汉宜铁路蔡家湾汉江特大桥168号主墩双壁钢围堰施工技术

周 文

(中铁大桥局集团第三工程有限公司,广州 510800)

1 工程概况

蔡家湾汉江特大桥是新建武汉至宜昌铁路上的一座主桥跨度最大的双线铁路桥梁,桥址位于武汉市东西湖区、蔡甸区内和汉川市内。主桥跨越汉江航道,桥墩号为165号～170号,165号边墩位于汉江左大堤外侧,166号次边墩位于汉江左大堤内侧护坡脚处；167号和168号主墩位于汉江深水区,且168号承台中心到汉江右堤二级护坡坡脚的距离为17.9 m。169号次边墩和170号边墩位于汉江右大堤外侧。

主桥上部结构为5跨连续刚构,跨径为(64+120+168+120+56) m,单箱单室直腹板、变高度、变截面结构,C55混凝土,三向预应力体系,M55管道压浆。连续刚构箱梁顶板宽12.2 m,底板宽8.5 m,两侧悬臂翼缘板各宽1.85 m,梁高为4.5～10.5 m。下部结构均为圆端形实体墩身和承台+钻孔桩基础,其中167号和168号主墩为双薄壁墩身。主桥立面见图1。

图1 蔡家湾汉江特大桥主桥立面(单位：m)

168号主墩桩基设计为12根φ2.5 m的嵌岩柱桩,桩长24 m,3行4列布置。承台设计尺寸为20.4 m×15 m×5.5 m,承台四角均带1/4圆弧角,圆弧半径为2.0 m。承台底面设计高程为+5.134 m,承台顶面设计高程为+10.634 m。

2 工程地质和水文情况

2.1 水文情况

168号墩位于汉江河道深水中,施工时受汉江水位影响很大。汉江水文成果(桥位处)如下：H1%=28.04 m,Q1%=9 000 m3/s,V1%=1.73 m/s；最高通航水位设计为27.81 m,最低通航水位设计为13.85 m。河床面的实际高程为10.19 m。

汉江水流方向横穿过桥梁,由线路右侧→线路左侧,线路法线与水流方向夹角为3°。

汉江(桥位处)在1999～2007年间的水位情况见表1。

表1 汉江(桥位处)1999～2007年水位统计 m

2.2 工程地质

168号主墩处从河床面至下依次为：粉砂、细砂、弱风化灰岩,具体地质情况见表2。

表2 蔡家湾汉江特大桥168号主墩地质情况

3 168号主墩承台施工挡水结构选择

168号主墩承台全部埋置于河床中,属于低桩承台,施工时需要专门设置挡水结构挡水。168号主墩承台施工具有以下难点。

(1)承台处汉江水流速大：168号主墩位于汉江主河道中,水流速度大,平常最大流速可达1.6 m/s,河床冲刷大。

(2)施工时水位高且承台设计埋置深：①168号主墩承台施工安排在2009年4月左右,查表1得4月份平均水位为17.44 m,河床面以上的水深达7 m以上；②承台底设计高程为5.134 m,河床面的实际高程为10.19 m,承台施工时需要开挖河床5.056 m。

(3)承台施工挡水结构受到的冲击力大：承台迎水面与汉江流水方向基本垂直，引起承台截面阻水面积大,从而使挡水结构受到的冲击力大。

(4)168号主墩承台中心到汉江右堤二级护坡坡脚的距离为17.9 m,河床高差大,挡水结构施工后进行基坑开挖时靠大堤侧会出现较大的侧压力,而挡水结构前后方向两侧上的侧压力差异会使挡水结构向河中方向移动,挡水结构向河中方向移动会使大堤护坡出现裂纹,进而会影响到汉江右堤的稳定。

从上述施工难点可以看出,168号主墩承台施工的挡水结构需要具有抗冲刷稳定性好、刚度大、抗侧压力和水流冲击能力强的功能,并且又要施工方便,而双壁钢围堰具有以上功能,因此，168号主墩承台施工挡水结构选用双壁钢套箱围堰。

4 双壁钢围堰构造

168号主墩双壁钢围堰平面尺寸为23.9 m×18.5 m,四角均设1/4圆弧角,内、外圆弧半径分别为2.25 m、3.75 m。钢围堰总高度为17.8 m,分3个节段,分节高度为6 m(底节)、6.28 m(第2节)、5.52 m(第3节),每节钢围堰又分14块。钢围堰内外壁厚为1.5 m,共设置2层钢管内支撑。水下混凝土封底厚度不小于3.0 m,内壁混凝土填充高度设计为8.0 m。双壁钢围堰示意见图2和图3。

图2 双壁钢围堰立面(单位：mm)

图3 双壁钢围堰平面(单位：mm)

5 双壁钢围堰施工工艺

双壁钢围堰施工工艺流程：钢围堰拼装平台搭设→钢围堰底节、第2节及底层内支撑拼装→提升装置安装→钢围堰提升、拆除拼装平台→钢围堰下放至水中→隔仓混凝土填充→钢围堰定位着床→提升装置拆除→隔仓混凝土填充→钢围堰第3节接高及顶层内支撑拼装→隔仓混凝土填充→钢围堰吸泥下沉、灌水助沉→钢围堰水下封底→施工承台[1]。

5.1 钢围堰拼装施工

钢围堰采用35 t浮吊进行对称拼装。钢围堰底节、第2节和底层内支撑在围堰拼装平台上拼装,第3节和顶层内支撑在钢围堰底节底口进入河床稳定后拼装。钢围堰拼装平台示意见图4。

图4 双壁钢围堰拼装平台及提升装置示意(单位：mm)

钢围堰拼装方法如下。

(1)钢围堰拼装前要放出底部拼装轮廓线,一般先拼装圆弧块段,再按对称原则进行剩余块段拼装,具体顺序如下：(3)→(10)→(6)→(13)→(2)→(9)→(7)→(14)→(4)→(11)→(5)→(12)→(1)→(8)。

(2)圆弧块段拼装时采取35 t浮吊垂直起吊,人工微调好刃脚位置,再调整块段上口位置,最后用型钢将钢围堰块段内、外壁固定。

(3)其余直块段拼装时,块段后端以前一块段前端位置为准,块段前端以测量放线为准。块段调整好位置后用型钢固定,再将前、后两块段之间的竖向焊缝用小钢板进行定位焊接。

(4)每节钢围堰定位焊接完成,再按对称的原则将竖向焊缝全部焊牢。当第2节钢围堰拼装时定位焊接完成后,先对称焊接与底节之间的水平焊缝,再对称焊接块段之间的竖向焊缝。

(5)检查钢围堰底节、第2节焊缝,并进行渗透和水密试验[2],进行轴线和尺寸测量。

(6)在第2节钢围堰内壁上安装内支撑垫座,事先在驳船上将内支撑拼成整体,利用35 t浮吊整体吊装对孔,安装螺栓并拧紧。

(7)第3节钢围堰按(1)～(4)方法对称拼装接高[3],检查焊缝,进行轴线、尺寸测量和渗透试验,同时按步骤(6)方法进行顶层内支撑拼装。

5.2 钢围堰提升、拆除拼装平台

割除钢围堰拼装时的固定型钢支撑,利用钢围堰提升装置的提升设备将钢围堰底节、第2节及底层内支撑整体提升10 cm高，锁紧φ32 mm精轧螺纹钢筋吊杆螺帽。围堰静置2 h后,人工开始拆除拼装平台。先拆除围堰刃角下的钢支垫,再将钢围堰下方的部分I25型钢纵梁移走,最后将拼装平台牛腿中间部分割除,保留两端部分作施工走道。

5.3 钢围堰下放至水中

将提升设备千斤顶上方的螺帽拧松,开动油泵使16台千斤顶油缸均伸出15 cm,再将螺帽拧紧,开动油泵使千斤顶油缸继续伸出1 cm,拧松千斤顶下方的螺帽,然后16台千斤顶同时回油(速度保持相同)，使千斤顶伸出的油缸缩回15 cm,拧紧千斤顶下方的螺帽,继续回油使千斤顶油缸全部缩回。循环操作将钢围堰下放入水使钢围堰处于自悬浮状态。

5.4 隔仓内混凝土填充

栈桥上的混凝土泵车分次均匀对称地对钢围堰各隔仓进行混凝土填充,以防钢围堰的偏移[4]。混凝土每次填充高度为50 cm,人工配合振捣密实。隔仓内混凝土分4阶段进行填充,每阶段填充高度分别为2、1.4、3.1、1.5 m,共8 m。钢围堰在水中悬浮时,所有的隔仓内对称均匀填充50 cm高混凝土后,利用提升装置将钢围堰下沉到悬浮状态。再次向隔仓内填充50 cm高混凝土,再次利用提升装置将钢围堰下放。循环填充至隔仓内混凝土填充至设计高度。钢围堰在河床中下沉时,所有的隔仓内对称均匀填充50 cm高混凝土后,再按原来填充顺序进行下一轮50 cm高混凝土填充,循环填充隔仓内混凝土至设计高度。

5.5 钢围堰定位着床

围堰底口离河床面60 cm时停止下沉,让吊杆承力,分次对称向隔仓内填充1.4 m高的混凝土,再利用围堰4个方向上的16根缆绳和牵引装置调整钢围堰底口的平面位置,检查围堰的倾斜度,开动提升设备让钢围堰底口着床,再填充隔仓混凝土使围堰下沉至河床中稳定,拆除起吊装置。

5.6 钢围堰吸泥下沉、灌水助沉

钢围堰采用空气吸泥机吸泥下沉。吸泥管直径为250 mm,且下端加工成锯齿状,空压机排气量为20 m3/min。钢围堰吸泥下沉方法如下。

(1)吸泥机吸泥应从围堰中部开始,对称、均匀、逐步分层向刃脚前进,吸泥管下口不能低于围堰刃脚尖高程,防止吸泥坑过深引起翻砂。

(2)开通围堰连通管阀门,保持围堰内、外水位平衡[5]。专人观察,水位差大时停止吸泥补水。

(3)吸泥时用浮吊拎住吸泥管，上、下捣动捣松土体加快吸泥。

(4)吸泥出水口远离钢围堰外侧设置且经常移动位置,从而使吸出的泥土远离围堰且堆放均匀。

(5)在隔仓内均匀对称加水,增加钢围堰质量帮助下沉。

(6)钢围堰底口离设计高程差1.5 m时,缓慢吸泥下沉,勤测量,随时纠偏调整,使钢围堰高程到位时底口的位置和底节的倾斜度满足承台的结构尺寸和位置要求。

5.7 钢围堰水下混凝土封底

钢围堰水下混凝土封底采用φ300 mm的导管进行垂直导管法施工[6]。钢围堰水下混凝土封底施工从下游向上游进行,同排导管灌注混凝土时先施工挨近围堰周圈的导管。水下混凝土封底步骤如下。

(1)采用空气吸泥机对围堰内河床进行吸泥清基,派潜水员对围堰刃脚下钢板面、钢护筒侧面及围堰内的河床面进行检查[7]。

(2)打开在围堰四面安装的12个φ150 mm内外连通管阀门使围堰内、外连通。

(3)在围堰的顶层内支撑上搭设围堰水下封底平台,在平台上成4行4列布置16根水下导管,在4个导管顶口设置储料斗(倒用,首批混凝土后换用小斗)。

(4)将天泵或地泵前端的输送软管接到储料斗上,将储料斗储满混凝土。打开储料斗的阀门使混凝土快速下落,与之同时天泵或地泵继续输送混凝土到储料斗中,使首批混凝土下落完成后埋住导管底口0.5 m以上。当导管首批混凝土筑堆成功后,该导管即转入正常灌注混凝土状态[8]。

(5)同排靠围堰周圈的1根导管的混凝土首批混凝土灌注后,再进行旁边的另一根导管的首批混凝土灌注。后排导管首批混凝土灌注后,再进行前排导管首批混凝土灌注。同时继续向后排的导管中下混凝土,直到后排导管周围的混凝土面高程满足设计要求,抖动拔管,洗净堆放。

(6)勤量测钢护筒周边及围堰死角处等混凝土面,当封底厚度不够时，应立即向该部位附近的导管补充混凝土。

6 钢围堰施工中问题处理

6.1 大堤方向土体侧压力大处理

为了减小双壁钢围堰下沉时大堤方向土体侧压力,防止钢围堰受侧压力后在下沉时向河中方向移动,保待施工期间大堤稳定,提前对大堤进行防护。在离168号主墩承台中心15.1 m位置(即离汉江右堤二级护坡坡脚2.8 m)，用打桩机沿横桥向插打1排拉森Ⅵ型钢板桩,在汉江右堤防护平台上，打桩机沿横桥向用插打1排12根φ800 mm的钢管桩(每2根1组)，再在钢板桩后设置1根长水平锚梁,在每2根钢管桩后设置1根短水平锚梁,用6组钢绞线(6φ15.24 mm)分别前后将长、短水平锚梁锚住。

6.2 河床起伏大钢围堰着床后易倾斜处理

河床起伏大钢围堰着床后易倾斜,提前对河床进行清理。168号主墩钢围堰外侧(大堤方向)与大堤防护钢板桩之间的高河床采取长臂挖掘机挖除表面砂层，以降低高程,其余位置用吸泥船将钢围堰下沉范围内河床进行吸泥降低河床高程,并使围堰内、外的河床面大致水平。钢围堰下沉范围内河床清理后高程为+8.000 m。

6.3 汉江水流速大,围堰底口迎水面冲刷大不能封口处理

由于汉江水流速大,围堰底口着床后在迎水面始终冲刷大且不能封口。处理方法：停止吸泥,在钢围堰迎水面外侧投填一船碎石防冲刷,将吸泥的弃土堆填在碎石上,同时向围堰用大功率水泵补水使围堰内水位略高于外侧,然后再进行吸泥,一段时间后围堰底口全部进入河床。

6.4 吸泥翻砂处理

围堰下沉处河床为砂层,钢围堰吸泥补水不及时就会出现翻砂现象。施工时专人观察内外水位差,及时用大功率的水泵向围堰内补水,使围堰内水位高于外侧30 cm左右。吸泥操作时从中间往周围扩展形成锅底防止翻砂现象,同时吸泥时吸泥管底部不能超过围堰刃脚底。

6.5 筑堤黏土层处理

钢围堰在汉江右堤侧吸泥时遇到硬度较高的筑堤黏土层,吸泥困难。施工时采用高压射水将黏土层冲松动后,边用吸泥管锯齿上、下捣松土体边用吸泥机吸泥。

6.6 钢围堰倾斜和位移处理

钢围堰吸泥操作不当时容易出现倾斜和水平位移。钢围堰纠偏调整要分次进行,一般是先调整倾斜度，保证钢围堰顶口高程一致,再调整钢围堰底口的水平位置。具体方法如下。

(1)钢围堰倾斜度调整：在顶口高一侧的围堰内、外侧吸泥并使之缓慢下沉,并使围堰顶面逐步调平,逐步减小钢围堰倾斜度。

(2)钢围堰底口水平位移调整：根据测量资料确定钢围堰底口要移动的方向,在钢围堰底口要准备移动方向的后面一侧的钢围堰内、外侧进行缓慢吸泥,使后面一侧的钢围堰先下沉,再对钢围堰底口要移动的方向的前面一侧的钢围堰内、外侧进行缓慢吸泥,使前面一侧的钢围堰在下沉的同时绕已经下沉完成的后面一侧的底口转动,从而使钢围堰底口向要移动方向移动。

7 结语

(1)钢围堰施工前插打钢板桩和钢管桩形成锚固体系对汉江右堤进行防护,减小了钢围堰下沉时大堤方向的侧压力,也保证了汉江右堤的安全。

(2)提前利用挖掘机挖除和吸泥船吸泥降低河床高程,既减小了钢围堰在河床内下沉的深度和施工难度,又加快了施工进度,还节省了施工费用。

(3)在钻孔桩施工的同时进行钻孔平台外围部分拆除和安装围堰拼装平台施工,加快了施工进度。

(4)钢围堰在现场拼装,既利用了现有桩基施工的35 t浮吊,又减少了大型的钢围堰浮运机械和定位设备进场,节省了施工费用。

(5)钢围堰下沉施工时遇到了筑堤黏土层,吸泥困难,采取了高压射水与吸泥相结合的方式,并用浮吊拎起吸泥管利用其下端锯齿捣松黏土层,加快了吸泥施工进度。

(6)钢围堰纠偏施工和最后1.5 m缓慢吸泥下沉,使围堰的下沉精度良好,确保了承台的设计位置和尺寸。

[1] 付彦生.灵江特大桥41号墩矩形双壁钢围堰施工技术[J].铁道建筑,2008(4):15-16．

[2] JTJ041—2000,公路桥涵施工技术规范[S]．

[3] 谢媛媛,张建辉.阿蓬江大桥4号墩双壁钢围堰的设计和施工[J]. 铁道标准设计,2003(S1):161-164．

[4] 钟振云.深水基础围堰施工方案比选[J]. 铁道建筑,2009(2):6-8．

[5] 曾亿忠.南京三桥北主塔承台哑铃形双壁钢围堰施工[J].桥梁建设,2005(6):59-62．

[6] 翁典鸿.特殊条件下双壁钢围堰水下封底施工技术[J].铁道标准设计,2001(4):27．

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[8] 吴胜东.润扬长江公路大桥建设第四册—斜拉桥[M].北京:人民交通出版社,2005．