陸水河特大橋主墩鋼圍堰設計施工與裝備應用

張琦　盛小勇　彭琳琳

摘 要：陸水河特大橋采用（88+160+88）m變截面連續箱梁橋，基礎為整體式承臺+群樁形式，橋址區處于陸水河一級階地地貌及構造剝蝕崗地地貌區，所處河段無粘土覆蓋層，河床以下為砂卵石層，而設計采用埋置式承臺，進入巖層約3.5m，且受下游在建船閘施工封航的影響，所有施工船舶無法抵達施工現場，無法按傳統的整體吊裝工藝進行鋼圍堰施工，施工工期緊、難度大。本文以21#主墩承臺為例，對該墩鋼圍堰設計與施工工藝、設備選擇及使用進行了詳細介紹，為后續類似工程提供寶貴經驗。

關鍵詞：陸水河特大橋；主墩鋼圍堰；設計與施工

中圖分類號：TV5 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2017）04-0053-04

1 工程概況

陸水河特大橋位于咸寧市嘉魚縣以及赤壁市，主橋墩身采用等截面六邊形實體墩，基礎為群樁整體式承臺基礎，承臺尺寸14.7×14.7×4m，配9根直徑為2.2m的鉆孔灌注樁。

根據橋址施工條件及施工工期要求，陸水河特大橋下構施工采用先圍堰后樁施工工藝。先行施工鋼圍堰可為后續樁基施工、承臺施工及上構施工提供一個良好的工作平臺。其中主墩承臺采用雙壁鋼圍堰現場分節組拼吊裝的形式進行設計與施工。

2 橋址處自然條件

2.1 水文、地質條件

橋址區處于陸水河一級階地地貌及構造剝蝕崗地地貌區，微地貌為河床、河漫灘、一級階地、崗地。主墩承臺處河床以下為砂卵石層，砂卵石層層厚為3～5m，泥面標高：17.9m。其下為強風化泥質粉砂巖，鋼圍堰需沉放至強風化巖層之上，砂卵石層側摩阻力約為100kPa，詳見圖1。

根據300年設計洪水頻率，本橋防洪設計流量為3000m3/s，最高通航水位32.44m，最低通航水位26m，設計洪水位32.1m，測設水位25.55m，設計水流流速1.5m/s。施工橋位下游21km處正在修建一處航電樞紐，施工期間對航道進行了封閉，所有施工船舶無法抵達施工現場，鋼圍堰施工設備無法按傳統的整體吊裝施工工藝。

3 鋼圍堰設計

3.1 設計參數

（1）設計荷載取值。設計流速：1.5m/s，封底混凝土容重：24kN/ m2，水的浮力10kN/ m2，靜水壓力10kPa，設計高水位： +26.5m，設計低水位：+25.5m，設計風速： 17.1m/s（7 級），護筒直徑： φ2500，混凝土握裹力：135kN/m2，封底砼強度等級：C25。

（2）結構參數取值。圍堰頂標高：+28.0m，圍堰底標高：+13.5m，承臺頂標高：+19.8m，承臺底標高：+15.8m，封底砼厚度：1.9m。鋼圍堰由型鋼和鋼板焊接而成，圍堰長邊為34.5m，短邊16.8m，壁體厚度1m，其中刃腳高度1.3m，圍堰高度14.5m，從下至上分別為7.6m、6.9m。

3.2 鋼圍堰結構布置

鋼圍堰由壁體、刃腳、插板和內支撐組成。壁體和刃腳主要由隔倉板、水平型鋼、水平直桿、水平斜桿、豎向加勁肋、內外壁板、水平環板組成，詳見圖2：

3.3 鋼圍堰計算

3.3.1 計算工況

鋼圍堰計算工況共五個，包含鋼圍堰起吊下放工況、鋼圍堰下沉工況、鋼圍堰澆注封底混凝土工況、鋼圍堰抽水工況以及鋼圍堰澆注承臺工況，詳見表1。

3.3.2 計算結果

3.3.2.1 工況一：鋼圍堰起吊下放和下放計算

陸水河特大橋21#主墩承臺鋼圍堰采用現場拼裝、千斤頂下放工藝。本工況計算鋼圍堰第一節壁體起吊（無鋼管支撐）下放時壁體以及承重架結構強度。下放時擬采用6 點吊。經計算，各構件位移及應力均滿足要求。

3.3.2.2 工況三：鋼圍堰封底階段結構強度計算

本工況計算鋼圍堰澆筑1.9m封底混凝土時壁體強度（取設計高水位+26.5m，夾壁內水位+21.1m）。建立鋼圍堰整體模型，假設在澆筑封底混凝土時，鋼圍堰頂口不發生位移變化，取鋼圍堰頂口邊界條件為鉸結約束。鋼圍堰承受自重，浮托力，靜水壓力，水流力，砼的側壓力，圍堰夾壁外側水對壁板靜水壓力。荷載布置圖及有限元模型圖詳見圖4。經計算，各構件位移及應力均滿足要求。

3.3.2.3 工況四：鋼圍堰抽水階段結構強度計算

本工況計算鋼圍堰抽水時結構強度（高水位+26.5m，夾壁水位+21.1m）。圍堰抽水時，封底砼已達到設計強度，取封底砼與鋼護筒的接觸面為固結約束。鋼圍堰承受自重，浮托力，靜水壓力，水流力，圍堰夾壁外側水對壁板靜水壓力。

（1）抽水時壁體結構分析

荷載布置圖及有限元模型圖詳見圖5。

（2）抽水時封底混凝土強度計算

封底砼各向主應力如圖6所示：

由圖6可以看出，封底砼的最大拉應力為0.636MPa，最大壓應力為0.509MPa；封底砼等級取C25，其軸心抗壓強度為fc= 11.9 MPa，軸心抗拉強度為ft= 1.27MPa。故采用厚度為1.9m等級為C25的封底砼能滿足抽水后的封底砼抗彎強度要求。

（3）封底混凝土與鋼護筒握裹力計算

通過計算，各節點（鋼護筒）處的握裹力如表2所示：

鋼護筒所能承受最大握裹力：F =135×A =135×（π×2.5×1.9） = 2015kN。比較表格中的數據可以看出，除了節點編號為10048、10049、10050、10051 的鋼護筒握裹力不滿足要求外，其它鋼護筒握裹力能夠滿足設計要求。

對不滿足握裹力要求的鋼護筒在封底處焊接剪力鍵單根護筒共布置剪力鍵8根，剪力鍵采用L80x6的角鋼，長1.5m，具體布置見圖紙。增焊剪力鍵后的鋼護筒可抗握裹力為：F' =135×A' =135×（π×2.5×1.9 + 8×0.31×1.5）= 2517kN > 2346kN。綜上，經焊接剪力鍵后，厚度為1.9m等級為C25 的封底砼能滿足抽水后的鋼護筒握裹力設計要求。

3.3.2.4 工況五：鋼圍堰澆注承臺階段結構強度計算

本工況計算鋼圍堰在+25.50m水位澆筑承臺2.0時結構強度。鋼圍堰承重自重，浮托力，靜水壓力，水流力，砼的側壓力。荷載布置圖詳見圖8。

通過工況五及工況四荷載布置圖可以看出，澆筑首層承臺 2.0m時圍堰壁體的側壓值較抽水時?。ǔ樗畷r外壁板側壓值 54kPa，內壁板側壓值 53kPa；澆筑首層承臺時外壁板側壓值 44kPa，內壁板側壓值 33kPa），對壁體來說是有利的。故不需再對圍堰壁體結構加以計算。

經比較，澆筑首層承臺時封底砼所受載荷較抽水時小，故封底砼強度以及鋼護筒所能提供的握裹力能夠滿足該工況下設計要求。

4 鋼圍堰設備選擇與施工

4.1 鋼圍堰分塊制作

考慮制作方便以及吊裝能力，鋼圍堰擬分成14節，在后場進行分節、分塊制作?？紤]到分塊壁體需在現場分別進行組拼，分塊壁體的內外壁板均需留有余量，并按照分塊示意圖進行編號，參見圖9。

4.2 鋼圍堰現場拼裝

承臺鋼圍堰總高度14.5m，單個鋼圍堰最大重量約330t?？紤]鋼圍堰重量、水文及波浪等條件，第一節鋼圍堰在輔助平臺上（詳見圖9）。經設備選型，采用70t履帶吊吊裝，然后用千斤頂整體起吊，割除牛腿，下放入水；然后進行水上接高拼裝第二節鋼圍堰，然后注水或輔助取土的施工工藝下沉。

（1）首節鋼圍堰的拼裝應首先吊裝上游一側第一分塊（作為定位分塊），然后依次擴散進行其它分塊的吊裝。定位分塊吊裝時倚靠靠模緩緩就位，然后吊垂線找正，并設置臨時斜撐以防止傾倒。定位分塊吊裝定位后，吊裝第二分塊，在距離定位分塊50mm處擺正放平。壁板分塊對接完畢后按吊裝順序進行對接焊接。自下而上依次進行環板及骨架對接縫、環板與壁板角接縫、夾壁內壁板對接縫以及夾壁外壁板對接縫的施焊，環板對接縫按要求開坡口進行焊接，夾壁內板焊完后外部用φ5mm碳弧氣刨清根后再行焊接。為了保證鋼圍堰外部安全作業，采用掛梯加吊籠的辦法進行焊接及其它作業。首節圍堰具體拼裝順序為14→1→2→3→4→5→13→12→11→10→9→8→6→7，具體見圖9。

（2）第一節鋼圍堰拼裝完成后，采用千斤頂起吊，割除拼裝平臺后下水。進行第二節鋼圍堰拼裝施工，為防止鋼圍堰在拼裝過程中傾斜，第二節鋼圍堰采用對稱拼裝方式。拼裝順序為1→8→5→12→2→9→4→11→3→10→14→7→13→6，具體見圖10。

4.3 鋼圍堰下沉設備應用及定位

圍堰下沉選擇在水流較平穩時進行，利用圍堰下放系統進行下放，系統由千斤頂、精軋螺紋鋼、承重架等組成。鋼圍堰共設置了10個吊點，保證每個吊點最大承重在20t以內。每個吊點處在承重架上布設一臺50穿心千斤頂，每個千斤頂配一根Φ32mm精軋螺紋鋼，詳見圖3。

首節圍堰拼裝完畢后，將千斤頂穩定放在承重架上，使精軋螺紋鋼穿入千斤頂，與掛腿連接。在開始下放前先根據各千斤頂在圍堰平衡下放時的荷載進行逐一預拉作為整個系統的下放起點。然后將圍堰提起5～10cm并檢查圍堰上懸掛系統是否正常后割除拼裝懸臂梁。最后在現場總指揮統一指揮下，同時均勻操作千斤頂，使圍堰在導向系統作用下徐徐入水。每次千斤頂下放行程按5cm進行控制，確保精軋螺紋受力均勻。當每個千斤頂行程達到5cm時，對下沉機構進行檢查，確保安全后按千斤頂行程下放。首節圍堰下水自浮后為增強刃腳剛度，需向圍堰艙內澆砼C25砼。刃腳混凝土要求在2個小時內完成，對稱均衡進行澆筑刃腳混凝土。同時測量觀測圍堰的頂面高差，通過隔艙內的混凝土量調平。圍堰澆筑刃腳混凝土后，為便于第二節鋼圍堰接高作業，需向圍堰夾壁內注水，使其繼續下沉至指定標高。

當第一節鋼圍堰下沉至預定高程后，臨時錨固首節鋼圍堰，進行水上接高第二節鋼圍堰。鋼圍堰拼裝完成后，進行注水下沉和吸泥輔助下沉鋼圍堰至設計標高。圍堰底層卵石含量為50%，粒徑一般為20-60mm，飽和，中密。覆蓋層厚度為3～5m，經計算，圍堰內取泥約2600m3。根據地質情況和以往施工經驗，圍堰內取泥采用空氣取泥機進行取泥。為了防止吸泥時，突遇較大卵石阻礙圍堰下沉，造成圍堰偏斜，吸泥采用先在刃腳部門吸出一條深槽，再向圍堰夾壁艙內注水入，使其下沉，邊吸邊沉，待圍堰順利下沉后，再進行中間取土。

5 結語

陸水河特大橋主墩承臺由于受橋址地址條件及下游在建船閘施工封航的影響，工期緊、施工難度大。結合實際情況和施工經驗，經設備選型比較和現場技術比選，采用雙壁鋼圍堰現場分節組拼吊裝的形式進行設計與施工，滿足常用設備和工藝需求，施工質量、安全可控，施工工效高，可為后續類似工程提供寶貴經驗。

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