金曉峰JIN Xiao-feng

（中鐵十七局集團(tuán)第四工程有限公司，重慶 401121）

0 引言

橋梁施工一直是高速公路項(xiàng)目建設(shè)中的重難點(diǎn)，尤其當(dāng)橋梁跨越較寬的河流時(shí)，其水中基礎(chǔ)更是整座橋梁施工中的關(guān)鍵。目前橋梁水中承臺(tái)基礎(chǔ)往往采用圍堰形式進(jìn)行支護(hù)作業(yè)施工，常用的圍堰主要有以下幾種：一是筑島圍堰，該圍堰優(yōu)點(diǎn)是施工成本低，施工速度快；缺點(diǎn)是只適用于水流較慢且水深較淺的橋梁基礎(chǔ)施工，施工應(yīng)用范圍窄且對(duì)周邊環(huán)境會(huì)造成一定影響。二是鋼板樁圍堰，該圍堰優(yōu)點(diǎn)是施工速度較快，安裝和拆除均比較方便，圍堰止水效果好；缺點(diǎn)是對(duì)施工區(qū)域地質(zhì)要求較高，不適用于巖層或卵石層地區(qū)。三是雙壁箱圍堰，該圍堰適用于水深且地質(zhì)較硬的水下承臺(tái)施工，優(yōu)點(diǎn)是施工作業(yè)應(yīng)用范圍廣，安全性高，缺點(diǎn)是當(dāng)承臺(tái)尺寸較大時(shí)，圍堰材料適用量較大，施工成本較高。因此對(duì)于大尺寸水中承臺(tái)施工，需要對(duì)雙壁鋼圍堰進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)。常規(guī)的加強(qiáng)方式一般是增加圍堰支撐體系或者增加圍堰側(cè)壁的材料用量，以便增強(qiáng)其剛度和強(qiáng)度，減少圍堰撓度變形，但上述加強(qiáng)設(shè)計(jì)方案均會(huì)增加圍堰的總量，從而增加了施工成本。在合安高速公路五標(biāo)涪江特大橋施工中，其主跨承臺(tái)平面尺寸較大，位置較深，針對(duì)上述情況，項(xiàng)目部采用鋼壁混凝土圍堰進(jìn)行水下承臺(tái)施工。由于鋼壁混凝土圍堰剛度及強(qiáng)度較大，圍堰撓度變形小，不但滿足了施工需求，保障了水下承臺(tái)施工作業(yè)安全，而且大大減少了鋼材的使用量，降低了施工成本，加快了施工進(jìn)度。通過現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用，鋼壁混凝土圍堰在大尺寸水中承臺(tái)支護(hù)施工中取得很好的效果。

1 工程概況

合安高速公路涪江特大橋位于重慶市潼南區(qū)城西約10km，設(shè)計(jì)起止里程K73+449.58～K75+390.54，中心里程K74+418.75，全長1940.96m，縱斷面縱坡0.5%～1.2%，墩臺(tái)徑向布置，全橋共12聯(lián)，孔跨布置為：（62m+110m+62m）+6×（5×30）m+4×30m+3×30m+（100m+190m+100m）+5×27.5m+2×30m，最大墩高32.565m。

橋梁經(jīng)涪江處以（100+190+100）m連續(xù)剛構(gòu)梁形式跨越，橋位區(qū)涪江寬約350m，其中41#、42#主墩位于涪江中，主墩為雙薄壁柔性墩，兩肢凈肢5m，矩形截面，尺寸為1.8×6.5m，倒圓角，41#墩墩高27.2m，42#墩墩高29.0m。基礎(chǔ)采用群樁基礎(chǔ)，左、右幅采用整體式承臺(tái)，承臺(tái)設(shè)計(jì)為低樁承臺(tái)，尺寸為28m×14m×5m，基礎(chǔ)采用18根直徑2.2m的鉆孔灌注樁，縱向三排橫向六排布置，按嵌巖樁設(shè)計(jì)，樁長30m。其中41#墩承臺(tái)結(jié)構(gòu)尺寸均為28×14×5m，承臺(tái)頂標(biāo)高234.007m，承臺(tái)底標(biāo)高229.007m，承臺(tái)厚5m。

2 鋼壁混凝土圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

涪江特大橋41#、42#主墩中，41#墩承臺(tái)施工難度最大，因此本文以41#墩承臺(tái)為例進(jìn)行研究。41#墩承臺(tái)結(jié)構(gòu)尺寸均為28×14×5m，承臺(tái)頂標(biāo)高234.007m，承臺(tái)底標(biāo)高229.007m，承臺(tái)厚5m。鋼壁砼圍堰頂面標(biāo)高239.007m，底面標(biāo)高226.507m，總高度12.5m，高度方向分為三節(jié)，從下向上為3.5m鋼壁砼圍堰+4.5m鋼壁砼圍堰+4.5m鋼壁砼圍堰。圍堰外邊長寬尺寸30.1m×16.1m，內(nèi)邊長寬尺寸28.1m×14.1m，壁厚為1.0m。

在鋼壁圍堰內(nèi)設(shè)置兩層內(nèi)支撐，分別在鋼壁圍堰頂以下1.5m位置和承臺(tái)頂以上0.5m位置，內(nèi)支撐采用Ф630*10mm螺旋鋼管，壁內(nèi)圍囹采用三拼HM350*250mmH型鋼，連接方式采用焊接，并設(shè)置加勁牛腿鋼板。鋼壁圍堰頂1.1m以下部分壁內(nèi)灌注C30水下混凝土，混凝土頂面設(shè)置打樁平臺(tái)鋼管樁。

鋼壁圍堰由下到上共分三個(gè)節(jié)段，底節(jié)高3.5m，第二節(jié)高4.5m，第三節(jié)高4.5m。面板厚度為4mm，刃腳部分面板厚度為8mm。沿內(nèi)外壁內(nèi)側(cè)布置∠63×63×6mm豎向角鋼作為豎向主龍骨，間距30cm，環(huán)向肋采用20cm寬8mm厚鋼板，內(nèi)外壁之間水平斜桿撐為∠70×70×7mm角鋼。豎向、環(huán)向主龍骨與斜撐組成立體桁架，均采用焊接方式，使內(nèi)外壁形成整體[1]。圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)詳見圖1。

3 鋼壁混凝土圍堰應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)分析

鋼壁混凝土圍堰相比于傳統(tǒng)的雙壁鋼圍堰主要具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①鋼壁混凝土圍堰由于采用側(cè)壁采用混凝土進(jìn)行填充，使得圍堰剛度及強(qiáng)度大大增強(qiáng)，尤其在當(dāng)圍堰平面尺寸較大時(shí)，該優(yōu)勢更為明顯。②鋼壁混凝土圍堰相比于傳統(tǒng)雙壁鋼圍堰，鋼材使用量更少。由于鋼壁混凝土圍堰成形后側(cè)壁所承受的彎矩更大，因此相比于傳統(tǒng)雙壁鋼圍堰，鋼壁混凝土圍堰所用鋼材規(guī)格及數(shù)量可以進(jìn)一步縮減，圍堰整體造價(jià)顯著降低。同時(shí)圍堰重量的減少也降低了吊裝安全風(fēng)險(xiǎn)，加快了施工進(jìn)度。③鋼壁混凝土底節(jié)與承臺(tái)密貼，施工完成后一般不予拆除，可做為承臺(tái)的防沖刷措施，提高主體結(jié)構(gòu)的使用年限。

4 鋼壁混凝土圍堰受力驗(yàn)算

4.1 主要計(jì)算參數(shù)

41#墩圍堰平面尺寸30.1m×16.1m，高度12.5m，混凝土壁厚1.0m，混凝土圍堰設(shè)計(jì)頂面標(biāo)高239.007m，承臺(tái)頂標(biāo)高234.007m，承臺(tái)底標(biāo)高229.007m，刃腳標(biāo)高226.507m，封底混凝土厚度2.5m，承臺(tái)內(nèi)設(shè)18Φ2.2m樁。

封底砼強(qiáng)度為C30：彈性模量E=3.0×104N/mm2；泊松比ν=0.15；比重ρ=2.30×10-6kg/mm3。承臺(tái)尺寸為28m（水流方向）×14m（線路方向）×5m（高度）。

混凝土圍堰采用C30混凝土，砼的重度取γc=23kN/m3。水流速度2.74m/s。

地質(zhì)資料見表1。

表1 涪江特大橋41#圍堰周邊地層參數(shù)表

4.2 圍堰受力荷載取值

圍堰靜水壓力：qjmax=ρgh=0.125N/mm2，根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》，作用在圍堰上的流水壓力按下式計(jì)算：

其中：K—形狀系數(shù)，取1.3；γ—水的容重10kN/m3；g—重力加速度10m/s2；ν—平均水流速度2.74m/s；A—阻水面積。

圍堰動(dòng)水壓力：

圍堰下部土壓力：

封底混凝土浮力：qf=ρgh=0.125N/mm2。

圍堰頂部鋼管墩支撐力：656.6kN。

4.3 鋼壁圍堰受力分析

本計(jì)算書采用MIDAS/civil結(jié)構(gòu)計(jì)算程序建模分析。其中圍堰完成澆注封底混凝土達(dá)到強(qiáng)度，抽水施工承臺(tái)時(shí)混凝土圍堰受力最大，以此做為最不利工況進(jìn)行受力分析。

①圍堰拉應(yīng)力計(jì)算（見圖2）。

對(duì)混凝土圍堰配置抗拉型鋼后，主壓應(yīng)力13.86MPa<[σb]=14.3MPa，滿足要求。

②圍堰撓度變形計(jì)算（見圖3）。

通過計(jì)算可得知，圍堰最大位移2.8mm<14100/400=35.25mm，滿足要求。內(nèi)支撐組合應(yīng)力98.1<145MPa，剪應(yīng)力25.8MPa<85MPa，滿足要求。

③圍堰整體抗浮驗(yàn)算。

封底混凝土為C30混凝土，厚度為2.5m，有效計(jì)算厚度2.5m，圍堰尺寸：30.1m×16.1m；樁基施工外徑為2.5m，共18根；基坑深取12.5m計(jì)算。鋼與混凝土、混凝土與混凝土粘結(jié)力：一般取120kN/m2；混凝土容重：23kN/m3；水的容重：10kN/m3；圍堰封底混凝土底標(biāo)高：226.507m。

水的浮力：P=ρghs=10×12.5×28.1×14.1=49526.3kN

封底砼自重：G=ρv=23×（28.1×14.1-18×3.14×2.52）×2.5=2470.2kN

封底砼與樁基的粘聚力：N1=18×3.14×2.5×2.5×120=42390kN

封底砼與鋼板的粘聚力：N2=（28.1+14.1）×2×2.5×120=25320kN

則抗浮安全系數(shù)為：K=（G+N1+N2）/P=（2470.2+42390+25320）/49526.3=1.42＞1.2

封底混凝土抗浮滿足要求[2]。

5 鋼壁混凝土圍堰主要施工工藝

5.1 施工工藝流程

圍堰分塊制作→承臺(tái)基坑開挖→底節(jié)鋼壁圍堰拼裝→底節(jié)圍堰下沉→第二節(jié)鋼壁圍堰接高→第二節(jié)圍堰下沉→第三節(jié)鋼壁圍堰接高→第三節(jié)圍堰下沉→圍堰精確定位→澆筑圍堰內(nèi)混凝土→搭設(shè)鉆孔平臺(tái)→圍堰封底混凝土澆筑→基礎(chǔ)施工。

5.2 鋼壁圍堰加工制作

鋼壁鋼圍堰在涪江大里程岸上現(xiàn)場加工場進(jìn)行加工,為保證鋼圍堰加工精度，每塊圍堰均在胎模上進(jìn)行制作加工，確保每個(gè)連接面結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性以及拼裝后整體幾何形狀的準(zhǔn)確性。圍堰焊接完成后對(duì)所有結(jié)構(gòu)焊縫進(jìn)行檢查，內(nèi)、外壁板對(duì)接焊縫必須通過煤油滲透試驗(yàn)[3]。

5.3 承臺(tái)基坑開挖

充分利用因下游水利施工涪江水位下降時(shí)期的寶貴時(shí)間段，在承臺(tái)位置駐島開挖圍堰范圍內(nèi)的卵石層，清理之前需對(duì)承臺(tái)鋼圍堰范圍位置及標(biāo)高進(jìn)行精確控制，確保清底后河床表面平整。

5.4 鋼壁圍堰拼裝、下放

底節(jié)鋼壁圍堰拼裝平臺(tái)采用浮箱方式搭建。浮箱采用直徑2.5m鋼護(hù)筒加工制作而成，在鋼護(hù)筒兩端焊鋼板形成密閉浮箱，在鋼護(hù)筒上預(yù)留注水管孔與排氣管孔。鋼護(hù)筒之間采用I22工字鋼連接形成一個(gè)拼裝平臺(tái)。在拼裝平臺(tái)浮箱頂中部鋪設(shè)工字鋼做為鋼壁圍堰刃角支撐，將底節(jié)鋼壁圍堰分塊吊裝至浮箱工字鋼上進(jìn)行拼裝。在浮箱平臺(tái)上完成底節(jié)鋼壁圍堰拼裝后，確定焊縫不透水后，向浮箱內(nèi)同步注水，使浮箱下沉后與鋼壁圍堰脫離，實(shí)現(xiàn)底節(jié)鋼壁圍堰自浮在基坑內(nèi)，鋼堰自浮后利用島四角的定位鋼管樁將圍堰初步固定。第二節(jié)和第三節(jié)圍堰采用上述方法拼裝焊接接高。

5.5 鋼壁圍堰內(nèi)支撐安裝

在鋼壁圍堰內(nèi)設(shè)置兩層內(nèi)支撐，分別在鋼壁圍堰頂以下1.5m位置和圍堰頂以下4.5m位置，內(nèi)支撐采用Ф630*10mm螺旋鋼管，壁內(nèi)圍囹采用三拼HM350*250mmH型鋼，連接方式采用焊接，并設(shè)置加勁牛腿鋼板。首先安裝下層內(nèi)支撐，然后安裝上層內(nèi)支撐，內(nèi)支撐在岸上加工成成品，運(yùn)輸至現(xiàn)場，安裝采用50t履帶吊吊裝進(jìn)行，安裝時(shí)要嚴(yán)格控制安裝位置與焊接質(zhì)量，避免與鋼護(hù)筒相互干擾。

5.6 鋼壁圍堰整體定位、下沉

鋼圍堰整體下沉前對(duì)基坑進(jìn)行一次全面的測量，確保圍堰各項(xiàng)參數(shù)符合要求。鋼圍堰先用手拉葫蘆進(jìn)行粗略定位，然后向壁內(nèi)均勻?qū)ΨQ注水下沉，并用全站儀不間斷進(jìn)行定位測量，手拉葫蘆進(jìn)行調(diào)整。待鋼壁圍堰刃角離基坑底設(shè)計(jì)著床標(biāo)高1m時(shí)，用全站儀進(jìn)行精確定位測量，每下沉10cm測量、調(diào)整一次，確保圍堰各項(xiàng)指標(biāo)滿足要求。

5.7 鋼壁圍堰壁內(nèi)砼澆筑

圍堰著床后，立即澆筑圍堰壁內(nèi)混凝土，以增加圍堰剛度，提高圍堰穩(wěn)定性?；炷凉嘧⒏叨戎羾唔斚驴?.1m位置，采用導(dǎo)管法水下灌注，每個(gè)隔倉內(nèi)設(shè)2個(gè)灌注點(diǎn)。灌注時(shí)壁內(nèi)水采用抽排至沉淀池的方式，防上水泥漿污染河道，并在設(shè)計(jì)位置預(yù)埋鉆孔平臺(tái)鋼管樁。灌注過程要對(duì)稱緩慢，防止導(dǎo)管等碰撞圍堰，過程中加強(qiáng)對(duì)圍堰的監(jiān)測?；炷脸跄?，對(duì)圍刃角部份采用卵礫石進(jìn)場回填。

6 安全質(zhì)量保障措施

①從事水上施工的人員必須明確了解所從事作業(yè)的安全注意事項(xiàng)，工作中服從指揮，切不可違章冒險(xiǎn)作業(yè)。作業(yè)的人員必須按規(guī)定穿戴好勞動(dòng)防護(hù)用品，穿好救生衣，并在欄桿上設(shè)置救生衣和救生圈。②鋼壁圍堰采用的鋼材和焊接材料的品種規(guī)格、化學(xué)成份及力學(xué)性能必須符合設(shè)計(jì)和有關(guān)技術(shù)規(guī)范的要求，具有完整的出廠質(zhì)量合格證明。③鋼壁圍堰吊裝過程中必須安排專人進(jìn)行監(jiān)控，施工作業(yè)區(qū)內(nèi)嚴(yán)禁其他人員進(jìn)入，在圍堰下沉過程中，任何人員不得在圍堰頂部。④施工作業(yè)場所和救生船舶上配備的救生設(shè)備要妥善保管，愛護(hù)使用，除用于救人以外任何人不得借故移作他用，嚴(yán)禁擅自移動(dòng)。

7 結(jié)束語

通過采用鋼壁混凝土圍堰對(duì)大尺寸水下承臺(tái)進(jìn)行支護(hù)施工，充分利用圍堰剛度大的優(yōu)點(diǎn)，減少了圍堰撓度變形，不但滿足了施工需求，保障了水下承臺(tái)施工作業(yè)安全，而且大大減少了鋼材的使用量，降低了施工成本，加快了施工進(jìn)度。通過現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用，鋼壁混凝土圍堰在高速公路大尺寸水中承臺(tái)施工支護(hù)中取得很好的效果，也為后續(xù)類似施工提供了借鑒和參考。