浅谈复杂地质中双壁钢围堰下沉控制技术

高勇强

摘要： 随着我国经济建设的不断发展，跨越大江大河的桥梁越建越多，而我国幅员辽阔，水文、地质复杂多变，水下基础工程施工不可预见的因素较多，施工难度大；以安徽省淮南孔李淮河大桥跨越淮河主航道桥工程为例，针对复杂水文地质条件，合理选择双壁钢围堰下沉控制的各种技术措施，并发明了一种实用新型专利的导向装置，大大提高了双壁钢围堰的定位精度，保证了双壁钢围堰顺利下沉，为今后同类型工程的施工提供了很好的借鉴意义。

Abstract： With the continuous development of China's economic construction， the bridges across the river are more and more， but China has a vast territory， hydrology and geology are complex and changeable， underwater foundation engineering construction is not predictable， the construction is difficult. Taking Konglihuaihe bridge in Huainan across the Huaihe as an example， in view of the complex hydrogeological conditions， this paper makes a reasonable choice of various technical measures for double wall steel cofferdam subsidence control， invents a guiding device of the utility model， which greatly improves the positioning precision of the double wall steel cofferdam， ensures the smooth sinking of the double wall steel cofferdam， and provides a good reference for the future construction of the same type engineering.

关键词： 双壁钢围堰；复杂地质；下沉控制；技术

Key words： double wall steel cofferdam；complex geology；sinking control；technology

中图分类号：[TU997] 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）36-0082-03

0 引言

近年来，随着我国经济建设的不断发展，国家基础建设项目的大规模上马，跨越大江大河的桥梁也越建越多，而我国幅员辽阔，水文、地质复杂多变，水下基础工程施工不可预见的因素较多，施工难度大，因而复杂水文地质条件下的桥梁水下基础施工技术已经成为大型跨江、跨河桥梁施工中的关键技术。双壁钢围堰是深水基础常用结构，工艺成熟，结构刚度好，安全性较好，能满足多种地质情况的施工。但由于双壁钢围堰外形尺寸均较大，双壁钢围堰下放入水过程中的平面位置、垂直度控制及能否顺利下沉是施工中的重点和难点，受水文及复杂地质条件的影响，导致双壁钢围堰在下放过程中难以准确定位，甚至发生下沉困难等情况。

以安徽省淮南孔李淮河大桥跨越淮河主航道桥工程为例，针对复杂水文地质条件下，合理选择双壁钢围堰下沉控制的各种技术措施，并发明了一种实用新型专利的导向装置，大大提高了双壁钢围堰的定位精度，保证了双壁钢围堰顺利下沉，及时解决了施工中遇到的难题，同时也为今后同类型工程的施工提供了很好的借鉴意义。

双壁钢围堰平面形状一般根据承台形状而定，常见的有圆形、矩形，也有哑铃型和异型钢围堰。根据本工程承台为矩形承台，所以考虑矩形双壁钢围堰，优点为围堰节块均为直块，加工较方便，是一种利用多种形状钢材组合而成的无盖无底、底部带有斜面刃角的矩形双壁水密钢结构，由内、外壁板、竖肋角钢、水平环板、水平桁架和隔仓板组成，然后拼装成满足水深和受力要求的双壁钢围堰。

在基础施工过程中起防水作用，不参与主体结构的受力，围堰内部设有隔墙。根据施工条件围堰全高可分数节制造，每节又对称分数个单元制成单元体。施工时，将已加工好的单元体和内部支撑在拼装平台拼装焊接、起吊下水，然后接高并在围堰井壁内灌注混凝土下沉，围堰下沉河床后，视需要在在围堰井壁内灌注混凝土（或灌水）以增加围堰重量并在围堰内吸泥使其逐渐均匀地下沉到设计高程并浇筑封底混凝土，然后抽水、施工承台、墩身。

1 工程背景

1.1 工程概况 淮南孔李淮河大桥跨越右汊航道桥为三跨钢箱下承式连续系杆拱桥，跨径布置为（110+180+110）m，下部结构主墩采用圆柱式实体墩，主墩墩身直径6.0m。主墩下接承台，每一承台横桥向长度为13.6m，顺桥向宽度为18.6m，承台厚度为5.5m。主墩基础采用钻孔灌注桩，每一承台下设置12根直径2.0m的钻孔灌注桩，均按摩擦桩设计。

根据实测淮河主航道承台范围内河床面标高为7.9m，主航道水面标高为18.5m，主墩水深为10.6m，承台顶标高为4.324m，承台底标高为-1.176m，封底砼底标高为-4.676m，封底砼厚度为3.5m。

经论证和比较，采用矩形双壁钢围堰较为理想，同时也是满足通航安全论证评估会及航道、海事等部门的要求，水流流态影响较小，降低水流对既有桥墩的安全隐患。围堰内设置斜支撑，支撑避开承台、墩身的施工位置，克服了内支撑对承台、墩身的施工影响，且优化设计后的矩形双壁钢围堰的经济效益明显。为节省工程成本，直接以双壁钢围堰作为施工用承台模板，封底混凝土兼做承台施工平台，围堰内轮廓尺寸比承台设计尺寸周边各向外放宽0.1m。

双壁钢围堰的主要作用和用途是为承台、墩身施工创造一个良好的干施工作业环境，同时具有抗涌潮和防洪水的能力，因此，钢围堰的施工是主墩基础施工的关键工序之一，双壁钢围堰主要结构参数为：外轮廓尺寸：22.8m（长）*17.8m（宽）；高度：24.2m；壁厚：2.0m；围堰底标高为-4.676m，顶标高为+19.524m，钢结构自重：围堰自重595.3t；围堰共分三节，底节高度：8m，中节高度：8m，顶节高度：8.2m；每节共分14块，块与块间设置隔仓板，以便围堰下沉过程中可适应河床的高差及调整围堰的倾斜度。为减小钢围堰的尺寸，减少用钢量，同时考虑到承台和墩身的施工留有足够的操作空间，围堰内设置三层内支撑。围堰具体布置详见图1、图2。

1.2 工程难点 ①因淮河主航道桥地处淮河冲积平原，地质情况复杂，且由于长期非法采砂，造成河床中部空洞、流砂，极易坍塌，下部地层砂层、风化粉质泥岩及硬质灰岩软硬交替，且泥岩遇水浸泡后膨胀、变软坍塌，对双壁钢围堰下沉施工难度非常大。②承台全部位于河床以下，属于深水承台，结合工程特点，主航道桥采用24.2m双壁钢围堰施工，且双壁钢围堰下沉到河床以下12.5m，施工技术难度大、安全风险高。③在水文及地质复杂的条件下，怎样保证双壁钢围堰精确定位是施工中的难点之一。④由于双壁钢围堰施工均为水上施工作业，施工安全要求高，也为本工程的重难点。

2 双壁钢围堰下沉控制施工技术

2.1 针对复杂地质技术处理措施 因淮河主航道桥地处淮河冲积平原，地质情况复杂，双壁钢围堰下沉至河床范围内，有9m左右的粉质粘土，土质可塑～坚硬，含铁锰结核。对地质情况进行认真分析研究后，双壁钢围堰下沉施工存在困难，为确保钢围堰顺利下沉，采取增加旋挖钻清泥措施，在桩基钻孔平台上采用旋挖钻机对双壁钢围堰和承台范围内全部用旋挖钻机清泥，使坚硬土层变松软和减少吸泥工作量，为后续双壁钢围堰顺利下沉打好了基础。

2.2 双壁钢围堰水上拼装定位及吊挂控制技术措施

2.2.1 双壁钢围堰水上拼装定位 桩基施工完成后用旋挖钻清理围堰范围内的河床，并在护筒距离水面高约0.5m处焊接型钢牛腿，四角上钢护筒焊接2个，其他焊接1个，共计12个牛腿，在牛腿上安放I36型钢作为围堰组拼底座和操作平台，在型钢上精确测量双壁钢围堰位置，拼装时采用钢板焊接组件对钢围堰进行卡控限位，然后接高钢护筒，在钢护筒上安装贝雷梁作为围堰起吊横梁，用千斤顶通过精轧螺纹钢起吊和下放围堰，见图3、图4。

2.2.2 双壁钢围堰吊挂系统控制 吊挂系统由千斤顶、精轧螺纹钢、挂梁设备等组成，双壁钢围堰底节围堰在拼装平台上完成后，采用吊挂系统起吊和下放，此吊挂系统优点可保证八台YCW60B型千斤顶同步进行，确保钢围堰保持同步缓慢下放，在提升过程中安排专人测量；可调整双壁钢围堰的水平面，保证钢围堰四角高差≤20mm，保证钢围堰水平、同步下沉，使双壁钢围堰始终处于水平状态。

2.3 双壁钢围堰下沉控制技术措施 由于双壁钢围堰外形尺寸均较大，双壁钢围堰下放入水过程中的平面位置及垂直度控制是施工中的重点和难点，由于本工程在双壁钢围堰施工范围附近地质情况复杂，且长期非法采砂，造成河床中部空洞、流砂，极易坍塌，一般情况下双壁钢围堰导向块和双壁钢围堰焊接在一起，以桩基钢护筒为基准下沉施工。但由于复杂水文及地质条件影响，钢护筒在进入河床面以下后难以保证垂直度，导致双壁钢围堰在下放过程中难以准确定位，将会导致以下问题的发生：①最不利状况之一为桩基钢护筒形成“外八字”，外八字”形状直接导致双壁钢围堰下沉施工过程中存在四角导向装置和钢护筒“卡壳”现象发生，难以继续下沉。②最不利状况之二为钢护筒形成 “内八字”形状，“内八字”形状直接导致导向装置失去其应有的作用，难以控制双壁钢围堰的平面位置。③其他几种不利状况均难以控制双壁钢围堰的平面位置，直接导致双壁钢围堰偏位及双壁钢围堰导向块失去其应有的导向作用。针对以上问题，经认真分析研究，发明了一种实用新型导向装置，有效解决了上述问题。

导向装置由导向钢管、钢护筒、上下连接件组成。导向装置依然以桩基钢护筒为基础，但导向钢管不是固定在围堰的内壁板上，而是通过测量精确定位以后临时固定，保证导向钢管处于垂直状态，导向钢管距围堰内壁板距离为4cm，然后根据导向钢管距离钢护筒之间的距离确定上下连接件的尺寸大小，最后将上下连接件焊接固定于钢护筒上，形成整个导向装置。与将导向块和双壁钢围堰焊接在一起、以桩基钢护筒为基准的导向装置相比较，此导向装置的精度可控，垂直度可控，而且位置固定，围堰下沉过程中完全避免受桩基钢护筒垂直度的影响，能大大提高双壁钢围堰的定位精度，实现了对围堰的连续控制，有效避免了围堰无法下沉的情况出现。

导向装置的导向管形成的是多条竖直的定位轴线，在围堰下沉过程中，导向的位置始终不变，围堰的内壁板沿着导向定位轴线的方向向下移动，不仅使围堰的平面位置得到有效控制，而且垂直度也得到了有效的控制。本工程双壁钢围堰下沉过程中最大倾斜度为0.04*2/24.2=3.3/1000，远远小于规范要求的1/100。大大提高了双壁钢围堰的定位精度，保证了双壁钢围堰顺利下沉及精确定位。（见图5、图6）

采用此导向装置后取得了以下效果：

①导向钢管在安装过程中通过测量进行精确定位，导向钢管的定位精度及垂直度完全可控，大大提高了导向装置的安装精度。②双壁钢围堰内壁为一个平面，而导向管安装完成后是一条定位轴线，形成了无数个定位点。它不仅能有效控制围堰的平面位置，而且能有效控制围堰的垂直度，大大提高了对围堰的定位精度。③导向钢管与桩基钢护筒安装固定以后，其位置固定不变，不受其他因素影响，做到了对围堰位置的连续控制。④当围堰内壁与导向钢管接触产生挤压力时，接触面为一条轴线，增大了接触面积，相对减小了产生的压强，有效地保护了导向桩，使其不被挤压变形。⑤导向钢管一经安装，无需在围堰下放过程中接高或增加设置，做到了一劳永逸，节省了施工时间和施工成本。⑥导向装置所使用的材料均为施工现场常用材料，结构简单、操作控制方便，安装省时省力，便于周转使用，成本十分低廉。

2.4 双壁钢围堰下沉施工方法

2.4.1 围堰下沉精度要求 双壁钢围堰下沉允许偏差应符合下列规定：①围堰底面平均高程应符合设计要求；②围堰最大倾斜度不得大于围堰高度的1/100；③围堰顶、底面中心与设计中心在平面纵横向的位移均不得大于围堰高度的1/100；④围堰平面扭转角允许偏差2°。

2.4.2 双壁围堰下沉施工方法 上述技术措施准备完毕后，双壁钢围堰即准备下沉，在拼装平台上测量双壁钢围堰位置，然后分块进行拼装、焊接，拼装焊接好底节围堰后，安装实用新型导向装置，选择淮河水流较平稳期间，利用吊挂系统起吊双壁钢围堰，拆除钻孔平台，下沉钢围堰，在下沉过程中保持千斤顶同步进行，控制好双壁钢围堰水平标高，确保钢围堰保持同步缓慢下沉，在下沉过程中安排专人观察；实时观察起吊系统、精轧螺纹钢以及各结构物的状态，确保下沉的安全；底节下沉到标高后，安装焊接中节围堰并下沉，同理循环安装焊接顶节围堰，围堰着床后，采用抓斗配合吸泥机进行清泥工作，围堰缓慢下沉至设计标高。

2.5 双壁钢围堰下沉控制施工注意事项 ①双壁钢围堰下沉前对对墩位处的河床再次进行全面的测量，根据测量情况，再一次确认围堰范围处的河床标高；②围堰入水定位时，应不断测量围堰平面位置和围堰各点的标高及观察导向装置距内壁板的距离，以防围堰倾斜；③围堰刃脚接近河床面附近时，必须加强对墩位处河床面的测量，及时掌握墩位河床面的冲刷及水位情况，以便选择围堰落河床的时机；④围堰着床工作尽量安排在水位低、流速小的时间段进行。

3 结束语

复杂地质中双壁钢围堰下沉控制在采取用旋挖钻机对施工范围内的河床进行清泥、采用吊挂系统调整双壁钢围堰平面水平、利用新型导向装置控制双壁钢围堰下沉三个技术措施的应用，有效解决了双壁钢围堰在复杂地质中下沉施工困难、下沉精确定位施工的难题，在施工过程中均能安全、有效、快速地施工，对减少工程的投入、降低工程成本方面也进行了深入探讨，取得了很好的效果，实现了良好的经济效益和社会效益。

该方法在安徽省淮南孔李淮河大桥跨越淮河主航道桥工程的成功应用，在复杂水文地质条件下，合理选择双壁钢围堰下沉控制的各种技术措施，并发明了一种实用新型专利的导向装置，大大提高了双壁钢围堰的定位精度，保证了双壁钢围堰顺利下沉，及时解决了施工中遇到的难题，也为今后同类型工程的施工提供了很好的借鉴意义。

参考文献：

[1]JTG/TF50-2011，公路桥涵施工技术规范[S].

[2]CJJ1-2008，城镇道路工程施工与质量验收规范[S].

[3]刘自明.桥梁深水基础[M].北京：人民交通出版社，2003.

[4]淮南孔李淮河大桥双壁钢围堰专项施工方案.