内河航道护岸加固水下混凝土施工工法

秦长生 刘荣忠

摘 要：苏南运河全长212km，于1992年8月开始，按照四级航道标准进行全面整治，1997年9月完工，成为全国第一条标准化文明样板航道。近年来随着货运量快速增长，船舶密度增大和船型加大，对航道的破坏力也增强，航道沿线已出现较多的淘空、坍塌、淤积现象，致使通航能力下降，难以适应航运和区域经济发展的需要。因此江苏省交通厅航道局于2009年4月从无锡段开始对苏南运河进行全面整治，以充分发挥江苏水运资源优势，满足区域经济发展的需要。

关键词：内河航道;护岸加固;混凝土;施工

1 前言

苏南运河三级航道整治工程，主要是对原有护岸的加固和重建，对淤浅的航道进行疏浚，使苏南运河航道口宽90m，底宽70m，设计水深3.2m，达到三级航道通航标准。

无锡段三级航道整治工程SQD合同段全长10.74km，主要包括：老护岸加固16.4km，航道疏浚土方54万m³。水下混凝土为护岸加固中的水下部分，它是针对苏南运河航道护岸加固的一种新的水工结构型式，如此大规模的水下混凝土施工，在水运工程史上尚属首次。以往的水下混凝土施工，不论是港口还是航道工程，规模数量都很小。本项目开展之前，为防汛抗洪要求，也曾对老护岸进行过零星的水下混凝土加固，但因工序、工艺、控制等各种原因，加固的水下混凝土存有大量孔洞等不良现象，影响了水下混凝土加固效果。为此，施工前参照规范，并邀请各方面专家，经过多次反复研究讨论，确定了本工程水下混凝土的施工工法。

2 工法特点

2.1 本工法无需进行常规围堰施工，以达到资金节约、工期缩短的目的，同时最大限度降低了航道的占用率，保证在航道正常通航情况下完成施工。

2.2 本工法参照《水运工程混凝土施工规范》（JTS 202-2011）10.4款“特殊施工条件下的水下混凝土”和《公路桥涵施工技术规范》（JTG TF50—2011）第8章“灌注水下混凝土”及第12章“地下连续墙”制定，根据内河施工特点，综合考虑，加以改进，施工流程简单便于掌握，无需特殊船舶设备，无需潜水员配合作业，仅需要操作工人熟练、认真完成各项施工工序即可。

2.3 模板采用整体式钢模板，构造简单，拆卸方便。模板加工时应调查航道内船行波的高度，制作模板时将其适当加高，在混凝土凝结前起到防浪保护作用。

2.4 水下混凝土浇筑结合内河航道施工特点，采用改进的导管法施工，同时又吸取了泵压法的部分控制措施。

2.5 水下混凝土分段一次浇筑到顶，单次浇筑方量较小，减少了混凝土拌和、运输的供应压力，确保了水下混凝土浇筑的连续。

3 适用范围

本工法适用于内河航道整治工程中的护岸加固，尤其适合于作业面狭小以及有不断航要求的重要河段施工。

4 工艺原理

水下混凝土浇筑，采用竖立的导管依靠混凝土的自重将混凝土浇筑入仓的方法，即通过导管利用混凝土的重力势能转化的动能，由始终埋入混凝土中的导管出口挤入前期灌注的混凝土内部，混凝土从导管出口缓慢挤入，向四周均匀扩散流淌，同时将前期浇筑的混凝土逐步顶托上升，形成连续致密的混凝土墙体，避免与河水相混，以达到保证水下混凝土质量的目的。

成型脱模的水下混凝土，形成了一道水下连续致密的挡水及支撑结构，由于结构紧贴原状护岸而形成一体，有效起到了加固和支护作用。

模板和混凝土浇筑是本工法的两道关键工序。

整体式大片钢模板，可以减少水下作业，提高水下安装模板的密闭程度，使模板内达到静水状态，保证入水的混凝土不受冲刷失浆。

5 施工工艺流程及操作要点

5.1 施工工艺流程

墙前清淤→施打钢筋混凝土方桩→模板安装→架设导管→浇筑水下混凝土→适度振捣水位以上的混凝土→人工抹面→拆模、养护。

5.2 操作要点

5.2.1 墙前清淤

墻前清淤是将老护岸墙前底脚的淤泥挖至设计标高，可使用抓斗式挖泥船或船载挖掘机进行施工，施工过程中要随时检查深度和宽度。

5.2.2 施打钢筋混凝土方桩

水下混凝土施工前，需先打设一排钢筋混凝土方桩，然后浇筑水下混凝土，将方桩嵌入混凝土中，增强了老护岸加固效果。

钢筋混凝土方桩规格为20cm×20cm，桩长6m。打桩前按设计桩距在老护岸上用油漆画出标记，并沿岸线拉纵向线绳，控制桩位的纵向和横向位置，采用小型柴油锤（如DD12型）打桩船根据桩位施打。

5.2.3 模板安装

水下混凝土的模板应具有足够的强度、刚度和稳定性，还应使构造简单，拆卸方便，因此，宜选用钢模板，制成整体式或装配式。

用导管法浇筑水下混凝土时，最大侧压力可按下式计算（出自《水运工程混凝土施工规范》JTS 202-2011，附录F，75页）：

据上式计算出混凝土的最大侧压力后，再综合考虑其他荷载和相关系数，据此来确定模板的支撑结构。

本工法的模板采用整体式大片钢模板，按水下混凝土的分段长度，10m一片/段（根据内河航道施工船机小的特点，模板也可5m一片，中间留一道竖直施工缝），模板在后方加工厂内制作完成。堵头侧模采用装配式，在模板支立前与主模组装成一体。模板底部做成楔形，可插入河底的土基中，提高模板底口的密闭性。板面采用5mm钢板，用10号槽钢做横、纵向围檩，模板为两种，一种是两端带堵头模板的，用于独立段水下混凝土浇注，一种是不带堵头模板的，用于间隔段浇注施工。

方桩施打完成后，采用方驳吊机将模板吊安就位，工人用绳缆拉住模板，保持位置稳定，然后紧靠模板后面的围檩竖直打入20号槽钢至河底的硬土中，根据施工经验，入土深度不宜小于1m，然后在槽钢的顶口位置加横向拉条到岸上拉紧固定模板，拉条生根于老护岸墙顶（岸壁后）;在紧靠模板板面顶口的位置加第二排横向拉条到岸壁上，拉条采用膨胀螺栓固定在岸壁上，辅助固定模板;固定模板的20号槽钢、拉条间距以0.8m～1.0m为宜，顶排拉条采用直径16mm的圆钢，第二排采用直径12mm的圆钢;若墙前土质差，墙顶固定拉条基础较薄弱，应加密固定模板的槽钢和拉条。

模板安装固定完成后，要检查模板底口及堵头的密闭性。模板底口的缝隙，需要人工探摸有无缝隙，并可用袋装混凝土封堵;堵头模板与老护岸的接缝处可用木板做闸板来封堵，闸板上贴泡沫橡胶板止浆，河内流动水不能流入模板内即可。

5.2.4 架设导管

本工法所需的混凝土宜由拌和站集中生产，需能够满足混凝土连续、充足供应的要求。施工时采用混凝土搅拌车运输，混凝土泵车将混凝土输入导管，通过导管输砼入模。导管直径一般采用300mm钢管，管壁厚度3mm，每节长1.0～2.0m，每节之间紧密联结;导管使用前须进行水密承压和接头抗拉试验，严禁用压气试压。进行水密试验的水压不应小于模板内水深1.3倍的压力，也不应小于导管壁和焊缝可能承受灌注混凝土时最大内压力p的1.3倍，p可按式（8.3.5-2）计算（出自《公路桥涵施工技术规范》JTG TF50-2011，第115-116页）：

如果混凝土浇筑总高度较小，也可以使用单根钢管做导管（曾使用过?250mm、长4m、壁厚2mm的钢导管），导管上设两个吊耳，可拴缆绳辅助人工提升导管。

5.2.5 浇筑水下混凝土

浇筑前先布设导管，导管布设的位置和间距根据浇筑范围（按每段长度10m计）和混凝土流动半径按不大于3m确定（按《水运工程混凝土施工规范》规定）。为保证水下混凝土充分结合，根据本项目实际情况，本项目采用三根导管灌注混凝土入模，流动半径为1.6～1.7m。

混凝土浇筑前，导管可通过吊耳上的绳子临时固定于临近的脚手管和槽钢上，首罐混凝土浇筑完成后解开绳子。

第一批混凝土采用漏斗灌注，混凝土运抵浇筑地点后，按照浇筑前的计算，求得首浇混凝土量，然后将不少于计算量的混凝土泵入每个漏斗中（浇筑前在导管内安放一个直径略小于导管内径的皮球或锯末球，目的是使混凝土和水在管内不混合，保证首浇混凝土能够顺利封底），开始灌注时，三个漏斗阀门同时迅速全开，让混凝土以很大的冲力瞬间落下，混凝土在导管下端形成锥体，将导管底口埋入混凝土中;首灌混凝土灌注完成后，可去掉漏斗而采用泵车直接向导管内输送混凝土灌注。

首批灌注混凝土的数量应能满足导管首次埋置深度（≥1.0m）和填充导管底部的需要，所需混凝土数量可参考公式（8.3.5-4）计算（参考《公路桥涵施工技术规范》JTG TF50-2011，第116-117页）。

其中D——断面厚度（m），砼从导管口流出形成的不是圆锥形，更接近于两个楔形，故此处按照两个楔形计算，D为厚度，0.5m。

架设导管时底口高出底面0.4m，导管埋深按不小于1.0m，水下砼浇筑宽度0.5m，长度10m/段，水位按1.7m，底标高-1.4m，混凝土重度2.4KN/m³，水重度为1KN/m³，混凝土流动半径1.7m，三根导管，

则每根导管首批混凝土量：

V=0.5*1.7*（1+0.4）*0.5*2+3.14*0.25*0.25/4*0.7=1.2 m³

浇筑混凝土过程中要严格控制导管的提升，始终要保持导管口埋入混凝土不小于1.0m，防止水从外部流入导管内。浇筑过程中要用尺杆勤测水下混凝土面上升的高度，每上升0.8～1.0m提一次导管。提升时可稍转动导管（严禁左右摇动导管），两人分别持导管扶手或辅助拉绳，均匀用力上提，禁止用力过猛，将导管拔出混凝土，影响混凝土质量。各导管灌注的混凝土表面高差不宜大于0.3m。由于模板是封闭的，模板内的水不能自流至模板外，因此在浇筑过程中，可配一台汽油离心水泵，及时将模板内的水排出。

水下混凝土应连续浇筑，不得发生中断或导管进水现象，影响混凝土质量。

5.2.6 适度振捣水位以上的混凝土

混凝土浇筑到顶面时，应略高于设计标高值5cm左右，用振捣棒将水位以上的混凝土均匀适度振捣（轻振），注意振捣棒不要伸到水位以下，以免影响混凝土质量。振捣后清除浮浆。适度振捣的目的是加强顶部混凝土密实，防止松顶，提高混凝土观感质量。

5.2.7 人工抹面

水位以上的混凝土振捣完成并清除超高部分和浮浆后，顶面采用木抹板压实拉毛抹平，抹面要进行二次压面。抹面的同时需将上部贴面混凝土结构需要的钢筋预埋到水下混凝土内。

5.2.8 拆模、养护

混凝土浇筑后达到一定强度方可拆除模板。原则上，根据气温高低，在混凝土强度能保证其表面及棱角不因拆除模板而受到破坏时拆模即可。施工时，可根据施工季节的气温变化，通过混凝土试块试验，在混凝土强度达到2.5MPa方可拆除模板，本工程水下混凝土在5～10月份施工，在浇筑后18～24小時拆模即可。拆除模板时，先小心向外拆除模板外侧支固模板的20号槽钢，然后拆除整体式大模板。拆模时要严格控制垂直向外拆除模板，避免损坏混凝土棱角。

混凝土浇筑完成后及时加以覆盖，对水位以上混凝土进行养护，结硬后砼养护可就地取材，利用河水潮湿养护，混凝土养护时间不少于10天。

6 材料与设备

6.1 混凝土

混凝土原材料：

水泥选用普通硅酸盐水泥，标号为P.O42.5;

粗骨料采用5～31.5mm碎石（最大粒径不应大于导管内径的1/4，同时不应大于40mm）;

细骨料采用级配良好的Ⅱ区中砂;

外加剂采用GL-25型高效减水剂。

6.2 设备

船机设备可综合利用，墙前清淤使用的挖泥船，也可以完成模板的吊装和拆卸。打桩船为专用船舶，另需配一艘小型驳载船装运方桩。

7 质量控制

7.1 混凝土质量控制

7.1.1 混凝土原材料质量必须符合《水运工程混凝土施工规范》（JTJ268-96）的要求，水泥宜采用普通硅酸盐水泥P.O42.5水泥，粗骨料采用5～31.5mm级配碎石，细骨料采用级配良好的中粗砂。

7.1.2 水下混凝土配合比应较陆上配置强度高40%～50%，并掺适量高效减水剂，增强和易性。坍落度控制在180mm左右，含砂率宜采用40%～50%，水灰比宜采用0.5～0.6（掺加粉煤灰时可根据试配适当降低砂率）。

7.1.3 浇筑前应检测混凝土拌和物的和易性，其坍落度宜在160～220mm之间，适于水下混凝土浇筑。高温期间，应加缓凝剂，拌合时应考虑坍落度损失。

7.2 模板组装应牢固，模板安装就位时要用缆绳辅助固定。模板安装支立支撑必须牢固，具有足够的强度、刚度和稳定性，以免模板因混凝土侧压力产生变形或跑模现象。

模板接缝应严密，堵头模板与主模拼装时接缝应夹止浆条，堵头模板与护岸老墙面之间的缝隙采用木闸板加泡沫橡胶板止浆，模板底口的缝隙宜用袋装混凝土封堵，防止漏浆，影响混凝土质量。

模板前沿线要根据老护岸的线型拉线调直、固定，支固模板的槽钢、拉条间距以0.8m为宜（应经混凝土侧压力计算和试验确定），遇软弱地基处应据情况加密，确保模板不变形或跑模。

模板安装时，前沿线应以老护岸的线形为根据，100m为一个测量单元，取其平均线控制。前沿线直线段要顺直，曲线段要圆顺。

7.3 导管提升过程中，两人要同时均匀用力，可轻轻转动导管，不能左右摇动。不能用力过猛，防止将导管拔出混凝土，水流倒灌。同时还要勤测提升高度，保证导管埋在混凝土内不小于1.0m。导管的安放间距要均匀准确，不大于3m，确保两导管间混凝土结合紧密。

7.4 水下混凝土应连续浇筑，混凝土的拌和能力、运输时间、路途情况、导管提升时间等要协调衔接，不得中断。如因故中断，其间歇时间不得超过40min，40 min内混凝土塌落度不宜小于150mm，并防止管内出空。

7.5 混凝土浇筑到顶后，必须对水位以上的混凝土进行适度振捣（轻振），清除浮浆，保证混凝土表面光滑和密实，提高混凝土观感质量。

7.6 质量标准（参照《水运工程质量检验标准》JTS257-2008及《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041—2000）“地下连续墙”质量标准）墙面应平整，外轮廓线应平顺，无突变转折现象，允许偏差应符合表7.6的规定。

8 安全措施

8.1 建立健全安全管理体系和安全管理制度，加强操作人员安全教育，提高安全意识。操作人员要熟悉本工种作业的安全操作规程。

8.2 坚持安全“三必须”、“五不准”，现场人员必须佩戴安全帽，水上作业人员要穿救生衣等。

8.3 吊机吊安模板时，应先检查机械设备和绳索的安全性和可靠性，吊机活动范围内不得站人或通行。靠在路边浇筑混凝土的混凝土泵、罐车要设置安全隔离带，前、后方设安全警示标志。现场临时用电必须有漏电保护等安全防护设施，确保安全施工。

8.4 水下模板必须具有足够的刚度、强度和稳定性，支安牢固，特别要保证固定在老驳岸上拉杆的稳固、安全、可靠。

9 环保措施

9.1 开工前，要对施工人员进行环境保护、文明施工教育，提高施工人员的环境保护意识。

9.2 工程完工后，拆除临时设施，要将现场场地（特别是残留混凝土和泥浆水）清理干净。

10 节能措施

10.1 模板和支撑材料应选择标准型号的钢材，增加循环次数，减少维修或更新。

10.2 提高作業效率，减少船机设备的无谓消耗，节约油电。

11 效益分析

采用本工法施工工艺，与围堰抽水干地施工相比，在能够保证质量、安全的前提下，该工法省去了费用高、工期长的临时围堰，简化了传统的施工工艺，加快了施工进度，缩短了施工工期，节约了建设投资。

12 结语

苏南运河无锡段航道是全国样板航道，通过本项目研究制定的水下混凝土施工工法，已成功应用，并已推广应用到苏南运河常州段航道整治工程中，取得了良好的社会效益和经济效益，为内河航道整治项目提供了可靠的技术方案和借鉴经验，具有良好的应用价值。

参考文献：

[1]《水运工程混凝土施工规范》JTS 202-2011

[2]《公路桥涵施工技术规范》JTG TF50—2011