摘 要：以跨長江的某重載鐵路大橋鋼圍堰輔助工程為背景，系統(tǒng)介紹了深水基礎施工用雙壁鋼圍堰施工設計要點，開展了鋼圍堰下河過程計算，分析了圍堰下河速度及可能性，并通過分析高清視頻影像得出了圍堰下河入水深度和時間的關系曲線，為同類工程鋼圍堰下河設計計算提供參考。鋼圍堰浮運及定位測量結果表明，鋼圍堰穩(wěn)定性良好，設計位置與實測位置相差普遍小于3cm，最大不超過5cm，滿足設計及相關規(guī)范要求，為該大橋深水基礎施工奠定了良好的基礎。

關鍵詞：基礎；雙壁鋼圍堰；下河設計；浮運與定位

1 概述

深水基礎施工是衡量橋梁施工技術水平的一個重要標志。國外經(jīng)常采用雙壁鋼圍堰（Double Wall Cofferdam，簡稱DWC）來施工橋梁深水基礎、長度較短的碼頭和水中結構物。國外采用的雙壁鋼圍堰主要有兩種類型：鋼板圍焊的雙壁鋼圍堰以及雙壁鋼板樁圍堰，前者應用數(shù)量較后者少。雙壁鋼板樁圍堰作為雙壁鋼圍堰的一種類型，在歐洲和美洲以及亞洲的日本應用最為廣泛。位于美國加州的Carquinez 海峽大橋跨越薩克門托河，由于水太深，無法使用常規(guī)圍堰，采用在陸地上預先制作雙壁鋼圍堰，然后采用駁船浮運就位，使施工更加方便、安全，且效率更高，比合同工期提前3個月完成。美國阿拉斯加州庫鉑河上的庫鉑大橋（Cooper RiverBridge），美國喬治尼亞州Brunsiwick港口附近的The Sidney Lanier大橋，哥斯達尼加的Tempisque River大橋等則是采用鋼板樁雙壁鋼圍堰進行基礎施工的代表作。在國外，圍堰不僅用于深水基礎的新建工程，而且也經(jīng)常用于既有結構物的修復。位于日本東京附近的KOU大橋在神戶大地震期間受到損壞，為了縮短維修所用的時間，盡快恢復交通，承包商在下部結構的修復和加固中就采用了雙壁鋼板樁圍堰，修復工作迅速而有效完成[1，2]。

近年來國內(nèi)外有關雙壁鋼圍堰的研究文獻較為豐富。王書偉等重點探討了深水基礎圍堰方案的選型、圍堰（包括異形鋼圍堰）設計要素及海洋環(huán)境中的圍堰應用[3-5]；并簡要介紹了其受力檢算重點；周文海等從施工的角度探討了鋼吊圍堰的方案設計、加工制造要求、施工工藝等過程中的關注重點[6，7]；張開聰?shù)戎攸c探討了不同形狀及附加結構的鋼圍堰施工技術[8-10]；蘇杰等則開展了鋼圍堰結構的三維有限元計算分析[11，12]；重點研究圍堰的強度、剛度、穩(wěn)定性以及封底混凝土，可以說涵蓋了圍堰受力分析的各個方面；張峰等則介紹了圍堰施工中常見問題的處理方法[13]。已有的研究成果，大多集中在圍堰設計、受力計算及工藝流程上，而對圍堰下水的設計計算研究則相對較少，工程類比及經(jīng)驗因素較多。基于這一現(xiàn)狀，以某公鐵兩用長江大橋主墩的鋼圍堰為工程背景，探討圍堰下河設計計算及施工技術，以期對類似工程提供一定的借鑒依據(jù)。

2 圍堰設計構造簡介

某長江公鐵兩用特大橋設計里程DK27+299.091～DK33+616.763，全長6317.8m；主橋鐵路按雙線、公路按一級公路四車道設計。主橋為（98+182+518+182+98）m雙塔鋼桁斜拉橋（圖1）。3#、4#墩為斜拉橋主墩，采用先圍堰后平臺施工方法。其中3#墩采用雙壁鋼吊箱圍堰，4#墩采用鋼套箱圍堰。

3#墩雙壁鋼吊箱圍堰設置為圓端形，平面尺寸為68.2m（橫橋向）×40.0m（順橋向）×18m（高），壁厚2m，初步擬定于枯水期施工承臺，圍堰最大抽水水位+34.0m，封底混凝土厚4.5m，圍堰底高程為+11.0m。圍堰由側板、底板、底隔艙、內(nèi)支架、吊掛系統(tǒng)和導環(huán)組成，鋼材均采用Q235B，總重約3200噸。圍堰井壁排水面積為351m2，為減少圍堰自重吃水深度，圍堰內(nèi)設置雙壁底隔艙，底隔艙排水面積為380m2，底節(jié)圍堰在自重下吃水深度為3.96m（不包括底龍骨高度0.5m）。3#墩圍堰下河共布置Ф1.2×15m氣囊48條，先布置24條氣囊作為支承氣囊，圍堰重量全部支承在24條氣囊上時，氣囊工作高度為0.72m，大于鋼凳高度0.6m，鋼凳可以安全移除。待鋼凳全部移除后，再按照設計間距補充其余氣囊，并充氣，使48條氣囊均勻受力氣囊工作高度1.0m。

3 圍堰入水速度及可能性分析

3.1 圍堰入水過程計算假定

（1）圍堰自重忽略坡度影響；（2）圍堰剛度相對很大，假定為一剛體；（3）氣囊作用高度不變；（4）在較短距離里，圍堰為勻變速運動，其加速度變化可忽略；（5）在較短距離里，圍堰所受水阻力不變；（6）圍堰入水過程中，圍堰入水角不變。

3.2 圍堰入水計算原理

（1）牛頓第二定律：即物體的加速度跟物體所受的合外力F成正比，跟物體的質(zhì)量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同。

（2）運動學定理，即位移與速度的關系式：

（3）浮力計算：根據(jù)設計圖紙，建立三維實體，結合各個工況下水長度截取體積。

3.3 計算分析

3.3.1 圍堰入水前。圍堰前端距離水口15m時，在圍堰前端鋪設氣囊，脫拉纜，圍堰起滑瞬間速度為V0。圍堰開始勻加速運動至剛入水面時，圍堰的速度為V1，見圖3。起始階段，圍堰的力學平衡關系式如下：

聯(lián)立式（1）、式（2），可以解出圍堰剛入水面時的速度V1。

3.3.2 圍堰入水后。圍堰入水后，每前行5m作為一個工況。以第一個工況的詳細計算過程為例（圖4），第一次前行5m后圍堰的速度V2，圍堰的力學平衡狀態(tài)為：

聯(lián)立式（3）、式（4），可以解出圍堰入水前進5m后的速度V2（見表1），以此類推，逐步求出前進過程中各個階段的下水速度（表1）。

分析表1中圍堰入水的速度可知，圍堰下滑全部入水后的速度為1.3m/s，此即意味著圍堰能夠順利下滑入水。實際觀測表明，圍堰入水非常迅速，圍堰前端入水至達到吃水深度穩(wěn)定總計歷時約4s，下河過程順利。

4 圍堰浮運到位后的定位技術

4.1 圍堰的定位設計

4.1.1 錨碇設施布置及主要技術參數(shù)。3#墩鋼吊箱圍堰錨碇系統(tǒng)采用前、后定位船加重錨體系。底節(jié)圍堰掛樁時，圍堰頂高程為+39.0m，此時圍堰底高程為+21.0m，按照工期安排，定位時最大水位按+34.0m、最大流速按2.0m/s、最大入水深度按13m設計錨碇系統(tǒng)。前定位船采用1艘800t鐵駁，后定位船采用1艘400t鐵駁；主錨靠江側采用3個8t霍爾錨、靠岸側采用3個50t地壟，尾錨靠江側采用2個8t霍爾錨、靠岸側采用2個50t地壟，前、后定位船邊錨靠江中心側采用2個3t霍爾鐵錨；靠江灘側前、后定位船各設置2個地壟，其中一個為10t地壟，另外一個與圍堰邊錨共用，為30t地壟。

4.1.2 錨繩連接順序及連接方式。圍堰就位后錨繩連接基本順序為：前拉纜L1#～L4#→圍堰邊錨13#（下）、11#、14#（下）、12#→后拉纜L1'#～L4'#→圍堰邊錨15#（下）、17#、16#（下）、18#。

4.2 圍堰定位技術

4.2.1 定位前的準備工作。（1）前、后定位船固定座、馬口安裝。（2）前、后定位船滑車組穿鋼絲繩并與固定座連接。（3）前、后定位船卷揚機、發(fā)電機安裝。（4）主錨1#～6#、前定位船邊錨7#～10#分別連接后放在前定位船上并運至現(xiàn)場。尾錨23#～26#、后定位船邊錨19#～22#分別連接后放在后定位船上并運至現(xiàn)場。（5）利用拋錨船依次將圍堰主錨、圍堰尾錨、前、后定位船邊錨拋至設計位置。（6）所有錨繩都松至水下，特別是后定位船邊錨20#、22#，避讓浮運路線。

4.2.2 圍堰浮運到位及初定位。（1）鋼圍堰底節(jié)制造拼裝完成，轉(zhuǎn)向馬口、系纜樁、頂推架、調(diào)錨設施等安裝完成，圍堰帶上前拉纜L1#、L2#、L3#、L4#，后拉纜L1'#、L2'#、L3'#、L4'#，圍堰邊錨錨繩11#～18#（預先穿過對應的圍堰轉(zhuǎn)向馬口并打梢于圍堰上）共16根，圍堰下水浮運至前定位船后約80m處（中心距，見圖5）。（2）前拉纜L1#、L2#、L3#、L4#過至前定位船與滑車組系結、初收緊，圍堰浮運拖輪退出。（3）將圍堰邊錨繩11#、12#、13#、14#一頭過至前定位船與對應的滑車組連接，12#、14#錨繩另一頭與霍爾錨錨繩連接，11#、13#錨繩另一頭與地壟連接固定。（4）圍堰溜放到設計位置處，偏差設計位置小于5米，且位于上游，并初收緊圍堰邊錨11#、12#、13#、14#錨繩。（5）將圍堰后拉纜L1'#、L2'#、L3'#、L4'#過至后定位船與滑車組系結。（6）將圍堰邊錨繩15#、16#、17#、18#一頭過至后定位船與對應的滑車組連接，16#、18#錨繩另一頭與霍爾錨錨繩連接，15#、17#錨繩另一頭與地壟連接固定。（7）后定位船初收緊尾錨、邊錨，并初收緊后拉纜L1'#、L2'#、L3'#、L4'#及圍堰邊錨15#、16#、17#、18#錨繩。（8）底節(jié)圍堰中心位置調(diào)整、初定位（與設計位置偏差小于10cm）。

4.2.3 圍堰的精確定位。（1）定位精度分析。鋼圍堰的定位，需要精確調(diào)整圍堰的平面位置、扭轉(zhuǎn)、垂直度。圍堰的位置，應保證之后的鉆孔樁、承臺施工能滿足施工規(guī)范及驗收規(guī)范的要求，即群樁鉆孔樁孔位中心偏差小于±100mm；承臺長、寬、高的尺寸偏差小于±30mm、承臺軸線偏差小于±15mm、承臺前后、左右邊緣距設計中心線尺寸偏差小于±50mm。（2）圍堰垂直度調(diào)整。圍堰的雙壁艙分為若干個互不連通的隔艙，可通過注水下沉或排水上浮來調(diào)整圍堰整體標高，也可通過在不同的隔艙注水或排水來調(diào)整圍堰四個角點的相對高差。（3）圍堰的扭轉(zhuǎn)調(diào)整。圍堰的平面扭轉(zhuǎn)偏差較大時，則先進行扭轉(zhuǎn)偏差的調(diào)整。首先將圍堰的邊錨繩放松，暫不帶緊；如果圍堰整體偏下游時，先將圍堰D角處的拉纜慢慢放松，同時B角的拉纜慢慢收緊，將圍堰的扭轉(zhuǎn)偏差控制在5cm內(nèi)；如果圍堰整體偏上游，則放A角的拉纜，收緊C角的拉纜；再預收緊邊錨繩。（4）圍堰橫橋向位置調(diào)整。在圍堰經(jīng)過扭轉(zhuǎn)調(diào)整后，圍堰的縱、橫橋向軸線已平行于墩軸線。當圍堰偏下游時，先同時慢慢放松后定位船的尾錨索，同時收緊前定位船主錨索，將圍堰向上游拉，調(diào)整至圍堰軸線與墩軸線上下游偏差在5cm以內(nèi)，調(diào)整時要注意保持各錨索的受力均勻。（5）圍堰順橋向位置調(diào)整。圍堰順橋向位置的調(diào)整主要通過收緊或放松圍堰的邊錨來調(diào)整。（6）圍堰定位步驟。圍堰錨碇系統(tǒng)形成→圍堰浮運到位→圍堰出定位→圍堰的精確定位（利用錨碇系統(tǒng)對圍堰位置進行調(diào)整、定位，圍堰定位時應遵循先調(diào)整圍堰頂面標高，后調(diào)整平面位置和扭角的原則）。

5 結束語

對某重載鐵路跨江大橋基礎施工用3#鋼吊箱圍堰、4#鋼套箱圍堰的設計要點（底托板、后拉錨點及地龍、下河坡道、斷纜及起滑等）做了詳細介紹，重點開展圍堰下河各階段的氣囊受力計算、圍堰下河各階段的速度及入水可能性分析，以及根據(jù)圍堰入水過程的最大深度確定疏浚水域等問題，高清視頻錄像分析表明，下河過程的鋼圍堰入水深度和下河計算結果基本吻合。圍堰定位測試結果表明，圍堰的浮運、定位過程設計合理、控制措施得當，定位精度較好的滿足了設計及相關規(guī)范要求，為大橋的基礎施工提供了保證，對促進我國深水復雜地質(zhì)條件下橋梁基礎施工技術起到了一定作用。

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作者簡介：韓興權（1972，4-），工程師。