鋼圍堰施工工藝淺析
本文根據(jù)橋梁深水基礎(chǔ)雙壁鋼圍堰施工，淺析鋼圍堰施工工藝，探討合理的圍堰施工方案。
關(guān)鍵詞：深水基礎(chǔ)，雙壁鋼圍堰，施工工藝
一、鋼圍堰施工工藝簡(jiǎn)介
雙壁鋼圍堰主要由井壁、隔艙、刃腳、頂部支座和一些其他配置組成，其主要施工工序?yàn)?在拼裝船上拼裝雙壁鋼圍堰、浮運(yùn)、起吊下沉、鋼圍堰接高、并在鋼殼內(nèi)灌水、澆筑承臺(tái)及墩身、拆除上部鋼圍堰。
深水基礎(chǔ)施工方案主要取決于當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件。從施工方面看，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)的施工有分為先下鋼圍堰后成樁和先成樁后下鋼圍堰兩種施工方案。
(一)先下鋼圍堰后施工鉆孔方案
先下鋼圍堰后施工鉆孔樁方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1、鋼護(hù)筒厚度及長(zhǎng)度減少易于準(zhǔn)確定位；
2、節(jié)省鉆孔平臺(tái)鋼管樁鋼材也可節(jié)省加工焊接及施工樁的的費(fèi)用；
3、節(jié)省鉆孔平臺(tái)的穩(wěn)定措施費(fèi)。
若無(wú)覆蓋層或覆蓋層很淺時(shí)宜采用先下鋼圍堰后施工鉆孔樁方案。
(二)先成樁后施工鋼圍堰方案
先成樁后施工鋼圍堰具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1、施工快，從施工鉆孔平臺(tái)鋼管樁、架設(shè)平臺(tái)至開(kāi)鉆時(shí)間短；
2、可降低鋼圍堰高度，節(jié)省工期，降低造價(jià)；減少雙壁鋼圍堰夾壁混凝土量；
3、避免巖面高低不平時(shí)，鋼圍堰不規(guī)律的高低刃腳著巖難度；
4、清除鉆渣難度減少；
5、封底混凝土量可減少。
因此，先成樁后施工鋼圍堰方案常被用于覆蓋層較厚，且覆蓋層較軟、承載能力較小，工期和造價(jià)有要求的工程中。
二、圍堰施工工藝淺析
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為便于施工，“鋼堰”制作時(shí)在平面上分塊和高度上分節(jié)。分塊時(shí)力求等分和對(duì)稱；分節(jié)高度則以制作、接高的起重能力而定，在條件允許時(shí)，節(jié)段越次數(shù)和水平焊縫的現(xiàn)場(chǎng)焊接量。
分塊是“鋼堰”制作的第一道工序，也是施工質(zhì)量的首道關(guān)口。為使塊體幾何尺寸準(zhǔn)確和具有互換性，應(yīng)在特制的胎架上進(jìn)行組裝。為保證焊縫質(zhì)量和水密性，力求平焊，盡量減少仰焊和立焊。制作時(shí)應(yīng)選擇具有塊體翻轉(zhuǎn)技術(shù)措施和起重能力的專業(yè)廠家加工。
塊體運(yùn)輸一般都用船運(yùn)，因其體積大，陸運(yùn)有諸多不便。運(yùn)輸堆放時(shí)，要存放均勻，綁扎牢固，確保運(yùn)輸過(guò)程的安全。
首節(jié)“鋼堰”的組拼是施工中的重要環(huán)節(jié)，它對(duì)施工進(jìn)度和施工投人有舉足輕重的作用。組拼方法與施工單位的設(shè)備、水上起重能力和習(xí)慣作法有關(guān)。常用的組拼方法有：
1、在墩位附近岸側(cè)設(shè)浮式拼裝平臺(tái)拼裝成節(jié)，起重船整節(jié)起吊就位；
2、在兩導(dǎo)向船間設(shè)浮式平臺(tái)，用導(dǎo)向船上的起重設(shè)備起吊塊體拼裝成節(jié)，在導(dǎo)向船上設(shè)吊架吊起，退出浮式平臺(tái)下放就位；
3、在兩導(dǎo)向船間架設(shè)臨時(shí)拼裝平臺(tái)，用導(dǎo)向船上的起重設(shè)備起吊塊體拼裝成節(jié)，在導(dǎo)向船上設(shè)吊架吊起，拆除臨時(shí)拼裝平臺(tái)，下放就位；
4、在墩附近岸側(cè)修建簡(jiǎn)易滑道，在滑道上拼裝成節(jié)后下滑人水，拖運(yùn)至導(dǎo)向船組就位。
（二）雙壁鋼圍堰的錨碇系統(tǒng)布置
根據(jù)施工水域水文條件和通航要求，圍堰錨碇系統(tǒng)可以采取靈活多變的布置方式。錨固設(shè)備包括定位船、導(dǎo)向船、錨、錨纜和錨纜受力調(diào)節(jié)設(shè)備。一般情況下，如果水流是單流向的，可以只在上游設(shè)置定位船，并同時(shí)設(shè)置導(dǎo)向船；如果施工區(qū)域受潮汐等因素影響，水流速度、方向時(shí)而發(fā)生變化，應(yīng)同時(shí)在上下游設(shè)置定位船。定位船的作用是抵抗圍堰所承受的水流力，導(dǎo)向船的作用則是用來(lái)穩(wěn)定和調(diào)整鋼圍堰。導(dǎo)向船和定位船自身應(yīng)有較強(qiáng)的穩(wěn)定性及調(diào)解能力，以抵抗圍堰所受的外力。如果在圍堰的一側(cè)設(shè)置導(dǎo)向船，則應(yīng)在圍堰另一側(cè)設(shè)置拉纜，保持圍堰的平衡與穩(wěn)定。武漢軍山長(zhǎng)江大橋錨碇系統(tǒng)布置即采用這種形式。如果上下游均設(shè)景定位船，可以不設(shè)導(dǎo)向船，但需在圍堰左右兩側(cè)設(shè)置邊錨以保持圍堰的穩(wěn)定與平衡。
“鋼堰”在深水施工中，由于體積大、沉放時(shí)間長(zhǎng)，本身的定位及穩(wěn)定主要依靠錨錠系統(tǒng)承擔(dān)。“鋼堰”錨旋系統(tǒng)，由錨纜設(shè)施、定位船、導(dǎo)向船組三大部份組成，其布置與施工區(qū)的流向、流速和河床表層土質(zhì)有關(guān)。確保施工期鋼圍堰的安全，是錨錠系統(tǒng)布置的首要出發(fā)點(diǎn)和歸宿。
（三）圍堰接高
“鋼堰”首節(jié)就位后，就以自身的浮力形成接高平臺(tái)。
接高的方法有：
1、利用起重船將成節(jié)“鋼堰”吊入接高；
2、以首節(jié)為拼裝平臺(tái)、利用導(dǎo)向船上的起重設(shè)備將分塊吊人組拼接高；
3、以首節(jié)為拼裝平臺(tái)，現(xiàn)場(chǎng)拼焊成節(jié)接高。
三種方法中，方法是先進(jìn)的施工工藝，接高時(shí)節(jié)間僅一條水平焊縫，節(jié)段工期短，焊接質(zhì)量有保證，惟一的缺點(diǎn)就是需要大型水上起重船；是國(guó)內(nèi)橋梁主墩“鋼堰”施工的常用工藝，它可以充分利用導(dǎo)向船上的桅桿吊、起重機(jī)吊拼塊體，具有較合理的綜合效益；方法(3)是過(guò)時(shí)的施工工藝，施工質(zhì)量與施工進(jìn)度都不能與現(xiàn)代化建設(shè)形勢(shì)相適應(yīng)，惟一可取之處，就是設(shè)備簡(jiǎn)單，施工投人少。
節(jié)段接高過(guò)程中要對(duì)“鋼堰”夾壁內(nèi)灌注素混凝土加重，調(diào)整節(jié)段水平焊縫距操作平臺(tái)的高度在1.5m左右，以便施焊人員操作。還要根據(jù)水流與接高情況，及時(shí)安設(shè)下兜纜，控制“鋼堰”的垂直度。
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“鋼堰”的著床與下沉是極其重要的施工環(huán)節(jié)，必須在施工組織設(shè)計(jì)中對(duì)不同地質(zhì)條件進(jìn)行穩(wěn)定與下沉系數(shù)的驗(yàn)算，并據(jù)以采取相應(yīng)的預(yù)挖措施，以免貽誤工期。
當(dāng)“鋼堰”著床于砂、土層時(shí)，應(yīng)根據(jù)要求的下沉深度計(jì)算下沉系數(shù)。首先對(duì)“鋼堰”夾壁內(nèi)采用加水、加砂等低成本及加入與排出簡(jiǎn)易的材料的助沉措施驗(yàn)算其下沉系數(shù)，如不能滿足要求，可換放砼塊或澆注砼(澆注標(biāo)高以不高于“鋼堰”切割線為原則)。再不能滿足要求時(shí)，則需采取外部助沉措施。
當(dāng)“鋼堰”著床范圍的覆蓋層較薄，其下的巖面高差在0.5m以內(nèi)，著床時(shí)其覆蓋層可能被沖光，也可能殘留無(wú)幾，著床時(shí)“鋼堰”的垂直度能保持在施工規(guī)范允許范圍，著床后稍作處理即可達(dá)到下沉的設(shè)計(jì)要求，及時(shí)采取拋石或石籠圍護(hù)，保證基腳穩(wěn)定，即可進(jìn)行封底工序。武漢軍山長(zhǎng)江公路大橋6號(hào)主墩“鋼堰”施工就是這一情況的實(shí)例。當(dāng)“鋼堰”著床范圍的覆蓋層較薄，預(yù)計(jì)著床時(shí)已被沖光，且?guī)r面高差甚大，就必須采取可靠的技術(shù)措施確保著床的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。
黃石長(zhǎng)江公路大橋5號(hào)墩的覆蓋層0.5～5.2m，土質(zhì)上部為中、粗砂，下部為卵石層，“鋼堰”著床在巖基上，巖面高差最大4.48m，施工時(shí)的水深17.5m，流速1.5m/s。在作施工組織設(shè)計(jì)時(shí)，作了兩個(gè)對(duì)比方案:一是先清除水下砂礫層，對(duì)巖面進(jìn)行控爆找平。這一方案的優(yōu)點(diǎn)是直觀，下沉著床易于控制，難點(diǎn)是深水清除砂礫層難度大、功效低，貽誤長(zhǎng)江枯水黃金季節(jié)的可能性甚大，加之該河段是滑坡的敏感區(qū)，5號(hào)墩位又臨近岸邊100余米，水下挖砂和爆破有損江堤的安全，未予采用。二是精確勘測(cè)“鋼堰”周邊巖面的變化，繪制實(shí)測(cè)巖面高差的周邊展開(kāi)圖，據(jù)以制作首節(jié)“鋼堰”底部的異形刃腳。下沉過(guò)程中，采取糾偏、糾扭的技術(shù)措施，并利用著床前的水流沖刷清除覆蓋層，著床后采用液壓支撐，鋼支墩，水下不離析鹼阻塞空隙，確保“鋼堰”刃腳支承面大于60%的要求，并在外部四周拋筑鋼筋網(wǎng)石籠穩(wěn)定基腳。經(jīng)實(shí)踐，順利完成了著床下沉任務(wù)，創(chuàng)造了大巖面差、深水、大流速條件下，下沉異形刃腳“鋼堰”的施工范例。
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1、圍堰的封底厚度分析
封底混凝土厚度主要由兩個(gè)因素決定:(1)鋼圍堰封底排水后，封底混凝土底面上受到向上作用的水壓力Pw，封底混凝土猶如一種周邊支承的板結(jié)構(gòu)，在Pw的作用下，其厚度要保證板有足夠的強(qiáng)度以抵擋向上的水壓力而不破壞。
其靜力平衡方程為。
式中分別為封底混凝土最小厚度(m)、面積(m2)、容重(kN/m3)、周長(zhǎng)(m)、封底混凝土與鋼圍堰接觸面上的單位粘著力(MPa)、水的容重(kN/m3)和堰內(nèi)抽水深度(m)。
考慮抗浮時(shí)，除了考慮封底混凝土與鋼圍堰接觸面上的粘著力以外，其實(shí)還有其他一些有利因素。如工程樁作用于封底混凝土的抗浮作用;圍堰下沉至巖面時(shí)，封底混凝土與巖面結(jié)合，造成水壓力作用面積減小等。這些因素有時(shí)難以定量計(jì)算，但可以作為安全儲(chǔ)備來(lái)考慮。在確保封底混凝土強(qiáng)度和圍堰抗浮的前提下，應(yīng)盡量減小封底混凝土的厚度，降低工程投資。
2、封底混凝土施工
�。�1）圍堰封底
對(duì)鋼圍堰水下大面積封底混凝土灌注工序，采用混凝土攪拌站集中拌和，混凝土罐車運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)，混凝土泵車輸送進(jìn)人導(dǎo)管漏斗的施工方法。
混凝土罐車水平運(yùn)輸，混凝土泵車泵送人漏斗。在灌注混凝土前應(yīng)對(duì)鋼圍堰內(nèi)的河床地形情況進(jìn)行詳細(xì)測(cè)量，并由潛水員沿鋼圍堰四周刃腳認(rèn)真探察，對(duì)刃尖處有和外部穿通的現(xiàn)象，用麻袋混凝土或麻袋砂卵石堵漏，保證封底混凝土不外漏。為了在混凝土灌注過(guò)程中保持圍堰內(nèi)外水頭平衡，在鋼圍堰上設(shè)置排水孔道，因?yàn)榇竺娣e封底不能一下把圍堰刃尖封死，隨著混凝土的下灌，圍堰內(nèi)的水要高于江水位，排水孔可調(diào)節(jié)內(nèi)外水頭差，防止刃角出現(xiàn)漏水現(xiàn)象。
封底混凝土主要作用是為了保證圍堰抽水后的安全、不透水，澆注時(shí)要隨時(shí)掌握水下混凝土的高度，防止出現(xiàn)澆注過(guò)高或者過(guò)低的現(xiàn)象。澆注施工的方法可以參考鉆孔灌注樁施工規(guī)范。需要特別注意的是，由于圍堰底部比鉆孔樁要大，因此第一盤封管混凝土特別重要。封底混凝土澆注完成以后即可進(jìn)行養(yǎng)生，養(yǎng)生不需特殊的工藝及設(shè)備，由于工程已在水下，因此只需放置10～15d即可。
�。�2）封底后抽水
待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%以后即可抽水。在抽水過(guò)程中要隨時(shí)觀察圍堰的變形及漏水情況，防止水壓力過(guò)大造成圍堰變形。如果有漏水或者變形的地方，應(yīng)注意暫停抽水，待處理完畢并觀察不再變形及漏水以后再繼續(xù)抽水。圍堰內(nèi)的水抽干后，應(yīng)觀察堰底封底混凝土的漏水情況:如果漏水不嚴(yán)重，可以用水泵抽水維持堰內(nèi)的的水位符合要求,如果漏水嚴(yán)重應(yīng)采取封堵措施。
三、結(jié)論
綜上所述，就橋梁深水基礎(chǔ)雙壁鋼圍堰得出如下一些結(jié)論：
(1)雙壁鋼圍堰適合于橋梁深水基礎(chǔ)施工，我國(guó)已具有豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。在圍堰構(gòu)造設(shè)計(jì)時(shí)，要與基礎(chǔ)承臺(tái)的構(gòu)造相協(xié)調(diào)，避免尺寸過(guò)大。應(yīng)與其他結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行技術(shù)和經(jīng)濟(jì)比較，在設(shè)計(jì)中做到形式靈活多變、結(jié)構(gòu)受力合理并最大限度地降低工程造價(jià)。
(2)在考慮自重、水流力，風(fēng)荷載及漂浮物對(duì)圍堰的撞擊力等外力的基礎(chǔ)上，應(yīng)對(duì)圍堰的抗滑移、抗傾覆和抗浮穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算。在圍堰錨碇系統(tǒng)布置時(shí)，要考慮流速和流向的變化，采用定位船、導(dǎo)向船等設(shè)備，不僅在圍堰結(jié)構(gòu)的上下游，也在兩側(cè)設(shè)置錨纜，同時(shí)要有錨纜受力調(diào)節(jié)裝置，確保圍堰的平衡和穩(wěn)定。
(3)在確定圍堰封底混凝土厚度時(shí)，既要考慮強(qiáng)度要求，也要滿足抗浮穩(wěn)定性。要充分注意到各種有利條件，在確保結(jié)構(gòu)安全的情況下，盡量減小混凝土封底厚度，以降低工程費(fèi)用。
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