張豪， 鄭義， 韓慶雄

(湖北秭歸縣交通運(yùn)輸局， 湖北 秭歸 443600)

1 概述

三峽庫(kù)區(qū)湖北省秭歸縣境內(nèi)的童莊河大橋?qū)儆谌龒{后續(xù)規(guī)劃交通設(shè)施建設(shè)與完善專題規(guī)劃中的渡改橋工程，大橋全長(zhǎng) 651 m，主橋?yàn)?45+100+320+100+45)m雙塔雙索面混凝土梁斜拉橋，引橋?yàn)?0 m跨預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁，如圖1所示。3#、4#主塔墩基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁，整體式矩形承臺(tái)。承臺(tái)底標(biāo)高為+143.27 m，承臺(tái)頂標(biāo)高為+148.27 m，高為5 m；其下布置11根樁徑2.8 m樁基，樁長(zhǎng)63 m，端承樁。橋梁軸線部位最大水深81 m。主橋上部結(jié)構(gòu)采用懸臂施工法，下部結(jié)構(gòu)采用鋼吊箱雙薄壁鋼圍堰施工方法。

圖1 橋型布置圖(除標(biāo)高為m外，其余單位：cm)

1.1 水文特征

根據(jù)優(yōu)化后的三峽工程水庫(kù)調(diào)度規(guī)程，每年5月25日開始均勻消落水庫(kù)水位，至6月10日水位降至145.0 m，水庫(kù)最早于9月15日由145.0 m水位開始蓄水，10月底蓄水至175.0 m。該工程汛期施工水位按 164.0 m控制，汛后施工水位按175.0 m控制,每年的水位高差達(dá)30 m,特別是3#、4#墩樁基施工水深為20～50 m,且受上游降雨影響水位漲落頻繁、幅度大，樁基施工完畢后，正直庫(kù)區(qū)水位由高水位降至低水位階段，對(duì)承臺(tái)圍堰的施工極為不利。

1.2 地貌與地質(zhì)

工程區(qū)地貌類型為構(gòu)造剝蝕侵蝕低山，地形蜿蜒起伏，溝谷深切，具有典型溝梁相間地形地貌特征。河床斷面在工程區(qū)呈較對(duì)稱“U”形，坡度較陡，河段NE流向。工程區(qū)河床最低高程為91. 45 m，庫(kù)水位175 m時(shí)河面寬500～755 m，橋軸線部位最大水深81 m。工程區(qū)周邊分布有頭道河Ⅱ號(hào)、Ⅲ號(hào)滑坡。

大橋樁基與巖層呈25°～45°交角，右岸橋墩樁基穿過的巖層從上層零星分布的第四系松散覆蓋層、強(qiáng)風(fēng)化巖、中風(fēng)化巖，持力層為微風(fēng)化頁(yè)巖及細(xì)砂巖，左岸橋墩樁基穿過第四系松散覆蓋層、強(qiáng)風(fēng)化巖、中風(fēng)化巖，持力層為粉砂質(zhì)泥巖及細(xì)砂巖。

現(xiàn)樁基基礎(chǔ)位于儲(chǔ)水前的山腰，歷經(jīng)千億年的風(fēng)吹日曬，除洞穴多之外，儲(chǔ)水以后地質(zhì)狀況更加軟弱。在施工期間，將會(huì)發(fā)生30 m的水位變化。在水壓力及其他荷載發(fā)生較大變化的情況下，穩(wěn)定的鉆孔平臺(tái)、護(hù)筒的準(zhǔn)確定位、安全的鉆孔工藝、前期的施工平臺(tái)、后期的圍堰底龍骨的準(zhǔn)確下沉與定位等工藝成為該橋施工的關(guān)鍵。下文重點(diǎn)介紹圍堰施工與下沉技術(shù)。

2 主要施工過程

橋塔主墩承臺(tái)為高位承臺(tái)，承臺(tái)底標(biāo)高+143.270 m，始終在最低水位以下，需利用圍堰進(jìn)行承臺(tái)施工。由于承臺(tái)底距河床面高差最高達(dá)32 m，設(shè)計(jì)采用雙壁鋼吊箱圍堰，先平臺(tái)后圍堰的施工方式，將鋼吊箱圍堰底龍骨作為鉆孔樁施工平臺(tái)，待樁基施工完成后，再進(jìn)行圍堰拼裝、龍骨下放。圍堰布置圖見圖2。

2.1 圍堰底龍骨的施工

根據(jù)水位陡變深水施工的特點(diǎn)，決定將所修建的水上施工平臺(tái)，作為樁基施工時(shí)的鉆孔施工平臺(tái)；樁基施工完成后，以護(hù)筒作為導(dǎo)向架下沉至施工承臺(tái)的圍堰底部作為圍堰底龍骨，充分利用施工平臺(tái)節(jié)省施工費(fèi)用。

在具體施工時(shí)，首先把兩艘450 t平板駁船在右岸拋錨定位，安裝船間連接系及墊梁，并對(duì)船體進(jìn)行加固(含艙內(nèi)與甲板)。

在駁船定位與連接系安裝中，測(cè)量人員首先進(jìn)行定位、放線，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)調(diào)整其間距、方向及相對(duì)高度。位置偏差控制在1 cm內(nèi)，雖然精度控制增加了工作難度，但可避免后期對(duì)支撐樁的定位與施工造成的影響。然后利用浮吊在平板駁船上進(jìn)行施工平臺(tái)龍骨的拼裝。完成這項(xiàng)工作以后，機(jī)駁船牽引拼裝船，將施工平臺(tái)浮運(yùn)至墩位處。

圖2 圍堰立面布置圖(尺寸單位：mm)

2.2 圍堰整體結(jié)構(gòu)

3#、4#主墩圍堰結(jié)構(gòu)相同，均采用圓形雙壁鋼吊箱圍堰，圍堰外徑33.2 m，內(nèi)徑30.2 m，壁厚1.5 m，分為3節(jié)，每個(gè)節(jié)段分成24塊，在工廠制造好后運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)拼裝。圍堰側(cè)板底標(biāo)高為+135.77 m，頂標(biāo)高為+173.812 m，總高為38.042 m。圍堰環(huán)向分12個(gè)艙，底節(jié)圍堰為12個(gè)密閉隔艙，其余節(jié)段均分為6個(gè)連通隔艙和6個(gè)封閉隔艙。單個(gè)圍堰側(cè)板總質(zhì)量約為1 200.6 t。4#圍堰增加了底隔艙，底隔艙高7.5 m，將圍堰分為5個(gè)獨(dú)立的部分，以減輕4#墩圍堰封底時(shí)水上混凝土供應(yīng)的壓力。

2.3 圍堰壁板結(jié)構(gòu)

圍堰壁板由內(nèi)、外壁板，環(huán)板及隔倉(cāng)板組成。其中內(nèi)、外壁板采用δ=8 mm鋼板，環(huán)板采用δ=20 mm鋼板，拼接環(huán)板采用δ=12 mm鋼板，拼接環(huán)板加勁采用δ=10 mm鋼板；豎肋采用∠75×50×6角鋼，隔倉(cāng)板采用δ=16 mm鋼板，隔倉(cāng)板加勁采用δ=12 mm鋼板，鋼板、角鋼均采用Q235B材質(zhì)鋼材。

2.4 圍堰支撐體系

圍堰的支持體系采用角鋼制作的水平桁架支撐，水平桁架在高度上每隔1.2 m布置一層，與壁板的環(huán)板焊接，桁架采用∠125×12、∠100×10角鋼，角鋼材質(zhì)均為Q235B。4#墩底隔艙結(jié)構(gòu)由壁板、水平環(huán)板、隔倉(cāng)板及水平桁架組成。其中壁板采用δ=6 mm鋼板，豎肋采用∠63×6角鋼；環(huán)板采用δ=16 mm鋼板；隔倉(cāng)板采用δ=10 mm鋼板，隔倉(cāng)板加勁采用δ=16 mm鋼板；水平桁架采用∠100×8角鋼；鋼板、角鋼均采用Q235B材質(zhì)鋼材。

2.5 圍堰吊掛體系

圍堰下放及封底吊掛系統(tǒng)由主體鋼護(hù)筒及輔助樁鋼護(hù)筒支撐組成，圍堰下放及封底混凝土荷載主要通過底龍骨及吊索傳力給鋼護(hù)筒。

2.6 圍堰連通孔的布置

在圍堰8、22 m高度處，布置兩層連通孔，用于調(diào)節(jié)圍堰內(nèi)外水位平衡。連通孔采用φ300 mm，壁厚6 mm的鋼管，每層布置4個(gè)，總共布置8個(gè)連通孔。

2.7 圍堰的制作與下沉

3#、4#墩的鋼吊箱圍堰由專業(yè)鋼結(jié)構(gòu)廠制作，分塊加工成形，運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)組拼。拼裝圍堰前，利用已經(jīng)完成的鉆孔樁護(hù)筒，在護(hù)筒頂設(shè)置底龍骨提升、下放裝置。將底龍骨下放至合適標(biāo)高，在底龍骨上拼裝完成底節(jié)圍堰之后，即將其下放一次，利用圍堰自浮力與提升力共同作用，在其上完成余下節(jié)段的拼裝，并根據(jù)實(shí)際施工水位情況拼裝頂節(jié)圍堰。每節(jié)圍堰拼裝完成，所有焊縫均進(jìn)行無損檢測(cè)后才能下放。在圍堰施工時(shí)，對(duì)圍堰的底板與壁板進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)控，確保圍堰施工順利進(jìn)行。圍堰下放至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，由潛水工水下堵縫。為確保封底質(zhì)量，4#墩圍堰采用隔艙板分艙，控制單次澆筑量在1 200 m3以內(nèi)。圍堰底板與隔艙由潛水員水下堵縫并檢查合格后，按水下混凝土流動(dòng)半徑布置垂直導(dǎo)管，采用汽渡船水上運(yùn)輸?shù)姆绞?，天泵布料、料斗?dǎo)管下料，澆筑封底混凝土。最后一批澆筑的封底混凝土養(yǎng)護(hù)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后開始抽水。

圍堰下沉?xí)r，由指揮人員統(tǒng)一下令指揮，操作人員每次下落時(shí)指揮人員隨時(shí)觀察吊箱頂部是否水平及底部有無障礙情況。若發(fā)現(xiàn)吊箱下沉不均勻或傾斜時(shí)，應(yīng)及時(shí)找出問題，調(diào)整水平后方可繼續(xù)下放。

2.8 圍堰封底

3#墩圍堰封底采用整體水下封底的方式，封底厚度按照施工時(shí)的水位動(dòng)態(tài)掌握。4#墩由于混凝土需要經(jīng)過水上運(yùn)輸?shù)姆绞剑?yīng)速度難以保證，為此利用4個(gè)隔艙將圍堰分為5個(gè)區(qū)域進(jìn)行分區(qū)封底(圖3)，以減少混凝土供應(yīng)壓力。

圖3 4#墩圍堰分艙布置圖

圍堰封底施工時(shí)先將4個(gè)隔艙板內(nèi)混凝土全部澆筑完，澆筑數(shù)量約為1 000 m3；隔艙板澆筑完成后澆筑中間5#隔艙混凝土，約410 m3；隨后對(duì)稱澆筑其余4個(gè)隔艙，每次澆筑2個(gè)艙，混凝土數(shù)量約為800 m3。

2.9 水位與封底混凝土厚度的關(guān)系函數(shù)

三峽庫(kù)區(qū)的水位與正常河流不同，不是隨季節(jié)變化的，它不僅有自己獨(dú)特的變化規(guī)律，而且變化速度比較快。而封底混凝土的厚度又與水位密切相關(guān)。在保證安全施工的基礎(chǔ)上，為控制好封底混凝土的厚度，節(jié)省造價(jià)，經(jīng)分析確定“水位與封底混凝土厚度”的關(guān)系函數(shù)如下：

H=F(k,r1,r2,n,h)

(1)

式中：H為封底混凝土的厚度;k為鋼板與混凝土黏結(jié)系數(shù);r1和n分別為錨固樁(護(hù)筒)的半徑和根數(shù);r2為鋼圍堰的內(nèi)徑;h為庫(kù)區(qū)水位。

計(jì)算過程中，不但考慮樁與封底混凝土的黏結(jié)，還應(yīng)考慮鋼圍堰內(nèi)側(cè)壁與封底混凝土的接觸面積，這是一個(gè)動(dòng)態(tài)方程。其關(guān)鍵是鋼板與混凝土黏結(jié)系數(shù)的確定，它一般和鋼板的清潔與銹蝕程度相關(guān)聯(lián)，其值為0.25～1.0 MPa，需要試驗(yàn)或根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定。根據(jù)式(1)關(guān)系函數(shù)，無論水位如何變化，都可以即時(shí)根據(jù)水位變化決定封底混凝土的厚度。

3 施工關(guān)鍵技術(shù)

在整個(gè)施工過程中，護(hù)筒起著定海神針的作用。在鉆孔樁施工時(shí)，它承受著施工平臺(tái)及施工荷載，在下沉施工平臺(tái)也就是圍堰底龍骨的時(shí)候，它又起到導(dǎo)向的作用。因此，它的精確定位十分關(guān)鍵。

三峽庫(kù)區(qū)水位的變動(dòng)為30 m。而圍堰底龍骨下沉?xí)r也是水位變動(dòng)的劇烈時(shí)段，水位的波動(dòng)對(duì)其下沉有較大影響，若控制不好，圍堰底龍骨可能撞上護(hù)筒。因此在底節(jié)圍堰下放前，須對(duì)所有鋼護(hù)筒的垂直度、平面位置及平臺(tái)的平面位置進(jìn)行精確測(cè)量，計(jì)算出鋼護(hù)筒與平臺(tái)龍骨之間的間隙，推算出下放到位時(shí)平臺(tái)與鋼護(hù)筒之間的相對(duì)位置，并根據(jù)水位波動(dòng)情況調(diào)整測(cè)量間隔時(shí)間,在施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)龍骨翼緣板寬度進(jìn)行調(diào)整和補(bǔ)強(qiáng)，以確保圍堰能安全順利下放。

封底混凝土是施工中的臨時(shí)過程，它在橋梁施工完成后，將作為無用的永久荷載作用在橋墩上，體量大造價(jià)高。它的厚度與施工的當(dāng)前水位相關(guān)，而厚度又與底龍骨的標(biāo)高相關(guān)，水位在施工時(shí)又是變化的，這形成了相互制約的因果效應(yīng)。

根據(jù)式(1)計(jì)算得到不同水位下封底混凝土的厚度，實(shí)現(xiàn)了節(jié)省造價(jià)和保證施工安全的雙重目標(biāo)。

4#墩岸側(cè)沒有設(shè)置混凝土攪拌站，施工用混凝土需船運(yùn)輸。為避免澆筑大體積封底混凝土?xí)r，混凝土供應(yīng)不連續(xù)的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)4#墩封底進(jìn)行了分艙處理。分艙時(shí)要綜合考慮混凝土陸上運(yùn)輸能力、水上運(yùn)輸能力、混凝土下落時(shí)的擴(kuò)散半徑等因素，以及樁位的空間分布，按體積大致相等的原則共分為5個(gè)艙。經(jīng)過這樣處理，封底混凝土的澆筑質(zhì)量得到了充分保證。

4 結(jié)語

三峽庫(kù)區(qū)修建大跨橋梁，在施工過程中，水位劇變及地質(zhì)不良是最大的困難。該工程的施工平臺(tái)后期又作為圍堰底龍骨，在三峽庫(kù)區(qū)水位陡變的情況下，其下沉量高達(dá)42.73 m，施工難度較大。但經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)控制、調(diào)整，較好地解決了施工關(guān)鍵點(diǎn)。