陆水河特大桥主墩钢围堰设计施工与装备应用

    张琦　盛小勇　彭琳琳

    摘 要：陆水河特大桥采用（88+160+88）m变截面连续箱梁桥，基础为整体式承台+群桩形式，桥址区处于陆水河一级阶地地貌及构造剥蚀岗地地貌区，所处河段无粘土覆盖层，河床以下为砂卵石层，而设计采用埋置式承台，进入岩层约3.5m，且受下游在建船闸施工封航的影响，所有施工船舶无法抵达施工现场，无法按传统的整体吊装工艺进行钢围堰施工，施工工期紧、难度大。本文以21#主墩承台为例，对该墩钢围堰设计与施工工艺、设备选择及使用进行了详细介绍，为后续类似工程提供宝贵经验。

    关键词：陆水河特大桥；主墩钢围堰；设计与施工

    中图分类号：TV5 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2017）04-0053-04

    1 工程概况

    陆水河特大桥位于咸宁市嘉鱼县以及赤壁市，主桥墩身采用等截面六边形实体墩，基础为群桩整体式承台基础，承台尺寸14.7×14.7×4m，配9根直径为2.2m的钻孔灌注桩。

    根据桥址施工条件及施工工期要求，陆水河特大桥下构施工采用先围堰后桩施工工艺。先行施工钢围堰可为后续桩基施工、承台施工及上构施工提供一个良好的工作平台。其中主墩承台采用双壁钢围堰现场分节组拼吊装的形式进行设计与施工。

    2 桥址处自然条件

    2.1 水文、地质条件

    桥址区处于陆水河一级阶地地貌及构造剥蚀岗地地貌区，微地貌为河床、河漫滩、一级阶地、岗地。主墩承台处河床以下为砂卵石层，砂卵石层层厚为3～5m，泥面标高：17.9m。其下为强风化泥质粉砂岩，钢围堰需沉放至强风化岩层之上，砂卵石层侧摩阻力约为100kPa，详见图1。

    根据300年设计洪水频率，本桥防洪设计流量为3000m3/s，最高通航水位32.44m，最低通航水位26m，设计洪水位32.1m，测设水位25.55m，设计水流流速1.5m/s。施工桥位下游21km处正在修建一处航电枢纽，施工期间对航道进行了封闭，所有施工船舶无法抵达施工现场，钢围堰施工设备无法按传统的整体吊装施工工艺。

    3 钢围堰设计

    3.1 设计参数

    （1）设计荷载取值。设计流速：1.5m/s，封底混凝土容重：24kN/ m2，水的浮力10kN/ m2，静水压力10kPa，设计高水位： +26.5m，设计低水位：+25.5m，设计风速： 17.1m/s（7 级），护筒直径： φ2500，混凝土握裹力：135kN/m2，封底砼强度等级：C25。

    （2）结构参数取值。围堰顶标高：+28.0m，围堰底标高：+13.5m，承台顶标高：+19.8m，承台底标高：+15.8m，封底砼厚度：1.9m。钢围堰由型钢和钢板焊接而成，围堰长边为34.5m，短边16.8m，壁体厚度1m，其中刃脚高度1.3m，围堰高度14.5m，从下至上分别为7.6m、6.9m。

    3.2 钢围堰结构布置

    钢围堰由壁体、刃脚、插板和內支撑组成。壁体和刃脚主要由隔仓板、水平型钢、水平直杆、水平斜杆、竖向加劲肋、内外壁板、水平环板组成，详见图2：

    3.3 钢围堰计算

    3.3.1 计算工况

    钢围堰计算工况共五个，包含钢围堰起吊下放工况、钢围堰下沉工况、钢围堰浇注封底混凝土工况、钢围堰抽水工况以及钢围堰浇注承台工况，详见表1。

    3.3.2 计算结果

    3.3.2.1 工况一：钢围堰起吊下放和下放计算

    陆水河特大桥21#主墩承台钢围堰采用现场拼装、千斤顶下放工艺。本工况计算钢围堰第一节壁体起吊（无钢管支撑）下放时壁体以及承重架结构强度。下放时拟采用6 点吊。经计算，各构件位移及应力均满足要求。

    3.3.2.2 工况三：钢围堰封底阶段结构强度计算

    本工况计算钢围堰浇筑1.9m封底混凝土时壁体强度（取设计高水位+26.5m，夹壁内水位+21.1m）。建立钢围堰整体模型，假设在浇筑封底混凝土时，钢围堰顶口不发生位移变化，取钢围堰顶口边界条件为铰结约束。钢围堰承受自重，浮托力，静水压力，水流力，砼的侧压力，围堰夹壁外侧水对壁板静水压力。荷载布置图及有限元模型图详见图4。经计算，各构件位移及应力均满足要求。

    3.3.2.3 工况四：钢围堰抽水阶段结构强度计算

    本工况计算钢围堰抽水时结构强度（高水位+26.5m，夹壁水位+21.1m）。围堰抽水时，封底砼已达到设计强度，取封底砼与钢护筒的接触面为固结约束。钢围堰承受自重，浮托力，静水压力，水流力，围堰夹壁外侧水对壁板静水压力。

    （1）抽水时壁体结构分析

    荷载布置图及有限元模型图详见图5。

    （2）抽水时封底混凝土强度计算

    封底砼各向主应力如图6所示：

    由图6可以看出，封底砼的最大拉应力为0.636MPa，最大压应力为0.509MPa；封底砼等级取C25，其轴心抗压强度为fc= 11.9 MPa，轴心抗拉强度为ft= 1.27MPa。故采用厚度为1.9m等级为C25的封底砼能满足抽水后的封底砼抗弯强度要求。

    （3）封底混凝土与钢护筒握裹力计算

    通过计算，各节点（钢护筒）处的握裹力如表2所示：

    钢护筒所能承受最大握裹力：F =135×A =135×（π×2.5×1.9） = 2015kN。比较表格中的数据可以看出，除了节点编号为10048、10049、10050、10051 的钢护筒握裹力不满足要求外，其它钢护筒握裹力能够满足设计要求。

    对不满足握裹力要求的钢护筒在封底处焊接剪力键单根护筒共布置剪力键8根，剪力键采用L80x6的角钢，长1.5m，具体布置见图纸。增焊剪力键后的钢护筒可抗握裹力为：F' =135×A' =135×（π×2.5×1.9 + 8×0.31×1.5）= 2517kN > 2346kN。综上，经焊接剪力键后，厚度为1.9m等级为C25 的封底砼能满足抽水后的钢护筒握裹力设计要求。

    3.3.2.4 工况五：钢围堰浇注承台阶段结构强度计算

    本工况计算钢围堰在+25.50m水位浇筑承臺2.0时结构强度。钢围堰承重自重，浮托力，静水压力，水流力，砼的侧压力。荷载布置图详见图8。

    通过工况五及工况四荷载布置图可以看出，浇筑首层承台 2.0m时围堰壁体的侧压值较抽水时小（抽水时外壁板侧压值 54kPa，内壁板侧压值 53kPa；浇筑首层承台时外壁板侧压值 44kPa，内壁板侧压值 33kPa），对壁体来说是有利的。故不需再对围堰壁体结构加以计算。

    经比较，浇筑首层承台时封底砼所受载荷较抽水时小，故封底砼强度以及钢护筒所能提供的握裹力能够满足该工况下设计要求。

    4 钢围堰设备选择与施工

    4.1 钢围堰分块制作

    考虑制作方便以及吊装能力，钢围堰拟分成14节，在后场进行分节、分块制作。考虑到分块壁体需在现场分别进行组拼，分块壁体的内外壁板均需留有余量，并按照分块示意图进行编号，参见图9。

    4.2 钢围堰现场拼装

    承台钢围堰总高度14.5m，单个钢围堰最大重量约330t。考虑钢围堰重量、水文及波浪等条件，第一节钢围堰在辅助平台上（详见图9）。经设备选型，采用70t履带吊吊装，然后用千斤顶整体起吊，割除牛腿，下放入水；然后进行水上接高拼装第二节钢围堰，然后注水或辅助取土的施工工艺下沉。

    （1）首节钢围堰的拼装应首先吊装上游一侧第一分块（作为定位分块），然后依次扩散进行其它分块的吊装。定位分块吊装时倚靠靠模缓缓就位，然后吊垂线找正，并设置临时斜撑以防止倾倒。定位分块吊装定位后，吊装第二分块，在距离定位分块50mm处摆正放平。壁板分块对接完毕后按吊装顺序进行对接焊接。自下而上依次进行环板及骨架对接缝、环板与壁板角接缝、夹壁内壁板对接缝以及夹壁外壁板对接缝的施焊，环板对接缝按要求开坡口进行焊接，夹壁内板焊完后外部用φ5mm碳弧气刨清根后再行焊接。为了保证钢围堰外部安全作业，采用挂梯加吊笼的办法进行焊接及其它作业。首节围堰具体拼装顺序为14→1→2→3→4→5→13→12→11→10→9→8→6→7，具体见图9。

    （2）第一节钢围堰拼装完成后，采用千斤顶起吊，割除拼装平台后下水。进行第二节钢围堰拼装施工，为防止钢围堰在拼装过程中倾斜，第二节钢围堰采用对称拼装方式。拼装顺序为1→8→5→12→2→9→4→11→3→10→14→7→13→6，具体见图10。

    4.3 钢围堰下沉设备应用及定位

    围堰下沉选择在水流较平稳时进行，利用围堰下放系统进行下放，系统由千斤顶、精轧螺纹钢、承重架等组成。钢围堰共设置了10个吊点，保证每个吊点最大承重在20t以内。每个吊点处在承重架上布设一台50穿心千斤顶，每个千斤顶配一根Φ32mm精轧螺纹钢，详见图3。

    首节围堰拼装完毕后，将千斤顶稳定放在承重架上，使精轧螺纹钢穿入千斤顶，与挂腿连接。在开始下放前先根据各千斤顶在围堰平衡下放时的荷载进行逐一预拉作为整个系统的下放起点。然后将围堰提起5～10cm并检查围堰上悬挂系统是否正常后割除拼装悬臂梁。最后在现场总指挥统一指挥下，同时均匀操作千斤顶，使围堰在导向系统作用下徐徐入水。每次千斤顶下放行程按5cm进行控制，确保精轧螺纹受力均匀。当每个千斤顶行程达到5cm时，对下沉机构进行检查，确保安全后按千斤顶行程下放。首节围堰下水自浮后为增强刃脚刚度，需向围堰舱内浇砼C25砼。刃脚混凝土要求在2个小时内完成，对称均衡进行浇筑刃脚混凝土。同时测量观测围堰的顶面高差，通过隔舱内的混凝土量调平。围堰浇筑刃脚混凝土后，为便于第二节钢围堰接高作业，需向围堰夹壁内注水，使其继续下沉至指定标高。

    当第一节钢围堰下沉至预定高程后，临时锚固首节钢围堰，进行水上接高第二节钢围堰。钢围堰拼装完成后，进行注水下沉和吸泥辅助下沉钢围堰至设计标高。围堰底层卵石含量为50%，粒径一般为20-60mm，饱和，中密。覆盖层厚度为3～5m，经计算，围堰内取泥约2600m3。根据地质情况和以往施工经验，围堰内取泥采用空气取泥机进行取泥。为了防止吸泥时，突遇较大卵石阻碍围堰下沉，造成围堰偏斜，吸泥采用先在刃脚部门吸出一条深槽，再向围堰夹壁舱内注水入，使其下沉，边吸边沉，待围堰顺利下沉后，再进行中间取土。

    5 结语

    陆水河特大桥主墩承台由于受桥址地址条件及下游在建船闸施工封航的影响，工期紧、施工难度大。结合实际情况和施工经验，经设备选型比较和现场技术比选，采用双壁钢围堰现场分节组拼吊装的形式进行设计与施工，满足常用设备和工艺需求，施工质量、安全可控，施工工效高，可为后续类似工程提供宝贵经验。

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