深水大直径超高双壁钢围堰施工关键技术

王勇 易先坤 郭星亮

1.中铁三局集团有限公司，太原 030001；2.中铁三局集团桥隧工程有限公司，成都 610000

1 工程概况

常德—益阳—长沙铁路跨沅江大桥主桥为（34+118+240+118+34）m预应力混凝土部分斜拉桥（图1），全长544.2 m。主梁采用预应力混凝土箱梁，单箱双室截面；桥塔为钢筋混凝土桥塔，矩形实体截面；斜拉索为双索面单丝涂覆环氧涂层钢绞线拉索。主墩为双肢薄壁墩，基础采用22根直径2.5 m的钻孔桩，最大桩长88 m，最大孔深128 m，最大施工水深37 m。

图1 跨沅江特大桥主桥

2 大直径圆形双壁钢围堰设计

沅江江面宽600～1 000 m，水位约30 m。主墩523#、524#施工期间处于沅江主河道内，桩基础采用圆形双壁钢围堰施工。围堰直径38.50 m，壁厚1.80 m，总高46.41 m，见图2。

图2 围堰结构示意（单位：m）

围堰由侧板、底隔舱、舱壁混凝土和封底混凝土组成。围堰侧板竖向分五节加工制造，均为双壁结构，底节围堰质量最大（687 t）。每节围堰分12个单元块，每块最大质量39 t。围堰顶高程为+35.320 m，底高程为-11.093 m。舱壁内填充水下C30混凝土，分两次浇筑，第一次浇筑2.2 m，第二次浇筑13.3 m。围堰封底混凝土采用水下C30混凝土，高度为7.0 m，分区域浇筑［1-2］。为保证封底混凝土受力满足要求，桩间距较大位置设4根辅助桩，辅助桩为直径2.5 m钻孔桩（配直径2.9 m钢护筒），桩长36.407 m［3-4］。

围堰侧板由壁板、加劲肋、隔舱板及水平环板组成，壁板采用10 mm厚钢板，加劲肋采用90 mm×8 mm角钢，角钢间距400 mm，隔舱板采用16 mm厚钢板。水平环板采用300 mm×20 mm的钢板，围堰内外两侧从上到下分别设置54道水平环板，最大间距1.0 m，最小间距0.7 m；底隔舱采用双壁+联结系结构，壁板厚6 mm，竖向加劲肋采用63 mm×6 mm角钢，水平环板采用220 mm×16 mm钢板，封板横梁采用I25b工字钢，竖梁采用488 mm×300 mm中翼缘H型钢。

3 双壁钢围堰施工关键技术

围堰分节拼装、整体下放。具体流程：施工准备→水上钻孔平台施工→钻孔桩施工→钻孔平台改造为拼装平台→双壁钢围堰吊放系统和导向系统设置→底节围堰原位拼装施工→围堰提升、拆除部分钻孔平台→围堰下放自浮→中节围堰拼装、下沉→浇筑围堰刃角、舱壁混凝土→向围堰舱壁内注水下沉→围堰内吸泥下沉至设计位置→围堰内清底、下放底隔舱封板→浇筑围堰封底混凝土→围堰内抽水施工。

3.1 围堰拼装平台搭设与底节围堰原位拼装

围堰拼装平台（图3）主要由ϕ1 000 mm×12 mm钢管桩、连接系、2HM588×300分配梁、2HN500×200分配梁、标准贝雷梁、I20b桥面横梁和10 mm厚钢桥面板组成。工厂内加工拼装垫座，钻孔桩施工完成后在钻孔平台围堰下放处平均安放12对拼装垫座（每个围堰单元块两端各设1个）。工厂加工制作的围堰单元块分块装船，水运至拼装平台附近；利用150 t履带吊吊装至拼装平台后按照设计顺序（图4）将围堰12个单元块对称拼装成整体［5］；每拼装一个单元块后安装临时撑杆，防止倾覆。围堰底口刃脚固定在垫座上，防止挤压变形。对称焊接底隔仓及连接系（⑦～⑨），整体拼装焊接完成后进行底节围堰水密试验。

图3 围堰拼装平台示意

图4 围堰拼装顺序

3.2 围堰下放系统及导向系统设置

3.2.1 下放系统设置

下放系统主要由扁担梁、分配梁、千斤顶、钢绞线、吊耳、钢锚箱、钢护筒加固件等组成，见图5。单根扁担梁采用800 mm×25 mm钢板及1 150 mm×20 mm钢板拼装成双拼工字钢，长8.4 m。围堰共设4组吊挂系统，4个下放吊点。单个吊点最大设计承受荷载3 500 kN。在每个吊点处设1台500 t液压连续千斤顶，配31根直径17.8 mm钢绞线［6］。

图5 围堰下放系统示意（单位：mm）

围堰下放前先接高围堰4根永久桩及4根辅助桩的钢护筒至设计高度，相邻两根钢护筒通过钢管联结系连接。在8根接高钢护筒上布设分配梁，分配梁上布设两根扁担梁；扁担梁靠近围堰中心侧设精轧螺纹钢后锚，另一侧上部设置两根分配梁并安装千斤顶，千斤顶通过钢绞线连接围堰壁板上的吊点［7-8］。

3.2.2 导向系统设置

导向系统由三角形导向底座和导向轮组成（图6），导向轮与钢护筒之间预留50 mm空隙，围堰下放中心位置偏离时可通过导向轮支撑在钢护筒上，并通过千斤顶顶推调节围堰平面位置。

图6 围堰导向系统（单位：mm）

围堰底节设置8个固定式导向系统，其余4个节段每层设置8个活动式导向系统。活动式导向系统随围堰下放，在被水淹没前，将其拆除安装至上一层节段。

3.3 围堰下放

3.3.1 底节围堰提升并拆除拼装平台

启动液压控制系统，顶升千斤顶。当钢围堰吊离围堰刃角的垫块0.2 m高后，停止顶升静置5 min，整个围堰由平台支承转变为吊挂系统承载，完成受力体系转换，拆除临时撑杆，继续整体提升围堰，保证各下放吊点分级同步提升。开始时每级提升高度不超过5 cm，待提升顺利后每级提升高度不超过15 cm。每提升50 cm，复核围堰四点高程，确保各吊点平均受力，共提升1.5 m［9］。

利用150 t履带吊配合氧割，拆除围堰拼装平台。由上至下拆除栏杆、拼装垫座、分配梁、拼装牛腿等。

3.3.2 底节围堰下放

将导向轮顶推至与钢护筒贴紧密实，并在下放过程中根据围堰倾斜度实时调整，确保围堰平面位置偏差符合要求。各下放吊点分级同步下放，开始每级下放高度不超过5 cm，待下放顺利后每级下放高度不超过15 cm。围堰舱壁联通孔封闭，下放至自浮，入水深度3.60 m。

3.3.3 围堰落床

首先吊挂系统钢绞线第一次收紧，使其均匀受力，精确调整底节围堰平面位置。采用汽车泵对称均匀浇筑底隔仓舱壁内6 m高混凝土并养护至设计强度。然后吊挂系统回油，下放底节围堰至自浮状态，入水深度6.44 m。最后通过千斤顶顶推导向轮使其顶紧钢护筒，进而调整围堰平面位置。

吊挂系统钢绞线再次收紧，利用150 t履带吊对称拼装接高第二节钢围堰，进行水密试验。吊挂系统回油并下放两节钢围堰至自浮状态，入水深度8.35 m。吊挂系统钢绞线第三次收紧，浇筑2.2 m高舱壁混凝土，吊挂系统回油下放两节钢围堰至自浮，入水深度12.00 m。解除吊挂系统，待舱壁混凝土达到设计要求后，围堰内注水4 m，围堰入水深度16.10 m。

按设计依次进行第三节到第五节围堰拼装下放施工，直至围堰落床。

3.4 围堰吸泥下沉

围堰落床后开始吸泥下沉，直至设计位置。在围堰内布设4套吸泥设备，采用大功率空气压缩机提供空气压力。吸泥设备主要由吸泥导管、储气罐、连接板、进水管和进水隔仓组成（图7）。

图7 吸泥设备

将压缩空气输送到水下空气储气罐，储气罐内空气通过吸泥管壁四周气孔排到吸泥管内，形成负压，进而吸泥并排出。同时进水隔仓的水在出水口处高压喷出，以松动泥沙层，增加吸泥工效。

吸泥方向由内向外，4套吸泥设备同步对称吸泥。打开围堰双壁上的侧板连通孔，保证封底施工过程中围堰内外江水连通，水位保持平衡。

围堰下沉过程中对围堰平面位置、垂直度进行实时监测，如有异变立即停止，由潜水员下水检查整个作业平面，然后作处理。围堰下放至设计高程以上1 m左右时由吸泥机进行精吸，确保围堰精确下放到设计位置［10］。

3.5 智能监控

在深水下沉过程中大直径围堰姿态受水流、风荷载等影响较大，注水时围堰内外水位差也会影响围堰的受力。

采用深水大直径超高钢围堰下沉智能化监控系统（图8），对围堰下沉全过程进行实时监控。

图8 智能化监控系统

该监控系统的主要功能包括：

1）数据自动采集、上传。在围堰顶部及控制位置预设自动采集和上传数据的传感器、测地型全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）接收机、深井液位测量仪等设备，对围堰下沉过程中的围堰姿态、壁板应力及围堰内外水位差实时无线监控。

2）数据无线传输、快速分析处理和预警。将传感器自动连续采集的各项数据实时传输至后台控制系统，通过后台处理器快速运算分析，以图表等形式实时直观展示围堰三维下沉姿态及受力状况。若围堰下沉姿态及受力偏差超出安全范围，报警机制会智能化预警。

采用智能化监控系统解决了传统人工监测频率低，数据不及时、精度较差、无法预警等问题，大大提高了深水大直径钢围堰下放监控的准确性。

4 结论

1）双壁钢围堰工厂内分块制作，现场分节拼装后整体下放，有利于围堰质量控制。

2）采用先桩后堰法施工，先搭设水上钻孔施工平台，待桩基施工完成对平台进行改造并提前安放拼装垫座，用于双壁钢围堰整体拼装，确保围堰现场整体拼装安全。

3）在永久桩及辅助桩的接高钢护筒上安设钢围堰下放系统，很好地解决了超高围堰底节下放难题；在围堰内侧设置由三角形导向底座和导向轮组成的下放导向系统，有利于围堰平面位置精度控制。

4）围堰下沉吸泥设备为围堰快速平稳下沉提供了保障。智能化监控系统对围堰姿态、壁板应力及围堰内外水位差的实时监控和反馈，解决了围堰在深水下沉过程中受水流、风荷载等因素影响导致的围堰受力过大等问题。