深水基础大型双壁钢围堰设计与施工技术

深水基础大型双壁钢围堰设计与施工技术

从传宽

广东省建筑工程机械施工有限公司广东广州510000

摘要：深水基础施工中，常采用围堰配合施工以达到防水、防冲刷的目的，而双壁钢围堰是深水基础施工中常用的一种围堰结构，对其设计及施工技术展开探讨十分必要。本文结合某桥梁工程实例，对其双壁钢围堰设计进行了分析，并详细介绍了双壁钢围堰施工的关键技术。

关键词：深水基础；双壁钢围堰；设计；施工技术

0引言

随着我国交通事业建设的不断发展，跨江跨河桥梁工程的数量越来越多，深水基础施工的难题也越来越受关注。而在桥梁工程深水基础施工中，双壁钢围堰具有强度大、刚度高、性能良好、能承受较大水压以及适用范围广等优点，能够满足施工需求，是较为理想的围堰形式，得到了广泛的应用。基于此，文章对双壁钢围堰设计及施工技术进行了介绍。

1工程背景

1.1工程概况

某大桥跨越水道时桥梁梁部结构为1联(74＋120＋74)m连续箱梁，桥梁64#主墩承台位于水道航道中。基础采用20根φ1.5m钻孔桩，一级承台尺寸为15.4m×12.2m×3m，加台尺寸为10.1m×6.9m×2m，承台底标高为－12.187m。

1.2水文条件和通航要求

该桥跨越的水道河段为内河V级航道，主要为季节河，常水位标高为1.5m左右，航道正常水深6～11m，百年一遇水位为6.02m，设计最高通航水位为＋5.262m。设计最高通航水位是按照洪水重现期10a一遇洪水位，采用单孔双向通航的设计方案，要求通航跨径为120m。通航净空尺度:通航孔净宽应不小于109m(投影航道上的净宽应不小于104m)，净高应不小于8m，上底宽应不小于98m，侧高应不小于5.5m。

2钢围堰设计

钢围堰结构由三大系统组成:侧板系统、导向内撑系统及下放就位系统。双壁钢围堰结构由内外壁板、环向钢板、水平斜撑、井壁隔仓及其他附属结构组成。

2.1总体结构设计

双壁钢围堰采用圆形结构，外径24.6m，内径22.2m，内外壁间距1.2m。钢围堰顶面标高＋3.5m，底面标高－16.817m；总高度20.317m，高度方向分为四节，第1节5.267m，第2、3节5.02m，第4节5.01m；平面环向均分8段，按照45°设置。钢围堰结构见图1。

2.1.1主龙骨和面板

钢围堰周围由内外两层钢壁组成，均为Q235钢，内外壁钢板厚度均为8mm。钢围堰沿周围布置192根∠100×100×12角钢作为竖向主龙骨，主龙骨的间距外壁为40.3cm，内壁为36.3cm。钢围堰横向主龙骨均采用I10工字钢，沿高度方向每隔1m布置一道。壁内横、竖向桁架采用∠63×63×6角钢。

2.1.2隔仓

隔仓的作用是通过分仓注水或灌注混凝土，保证钢围堰悬浮阶段的稳定以及调整下沉过程钢围堰的高差。64#墩钢围堰环向分为8块，单块围堰两端头设置隔仓板，在平面上分成8个互不相通的仓，隔仓板壁厚10mm，每个隔仓上下贯通，左右封闭。

2.1.3刃脚

钢围堰底部设置150cm高刃脚，底部用∠100×100×12角钢包脚。

2.1.4其他附属结构

每节钢围堰分8块，每块上部设置2个吊点，共16个吊点，用倒链整体下沉。

钢围堰设置2个φ300mm的内外连通管，主要作用是在封底混凝土浇筑过程中保持水头平衡，在施工过程中可根据需要开闭。

2.2设计荷载及工况

设计荷载主要考虑水平荷载和垂直荷载。水平荷载包括:静水压力、流水压力、主动土压力；垂直荷载包括:钢围堰自重、钢围堰刃脚及隔仓填充混凝土自重、灌水自重、封底混凝土自重、水浮力、封底混凝土与护筒粘结力、钢围堰与侧壁土粘结力。

施工过程中共分为五个工况:

(1)工况一，首节5.267m钢围堰下放，在钢围堰内灌注刃脚混凝土，灌注高度为1.5m，钢围堰底标高＋0.233m，未着床。

(2)工况二，接高第2节5.02m钢围堰，在钢围堰隔仓内注水5m高，钢围堰底标高－4.787m，未着床。

(3)工况三，接高第3节5.02m钢围堰，在钢围堰隔仓内填充高度为4.5m混凝土，钢围堰内吸泥抓土，下沉至河床标高－9.807m位置，入河床5.007m。

(4)工况四，接高第4节5.01m钢围堰，在钢围堰隔仓内填充高度为3m混凝土及注水6m高，钢围堰内吸泥抓土，下沉至河床标高－16.817m位置。

(5)工况五，四节钢围堰下沉到位，围堰内吸泥抓土，浇注封底混凝土后，围堰内抽水。

整个施工过程需计算钢围堰整体抗浮和钢围堰强度。

2.3钢围堰整体抗浮性检算

工况一计算图示如图2所示，首节钢围堰下沉时，为便于接高拼接钢围堰，需确保钢围堰顶标高高于施工水位标高。钢围堰顶与下放门架顶齐平，高出水面2.5m。

首节钢围堰自重:G1＝122.5t×g＝1225kN。

钢围堰内灌注刃脚混凝土(高度1.5m)自重:G2＝1.5m×π×(24.62－22.22)m2/4×24kN/m3×0.5＝1588kN。

水浮力:F浮＝γw(2.767－0.75)m×π×(24.62－22.22)m2/4＝1779kN，式中γw为水的重度。

钢围堰下沉安全系数:K＝(G1＋G2)/F浮＝1.58＞1.0，故钢围堰下沉满足要求。

各工况下钢围堰整体抗浮计算结果见表2。

2.4.2钢围堰水平桁架

由图5可知，水平桁架最大应力66.5MPa，水平桁架斜杆长细比为65.4，查《钢结构设计规范》轴心受压构件稳定系数表得φ＝0.777，则水平桁架最大压应力σw＝66.5MPa/0.777＝85.6MPa＜f＝215MPa，满足要求。

由表3可知，钢围堰各构件强度均满足规范要求。

3钢围堰施工关键技术

3.1清理河床

为方便钢围堰下沉，减少下沉过程中因河床面不平而引起钢围堰偏位现象的发生，钢围堰拼装下沉前应清理河床。河床清理范围为钢围堰外扩2m，深度为钢围堰封底混凝土底。根据河床地质资料，64#墩河床至封底混凝土范围内为砂层、粉质粘土层，水下抓土吸泥量约为6650m3。结合河床地质情况，本工程双壁钢围堰下沉前采用长臂挖掘机配合抓沙船清理河床的方式，先采用长臂挖掘机开挖墩位范围大部分的河床，再使用抓沙船清除挖掘机无法开挖清底的部位。

3.2钢围堰下沉

3.2.1底节钢围堰下沉

选择在水道水流平稳时下沉底节钢围堰，利用16个性能完好的10t手拉葫芦将拼装完成底节钢围堰吊在吊装门架上，在现场的统一指挥下，均匀拉动葫芦，使钢围堰在导向系统作用下入水。钢围堰底节下沉主要采用向隔仓内注水方式，下沉过程中通过调整隔仓内的注水量保持钢围堰平稳。当钢围堰下沉至既定高度时，停止注水，并临时锚固钢围堰，防止因水流冲击、风力等影响导致钢围堰偏位。

3.2.2第2、3、4节钢围堰下沉

底节钢围堰下沉后，吊装第2节钢围堰块件至底节钢围堰上安装，吊装完成后，采取对称加水的方法，使钢围堰下沉。下沉过程中，控制各吊点荷载均衡，保持钢围堰处于竖直状态。

第3、4节钢围堰下沉后，钢围堰开始进入河床，此阶段下沉主要采取吸泥和隔仓内注水、灌注混凝土相结合的方式。在下沉过程中，由于河床清理不彻底或者因水流影响，清理的河床面极有可能重新涌砂填塞钢围堰范围河床，因此钢围堰下沉过程中，当将要接触河床面时，先停止下沉，对钢围堰进行正式定位，使钢围堰中心与墩位中心偏差不超过钢围堰高度的1/50。

钢围堰刃脚为楔形结构，为避免刃脚进入河床后因为土层摩阻力及刃脚抗力增大造成刃脚受损，钢围堰漏水，对钢围堰刃脚采用10mm厚钢板加固，在钢围堰着床后，刃脚灌满C30混凝土，确保其刚度和水密性满足施工要求。下沉过程中，如果阻力太大影响下沉效果，可在钢围堰壁仓内灌注混凝土，加快钢围堰下沉能力。

3.3钢围堰终沉

在钢围堰终沉阶段，尤其是当刃脚底下沉到距离设计标高1m时，适当放慢下沉速度，并控制吸泥数量和速度，严格监测钢围堰下沉趋势和控制点高程。当钢围堰4个控制点高差大于20mm时，及时调整各隔仓的吸泥速度进行纠偏。钢围堰刃脚踏面标高达到设计标高时，立即停止吸泥，连续观测8h，钢围堰下沉不大于10mm，即钢围堰终沉成功。

3.4灌注水下混凝土封底

为保证封底混凝土与钢围堰内侧、钢护筒周边的握裹力，在灌注水下混凝土封底之前，需对河床进行清淤、找平，并采取吸泥措施将钢围堰范围内覆盖层清除。

钢围堰采用导管法进行封底混凝土灌注，封底厚度2.5m，外加0.5m找平层。导管作用半径按3m考虑，作用范围覆盖整个混凝土浇筑区。

封底混凝土浇筑完成后，当强度达到90％以上时即可进行钢围堰抽水，抽水过程中禁止一次抽完，应边抽水边观测钢围堰壁体的变形情况，如情况异常，应立即停止，并采取措施保证钢围堰的稳定性。

4结语

综上所述，深水基础双壁钢围堰施工是桥梁工程施工中的重要组成部分，其施工质量直接影响到桥梁的整体质量及性能。因此，在桥梁深水基础双壁钢围堰施工中，设计人员要结合工程的实际情况，对相关参数进行精确的计算，合理设计围堰结构，同时施工人员要严格按照施工技术要点进行施工，并控制好各个施工环节的质量，从而提高桥梁建设的效益。

参考文献

[1]桥梁深水基础双壁钢围堰设计与施工[J].赵天喜.中国水运(下半月).2014(02).

[2]某桥梁深水基础双壁钢围堰设计与施工[J].周辉.四川水泥.2015(06).