深水大流速倾斜岩面河床不等高双壁钢围堰综合施工技术研究

姜创业

（中铁十六局集团第四工程有限公司 北京 101400）

1 引言

围堰是指在水利工程建设中，防止水土进入修建位置而修建的一种临时性结构［1-2］。双壁钢围堰是上世纪70年代修建九江长江大桥时采用的一种新型的围堰形式，其具有结构刚度较大、提供工作空间较大、工序简单以及经济适用等特点，在深水基础施工中获得普遍使用［3-6］。但是，由于双壁钢围堰作为桥梁深水基础施工的一种临时性结构，无论是在设计方面还是在施工方面均未得到足够的重视，使得双壁钢围堰施工存在较大的风险，造成了一系列的安全事故［7-9］。

因此，本文针对性研究石梯巴河特大桥12#、13#主墩基础双壁钢围堰施工，重点对深水大流速倾斜岩面河床条件下双壁钢围堰的结构设计、安全沉降以及封底混凝土结构设计与施工进行研究。

2 工程背景

2.1 工程简介

巴达铁路位于四川北部，西起乐巴铁路终点巴中车站，向东南经巴中市巴州区、平昌县，经过达州市达县、渠县，接入襄渝线，是广元至达州铁路的东段。石梯巴河特大桥全长1 462.94 m，从达县石梯镇横跨巴河，是巴达线的重点工程。该桥桥址枯水期自然水深达13 m，河水季节涨落幅度大，河床为光面砂泥岩，其主桥为（48+80+80+48）m的四跨刚构连续梁，12#、13#、14#主墩基础位于巴河水中，设计采用双壁钢围堰施工。

2.2 工程难点分析

石梯巴河特大桥主墩基础位于常年流水的巴河深水中，由于环境条件复杂，施工中存在以下难点：

（1）主墩墩位处于水深11m、流速4.76 m／s的河流中，河床冲刷厉害，围堰的尺寸、结构等需特殊设计；

（2）墩位承台处在河床倾斜面上，承台宽度范围内高差达3 m，不等高双壁钢围堰重心不在平面中心，就位控制较困难；

（3）封底混凝土局部厚度不能满足封底厚度的安全需要［10］。

2.3 整体方案设计

针对以上工程特点，采用先摸清河床地形，再确定双壁钢围堰各面的尺寸，并进行结构设计；在栈桥上设置限位架，控制钢围堰按照预定位置准确下沉、就位；通过在封底混凝土内配筋，提高混凝土抵抗水压的抗弯能力，解决混凝土封底厚度局部不足的问题［11］。

3 双壁钢围堰设计

3.1 双壁钢围堰的尺寸确定

石梯巴河特大桥12#、13#墩承台设计平面尺寸为15.8 m×19.3 m，高4 m，承台底面设计高程为244.748 m。基础由17根桩径2 m的桩基础组成，梅花形布置。河床大部基岩裸露，覆盖少量砂卵石。

以13#墩为例，测量人员测得墩位河床面高程大致在240～244 m区间。受上游电站发电放水影响，枯水期巴河常水位标高位于250～251 m区间。根据承台平面尺寸，13#墩钢围堰内空间净平面尺寸16.8 m×20.3 m，顶面高程为252 m。先根据河床标高处于241～244 m区间进行不等高钢围堰结构设计，并先加工上部结构。围堰底刃脚高程及最下部的双壁钢围堰加工尺寸须根据河床地形精确测量、综合比较后确定［12］。

在栈桥搭设完毕后，对围堰拟就位的平面位置进行精确放样。现场使用φ25钢筋加工成测量棒，用于精确测量围堰各边就位位置处的实际地形。一般沿围堰各边每1 m测量一次，将数据整理后用于确定围堰最下面一节面板的加工尺寸，使围堰就位后尽可能与河床吻合，以减少后期使用砂袋堵缺口的工作量。

3.2 双壁钢围堰的结构设计

根据大桥施工图结构布置情况以及墩位处水文地质情况，双壁钢围堰的结构方案为：围堰面板采用壁厚6 mm的钢板，10工字钢作为竖肋，∠100×100×8 mm等边角钢作为横肋，∠75×75×6 mm等边角钢作为腹杆形成空间框架结构，整个围堰分为3节制作。单节分为14块，其中1#块10件，2#块4件。块件间采用δ10 mm厚连接板焊接连接。钢围堰平面外尺寸设计为18.8 m×22.3 m，围堰内外壁间距为1 m，内壁承台边线最小距离为50 cm。结构如图1～图3所示。

图1 双壁钢围堰平面布置

图2 双壁钢围堰1#块结构

图3 双壁钢围堰2#块结构

3.3 双壁钢围堰的结构验算

由于13#墩承台底标高较12#墩低，因此这里以13#墩钢围堰结构最不利工况为例进行结构力学计算。

3.3.1 有限元模型建立

采用Midas-Civil有限元分析软件对钢围堰进行力学模型建模，竖肋及横肋按量单元考虑，并进行力学分析。横竖肋交点按分离式节点设置，交叉节点间采用刚度较大的弹性连接。弹性连接类型考虑两节点间相对位移接近完全约束。不考虑横肋竖肋间相互传递力矩。腹杆按桁架单元考虑，即忽略腹杆杆端焊接对力矩的传递。壁板按板单元考虑。壁板与竖肋间连接视为节点刚接。边界条件设置：围堰刃脚底面节点仅约束竖向位移自由度，封底混凝土顶面的围堰内壁板节点约束水平方向的两个位移自由度。由于围堰结构关于承台纵横轴线对称，故模型可简化为实际结构的1／4进行分析即可。对称轴位置设置相应轴向位移自由度约束及三轴扭转自由度约束。

验算最不利工况：堰内水抽空，堰外水位达到252 m高程时围堰漫顶前最大水压力作用下围堰受力工况。电算模型如图4所示。

3.3.2 计算结果分析

（1）横肋、竖肋-梁单元应力水平分析

横肋竖肋最大应力为σmax＝162.7 MPa，出现在第二层角支撑的支点位置，如图5所示。但作为临时结构，相对于永久结构其容许应力［σ］可适当增大，通常控制在1.3［σ］＝1.3×140＝182 MPa。因此 σmax＝162.7 MPa＜［σ］＝182 MPa。结构安全。

图4 三维模型

图5 横肋、竖肋-梁单元应力水平示意

（2）腹杆-桁架单元应力水平分析

腹杆应力最大为σmax＝162.37 MPa，同样出现在第二层角支撑的支点位置，σmax＜［σ］＝182 MPa，结构安全。应力云图如图6所示。

（3）面板-板单元应力分步情况分析

面板应力云图如图7所示，显示最大应力仅为σmax＝40 MPa，远小于［σ］＝140 MPa，结构满足受力要求。

图7 面板-板单元应力水平示意

图6 腹杆-桁架单元应力水平示意

（4）围堰变形分析

围堰在最不利工况下，最大变形发生在横桥向下层支撑与封底砼之间结构对称轴附近。最大位移为5.04 mm，变形量较小，满足施工要求。变形云图如图8所示。

根据上述电算结果可认为当水位超过252 m高程，且尚未漫顶之前，结构安全可靠。

图8 钢围堰变形情况示意

4 双壁钢围堰安装就位技术

4.1 设置钢围堰就位限位架

限位架的设置可为钢围堰的面板组建提供施工平台，可引导钢围堰平稳、准确就位，如图9所示。依托栈桥，对钢围堰就位的平面位置进行精确放样，使用 45工字钢加工钢围堰就位限位架。围堰靠栈桥侧，限位架设置1层；无栈桥侧，设置2层。

4.2 面板拼装、下沉、就位

钢围堰依托施工平台、栈桥及限位架进行组拼，拼装前先在施工平台、栈桥及限位架上画出钢围堰底层的安装位置。拼装时先将设计靠近栈桥的面板组件沿着限位架缓慢放入水中并固定，然后依次沿着限位架拼装左右两边的面板组件，最后拼装无栈桥及平台的那一面的面板组件。接口对接完整后，先对浮在水上的那一截进行满焊。露在水上的那截满焊完毕后，用2台70 t的履带吊将首节围堰提出水面，工人对之前在水里的那部分进行满焊连接，完成第一节拼接（见图 10）。

图9 钢围堰就位导向架

图10 钢围堰拼装

首节钢围堰锁定后，采用调整钢围堰隔舱内的注水量的方式，调平围堰，同时使围堰下沉到设计位置，使其处于待拼次节围堰的状态。由吊车起吊面板组件与首节进行焊接，拼装完成后均匀下沉，逐节拼装，直至完成。

钢围堰着床是钢围堰施工中最重要的工序之一，钢围堰着床后的位置和倾斜率对后续钢围堰的下沉质量有着重要的影响。为了保证钢围堰下沉质量，使其沿着限位架均匀下沉，现场通过调整钢围堰隔舱内的灌水量，通过导链牵引，将围堰调整到预定位置，最后均匀加水，使其匀速下沉。

5 双壁钢围堰混凝土封底技术

5.1 钢围堰封底存在的问题

钢围堰下沉确认合格后，即可进行清基工作。清基到位后，放置钢护筒，钢护筒放好后则可进行水下混凝土封底。初测时，河床标高仅比承台底标高低0.5 m，经过清基后，最高河床标高比承台低0.79 m，即按此标高进行封底，封底混凝土最薄处的厚度仅0.79 m，不能满足封底混凝土的厚度要求（见表1）。

表1 实测河床底标高及封底混凝土厚度m

5.2 双壁钢围堰封底薄弱区域结构加强方案

通过现场实测数据可知，封底混凝土平均厚度为2.24 m，整体满足安全需要。但 1#、4#、8#、11#、15#、18#、19#、20#等测点封底混凝土厚度不足，围堰抽水后易被水压挤裂，导致封底失败。

为消除安全隐患，工程中按照桩基约束模型，受桩基钢护筒对封底混凝土的约束力影响，桩基数量越多，抗浮能力越强。取左边第一排两根桩以内范围进行分析（如图11加粗部分），顺线路长度3.2 m，横向宽度20.3 m，封底厚度取实测最小值0.79 m，约束桩为2根。

图11 桩基布置示意

通过对薄弱区域桩基约束力、抗浮力及配筋面积计算，布置27根间距60 cm的 18工字钢，深入超厚的封底混凝土区域，使薄弱区与超厚区域的封底混凝土共同受力（见图12）。同时在工字钢下面布置30 cm×30 cm的φ25钢筋网片，使薄弱区域的封底混凝土受力均匀。

5.3 双壁钢围堰封底混凝土施工技术

在浇筑封底混凝土前，先利用钢护筒导向装置，安装钻孔桩钢护筒。为防止在倾斜河床岩面上灌注封底混凝土时钢护筒被挤偏，提前向钢护筒内填筑钻孔造浆黏土，高度以2～3 m为宜。同时检查钢围堰刃脚着床情况，用砂袋堵住空隙。

图12 薄弱区域配筋布置

采用泵送导管进行封底混凝土浇筑。现场采用6套导管，从深处向浅处，由河流下游向上游灌注混凝土。

在水下混凝土浇筑过程中，应及时检测混凝土标高，现场技术人员应根据实测数据，调整混凝土浇筑速度，使得混凝土均匀上升，避免因导管埋置较浅而导致导管悬空。浇筑结束时，整理混凝土表面平整度。在实际施工过程中应准备多套导管提升装置，防止混凝土堵管。同时封底混凝土应采用分层浇筑，在浇筑最下面两层时，每层浇筑高度不宜超过1 m，顶面1.5～2 m一次灌注到位。

现场技术员须做好测量工作，包括灌注标高、围堰和栈桥位移等。围堰和栈桥位移观测采用测线直观观测和布点全站仪观测进行双控。在栈桥及工作平台上，即临钢围堰的3个侧面方向，各布置4个观测点，同时在钢围堰上相同位置对应布置12个观测点，使用全站仪观测，量测位移大小与其对应的工程措施如表2所示。

表2 围堰位移大小与其对应工程措施

封底混凝土完成后，搭设桩基钻孔平台，待混凝土完成7 d，即可进行正常钻孔桩施工。

6 结束语

在石梯巴河特大桥水中墩基础施工中，采用不等高双壁钢围堰技术，解决了深水大流速倾斜岩面基础施工的难题，同时为保证围堰封底安全，采用桩基约束模型，加强了封底混凝土薄弱区域。现该桥墩承台已施工完成，施工质量优良，证明了有关技术的安全可靠性，主要取得的经济社会效益如下：

（1）石梯巴河特大桥施工中，钢围堰采用不等高设计，节约钢材约40 t，节约投资约32万元。

（2）以桩基约束模型为理论依据，加强封底混凝土薄弱区域，与传统水下爆破方案相比，可减少挖机、钻孔船等大量设备的投入，避免了清底工作，缩短了工期，降低了造价。

（3）采用该技术施工，施工质量优良，各项指标均满足设计要求，加快了施工进度，确保了业主节点目标的实现，受到了建设、监理单位的充分肯定，取得了良好的社会效益。