沙縣府前懸索橋主墩雙壁鋼圍堰施工技術
2018-03-26
1.工程概況
沙縣新建府前懸索橋工程為獨塔雙跨連續(xù)地錨式懸索橋，跨徑組合為2x112m，橋梁全長264.18m，橋面全寬13m，主纜采用預制平行鋼絲索股，加勁梁為空間鋼桁架結(jié)構(gòu)。江中主墩索塔總高度為37.09m，為由塔柱、橫梁組成的格構(gòu)式鋼筋砼橋塔；索塔承臺采用12.43×8.5×3m整體式矩形承臺，承臺頂面設置分離式塔座；索塔基礎采用4根Φ2.0m鉆孔嵌巖樁。
2.水文地質(zhì)
新建府前懸索橋工程位于沙縣城區(qū)舊索橋下游，跨越沙溪河道，沙溪為閩江三大支流之一，受每年湍急洪水沖刷作用，沙溪河床多為無覆蓋層的裸巖河床。橋位處沙溪河水自SW向NE徑流，河面寬度約218米，水深1.5-5m，水流日常流速約0.1m/s，流量約60-100m³/s，河面常水位高程約為103.1m；受橋位上游水電站發(fā)電影響，橋位處水位落差約為1.0-1.5m；沙溪河道汛期一般為每年的5～7月份，在此期間沙溪水流速度及水位變化均較大。
橋區(qū)地處丘陵區(qū)山間河谷地帶，地形起伏較大，場地內(nèi)巖土層結(jié)構(gòu)較簡單、巖性較單一，橋區(qū)范圍無斷裂破碎帶通過。受水流沖刷影響，江中主墩處河床無覆蓋層，為裸巖河床，主墩處河床地質(zhì)巖層自上而下依次為：碎塊狀強風化粉砂巖、中風化粉砂巖。
3.雙壁鋼圍堰施工技術
江中深水主墩采用雙壁鋼圍堰施工技術進行索塔樁基和承臺的施工。雙壁鋼圍堰是封底混凝土、承臺施工的圍水結(jié)構(gòu)，同時也是主墩基礎鉆孔樁施工的工作平臺。
3.1雙壁鋼圍堰構(gòu)造設計
3.1.1設計原則
雙壁鋼圍堰的設計本著受力條件好、穩(wěn)定性強、方便施工、節(jié)約材料的原則進行設計。
3.1.2結(jié)構(gòu)形式
3.1.2.1整體結(jié)構(gòu)
根據(jù)江中主墩承臺的形狀和平面尺寸，確定主墩鋼圍堰采用長15.74m、寬12m的矩形雙壁鋼圍堰結(jié)構(gòu)。雙壁鋼圍堰內(nèi)外壁間距為0.75m，內(nèi)壁與承臺外側(cè)面設1m寬工作面。
主墩雙壁鋼圍堰結(jié)構(gòu)主要由刃腳段、雙壁加強段、堰內(nèi)支撐及連接法蘭等幾部分組成。雙壁鋼圍堰設計總高6.5m，共分為2個節(jié)段，第1節(jié)刃腳段高3m，第2節(jié)雙壁加強段高為3.5 m ，堰頂高出施工常水位2m。刃腳底面寬0.2米，刃腳角度為58.6°。主墩雙壁鋼圍堰單節(jié)共分為10個塊段，內(nèi)部共設置8個分艙?？紤]吊裝設備起重能力，塊段設計重量控制在4t以內(nèi)。雙壁鋼圍堰各節(jié)段、塊段間均采用法蘭連接，連接螺栓采用10.9級M20高強螺栓。
3.1.2.2細部構(gòu)造
雙壁鋼圍堰為空間桁架結(jié)構(gòu)。水平主桁架由[10槽鋼、∠75×8角鋼及∠63×6角鋼等型鋼焊制而成，其豎向分布間距為0.45-0.9m；豎向桁架由[10槽鋼及∠63×6等邊角鋼焊制而成，橫向分布間距為1.5m；內(nèi)外壁面板加勁肋采用[8槽鋼，環(huán)向分布間距為0.375m。
雙壁鋼圍堰塊段面板及隔艙板均采用5mm厚鋼板。為增強封底混凝土與鋼圍堰壁板的粘結(jié)力，在刃腳部分內(nèi)壁鋼板外側(cè)加焊剪力筋，剪力筋采用Φ16鋼筋制作，單根長度為0.2米，沿縱、橫向分布間距均為0.3米。
雙壁鋼圍堰節(jié)段、塊段連接法蘭均采用∠100×10mm角鋼，法蘭角鋼與壁板滿焊，法蘭連接螺栓螺距為0.2m。法蘭按編號統(tǒng)一下料加工，連接法蘭沖孔時，應保證兩對應螺栓孔位一致。法蘭與壁板焊接時，采取可靠的防焊接變形措施，確保法蘭平整度滿足連接強度及鋼圍堰密閉性的需要。
為使雙壁鋼圍堰整體穩(wěn)定性在抽水工況下滿足施工要求并保證堰內(nèi)施工安全，在承臺頂面以上1m處采用Φ325×10mm鋼管設置一道堰內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)，支撐鋼管與圍堰內(nèi)壁板間設置工字鋼枕梁，以分散壁板上局部壓應力。
圖1 主墩雙壁鋼圍堰布置示意圖
3.2雙壁鋼圍堰加工
因工程位于沙縣城區(qū)中心地帶，施工場地極其有限，無法在場地內(nèi)設置鋼結(jié)構(gòu)加工場，所以選擇當?shù)貙I(yè)鋼結(jié)構(gòu)廠進行雙壁鋼圍堰各塊段的加工。雙壁鋼圍堰按互換件和對號入座的辦法制成塊件，并在廠內(nèi)進行節(jié)段預拼，經(jīng)檢驗合格后汽運至施工現(xiàn)場，運輸途中采取必要的裝載、加固措施，避免各塊段在運輸過程中出現(xiàn)變形。
3.2.1材料選擇
鋼板選用優(yōu)質(zhì)Q235鋼，角鋼及槽鋼采用A3鋼。
3.2.2焊縫要求
壁板與主桁架之間及壁板與加勁肋間采用雙面間斷焊，焊縫最大間隔30cm。外壁板焊縫總長不小于縫隙總長的三分之一，內(nèi)壁板焊縫總長不小于縫隙總長的二分之一。主桁架的主要受力桿件接長焊縫要對齊飽滿,腹桿與主桁架間采用雙面焊，所有腹桿兩端采用兩側(cè)角焊縫，焊腳尺寸不得小于焊件厚度，焊接桿件均進行結(jié)構(gòu)校正。壁板拼接采用坡口焊接方式，并進行滲油檢驗，合格后再進行半成品組裝。
3.2.3塊段吊點
為滿足雙壁鋼圍堰塊段吊裝與拼裝需要，各塊段上均設置兩個吊點。吊點設置在各塊段頂層水平桁架的腹桿上，相應腹桿采用雙拼[10槽鋼進行加強，并與水平桁架的弦桿焊接牢靠。
3.3雙壁鋼圍堰施工
3.3.1拼裝順序
雙壁鋼圍堰拼裝順序為：先刃腳段后加強段；各節(jié)段鋼圍堰塊段拼裝時，應先拼南、北側(cè)（長邊方向）塊段，再拼上、下游（短邊方向）塊段。塊段拼裝時，應做到兩側(cè)對稱、均衡拼裝，嚴格控制懸掛支架兩側(cè)不平衡荷載，確保節(jié)段拼裝階段的施工安全。
3.3.2 塊段、節(jié)段連接
雙壁鋼圍堰各塊段間采用豎向法蘭連接，各節(jié)段間采用水平法蘭連接，連接螺栓采用10.9級M20高強螺栓,法蘭間鋪設PN-300型止水條，止水條規(guī)格為6×100mm。
為保證法蘭連接的安全可靠性及防止雙壁鋼圍堰下沉后法蘭處滲水，法蘭連接螺栓均采用加力扳手施擰至設計緊固力，同時要求止水條在相鄰塊段上的搭接長度不小于0.3m。
3.3.3刃腳段拼裝下沉
雙壁鋼圍堰刃腳段拼裝采用支架懸掛拼裝法：即先在墩位處采用鋼管樁與工字鋼梁搭設大型承重支架，再利用倒鏈將雙壁鋼圍堰各塊段懸掛在設計位置，然后采用高強螺栓進行塊段連接，在刃腳段各塊段拼裝成整體后，通過倒鏈下放至水中至首節(jié)段為自浮狀態(tài)。
3.3.3.1懸拼支架設計與施工
a.構(gòu)造設計
為滿足雙壁鋼圍堰拼裝下沉的需要，在江中主墩處搭設雙壁鋼圍堰懸掛拼裝支架。懸拼支架主要由鋼管立柱、橫橋向承重梁、順橋向承重梁、懸掛橫梁及提升倒鏈等幾個部分組成。
懸拼支架鋼管立柱采用Φ406×10mm鋼管，鋼管立柱間采用[14剪刀撐拉結(jié)，以保證鋼管立柱的整體穩(wěn)定性；順橋向承重梁采用I32a工字鋼梁，橫橋向承重梁采用I25a工字鋼梁，懸掛橫梁采用I25a工字鋼梁。
圖2 雙壁鋼圍堰刃腳段懸拼支架構(gòu)造圖
b、搭設
懸拼支架各構(gòu)件均采用停放在鋼便橋上的50t履帶吊進行搭設。支架鋼管樁采用60t液壓振動錘在設計樁位施打下沉就位，鋼管樁底部進入河床強風化粉砂巖貫入度按1m進行控制；鋼管樁頂部與縱向承重梁及各承重梁連接部分均應焊接牢靠，剪刀撐與鋼管立柱間全部采用雙面焊縫連接，以使懸拼支架的整體性滿足吊裝作業(yè)受力要求，從而保證雙壁鋼圍堰刃腳段拼裝施工安全。
3.3.3.2刃腳段下沉入水
刃腳段共計采用24個倒鏈懸掛拼裝下沉，每個塊段布置2個5t加長倒鏈；雙壁鋼圍堰塊段拼成整體節(jié)段后，在鋼圍堰四個角部加設4個10t加長倒鏈作為安全保險；吊裝倒鏈兩頭分別采用Φ21.6mm鋼絲繩與支架懸掛橫梁及雙壁鋼圍堰塊段連接。
在倒鏈懸掛機構(gòu)安全檢查合格后，采用倒鏈同步、勻速下放整節(jié)鋼圍堰，直至刃腳段下沉入水至自浮狀態(tài)。刃腳段鋼圍堰整體下放時，安排專人統(tǒng)一指揮，應保證各個倒鏈與支架承重梁受力均勻，確保吊裝安全。
3.3.3.3密閉性檢查
首節(jié)鋼圍堰下沉入水至自浮狀態(tài)后，采用分艙加抽水的方法進行鋼圍堰各分艙密閉性試驗。分艙加水前，應適當松動倒鏈，然后注水進行密閉性檢查；分艙注水時應做到對稱、均衡加水。若艙內(nèi)出現(xiàn)較為嚴重的滲、漏水現(xiàn)象，應抽干各分艙內(nèi)的水，采用倒鏈將首節(jié)鋼圍堰提升至水面以上，查明原因后進行相應防滲漏處理，待確定各分艙焊縫及法蘭連接處均無漏水現(xiàn)象后，再進行次節(jié)鋼圍堰的水中接高。
3.3.4次節(jié)鋼圍堰水中接高
首節(jié)刃腳段鋼圍堰下沉至自浮狀態(tài)后，拆除懸拼支架頂部懸掛橫梁及倒鏈，通過對鋼圍堰內(nèi)隔倉加、抽水來調(diào)整首節(jié)鋼圍堰的平衡至次節(jié)待拼狀態(tài)，然后采用50t履帶吊按序?qū)ΨQ拼裝次節(jié)雙壁加強段各塊段，各塊段采用豎向法蘭進行連接，并與刃腳段通過水平法蘭進行連接牢固。
3.3.5限位下沉
雙壁鋼圍堰下沉著床前，準確測定其在水中的實際平面位置，通過倒鏈水平牽引調(diào)整其平面位置直至符合要求，然后在懸拼支架鋼管立柱與鋼圍堰內(nèi)壁間設置工字鋼導軌限位裝置，確保雙壁鋼套箱按設計位置下沉就位。
3.3.6著床
堰內(nèi)下沉限位裝置安裝完成后，采用8臺4寸水泵向鋼圍堰的各分艙同時灌水，當圍堰刃腳底面距離河床0.5m左右時暫停注水下沉,在鋼圍堰位置復測合格后，啟動水泵向圍堰的各個分艙快速注水,使雙壁鋼圍堰快速著床。
雙壁鋼圍堰著床后，仔細觀察各分艙滲水情況，若次節(jié)雙壁加強段連接法蘭處出現(xiàn)較為嚴重的滲漏，應抽干各分艙內(nèi)注水，使其上浮至施工水位線以上以進行進行相應防滲漏處理。待確定次節(jié)雙壁鋼圍堰各分艙密閉性符合要求后，再重新注水使雙壁鋼圍堰下沉著床。
3.3.7刃腳剛性支墊與注水壓重
雙壁鋼圍堰著床后，調(diào)整其傾斜度至滿足后續(xù)施工要求后，采用短工字鋼制成的鋼板凳在刃腳底面與河床巖面的空隙中設置剛性支墊。為防止封底混凝土灌注成型前，雙壁鋼圍堰位置出現(xiàn)變動或上浮，在雙壁鋼圍堰各分艙堰間注水壓重，注水標高按超出施工常水位不小于1米控制。
3.3.8刃腳封堵
為保證封底混凝土的可靠性，采用砂袋在雙壁鋼圍堰刃腳外側(cè)進行封堵。砂袋在指定位置拋投下水后，安排潛水員下水進行堆碼，砂袋沿刃腳段外壁堆碼高度應超出封底混凝土頂面0.5m以上，以防止堰內(nèi)封底混凝土灌注時堰內(nèi)外形成的壓力差擠倒封堵砂袋。
雙壁鋼圍堰刃腳部分封堵完成后，安排潛水員下水逐段探摸檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時處理，應確保刃腳封堵的可靠性。
3.3.9堰內(nèi)清基
在堰內(nèi)裸巖河床低洼處，一般仍會存在薄砂層，必須有效清除河床上的薄砂層。采用10m3空壓機及Φ152mm無縫鋼管制成高壓風管，對圍堰內(nèi)河床按方格網(wǎng)坐標分區(qū)域逐塊吸除河床巖面上存留的薄砂層。安排潛水員下潛至堰內(nèi)巖面逐塊、逐片檢查圍堰內(nèi)清基質(zhì)量情況，檢查重點部位是圍堰韌腳底部及樁基鋼護筒周圍，應確保該部位河床細砂層及雜物清理干凈徹底，以防止樁基鉆孔中護筒底腳出現(xiàn)漏漿及保證封底混凝土與河床巖面粘結(jié)的可靠性。
堰內(nèi)清基工作尤為重要，直接關系到鋼圍堰混凝土封底施工的質(zhì)量。
3.3.10水下混凝土封底施工
對裸巖河床而言，在雙壁鋼圍堰刃腳底部進行有效封堵，封底混凝土板底將不會產(chǎn)生向上的水壓力，因此無需按有覆蓋層河床通過驗算鋼套箱在堰內(nèi)抽水工況的混凝土抗折強度及抗浮力來確定封底混凝土的強度與厚度。
3.3.10.1水下不分散混凝土
依據(jù)我單位在閩江流域多個水下工程的施工實踐經(jīng)驗，雙壁鋼圍堰良好的水下封底混凝土工作性能應滿足以下要求：
⑴混凝土強度應滿足7天達到圍堰抽水的要求；
?、扑禄炷恋目狗稚⑿阅芤蟾撸?
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?、然炷辆從龝r間應滿足灌注完成所需的時間。
本工程主墩雙壁鋼圍堰封底混凝土采用C25水下不分散混凝土，在混凝土中摻加TW-NA復合型水下不分散劑，有效提高了封底混凝土的工作性能，保證了混凝土封底施工的可靠性。封底混凝土灌注厚度取1m，高出刃腳0.2m。
3.3.10.2封底混凝土灌注施工
樁基鋼護筒安裝就位后，即可進行堰內(nèi)封底混凝土灌注施工。總體灌注順序為：依地形考慮，由低處向高處；依平面位置考慮，由外向內(nèi)、從一端向另一端推進的灌注方法。
封底混凝土采用單導管多點灌注法施工。首個灌注點位置根據(jù)鋼圍堰的平面尺寸、鉆孔樁鋼護筒阻擋情況及混凝土水下流動半徑（一般取R=4m）等因素來布置。后續(xù)灌注點應根據(jù)灌注過程中掌握的混凝土在水下實際分布數(shù)據(jù)來布置，確保水下砼能流動到堰內(nèi)每一個角落，從而保證封底效果。
水下封底混凝土灌注方法同普通水下混凝土的灌注工藝，采用內(nèi)徑Φ325mm導管及2m3容量的儲料斗，混凝土料采用機械泵泵送至儲料斗內(nèi)，料斗及導管采用50t履帶吊進行提升，導管吊放時應保持軸線順直，導管口至距巖面懸空高度控制在20cm。
混凝土灌注終結(jié)時，盡量調(diào)平混凝土表面平整度，混凝土面的最終灌注高度，應比設計標高高出不小于15cm，待混凝土強度達到設計要求強度后，再抽水鑿除表面松弱層達到設計標高。
3.3.10.3施工質(zhì)量控制要點
為確保封底施工質(zhì)量，施工過程中應注意一下幾點：
?、殴嘧Ⅻc不宜靠圍堰內(nèi)壁過近，以防止首盤封底混凝土料產(chǎn)生的沖擊力擠垮刃腳外側(cè)堆碼的砂袋。
?、泼看胃鼡Q灌注點后，必須重新進行導管封底施工。導管首批混凝土量按下式計算確定：
V�πd2h/4 ＋ (Hc/3)πD2/4
式中：V－首批混凝土所需數(shù)量，m3；
HW－導管底到水面高度，為(H0－0.4)m ；
d－ 導管內(nèi)徑，取0.3m；
D－ 首批封底混凝土形成圓錐直徑，通常取5～6m；
γW―水容重，取10KN/m3；
γc―混凝土容重,根據(jù)試驗室試驗取得，一般取24KN/m3；
H0－水面到圍堰底高度，m；
Hc―灌注首批混凝土所形成混凝土圓錐高度，一般為0.8～1.0m；
h－導管內(nèi)混凝土頂面至作堆混凝土頂?shù)母叨?，即h�HWγW/γc ，m。
?、枪嘧⑦^程中，采用測錘每隔一段時間測量下混凝土表面標高，將測量數(shù)據(jù)及時通報現(xiàn)場值班技術員，用以指導導管提升及灌注點的更換，也避免因?qū)Ч苈裰眠^淺而影響到混凝土的順利灌注。
?、蠕搰呷心_底部有效封堵后，隨著混凝土的灌注，堰內(nèi)水位會同步上升，應及時抽水，保持圍堰內(nèi)外壓力平衡，防止因壓力差過大致使封堵砂袋失穩(wěn)。
?、苫炷凉嘧B續(xù)進行，確保能夠一次灌注完成，以保證混凝土結(jié)合良好。
?、试诨炷镣瑮l件養(yǎng)護試塊強度達到設計強度后，再進行樁基施工，以防上方樁基施工產(chǎn)生的動荷載致使封底混凝土出現(xiàn)破裂，影響鋼圍堰的整體封底效果。
3.3.11封底效果
在雙壁鋼圍堰堰內(nèi)抽水至封底混凝土頂面過程中，堰壁連接部及圍堰封底混凝土表面均未見明顯滲水現(xiàn)象，證明雙壁鋼圍堰塊段連接及混凝土封底效果良好，為下步主墩承臺施工提供了良好的干作業(yè)環(huán)境。
4結(jié)語
在裸巖河床中采用支架進行首節(jié)刃腳段的懸掛拼裝，采用導軌限位下沉，有效解決了雙壁鋼圍堰節(jié)段拼裝入水、定位的施工技術難題；塊段、節(jié)段拼裝采用法蘭栓接工藝，大大加快了雙壁鋼圍堰的施工進度；在水下混凝土中摻加TW-NA復合型水下不分散劑達到改善了封底混凝土的水下工作性能要求，提高了水下混凝土封底施工的可靠度。
沙縣府前懸索橋拓寬改造工程中采用的裸巖河床雙壁鋼圍堰施工技術，相關施工工藝在類似施工環(huán)境的橋梁水下工程施工中可以借鑒并值得推廣應用。
參考文獻：
1.劉自明，王邦楣，陳開利，橋梁深水基礎，人民交通出版社，第一版.
2.周孟波，劉自明，王邦楣，懸索橋手冊，人民交通出版社，第一版.
