汪躍飛

明月峽長江大橋超大型雙壁鋼圍堰施工安全風(fēng)險(xiǎn)控制研究

汪躍飛

（中鐵二局集團(tuán)有限公司，四川 成都 610031）

通過對重慶東環(huán)鐵路明月峽長江大橋3號主墩基礎(chǔ)施工中，應(yīng)用超大型雙壁鋼圍堰氣囊法整體下水、拖輪編組整體浮運(yùn)及圍堰壁艙注水下沉著床定位成功技術(shù)經(jīng)驗(yàn)及安全風(fēng)險(xiǎn)防控的研究總結(jié)，以期為今后類似超大型鋼圍堰的安全快速施工提供參考和借鑒。

雙壁鋼圍堰；下水浮運(yùn)；安全風(fēng)險(xiǎn)；控制研究

1 前言

21世紀(jì)以來，中國鐵路進(jìn)入快速發(fā)展軌道，由于中國山區(qū)丘陵占國土面積比例大，導(dǎo)致鐵路建造中特別是西南地區(qū)鐵路的橋隧占比極大。這雖然增大了鐵路建造難度，但也促進(jìn)了中國橋梁技術(shù)的高速發(fā)展。重慶東環(huán)鐵路明月峽長江大橋?qū)儆诘湫偷奈髂仙絽^(qū)鐵路橋梁，其3號主塔橋墩是主墩之一，采用鋼圍堰進(jìn)行深水基礎(chǔ)修建，其鋼圍堰的整體下水、浮運(yùn)及定位技術(shù)是整座橋梁成功的關(guān)鍵。

2 工程概況

明月峽長江大橋位于長江上游重慶市江北區(qū)、南岸區(qū)，大橋?yàn)槟媳弊呦颍瑸殡p層四線鋼桁梁斜拉橋，其孔跨布置為（62.5+125+425+175+75）m，橋梁全長878 m，共設(shè)2塔+ 2臺+ 2輔助墩，2主塔位于長江南、北岸邊江水中，橋臺和輔助墩位于岸邊山坡上。橋位處于重慶繞城高速魚嘴長江大橋下游約3.0 km，所跨越的長江河段為河面較窄彎道，上、下游河段水面均較開闊。明月峽長江大橋?yàn)殡p層結(jié)構(gòu)，下層為時(shí)速160 km/h的重慶東環(huán)線客貨共線雙線鐵路，上層為預(yù)留時(shí)速250 km/h的達(dá)渝城際雙線鐵路。3號主墩深水基礎(chǔ)為群樁承臺結(jié)，采用先施工圍堰、再搭設(shè)鉆孔樁平臺進(jìn)行樁基礎(chǔ)施工。明月峽長江大橋平面如圖1所示，明月峽長江大橋效果如圖2所示。

圖1 明月峽長江大橋平面圖

圖2 明月峽長江大橋效果圖

3 鋼圍堰整體下水、浮運(yùn)及定位總體方案

明月峽長江大橋3號墩主塔基礎(chǔ)雙壁鋼圍堰采用全焊接結(jié)構(gòu)，其平面結(jié)構(gòu)尺寸為49.1 m×37.6 m，高度為25 m，分四節(jié)，其中底節(jié)高7 m，其余三個(gè)節(jié)段高均為6 m。圍堰結(jié)構(gòu)由壁艙、內(nèi)支撐、底隔艙、底托板、下放定位系統(tǒng)、糾偏系統(tǒng)六大部分組成，總重約2 500 t，入水時(shí)最大吃水深度約5.3 m。

根據(jù)起重能力、道路運(yùn)輸和整體下水浮運(yùn)條件綜合考慮，選擇在橋址下游約117 km處的涪陵中江船廠內(nèi)進(jìn)行鋼圍堰分塊加工、組裝及氣囊法滑移整體下水；再利用拖輪編組整體浮運(yùn)至橋位處；最后水下切割拆除底托板，通過錨定系統(tǒng)精確定位，圍堰壁艙注水下沉著床至設(shè)計(jì)標(biāo)高，先灌注壁艙水下混凝土，后采用浮吊下放鋼護(hù)筒定位后封底進(jìn)入后續(xù)鉆孔施工。由于鋼圍堰具有體積大、質(zhì)量大、運(yùn)距遠(yuǎn)等特點(diǎn)，其整體下水、長距離安全浮運(yùn)及精確定位是工程項(xiàng)目成功的關(guān)鍵。鋼圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 鋼圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

4 鋼圍堰整體下水

4.1 吃水深度及位置選擇

分析長江水文資料發(fā)現(xiàn)，每年12月中旬下水時(shí)水域長江水位約173 m。根據(jù)圍堰下水過程計(jì)算分析，距岸邊50 m以外，圍堰最大吃水深度為5.3 m。為安全考慮，圍堰下水區(qū)域水深不得小于7 m。當(dāng)圍堰完全處于自浮狀態(tài)，吃水深度為2.08 m；旁位切割底托，底托未完全脫離時(shí)，吃水深度為5.59 m；底托板脫落后，圍堰吃水深度為4.93 m。根據(jù)調(diào)查，涪陵中江船廠下水水域水深滿足圍堰整體下水要求。

4.2 入水坡道

鋼圍堰下水坡道采用分級變坡填筑，圍堰入水段坡度按10∶100設(shè)計(jì)，坡長35 m；組拼平臺坡度為3∶100，長50 m；組拼平臺與入水段之間設(shè)置坡度5∶100、坡長10 m的過渡段，坡道總長度為95 m。坡道承載力為氣囊工作壓力的2倍以上。3號主塔鋼圍堰下水坡道及組拼布置如圖4所示。

圖4 3號主塔鋼圍堰下水坡道及組拼布置圖

4.3 入水坡道后拉纜及地錨布置

在圍堰后方設(shè)置后拉纜、地錨，控制下滑道方向，進(jìn)行微調(diào)和移動(dòng)，后拉纜牽引點(diǎn)布置在正對兩側(cè)底隔艙的位置，用2個(gè)地錨進(jìn)行固定牽引。地錨為埋置式鋼筋混凝土錨，共設(shè)2個(gè)，每個(gè)地錨設(shè)計(jì)水平拉力為131 t，尺寸為長6 m、寬6 m、深4 m，頂面與地面齊平，預(yù)埋鋼管栓繩橫梁。拉纜通過1組140 t滑車組（10 t卷揚(yáng)機(jī)、八門走十六滑車組）與地錨相連。滑車組與鋼圍堰間設(shè)置斷纜器，用于圍堰斷纜下滑。

4.4 氣囊布置

鋼圍堰利用氣囊滾動(dòng)下水，下水前在鋼圍堰下的支撐點(diǎn)間布置氣囊，底隔艙下氣囊按2.5 m間距布置，圍堰至水口處的氣囊按5 m間距布置，共布置46個(gè)氣囊（底托板下38個(gè)，圍堰外8個(gè)），單個(gè)氣囊額定承重為300 t。對于少量與鋼凳位置有沖突的氣囊，待其余氣囊充氣，鋼凳與圍堰脫離后再進(jìn)行布置。鋼圍堰下方兩側(cè)氣囊對稱布置，如圖5所示。

圖5 鋼圍堰氣囊布置示意圖

氣囊在充氣前，先布置好地錨及卷揚(yáng)機(jī)等裝置，將鋼圍堰錨固牢靠，使其在起頂后不向前滾動(dòng)。氣囊充氣的順序應(yīng)盡量對稱、分散，相鄰的氣囊分成兩批次充氣，當(dāng)氣囊充氣至鋼圍堰起頂，鋼圍堰脫離支承點(diǎn)約10 cm，拆除鋼凳。

4.5 整體下水

鋼圍堰需做好整體下水準(zhǔn)備，并獲海事、航道、管制行政許可，辦理完封航簽證手續(xù)后方可進(jìn)行下水作業(yè)，整體下水分為起滑、下水和穩(wěn)定三個(gè)階段。

圍堰下水前需對滑移范圍內(nèi)的場地進(jìn)行清理和地基承載力復(fù)核，保證氣囊安全和防止滑移中地基下沉、塌陷，影響滑行方向。

4.5.1 起滑

選擇在風(fēng)力較小、無雨的天氣進(jìn)行，水位不低于173 m。當(dāng)氣囊完全托起鋼圍堰，下滑道清理完成后，開始按設(shè)計(jì)要求速度滑移鋼圍堰。每當(dāng)圍堰滑移5～6 m時(shí)，及時(shí)向圍堰前端墊入氣囊并及時(shí)充氣，尾端氣囊滑出圍堰時(shí)，倒至圍堰前端備用。

鋼圍堰在下水坡道若開始不能下滑，可通過調(diào)節(jié)氣囊壓力，來調(diào)整氣囊的工作高度，改變圍堰的下傾坡度，從而調(diào)整圍堰姿態(tài)。必要時(shí)，采用裝載機(jī)或拖輪掛鋼絲繩牽引，直至圍堰開始下滑。

4.5.2 斷纜、下滑入水

鋼圍堰控制下滑至入水口10 m處時(shí)，后拉纜斷纜，讓鋼圍堰處于自由狀態(tài)下并加速下滑，利用其慣性入水并向江中滑行一段距離，使鋼圍堰后端水深滿足自浮吃水深度要求。在此過程中，由于鋼圍堰與底隔艙前端密封導(dǎo)致圍堰內(nèi)進(jìn)水較慢，需要一定時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定吃水深度。

4.5.3 圍堰穩(wěn)定

鋼圍堰整體入水后，會(huì)在慣性、風(fēng)力、水流作用下繼續(xù)漂浮直至處于靜止?fàn)顟B(tài)（0.2 m/s視為靜止）。待圍堰下水靜止后及時(shí)將纜繩收緊系于“重慶2001”拖輪，使圍堰處于穩(wěn)定受控的漂浮狀態(tài)。

5 鋼圍堰浮運(yùn)

5.1 水道調(diào)查

對下水滑道周圍的水域和所經(jīng)的航路進(jìn)行地毯式的檢查，選擇最佳航路。申請重慶海事局派海巡艇及交管中心VTS全程護(hù)航監(jiān)控、疏航，以保安全。經(jīng)調(diào)查，涪陵石板溝長江大橋船舶水面上最高點(diǎn)限制標(biāo)高為199 m，最小通航凈空富余高度為5 m，符合浮運(yùn)要求。

5.2 浮運(yùn)船只選擇及編隊(duì)布置

因鋼圍堰形體為圓端形、無舵等操縱設(shè)備，運(yùn)作遲緩，慣性較大，采用救助1002”駁船編在“鋼圍堰”的左舷，用以穩(wěn)定航行。鋼圍堰后圓端兩側(cè)分別由“重慶2001輪”、“救助2001輪”兩艘拖輪對鋼圍堰進(jìn)行頂推，“救助1006輪”在鋼圍堰右舷吊拖方式進(jìn)行托運(yùn)。采用該拖帶編隊(duì)既能穩(wěn)定航向，改變航向，又能增加穩(wěn)定性，便于控制船位。承拖船舶的基本情況及參數(shù)如表1所示。

表1 承拖船舶的基本情況及參數(shù)表

序號船型船名數(shù)量參數(shù)/m吃水/m馬力 1拖輪重慶20011長45.3×寬9.5×型深3.62.562 400 2拖輪救助20011長35×寬8.6×型深3.32.42 400 3拖輪救助10061長36.9×寬7.6×型深2.71.961 050

拖輪浮運(yùn)編隊(duì)如圖6所示。

圖6 拖輪浮運(yùn)編隊(duì)示意圖

6 鋼圍堰定位著床

6.1 定位系統(tǒng)的設(shè)置

橋址位于三峽庫區(qū)范圍，3#主塔鋼圍堰浮運(yùn)及定位時(shí)處于三峽水庫蓄水期，此期間江水流速較為緩慢，流速為0.2～0.5 m/s。根據(jù)現(xiàn)場地理?xiàng)l件，3#主塔鋼圍堰定位系統(tǒng)采用錨定和前后定位船。

6.2 拋錨定位

6.2.1 預(yù)偏量設(shè)置

要求拋錨位置誤差±5 m以內(nèi)。拋錨順序應(yīng)按先主后邊、先上游后下游的原則進(jìn)行?？紤]到錨抓牢受力時(shí)會(huì)有一定的位移，拋錨時(shí)要設(shè)一定的預(yù)偏量。

6.2.2 初定位及底托板切除

圍堰浮運(yùn)至3#主塔下游側(cè)50 m之外水域，利用提前布置的臨時(shí)定位駁船進(jìn)行圍堰初定位，在底托板內(nèi)灌水使圍堰下沉至吃水深度5.5 m，潛水工至水下進(jìn)行底托板水下切割。

處于懸浮平衡狀態(tài)下切割底托四周封板后，在上方拆除底托錨固吊桿，下放底托，圍堰上浮0.66 m。

根據(jù)GPS顯示的數(shù)據(jù)，起重船進(jìn)入預(yù)定位置，起重船與岸上測量員利用高頻電話隨時(shí)保持聯(lián)系，使錨進(jìn)入準(zhǔn)確位置，起重船穩(wěn)定不動(dòng)，錨緩慢放入水中至河床，解開錨鏈上的吊纜，拖輪配合，起重船按照預(yù)定路線慢慢向后退，直至達(dá)到定位船的預(yù)定位置。利用拖輪將定位船拖至起重船旁，將錨纜移至定位船并連接到滑輪組，使定位船進(jìn)入預(yù)定位置。

錨定系統(tǒng)固定好后，所有拖輪及起重船撤離現(xiàn)場，通過定位船及鋼圍堰上的卷揚(yáng)機(jī)將所有錨纜收緊，同時(shí)岸上由全站儀配合，鋼圍堰上由GPS定位，各定位錨配合使用，使鋼圍堰準(zhǔn)確進(jìn)入到預(yù)定位置，精確定位。

6.3 圍堰下沉著床、錨固及堵漏

圍堰精準(zhǔn)定位完成后采用向底隔艙及壁艙灌水進(jìn)行下放，下放過程中利用圍堰定位鋼纜及卷揚(yáng)機(jī)對圍堰姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，以保證圍堰下放的平面位置及垂直度滿足要求。下放過程中通過圍堰應(yīng)力監(jiān)測，核實(shí)鋼圍堰計(jì)算結(jié)果是否正確，以便及時(shí)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固處理。圍堰下放定位到位后，采用車渡船利用天泵分艙灌注5 m厚的C30水下壁艙、底隔艙混凝土，在圍堰封底混凝土灌注完成后，再灌筑壁艙余下混凝土，至此，完成鋼圍堰定位著床。

7 結(jié)語

由于方案合理、組織有力，安全風(fēng)險(xiǎn)防控預(yù)案完備，措施到位，明月峽長江大橋3號主墩雙壁鋼圍堰的整體下水、浮運(yùn)和定位順利安全完成，定位精度滿足設(shè)計(jì)及施工要求，其成功經(jīng)驗(yàn)是值得借鑒的。應(yīng)做好如下施工前安全風(fēng)險(xiǎn)調(diào)查和施工準(zhǔn)備：①要根據(jù)圍堰下水和浮運(yùn)相關(guān)技術(shù)參數(shù)選擇能達(dá)到條件的鋼圍堰制造及下水場地；②做好下水滑道周圍的水域和所經(jīng)的航路的風(fēng)險(xiǎn)調(diào)查；③合理、全面考慮可能遇到的問題和風(fēng)險(xiǎn)，做好風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對預(yù)案和物資儲(chǔ)備。然后在調(diào)查與充分準(zhǔn)備的前提下制訂合理的防控方案，并在實(shí)施過程中加強(qiáng)重點(diǎn)工序、重點(diǎn)環(huán)節(jié)的安全風(fēng)險(xiǎn)管控和定位監(jiān)測是超大型鋼圍堰整體下水和浮運(yùn)定位成功的關(guān)鍵。在目前中國鐵路橋梁跨越式發(fā)展的新形勢下，超大型鋼圍堰的整體下水及浮運(yùn)定位將會(huì)被經(jīng)常采用，明月峽長江大橋超大型鋼圍堰的整體下水及浮運(yùn)定位的成功實(shí)施為此類問題的合理解決提供了重要參考和借鑒。

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［3］鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.TB10621—2014高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國鐵道出版社，2016.

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［6］中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司.JTS 144-1—2010港口工程荷載規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2010.

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U445.1

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.01.026

2095－6835（2021）01－0073－03

汪躍飛，西南交通大學(xué)土木工程專業(yè)。

〔編輯：張思楠〕