大倾角裸岩高低异形刃脚钢围堰安装技术

薛占文

摘  要：在大倾角裸岩直接安装高低异形刃脚钢围堰，通过钢围堰隔舱的设计及分舱注水进行钢围堰调平并实现钢围堰平稳下沉着床，通过钢围堰锚泊系统的设计，围堰横桥向偏位通过上、下游设置的定位船上的卷扬机进行调整，围堰顺桥向偏位通过导向船利用岸侧地锚、江侧边锚进行调整，在进行垂直度调整时，围堰的上层拉缆保持不动、调整下层拉缆，并结合隔舱注水，可将垂直度控制在1%以内，利用锚泊系统实现钢围堰的精确调整，为今后裸岩直接安装高低异形刃脚钢围堰的设计提供借鉴。

关键词：大倾角;裸岩;隔舱;锚泊系统;高低异形刃脚钢围堰;安装

中图分类号：TU74        文献标志码：A

1 工程概况

望东长江公路大桥跨长江主桥为全长1 250 m的斜拉桥，主跨长638 m，大桥南岸索塔（45#墩）基礎采用高桩承台结构形式，承台平面为 47 m×25 m 切除四角的矩形，高8 m。45#墩位处河床为裸露中风化灰岩，单轴饱和抗压强度为56 MPa，岩层表面覆盖层较薄，平均厚度30 cm，岩石整体性较好;岩面起伏变化大，总体从岸侧向江心侧倾斜，最大坡度约26°，承台范围内岩面高差最大近10 m。承台处枯水期水深8 m～21m，洪水期水深15 m～28 m，桥位处洪水期最大流速2.1 m/s，枯水期最大流速为1.2 m/s。

2 方案比选

目前对于大倾角裸岩面深水基础施工普遍采用的是先水下爆破、再无底围堰、后钻孔工艺，在该桥中如果采用该工艺则会影响主航道通行，且综合成本高，占用工期长，且存在很大的安全风险，因此根据表1各项对比，该桥决定采用先无底围堰、后钻孔工艺，即实测河床断面，设计高低刃脚围堰，先下放无底钢围堰，利用封底混凝土进行钢护筒底脚锚固，再搭设钻孔平台进行基桩施工。

3 方案设计

3.1 隔舱设计

钢围堰共设置了14个隔舱，相邻隔舱间设置钢箱分隔，隔舱将钢围堰分为14个独立舱体，隔舱由壁板、竖向劲板和环向加劲板组成，隔舱可起到注水调平、下沉着床作用。当钢围堰着床位置偏差较大时，可将隔舱内水用水泵抽出，实现钢围堰自浮，重新注水调平并下沉着床。

3.2 锚泊系统设计

为了克服钢围堰下沉过程中的水流阻力和风阻力，根据桥址处的水文地质特征，采用定位船锚泊定位系统进行钢围堰施工。

3.2.1 定位船

锚泊系统在上、下游侧布置800 t（400 t）工程铁驳定位船，定位船设在桥位上游距桥轴线约200 m处，定位船起到确定、调整钢围堰位置、调节主锚受力的作用。

前定位船上方布置卷扬机和收锚系统，共设置4台5t卷扬机、1台6t卷扬机、4套4门滑车组、6套3门滑车组和4套2门滑车组。后定位船上方卷扬机及收锚系统布置与前定位船类似。

3.2.2 主锚

主锚承受钢围堰锚泊系统顺水流方向的水流阻力和风阻力，是保证钢围堰安全稳定的主要结构物。主锚通过锚拉力试验最终确定采用4个150 t蛙式混凝土锚，抛锚位置距离前定位船约400 m，距离墩位约600 m。

3.2.3 尾锚

尾锚顺水流方向分别布置在钢围堰下游侧，主要作用是抵御潮水影响，给围堰提供一定的反拉力，保证钢围堰锚泊系统在水流方向上的稳定。尾锚采用2个150 t蛙式混凝土锚，抛锚位置距离后定位船后方约400 m。

3.2.4 边锚

钢围堰边锚的主要作用是调节和控制钢围堰在垂直水流方向的位置，承受侧向水流阻力和风力。靠江心侧边锚采用2个75 t蛙式混凝土锚，距离墩中心约200 m。靠岸侧边锚采用2个40t砼地锚，砼地锚采用明挖基坑方式，直接进行浇注。

3.2.5 拉缆

定位船与钢围堰之间设拉缆，每个面均设置上、下两层拉缆，拉缆采用φ48mm钢丝绳，其作用是将钢围堰所受外力传给主锚、尾锚和边锚，起到抵御流水影响、保证钢围堰锚泊系统在水流方向上的稳定，固定钢围堰位置和调节钢围堰垂直度的作用。

3.3 钢围堰锚泊系统计算

锚泊系统的计算主要依据工程施工技术手册《桥涵》锚碇布置计算部分进行，并根据其他相关资料进行了必要的补充。

3.3.1 设计计算基本资料

3.3.1.1 地质情况

索塔承台处地质为裸露无覆盖层中风化灰岩，河床面标高为-12.6 m～-2.4 m。墩位上、下游及侧向抛锚区内河床覆盖层以黏土为主。主锚锚地河床面标高：-8.0 m～-23.0 m;钢围堰江心侧边锚锚地河床面标高：-17.0 m～-22.0 m;南侧岸锚标高：+8.0 m。

3.3.1.2 水文情况

设计水位：钢围堰下放安装施工水位取平均高水位+8.28 m;围堰抽水施工时最高水位取+16.80 m。

水流速度：施工季节平均水流速度取1.7 m/s。

3.3.1.3 基本风压

查公路桥涵设计通用规范，基本风压取0.25 kN/mm2，基本风速取23.8 m/s。

3.3.2 计算原则

按钢围堰下沉至即将着床状态（仍为悬浮体系）锚泊系统受力最大进行计算。

尾锚和边锚按主锚受力的40%进行预拉、计算。

3.3.3 锚泊系统分步骤计算

3.3.3.1 锚的选择与计算

经过调查：墩位上、下游及侧向抛锚区内河床覆盖层以黏土为主，厚度较薄，考虑钢围堰抛锚工作量相当大，为了便于施工，主锚采用150 t蛙式锚，尾锚采用7 t霍尔锚，江心侧边锚采用70 t蛙式锚。

3.3.3.2 主锚计算

主錨总拉力设计值R主=1045.3kN

江心侧边锚通过转向导缆器在前后定位船上布置绞锚系统。因此，主锚受力考虑江心侧边锚及尾锚的预拉力，预拉力大小为主锚受力的40%。

尾锚预拉力：

尾锚预拉力为主锚受力40%，1045.3×0.4=418.1kN

主锚所承受的主锚总拉力与尾锚预拉力的合力为：

R=1045.3+418.1=1463.4kN （ 149.2t）

主锚抛锚位置覆盖层以黏土为主，主锚采用150 t蛙式锚。

锚重G=（2～3）R，所需锚重G= 3R=3×149.2=447.6t

所需主锚个数N=447.6/150=3.0（个），主锚个数N=4个，单个锚受力为1463.4/4=365.9kN

3.3.3.3 尾锚计算

尾锚按主锚受力的40%，即

R尾=1045.3×0.4=418.1 （ 42.6t）。

尾锚抛锚位置覆盖层以黏土为主，尾锚采用7 t霍尔锚。

根据现场霍尔锚锚拉力试验，所需锚重

G= R尾/2=42.6/2=21.3t

所需尾锚个数N=21.3/7=3.0（个），尾锚采用4个7 t霍尔锚，单个锚受力为418.1/4=104.5kN

3.3.3.4 前拉缆计算

前定位船与钢围堰之间上下拉缆拉力Ra包括钢围堰及临时工作船只水阻力和风阻力。

Ra=Fw+Fwh+R3=855+75+50=1010 kN

上拉缆计算：

上拉缆受力计算，取下拉缆处为弯矩平衡点，上拉缆布置在距围堰顶部5.7 m位置，下拉缆布置在距围堰顶部19.3 m位置，上下2层拉缆距离L1=13.6m。

上拉缆拉力

Rs= （Fw·h1+Fwh·h2）/Hs

=（885×8.7+75×16.4）/13.6=656.6kN

上拉缆采用4根钢丝绳，每根受力为656.6/4=164kN

下拉缆采用2根钢丝绳。上下拉索共6根钢丝绳共同承受尾锚预拉力418.1 kN，每根受力418.1/6=69.7kN

则上拉缆单根受力为164+69.7=233.7kN

下拉缆计算：

下拉缆受力为1010+418.1-233.7×4=493.3kN

单根钢丝绳受力为493.3/2=246.7kN

3.3.3.5 后拉缆计算

后定位船与钢围堰之间上下拉缆拉力Rb受力与尾锚受力相同，Rb=R尾=418.1kN。

后拉缆上下两层共4根钢丝绳，单根受力考虑上下两层4根锚绳受力不均匀性，不利情况为3根锚绳受力，单根最大受力为418.1/3=139.4kN

3.4 钢围堰安装技术

3.4.1 钢围堰精确定位调整

3.4.1.1 围堰横桥向位置调整

围堰横桥向偏位通过上、下游设置的定位船上的卷扬机进行调整。通过定位船上的卷扬机收放锚缆，进行围堰位置的调整。下游侧的辅助定位船具有反拉功能，施加约40%的反拉力，保证钢围堰在调整过程中的稳定。

3.4.1.2 围堰顺桥向位置调整

围堰顺桥向偏位通过导向船利用岸侧地锚、江侧边锚进行调整，通过两侧的卷扬机收放锚缆，进行围堰位置的调整。

3.4.1.3 围堰垂直度调整

经过以上2步调整，可将围堰的顶面位置偏差控制在5 cm以内。在进行垂直度调整时，围堰的上层拉缆保持不动、调整下层拉缆，并结合隔舱注水，可将垂直度控制在1%以内。

3.4.2 钢围堰着床

围堰精确定位后，保持悬浮状态，然后同时启动水泵向每个隔舱内迅速、均匀、对称地注水，使围堰刃脚快速着床。当需要调整时，应启动水泵从围堰隔舱内向外抽水，使围堰上浮，通过收绞锚绳调整围堰的位置和垂直度，通过几次反复调整，最后使围堰着床后满足安装精度要求。

4 结语

根据该案例的应用效果，在大倾角裸岩直接安装高低异形刃脚钢围堰的技术研究，给钢围堰设计提供了更广阔的思路，同时也促进了钢围堰设计理论的发展，为国内外同类桥梁基础施工提供基础性资料和参照，对于类似环境条件下钢围堰设计具有很大的借鉴和指导意义。

参考文献

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