港珠澳大橋淺水區(qū)非通航孔橋梁基礎(chǔ)圍堰施工技術(shù)
2017-04-10
1 工程概況
1.1 工程簡介
港珠澳大橋是連接珠海、香港、澳門兩岸三地的特大型公路橋梁。大橋全長約50km，建成后將成為世界最長的跨海大橋。CB05標段淺水區(qū)非通航孔橋共62個橋墩，基礎(chǔ)采用6根φ2.0m鋼管復合樁；預制承臺尺寸為（15.6×11.4×4.5）m（橫橋向×縱橋向×承臺厚度），C45混凝土，承臺頂埋入海床面，底節(jié)墩身與承臺一起預制，其最大重量為2350t。墩高19.143～42.974m，淺水區(qū)非通航孔橋梁典型下部結(jié)構(gòu)見圖1。
1.2地形與地質(zhì)
港珠澳大橋位于伶仃洋水域。CB05標段里程為K29+273 ～K35+890，地面較平坦，地面高程一般在-4.0～-6.2m。橋址區(qū)圍堰入土深度所在范圍內(nèi)的地質(zhì)為新全新統(tǒng)海相沉積物（淤泥質(zhì)）和晚更新統(tǒng)海河交互相黏性土夾砂層。
1.3 水文及氣象
水中區(qū)段位于里程K29+237～K35+605段，高潮時水深5.0～7.0m，低潮時水深3.5～5.5m。橋區(qū)潮汐屬不規(guī)則半日潮混合潮型，20年一遇極高潮位+2.97m，極低潮位-1.35m，水域水流主要為潮流，風生流、波流對水流也有影響。橋位區(qū)域?qū)倌蟻啛釒ШＱ笮约撅L氣候區(qū)，溫暖潮濕、氣溫年較差不大，降水量多且強度大；橋位區(qū)處于熱帶氣旋路徑上，受熱帶氣旋的影響十分頻繁。
2 淺水區(qū)非通航孔橋梁下部結(jié)構(gòu)施工方案
淺水區(qū)非通航孔橋梁下部結(jié)構(gòu)施工采用大型浮吊定位插打鋼管復合樁，之后在鋼管復合樁上安裝整體式鉆孔平臺，以CJ-25型沖擊鉆成孔，灌注水下混凝土形成鋼管復合樁；以鋼管復合樁為導向，整體吊裝雙壁鋼圍堰并下放至海床上，吸泥下沉至設(shè)計高程，水下封底，堰內(nèi)抽水，以大型吊船安裝預制承臺；在承臺預留孔中澆筑混凝土，將承臺與鋼管復合樁連接成整體；繼續(xù)吊裝中節(jié)預制墩身和墩帽，澆筑濕接縫混凝土，完成橋梁下部結(jié)構(gòu)的施工。預制結(jié)構(gòu)分三部分：承臺及底節(jié)墩身、中節(jié)墩身、墩帽，見圖2。
3 無內(nèi)支撐雙壁鋼套箱圍堰的設(shè)計
圍堰結(jié)構(gòu)為本工程橋梁下部結(jié)構(gòu)施工的關(guān)鍵工藝裝備，需要滿足如下功能：為預制承臺的安裝提供無水空間；抵御波浪沖擊等外作用力，保證承臺預留孔內(nèi)現(xiàn)澆混凝土的質(zhì)量不受影響；抵御臺風，保障施工安全。同時，本圍堰的設(shè)計也受到諸多限制，主要有：預制承臺的平面尺寸和雙體浮吊間的開檔尺寸，限制了圍堰的輪廓尺寸及壁板厚度；負責安裝圍堰的吊船的起重能力限制了圍堰的總重；海上施工特殊環(huán)境要求圍堰拆裝方便、能多次周轉(zhuǎn)使用，且能為預制承臺的安裝提供最大便利。為滿足以上要求，經(jīng)過深入研究，提出了無內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)的雙壁鋼套箱圍堰方案。
3.1 圍堰壁板
圍堰為雙壁鎖口鋼套箱結(jié)構(gòu)[1] [2]，壁板厚0.75m，高23.2m，平面上分為8塊，各分塊之間采用榫頭鎖口與螺栓組合方式連接，見圖3。為方便預制承臺的吊裝，圍堰內(nèi)不設(shè)內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)。設(shè)計水位為+2.00m，封底混凝土厚為3.5m，采用水下C35混凝土。
圍堰壁板：壁板為雙壁結(jié)構(gòu)，內(nèi)外壁厚度均為16mm，Q345B結(jié)構(gòu)鋼，局部采用20mm厚鋼板，內(nèi)外壁橫向采用等邊角鋼加勁。
水平環(huán)板及豎隔板：均采用16mm鋼板，Q345B結(jié)構(gòu)鋼；豎隔板通長布置，水平環(huán)板開長圓形進人孔。
圍堰接縫裝置：采用鎖口與螺栓組合的連接方式，其中鎖口連接沿圍堰高度方向通長布置，螺栓僅在頂部5.2m范圍內(nèi)布置。鎖口中間設(shè)置止水水囊或砂袋。
圍堰下沉導向支架：為雙層整體式導向結(jié)構(gòu)，附著在鋼管復合樁上。
3.2 圍堰壁板的分塊與連接
圍堰壁板在平面上分為8塊，相鄰壁板間采用鎖口與螺栓組合連接，鎖口結(jié)構(gòu)上下貫通設(shè)置，壁板頂部5.2m高度范圍內(nèi)設(shè)置螺栓連接，以傳遞豎向剪力。
壁板平面分塊原則：壁板間的接縫布置在圍堰橫向彎矩相對較小處，并綜合考慮方便安裝與拆除。
圍堰在平面上共分為8塊，見圖4。其中K1＼K3＼K5＼K7為直線型壁板，K2＼K4＼K6＼K8為L型弧面壁板。
壁板間的連接見圖5。榫頭式鎖口結(jié)構(gòu)可以傳遞垂直于壁板面的剪力，頂部的連接螺栓則可傳遞平行于壁板面方向的剪力。榫頭的前端設(shè)置止水鎖口，并留有用以填充止水膠囊或砂袋的空隙。
3.3 新型圍堰的特點
圍堰最顯著的特點在于圍堰內(nèi)不設(shè)置任何支撐結(jié)構(gòu)，從而大大提高了預制承臺安裝的效率。榫頭+螺栓的連接方式保證了壁板間可以傳遞面內(nèi)、面外剪力，還可傳遞拉力、壓力等，但圍堰壁板間存在少量縫隙，可以發(fā)生微量相對轉(zhuǎn)動（約1°），因而將接縫視為鉸接。圍堰壁板的新型接縫結(jié)構(gòu)為取消內(nèi)支撐提供了可能，并保障了無內(nèi)撐圍堰結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和承載要求。
圍堰單塊壁板的剛度、尺寸、重量均很大，這是圍堰受力的要求，但加大了圍堰的安裝拆除難度。
圍堰止水是采用豎向連續(xù)的鎖口，通過設(shè)置水囊或者灌注砂袋來阻斷水流路徑。
4 圍堰快速施工
4.1 總體部署
圍堰的快速施工是海上預制基礎(chǔ)快速安裝的前提。圍堰的首次拼裝采用墩位處逐塊散拼方案，此后周轉(zhuǎn)使用時采用吊船整體吊裝方案；圍堰的首次下沉采用逐塊插打到位，周轉(zhuǎn)使用時采用吸泥整體下沉方案；圍堰的拆除均采用整體拆除方案。
圍堰的安裝和拆除均采用海上大型吊船。 4.2 圍堰拼裝
圍堰在工廠制造，預拼合格后將拆分為單元塊運至墩位處。在復合樁上設(shè)置雙層整體式導向架，利用浮吊逐塊將圍堰壁板吊裝到位，在自重作用下，圍堰壁板沿導向架下沉，插入海床一定深度，直至8塊壁板安裝完畢，合攏后形成整體。見圖6。周轉(zhuǎn)使用時，采用大型吊船將圍堰整體吊起，套入鋼管復合樁上的導向架，調(diào)節(jié)圍堰的平面位置與垂直度，利用自重下放圍堰至海床上。見圖7。
4.3 圍堰下沉就位、清基
圍堰下沉方案有二，其一是逐塊壁板插打下沉就位，其二是整體吸泥下沉就位。方案一采用兩臺APE400型振動打樁錘并聯(lián)插打；方案二采用兩臺φ273吸泥機吸泥機。吸泥過程中經(jīng)常搖蕩管身和移動位置，以增強吸泥效果。吸泥管口距離泥面15～50cm。
清基采用2臺135mm砂石泵，自圍堰中中央向周邊，按照一定坡度吸出圍堰內(nèi)壁范圍內(nèi)的泥砂。清基完成后，在圍堰鎖口內(nèi)安裝水囊或者灌注砂漿，封閉鎖口縫隙，達到止水效果。清底時，注意保持圍堰內(nèi)外水位一致，必要時采用水泵補水，防止翻砂。
4.4圍堰封底
封底前由潛水工認真清理鋼管樁外壁及圍堰內(nèi)壁，去除其其表面附著的泥土。封底混凝土灌注采用垂直導管多點同時水下灌注，水下封底混凝土灌注的順序遵循先中間鍋底后四周、對稱均衡的原則。
封底混凝土施工過程中要通過對封底混凝土方量與封底頂面標高這兩個參數(shù)進行控制。要保證其兩個參數(shù)的相互關(guān)系正確，以保證封底混凝土頂面標高達到設(shè)計要求，封底頂面最高點不得超過設(shè)計標高300mm。
封底混凝土強度達到設(shè)計要求前，鋼圍堰不得受到?jīng)_擊、干擾和承受額外荷載，以免影響混凝土強度增長，確?；炷恋膹姸取⒄w性和水密性。
4.5 圍堰拔除及周轉(zhuǎn)
承臺墩身安裝完畢后，往圍堰內(nèi)注水，拆除圍堰連接螺栓，利用振動錘使圍堰與封底混凝土脫離，利用浮吊逐塊拔起圍堰一定高度，再將圍堰連成整體并利用浮吊整體起吊圍堰。吊離承臺后對圍堰進行檢查修復后投入下一個施工墩位。
4.6圍堰快速施工技術(shù)措施
為加快圍堰施工速度，提高安裝質(zhì)量，施工過程中采用了如下優(yōu)化技術(shù)措施：
（1）在圍堰下放前，對圍堰安裝位置的海床進行預抓泥處理，嚴格控制抓泥范圍不超過圍堰內(nèi)邊緣尺寸，確保圍堰下放區(qū)域不出現(xiàn)空洞并減少摩阻力。
?。?）圍堰整體下放，一次性安裝至設(shè)計高程，提高安裝效率。
?。?）圍堰內(nèi)吸泥、清基工作應(yīng)盡可能減少對海床基底原狀土的擾動，確保封底前淤泥處于相對粘性板結(jié)狀態(tài)。
?。?）封底前在底層敷設(shè)一定厚度的細砂，確保封底混凝土質(zhì)量。
4.7 圍堰抵御臺風技術(shù)措施
臺風期進行圍堰施工時，密切關(guān)注天氣變化，避開臺風來襲時的大型吊裝作業(yè)。同時，為確保圍堰在臺風期不受浪涌破壞，提前將圍堰內(nèi)部及雙壁隔艙內(nèi)灌水，保持圍堰內(nèi)外水頭一致，確保圍堰穩(wěn)定。
5 結(jié)語
港珠澳大橋非通航孔橋梁圍堰施工是本工程最為關(guān)鍵的工序之一。新型無內(nèi)支撐圍堰結(jié)構(gòu)的設(shè)計和使用，大大提高了海上施工的效率，為海洋淺水區(qū)橋梁基礎(chǔ)快速化施工開辟了新方法，可資同類工程參考借鑒。由于海床地質(zhì)情況極其復雜，加大了圍堰施工的難度。通過對圍堰施工工藝的改進，為港珠澳大橋基礎(chǔ)施工高效、快速地完成奠定了基礎(chǔ)。
參考文獻（References）：
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