深水裸岩条件下钢围堰定位纠偏技术*

李勇海，项远方

(中铁四局集团第二工程有限公司，江苏 苏州 215000)

1 工程概况

涪陵乌江右线大桥是渝怀铁路涪陵—梅江段增建二线规模最大、结构最复杂的桥梁工程，桥址地处三峡大坝上游，常年有千吨级货轮通航，下游距既有渝怀铁路乌江大桥约250m。桥梁采用2×32m简支T梁+(98+192+94)m预应力混凝土连续刚构形式跨越国道G319与乌江主航道，全长460.1m。桥梁布置如图1所示。

图1 乌江右线大桥总布置

3号主墩位于乌江深水航道区，设计施工水位为173.600m，水深37m，水速为3.92m/s，基础位于乌江主河道边坡内，河床为裸岩，陡坡坡度达50°，岩层坚硬且裂隙较发育，围堰所在范围内高差达7m以上，需水下爆破围堰基槽，清渣后定位、下放钢围堰。如何在深水区内有效精确定位双壁钢围堰及纠偏垂直度是亟待解决的问题。

2 钢围堰优化设计

3号墩位于乌江水位较深处，河床地质为坚硬裸岩，且矩形承台尺寸大(14.4m×19.6m)，基础采用圆形双壁钢围堰先堰后桩的施工工艺[1]。根据承台高程和水文资料计算钢围堰高度取为38.4m，采用MIDAS/Civil 2016对钢围堰进行建模分析，3号墩施工期间钢围堰受到自重、静水压力、流水压力等荷载的共同作用，对围堰最不利工况进行计算，优化钢围堰尺寸及材料型号。经计算确定，钢围堰内径25m、外径28m、仓壁1.5m、总重1 400t。结合结构和现场起重设备起重能力要求，钢围堰在竖向设置6节，从下至上分别为第1～6节，高度分别为6.0，6.4，6.4，6.4，6.0，7.2m。依据现场水上起重工具起重能力限制在2×10t以内的技术资料，在双壁钢围堰平面上分块，将围堰设为16块，最大块重16t。围堰结构验算受力简图及计算模型分别如图2，3所示。

图2 围堰结构验算受力简图

图3 围堰结构计算模型

3 钢围堰平面定位

根据3号墩所处地形坡度达50°以上，铁锚在陡坡裸岩河床上无法起到锚碇作用，然而，锚碇系统对钢围堰的定位至关重要，经多次讨论及研究，确定采用岸边地锚、靠江侧混凝土梳齿锚的锚碇方式锚固[2]，锚碇系统布置如图4所示，采用卷扬机、5t手拉葫芦对钢围堰进行调整，观测控制网测点坐标，精确定位双壁钢围堰。

图4 锚碇系统布置

4 钢围堰定位纠偏方案比选

根据高低水位2种因素，钢围堰定位纠偏有2种方案：①方案1 拼装3节钢围堰，然后定位，采用向隔仓注水的方法调整钢围堰垂直度，再利用鼎形分布找平器连续不断地纠偏钢围堰垂直度，当垂直度满足要求后，通过抛石及砂袋将钢围堰底部垫平，然后下放钢护筒进行封底，使钢围堰及封底混凝土构成稳固施工平台，最后拼装剩余3节钢围堰。②方案2 将6节钢围堰拼接完成后，定位钢围堰，采用向隔仓注水的方法调整钢围堰垂直度，通过潜水员下水作业，将钢围堰底部通过砂袋整平，然后注水下沉，下放钢护筒对钢围堰进行封底。

近6年乌江水位随时间变化曲线如图5所示。由图5可知，水位高度月变化较大，每年5—9月为枯水期，其中6月水位高度达到最低，8月底水位约为147m，爆破河床找平区域水深约为12.3m，按拼装速度6～7d/节，3节围堰拼装所需时间约为20d，9—10月水位涨幅较大约为1m/d。因此，方案1，2钢围堰定位、下放、纠偏涉及低水位和高水位施工，水深从12m变为32m，施工环境发生巨大变化。下面对2种方案进行对比。

图5 2010—2015年乌江水文曲线

4.1 潜水员水下作业时间对比

潜水员在不同潜水深度下作业时间及减压所需时间如表1所示[7]。由表1可知，12m水深时，潜水员水下作业105min,所需减压时间2min;36m水深时潜水员水下作业45min，所需减压时间66min。根据潜水员水下作业规程要求，在低水位时，潜水员每天下水次数不受限制，可全天作业，高水位时每次只能作业1次。由于后期钢围堰刃脚堵漏及钢护筒垂直度控制需潜水员水下垫平，需长时间操作，在水深12m时，潜水员水下作业时间远大于水深36m时的作业时间，施工效率高，因此在低水位下放、定位钢围堰及钢护筒，潜水员的水下作业时间长，作业难度低，可缩短工期，经济效益高。

表1 不同潜水深度下作业时间及减压时间

4.2 钢围堰拼装、下放风险对比

钢围堰拼装完成后处于悬浮状态时，隔仓内外水头高差计算如式(1)所示：

Mg+ρgA(38.4-Δh-h1)=ρgA(38.4-h1)

(1)

式中：M为钢围堰自重；A为钢围堰隔仓面积；Δh为钢围堰悬浮时乌江水面与隔仓水面高差；h1为钢围堰顶部与乌江水面距离。

式(1)可简化为：

M-AΔh=0

(2)

从式(2)可看出，钢围堰悬浮时乌江水面与隔仓水面高差Δh和自重M成正比，2种方案下，钢围堰隔仓与乌江水面高差如表2所示。由表2可知，方案1低水位定位下放钢围堰时，钢围堰隔仓与乌江水面高差值较小，焊缝所受应力相对较小，安全风险低。

表2 钢围堰拼装悬浮状态时水头差

4.3 钢护筒定位及下放

钢护筒位置及垂直度直接关系到后期桩质量及钻孔桩施工进度，又由于钢护筒造价高，考虑经济性，采用高度为6.5m半护筒，可节约材料费100余万元，然而半护筒定位及垂直度控制是否具有可实施性与水位高低有很大关系。在低水位时，由于定位架下放前还处于水面之上，钢护筒定位可采用以往施工经验进行定位下放，操作简单；当水位较高时，由于定位架处于深水区，其准确位置很难确定，钢护筒下放位置均难以确定，准确定位困难，操作难度大。因此，在低水位时使用半护筒经济效益高。

4.4 钢围堰刃脚位置堵漏经济性对比

钢围堰定位下放后，需对刃脚位置进行堵漏，围堰外抛填碎石达到承台顶标高，高度为4m，所需方量757m3。低水位定位下放钢围堰时，钢围堰外抛石可利用河床爆破碎石，既减少爆破清渣碎石运输费，又避免了碎石运输购买；而高水位围堰外抛碎石时，石料需从隧道进行周转，但由于乌江常年水流较大，石料需采用吨袋进行装包，采用浮吊船进行抛石，抛石所需时间长达10d，由计算可知，所需吨袋及机械费用达10多万元。

从技术可行性、施工投入及工期等方面对2种方案进行对比，方案1可连续调整钢围堰垂直度，精度高，投入少；方案2施工难度大、施工工期长、资金投入大，需安排潜水员水下作业找平，人工精度差，所需工期长，且不能连续调整垂直度。故本工程宜采用方案1进行钢围堰纠偏施工。

5 钢围堰纠偏技术

5.1 河床基底整平

3号墩所处位置河床为起伏不平的无覆盖层裸岩，且岩层坚硬、裂隙较发育、坡面陡，岩面倾角>50°，为保证钢围堰安全着床及满足后期施工平台垂直度要求，基础需通过水下爆破、清渣方式对河床进行整平，最大爆破深度约10m。为了解爆破开挖前后基底标高及平整度，指导水下爆破、清渣，需测量河床地形。水下爆破后的地形测量不同于陆地地形测量，可有效选择地形特征点进行测绘[3]，因此，前期采用中海达单波束测深仪测量爆破成坑后的底面高程，生成爆破后河床地形，用以指导水下爆破及清渣，爆破清渣验收前采用SONIC 2024 & 2022 宽带多波束测深仪扫描河床断面，精确反映出河床断面起伏与标高，为后期钢围堰着床提供依据。河床断面三维扫描如图6所示。

图6 河床断面三维扫描(单位：m)

由图6可知，爆破清渣后，河床基底并不平整，呈高低起伏形态，存在超挖情况，钢围堰所处位置的圆周最大超挖约2.12m，最小超挖0.71m，因此，后期仍需对钢围堰基底进行进一步整平。为保证钢围堰垂直度及精确定位要求，采取向刃脚底部抛砂石袋措施，对钢围堰基底进行初步整平。借鉴精密仪器找平方法，结合本工程钢围堰具体情况，设计鼎形分布找平器，解决了因钢围堰基底不平整带来的倾斜问题，有效保证了钢围堰垂直度。

5.2 鼎形分布找平器工作原理

现有全站仪等精密仪器找平是通过调整3个脚点高程从而确定1个水平面，受此启发，构想在钢围堰设置鼎形分布的6处钢管，通过千斤顶液压装置，调整钢管位置标高，为钢围堰提供活动式刃脚[4-5]，调整钢围堰垂直度。

5.3 鼎形分布找平器设计

钢围堰鼎形分布找平器布置如图7所示，由反力托架、6台液压千斤顶、φ108×8钢管、导向轨道、反扣轮构成，轨道和反扣轮保证钢管垂直度及限制钢管在径向方向的位移，在后期拼装过程中，将导向轨道接长，反力托架由工字钢焊接而成，将反力托架焊接在第3节钢围堰顶部，为千斤顶提供反力，通过千斤顶施加反力，调整钢围堰高度。通过调整6个脚处的高度，调整钢围堰高度。

图7 钢围堰鼎形分布找平器布置

5.4 钢管、反力托架强度及稳定性计算

由河床断面扫描可知，河床基底处超挖最大高差为1.41m，钢围堰调整前后状态如图8所示。

图8 钢围堰调整前后状态

触底前，钢围堰处于悬浮状态，重力和浮力相等，即G=F浮，当调整鼎形分布找平器位置处钢管高程时，钢围堰重力不变，入水体积发生变化，故钢围堰浮力发生变化，其差值由鼎立分布的钢管承受。为简化计算，将浮力变化值加载至2根鼎立分布的钢管上，钢围堰鼎立分布钢管强度计算如式(3)所示：

F1=σA

F2=ρgv排

(3)

v排=π(R2-r2)ΔH/2

式中：σ为钢管屈服应力；A为钢管截面面积；R为钢围堰外壁半径；r为钢围堰内壁半径；ΔH为钢围堰倾斜高差。

令F1≥F2，代入已知数据，计算得出，鼎形分布的φ108×8钢管理论上最大可调节1.93m高差。

钢管在轴向荷载作用下正应力不超过其许用应力，在强度上保证了钢管正常工作，然而对于细长钢管轴向受压时，钢管稳定性问题是保证钢管正常工作的重要因素。由欧拉公式可知，将钢管简化为两端铰接，计算可得钢管屈服荷载为容许荷载，即590.24kN，钢管稳定性满足要求。

将千斤顶反力施加于反力托架上，检算托架强度，反力托架强度计算如图9所示。由图9可知，托架应力最大值117.7MPa，小于钢板屈服强度，因此，反力托架强度满足要求。

图9 反力托架受力分析(单位：MPa)

5.5 方案实施

钢围堰着床定位纠偏是施工中重要工序，直接影响其最终定位质量[6]，故设立钢围堰定位纠偏指挥中心。采用2台全站仪观测第3节钢围堰控制网2个测点坐标，并将观测结果及时向指挥中心通报，作为指挥中心调整的依据，指挥中心通过计算得出钢围堰偏移量，下达指令，通过地锚及靠江侧混凝土梳齿锚精确定位钢围堰着床前位置，然后启用抽水机向16个隔仓对称注水，钢围堰下沉过程中随时用仪器观测其偏位情况并及时纠正，确保其始终在准确位置下沉，当钢围堰初步下沉至指定高度时停止注水，通过鼎形分布找平器调整钢管所处位置的钢围堰标高，精确调整其垂直度，并观测、调整其水平位置，直至平面位置垂直度满足要求。当钢围堰定位及纠偏工序完成后，由潜水员下水探明底部着床情况，对底部刃脚与基底空隙用袋装水泥拌合物塞垫，确保底部着床稳固良好，然后向钢围堰外抛石，观测控制网4个点坐标，随时调整其水平位置及垂直度，最后对其进行封底。

6 结语

通过对涪陵乌江右线大桥在深水裸岩条件下钢围堰定位纠偏问题的研究，设计了鼎形分布找平器，最大可调整1.93m高差。采用鼎形分布找平器可精确调整深水裸岩河床上钢围堰垂直度，避免了传统水下作业人工找平的盲目性，具有较好的经济效益及应用价值。