兰州中山桥桥墩外钢围堰施工关键技术

陈新林 李少芳 朱慈祥 郑 伟 武向东

（武汉二航路桥特种工程有限责任公司 武汉 430071）

兰州市中山桥位于兰州城北白塔山下、金城关前，有“天下黄河第一桥”之称，是兰州市内标志性建筑之一，2006年被确定为国家文物单位。大桥全长233.5m，为5跨简支钢桁架桥，单孔跨径46.7m，桥宽9.55m。中山桥作为一座历史悠久的桥梁，现已超过其设计使用年限，到了功能快速衰退期。2009年8月19日是兰州黄河铁桥建成100周年，近代虽然经过5次维修，但是百年老桥经过风雨沧桑，桥梁发生了一些影响安全及耐久性的病害。因经济社会发展及文物保护的要求，需对本桥进行维修加固，以提高桥梁结构的防洪、抗震及耐久性。根据现场实际情况以及往年水文资料显示，本次桥墩加厚混凝土施工正位于中山桥黄河水位枯水期，施工时桥墩处水深2～4m［1］。为此，采取在桥墩处安装钢围堰，对围堰内清基封底抽水后，进行墩柱外包混凝土施工。

1 工程概况

1.1 水文地质

中山桥建于百年之前，原建桥资料匮乏，为了保证桥墩钢围堰施工的顺利进行，对桥墩及基础的水下情况、桥墩材料及位处的河床情况进行钻探和试验。钻探的办法主要是对桥墩和基础进行钻探取心。通过钻探得出的数据见表1。

表1 1～4号桥墩高度及厚度 m

通过水下探测试验发现：桥墩由浆砌片石和素混凝土组成，桥墩基本都坐落在基岩上，桥墩覆盖层为粒径3～8cm 黄河卵石［2］。

1.2 钢围堰施工重点和难点

中山桥桥墩采用外包混凝土进行加固，为此提出沉箱干作业法加固水下桥墩技术，即根据工程实际情况及技术论证，在桥墩外设置分节分单元的钢围堰截水来实现干作业空间。施工重点、难点如下：

（1）由于覆盖层厚，全是大粒径黄河卵石，水下施工困难，钢围堰下沉难度十分大。

（2）由于受条件限制和保护文物的需要，起重设备和大型船舶无法使用，且桥下空间狭小，钢围堰吊装十分困难。

2 钢围堰设计与受力验算

2.1 钢围堰结构设计

兰州中山桥钢围堰施工边界条件复杂，施工时期为黄河枯水期，黄河上无大型起重设备，且大型机械设备无法作业施工，同时吊装时受到桥面系的影响。经综合考虑，采用了分3节拼装焊接施工的双壁钢围堰，同时考虑到在吊装时较少水冲击力对围堰的影响，将围堰的结构形式设计为尖角状态，钢围堰设计图见图1～图2。

图1 围堰平面总体布置图（单位：mm）

图2 围堰立面布置图（单位：mm）

2.2 钢围堰计算基础数据

钢围堰顶标高＋8.2 m，底标高＋0 m，下沉水位＋8.2－0.7＝7.50 m，施工（抽水）水位＋7.50m；基岩标高－3.50 m，下沉时最大流速＋3.0m／s；第1节高度3.4m（含刃角），第2节高度3.0m，第3节高度1.8m；第1节吊装时起吊重量49t，第2节吊装时起吊重量32t，第3节吊装时起吊重量19t；混凝土干容重24kN／m3，护筒与封底混凝土间的粘结力f＝100kN／m2；钢围堰内周长尺寸39.6m，外周长尺寸45.0m，壁厚0.8m，壁体面积33.84m2。

2.3 钢围堰验算结果

结构受力工况见图3、图4。

图3 内面板受力体系

图4 外面板受力体系

计算中避开传统计算的解析算法，直接考虑围堰整体的空间受力特性，采用 MIDAS／CIVIVL对钢围堰进行空间分析。面板采用板单元，竖向支撑和横撑采用梁单元，环板采用T 形截面，实腹部分采用三点板单元。空间模型共有1333个节点，2516个梁单元，1210个板单元。面板采用δ＝8mm 钢板，隔舱板采用δ＝12mm钢板，纵向次梁为∠75 mm×50 mm×8 mm 角钢，水平环板为12mm×200mm 和12mm×228 mm 钢板，水平斜撑为∠70mm×70mm×6mm等边角钢。主要计算结果见图5～10。

本钢围堰主材为Q235钢材，查文献［1］的容许应力为：抗拉、抗压和抗弯强度设计值f＝215 MPa，抗剪强度设计值为125 MPa。计算结果均满足规范要求。变形最大为9.73 mm。经后期施工验证，钢围堰的设计计算完全满足施工要求［3－4］。

图5 空间模型

图6 壁板压力荷载

图7 板单元应力

图8 竖撑应力

图9 梁单元应力

图10 壁板变形

3 钢围堰施工关键技术

3.1 钢围堰区域卵石覆盖层开挖

通过前期地质调查发现，桥墩覆盖层为大粒径的黄河卵石，卵石粒径3～8cm，最大粒径为40 cm。由于卵石层厚、粒径大，通过简单的射水振捣下沉钢围堰方式很难使钢围堰下沉到设计高度。为此，通过慎重考虑，采用事先对基坑进行开挖后再下沉钢围堰的方式进行施工。

挖机开挖的办法是：先加工一个可以用于装载挖机的钢浮箱，然后将挖机固定在钢浮箱上，通过机动船将钢浮箱移至桥墩处，待钢浮箱与桥墩固定后挖机开始开挖覆盖层。

实践证明，通过挖机开挖卵石是最行之有效的办法，既解决了钢围堰下沉难度大的问题，也节约了大量的人力物力。

3.2 钢围堰安装

考虑到钢围堰安装的条件限制，施工从2个方面考虑：首先吊装支架必须轻巧可行，单个吊点的受力不能过大；其次吊装的空间不够，必须减小钢围堰一次安装的高度。基于这两点，采用了“化整为零”的方法，即将一个钢围堰分成竖向3 节段、平面6节段进行加工，然后单片运至现场进行安装，这样就减小了钢围堰的安装重量和高度［5］。

3.2.1 导向架设置

一般水位情况下，桥下净空只有5m 左右，大型船舶和起重设备无法使用。针对实际情况，首先在桥墩上设计一个用型钢制作的多功能整体支架，该支架在钢围堰安装时具有和定位、导轨和吊装反力支架作用，并能提供强大的水流抗力。

3.2.2 钢围堰吊装

由于桥下的吊装空间不够，根据实际情况，等装好钢围堰的运输驳船定位后，通过前后吊点先把单片钢围堰整体平吊起来，然后将船移开，通过各吊点葫芦的相互调节将单片钢围堰安装至正确位置；然后按此办法依次吊装其他单片钢围堰。待1节6片钢围堰全部吊装完毕后，再整体调位拼装，拼装误差精度控制在5mm 以内。

3.2.3 钢围堰下沉

钢围堰是由竖向3节、横向6节段组成，考虑到桥下净空有限，下沉施工顺序是：先拼装钢围堰第1节，待拼装完成后下沉至留出第2节钢围堰拼装的空间，然后等第2节拼装完成并和第1节连接成整体，再进行第二次下沉，直至设计深度。

钢围堰下沉主要是通过往钢围堰内仓注水加重的方式。钢围堰下沉的过程如下：

（1）对接及水密试验。待第1节钢围堰和第2节钢围堰对接完成后，并将接高部分的所有焊缝进行水密试验后开始对钢围堰整体下沉着床。

（2）复测标高。沿钢围堰周边复测河床面标高，核对刃脚的高度及定位桩的长度、位置与实际情况是否相符，否则，采取相应措施。

（3）注水着床。复核无误后对钢围堰立即注水加压下沉，当钢围堰底部距河床面0.5 m 时，停止注水，进行纠偏，当位置正确，迅速注水着床。

（4）纠偏。在钢围堰内两侧面设置纠偏葫芦，与导向支架连接，利用两侧纠偏缆同时收、放或一侧松、一侧紧等办法以达到纠偏的目的。

（5）辅助下沉。钢围堰着床时，如遇到大的卵石，应派专业潜水员下到围堰位置协助钢围堰吸土（石）下沉。

3.2.4 钢围堰封堵

待钢围堰着床后，围堰外侧利用挖机堆埋一定厚度的石头，围堰内侧由潜水员在刃脚处堆填沙袋，直至围堰内形成相对静水环境［6］。

3.3 钢围堰封底混凝土施工

钢围堰封底混凝土施工属于水下混凝土施工，水下混凝土就是在静水或流速较小的水流条件下浇筑的混凝土［7］。也称导管混凝土，是通过竖立的管子，依靠混凝土的自重进行灌注的混凝土。水下混凝土在水中能很好地流动扩展，具有一定的和易性和抗离析的特点，施工时塌落度一般在18～20cm。

由于桥下空间小、不能使用吊车等起重设备，为保证封底一次成功，考虑一定的流动半径，在钢围堰内设8根导管，2个集料斗，通过地泵泵送混凝土。施工过程中每根导管都首封，导管浇筑水下混凝土示意图见图11。

图11 导管作用示意图

4 结语

在黄河上对旧桥桥墩外围进行钢围堰施工还属首次，兰州市中山桥桥墩外围钢围堰设计施工中不仅克服了技术上的很多难题，更是克服了冬季环境恶劣对施工的影响，保质保量地完成了所有加固内容。这为以后类似桥梁加固提供了一个成功的案列。

［1］中交路桥技术有限公司.兰州中山桥维修加固工程两阶段施工图设计［M］.北京：中交路桥技术有限公司，2010.

［2］甘肃水文地质工程地质勘察院.岩土工程勘察报告［R］.兰州：甘肃水文地质工程地质勘察院，2010.

［3］GB50017－2003钢结构设计［S］.北京：中国建筑工业出版社，2003.

［4］GB50300－2001建筑工程施工质量验收统一标准［S］.北京：中国建筑工业出版社.2001.

［5］中交第二航务工程局.兰州中山桥维修加固施工组织设计［M］.武汉：中交第二航务工程局，2010.

［6］谢媛媛，张建辉.阿蓬江大桥4 号墩双臂钢围堰的设计与施工［J］.铁道标准设计，2003（S1）：167－169，171.

［7］荣劲松.双壁钢围堰封底混凝土施工［J］.华南港工，2007（2）：47－49，67.