黃河卵石，水下施工困難，鋼圍堰下沉難度十分大。

（2）由于受條件限制和保護(hù)文物的需要，起重設(shè)備和大型船舶無法使用，且橋下空間狹小，鋼圍堰吊裝十分困難。

2 鋼圍堰設(shè)計(jì)與受力驗(yàn)算

2.1 鋼圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

蘭州中山橋鋼圍堰施工邊界條件復(fù)雜，施工時(shí)期為黃河枯水期，黃河上無大型起重設(shè)備，且大型機(jī)械設(shè)備無法作業(yè)施工，同時(shí)吊裝時(shí)受到橋面系的影響。經(jīng)綜合考慮，采用了分3節(jié)拼裝焊接施工的雙壁鋼圍堰，同時(shí)考慮到在吊裝時(shí)較少水沖擊力對圍堰的影響，將圍堰的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)為尖角狀態(tài)，鋼圍堰設(shè)計(jì)圖見圖1～圖2。

圖1 圍堰平面總體布置圖（單位：mm）

圖2 圍堰立面布置圖（單位：mm）

2.2 鋼圍堰計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

鋼圍堰頂標(biāo)高＋8.2 m，底標(biāo)高＋0 m，下沉水位＋8.2－0.7＝7.50 m，施工（抽水）水位＋7.50m；基巖標(biāo)高－3.50 m，下沉?xí)r最大流速＋3.0m／s；第1節(jié)高度3.4m（含刃角），第2節(jié)高度3.0m，第3節(jié)高度1.8m；第1節(jié)吊裝時(shí)起吊重量49t，第2節(jié)吊裝時(shí)起吊重量32t，第3節(jié)吊裝時(shí)起吊重量19t；混凝土干容重24kN／m3，護(hù)筒與封底混凝土間的粘結(jié)力f＝100kN／m2；鋼圍堰內(nèi)周長尺寸39.6m，外周長尺寸45.0m，壁厚0.8m，壁體面積33.84m2。

2.3 鋼圍堰驗(yàn)算結(jié)果

結(jié)構(gòu)受力工況見圖3、圖4。

圖3 內(nèi)面板受力體系

圖4 外面板受力體系

計(jì)算中避開傳統(tǒng)計(jì)算的解析算法，直接考慮圍堰整體的空間受力特性，采用 MIDAS／CIVIVL對鋼圍堰進(jìn)行空間分析。面板采用板單元，豎向支撐和橫撐采用梁單元，環(huán)板采用T 形截面，實(shí)腹部分采用三點(diǎn)板單元?？臻g模型共有1333個(gè)節(jié)點(diǎn)，2516個(gè)梁單元，1210個(gè)板單元。面板采用δ＝8mm 鋼板，隔艙板采用δ＝12mm鋼板，縱向次梁為∠75 mm×50 mm×8 mm 角鋼，水平環(huán)板為12mm×200mm 和12mm×228 mm 鋼板，水平斜撐為∠70mm×70mm×6mm等邊角鋼。主要計(jì)算結(jié)果見圖5～10。

本鋼圍堰主材為Q235鋼材，查文獻(xiàn)［1］的容許應(yīng)力為：抗拉、抗壓和抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f＝215 MPa，抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為125 MPa。計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。變形最大為9.73 mm。經(jīng)后期施工驗(yàn)證，鋼圍堰的設(shè)計(jì)計(jì)算完全滿足施工要求［3－4］。

圖5 空間模型

圖6 壁板壓力荷載

圖7 板單元應(yīng)力

圖8 豎撐應(yīng)力

圖9 梁單元應(yīng)力

圖10 壁板變形

3 鋼圍堰施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 鋼圍堰區(qū)域卵石覆蓋層開挖

通過前期地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，橋墩覆蓋層為大粒徑的黃河卵石，卵石粒徑3～8cm，最大粒徑為40 cm。由于卵石層厚、粒徑大，通過簡單的射水振搗下沉鋼圍堰方式很難使鋼圍堰下沉到設(shè)計(jì)高度。為此，通過慎重考慮，采用事先對基坑進(jìn)行開挖后再下沉鋼圍堰的方式進(jìn)行施工。

挖機(jī)開挖的辦法是：先加工一個(gè)可以用于裝載挖機(jī)的鋼浮箱，然后將挖機(jī)固定在鋼浮箱上，通過機(jī)動(dòng)船將鋼浮箱移至橋墩處，待鋼浮箱與橋墩固定后挖機(jī)開始開挖覆蓋層。

實(shí)踐證明，通過挖機(jī)開挖卵石是最行之有效的辦法，既解決了鋼圍堰下沉難度大的問題，也節(jié)約了大量的人力物力。

3.2 鋼圍堰安裝

考慮到鋼圍堰安裝的條件限制，施工從2個(gè)方面考慮：首先吊裝支架必須輕巧可行，單個(gè)吊點(diǎn)的受力不能過大；其次吊裝的空間不夠，必須減小鋼圍堰一次安裝的高度?；谶@兩點(diǎn)，采用了“化整為零”的方法，即將一個(gè)鋼圍堰分成豎向3 節(jié)段、平面6節(jié)段進(jìn)行加工，然后單片運(yùn)至現(xiàn)場進(jìn)行安裝，這樣就減小了鋼圍堰的安裝重量和高度［5］。

3.2.1 導(dǎo)向架設(shè)置

一般水位情況下，橋下凈空只有5m 左右，大型船舶和起重設(shè)備無法使用。針對實(shí)際情況，首先在橋墩上設(shè)計(jì)一個(gè)用型鋼制作的多功能整體支架，該支架在鋼圍堰安裝時(shí)具有和定位、導(dǎo)軌和吊裝反力支架作用，并能提供強(qiáng)大的水流抗力。

3.2.2 鋼圍堰吊裝

由于橋下的吊裝空間不夠，根據(jù)實(shí)際情況，等裝好鋼圍堰的運(yùn)輸駁船定位后，通過前后吊點(diǎn)先把單片鋼圍堰整體平吊起來，然后將船移開，通過各吊點(diǎn)葫蘆的相互調(diào)節(jié)將單片鋼圍堰安裝至正確位置；然后按此辦法依次吊裝其他單片鋼圍堰。待1節(jié)6片鋼圍堰全部吊裝完畢后，再整體調(diào)位拼裝，拼裝誤差精度控制在5mm 以內(nèi)。

3.2.3 鋼圍堰下沉

鋼圍堰是由豎向3節(jié)、橫向6節(jié)段組成，考慮到橋下凈空有限，下沉施工順序是：先拼裝鋼圍堰第1節(jié)，待拼裝完成后下沉至留出第2節(jié)鋼圍堰拼裝的空間，然后等第2節(jié)拼裝完成并和第1節(jié)連接成整體，再進(jìn)行第二次下沉，直至設(shè)計(jì)深度。

鋼圍堰下沉主要是通過往鋼圍堰內(nèi)倉注水加重的方式。鋼圍堰下沉的過程如下：

（1）對接及水密試驗(yàn)。待第1節(jié)鋼圍堰和第2節(jié)鋼圍堰對接完成后，并將接高部分的所有焊縫進(jìn)行水密試驗(yàn)后開始對鋼圍堰整體下沉著床。

（2）復(fù)測標(biāo)高。沿鋼圍堰周邊復(fù)測河床面標(biāo)高，核對刃腳的高度及定位樁的長度、位置與實(shí)際情況是否相符，否則，采取相應(yīng)措施。

（3）注水著床。復(fù)核無誤后對鋼圍堰立即注水加壓下沉，當(dāng)鋼圍堰底部距河床面0.5 m 時(shí)，停止注水，進(jìn)行糾偏，當(dāng)位置正確，迅速注水著床。

（4）糾偏。在鋼圍堰內(nèi)兩側(cè)面設(shè)置糾偏葫蘆，與導(dǎo)向支架連接，利用兩側(cè)糾偏纜同時(shí)收、放或一側(cè)松、一側(cè)緊等辦法以達(dá)到糾偏的目的。

（5）輔助下沉。鋼圍堰著床時(shí)，如遇到大的卵石，應(yīng)派專業(yè)潛水員下到圍堰位置協(xié)助鋼圍堰吸土（石）下沉。

3.2.4 鋼圍堰封堵

待鋼圍堰著床后，圍堰外側(cè)利用挖機(jī)堆埋一定厚度的石頭，圍堰內(nèi)側(cè)由潛水員在刃腳處堆填沙袋，直至圍堰內(nèi)形成相對靜水環(huán)境［6］。

3.3 鋼圍堰封底混凝土施工

鋼圍堰封底混凝土施工屬于水下混凝土施工，水下混凝土就是在靜水或流速較小的水流條件下澆筑的混凝土［7］。也稱導(dǎo)管混凝土，是通過豎立的管子，依靠混凝土的自重進(jìn)行灌注的混凝土。水下混凝土在水中能很好地流動(dòng)擴(kuò)展，具有一定的和易性和抗離析的特點(diǎn)，施工時(shí)塌落度一般在18～20cm。

由于橋下空間小、不能使用吊車等起重設(shè)備，為保證封底一次成功，考慮一定的流動(dòng)半徑，在鋼圍堰內(nèi)設(shè)8根導(dǎo)管，2個(gè)集料斗，通過地泵泵送混凝土。施工過程中每根導(dǎo)管都首封，導(dǎo)管澆筑水下混凝土示意圖見圖11。

圖11 導(dǎo)管作用示意圖

4 結(jié)語

在黃河上對舊橋橋墩外圍進(jìn)行鋼圍堰施工還屬首次，蘭州市中山橋橋墩外圍鋼圍堰設(shè)計(jì)施工中不僅克服了技術(shù)上的很多難題，更是克服了冬季環(huán)境惡劣對施工的影響，保質(zhì)保量地完成了所有加固內(nèi)容。這為以后類似橋梁加固提供了一個(gè)成功的案列。

［1］中交路橋技術(shù)有限公司.蘭州中山橋維修加固工程兩階段施工圖設(shè)計(jì)［M］.北京：中交路橋技術(shù)有限公司，2010.

［2］甘肅水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院.巖土工程勘察報(bào)告［R］.蘭州：甘肅水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，2010.

［3］GB50017－2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.

［4］GB50300－2001建筑工程施工質(zhì)量驗(yàn)收統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社.2001.

［5］中交第二航務(wù)工程局.蘭州中山橋維修加固施工組織設(shè)計(jì)［M］.武漢：中交第二航務(wù)工程局，2010.

［6］謝媛媛，張建輝.阿蓬江大橋4 號(hào)墩雙臂鋼圍堰的設(shè)計(jì)與施工［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2003（S1）：167－169，171.

［7］榮勁松.雙壁鋼圍堰封底混凝土施工［J］.華南港工，2007（2）：47－49，67.