大型双壁钢围堰气囊法整体下水及无导向船定位下沉关键施工技术(3.22待发表).docx

大型双壁钢围堰气囊法整体下水及无导向船定位下沉关键施工技术冉兵中铁八局集团第一工程有限公司摘 要：本文以重庆合川涪江四桥主桥墩水下基础施工为依托，从钢围堰气囊法整体下水和定位下沉两个方面，详细阐述了双壁钢围堰水下基础施工中的方案设计及施工关键技术，总结了大型钢围堰下水及定位下沉的施工控制要点，对类似工程具有借鉴意义。关键词：钢围堰 下水 定位 下沉 关键 施工技术0 引言双壁钢围堰是桥梁深水基础施工的常用方式，也是水下基础施工的重难点，大型双壁钢围堰体积和质量大，其下水作业难度较大，气囊法下水施工技术具有简便易行、经济实用的特点，很好地解决了大型钢围堰下水这一难题。涪江四桥在水下基础施工过程中，结合桥区地形、水文地质及施工实际情况，通过理论计算与实践相结合，较好地控制了气囊断缆法围堰整体下水后的漂移距离；同时充分利用了桥区地形，有针对性地设计并采用了无导向船定位系统，准确下沉了钢围堰。1 工程概况重庆合川涪江四桥位于涪江三桥以西1.5km高校园区涪江段，是连接高校园区与小安溪生态产业园区的重要通道，为合川区重点建设工程，桥址位于涪江的合川城区段，草街电站上游。涪江四桥全长765m，桥面宽31.5m，主桥为双幅式，单幅梁体宽度14.75m，采用主跨为（84+160+84）m连续刚构拱组合体系。主桥桥型布置图如图1。图1 主桥桥型布置图该桥主墩（12、13墩）采用钻孔桩基础（16根2.5m钻孔桩），承台平面尺寸为29.414.4m，承台厚5m，承台底高程为+190.694m。草街电站蓄水后，桥位常年水位为+203.0m，最高通航水位+214.08m，最低通航水位+201.06m，根据现场实测，进行主墩水下基础施工时流速为1.0m/s，水深14.3m。主桥墩河床面标高+188.0m，12#墩墩位处有5m厚砂卵石覆盖层，13#墩为裸露基岩，岩层主要为泥岩，天然抗压强度7MPa。涪江四桥于2013年3月15日正式开工，由于6月涪江进入汛期，离汛期施工时间已不足3个月，为确保水下基础施工安全，与业主充分沟通后，业主同意暂时不直接进行水下基础水上作业，但要求我司务必做好充分的施工准备，水中墩必须在2013年9月至2014年5月这个枯水期全部出水并达到度汛要求。结合现场桥区地形、涪江水文情况、大型设备的组织进场情况（大型设备受草街电站下游水深及过坝通道限制影响），以及公司的施工能力，决定先集中力量施工12#、13#水中基础，待12#、13#主桥墩水下基础施工完成后再施工11#交界墩。2 方案设计2.1总体方案12#、13#主桥墩水下基础采取先爆破开挖再钢围堰着床的施工方法，即先对水下河床按照设计要求进行水下控制爆破，形成基坑，然后再进行围堰定位下沉施工。为了节约工期，水下爆破实施的同时，两个钢围堰在岸上同时一次性组拼成型，待水下基坑验收合格后，便进行围堰下水定位系统的施工，为防止河床覆盖层在水流作用下淤填基坑，待围堰定位系统施工完成后，立即进行钢围堰的整体下水、定位下沉施工。本工程钢围堰采用气囊断缆法整体下水方式，此施工技术始创于20世纪 90年代末芜湖长江大桥的建设, 系借鉴和引进边缘学科、军事工业和造船工业的先进经验, 并消化吸收造船厂用平底驳托起大型轮船下水的方法而发明的一项重要创新技术。围堰下水后利用水上及陆上定位系统注水、浇筑刃脚混凝土配重下沉定位，考虑到草街电站蓄水后，水流平缓，水位变化小，定位系统方案设计时，充分结合地形，避免影响通航，采用了“领水锚+前定位船+钢围堰（辅助侧锚）+后定位船+尾锚”的组合方式。钢围堰气囊整体下水技术的运用对客观条件要求较为苛刻，其中对施工场地、河流水深、河域面积以及设备性能要求高。在涪江北岸即12#墩岸上游80m处有一开阔平坦区域，在此修建钢围堰拼装及下水场地，拼装下水场尺寸长143m，宽52m，可同时一次性完成12#、 13#墩双壁钢围堰的拼装。两个钢围堰拼装成型后采用气囊断缆法整体依次下水，先将13#墩钢围堰完成下水定位，再实施12#墩钢围堰下水、定位；下水受河面条件和施工设备约束，13#墩围堰必须在水中滑行至施工区域附近，且须保证不会撞到涪江南岸，滑行距离需控制在距入水口200-266m之内，12#墩钢围堰既要保证不能碰撞13#墩钢围堰，又要能成功整体下水，滑行距离须控制在距入水口80-150m之内。其施工平面布置图如图2。图2 施工平面布置图2.2 钢围堰气囊法整体下水2.2.1 气囊的设计(1)气囊的受力计算钢围堰整体气囊下水采用的是1.2m13m的气囊，其工作参数见表1表1 气囊工作压力下不同工作高度的承载力气囊工作高度H（m）压强Mpa0.2m0.4m0.6m0.8m1.0m单个气囊承载力（t）0.1735428321214170注：表中H（m）值为气囊的工作高度，亦为箱体托板离地面的高度。(2)气囊用量的计算设计气囊的工作高度H取为1.0m，计算重量按12#墩钢围堰整体重量：G760+212=972t，考虑气囊为旧气囊，围堰底部结构局部强度的不均衡，故取气囊个数n=24，则气囊的安全系数k为：K70nG70249721.73K0（常规情况K01.21.4）由以上计算可知，24个气囊满足下水要求，气囊按间距3m布置。气囊布置见图3图3钢围堰下水气囊布置图（单位：cm）2.2.2 13#墩钢堰整体下水（1）计算参数表2 计算参数统计表围堰自重（t）下水坡度重心高度（m）气囊间距（m）距岸边距离（m）风阻力（kN/m2）887.61：108.7310略（2）单个气囊的滚动摩擦力计算气囊直径D=1.2m，单个气囊受力为，此时气囊工作高度为H=1.0m。气囊滚动摩擦系数:b气囊接触面积半宽B/2，;R气囊半径。单个气囊滚动摩擦力：，一共有24个气囊。（3）第一阶段：围堰入水前的滑行阶段根据能量守恒：式中围堰入水时瞬间的动能，围堰从断缆至刚入水期间重力势能损失；围堰从断缆至刚入水期间气囊滚动做功。经计算，围堰入水时的速度为。（4）第二阶段：围堰全部入水的滑行过程根据能量守恒：式中围堰从刚入水至速度为0期间水阻力，围堰从刚入水至围堰全部入水气囊滚动做功；围堰从刚入水至围堰全部入水期间浮力做功；解上述方程得，围堰全部入水后的速度。（5）第三阶段：围堰自浮漂行此时浮力和重力平衡，围堰仅受水阻力，围堰做减速运动，由于此时速度较小，对漂行距离影响较大，因此，按每漂行10m进行一次计算，根据能量守恒：；经计算，钢围堰离入水口10m断缆，则围堰自浮漂行距离为234m。2.2.3 12#墩钢堰整体下水（1）计算参数表2 计算参数统计表围堰自重（t）下水坡度重心高度（m）气囊间距（m）距岸边距离（m）风阻力（kN/m2）9721：:109.835略（2）第一阶段：围堰入水前的滑行阶段经计算，围堰入水时的速度为。（3）第二阶段：围堰全部入水的滑行过程经计算，围堰全部入水后的速度。（4）第三阶段：围堰自浮漂行经计算，围堰自浮漂行距离为150m。2.3 钢围堰无导向船定位通常情况下，为了准确定位、下沉钢围堰，在大江、大河中采用双壁钢围堰施工桥梁深水基础，均需要设置导向系统。导向系统通常采用两组桁架梁将两艘大型平头甲板驳联结组合而成，施工成本高，且对通航影响大。涪江四桥12#、13#主桥墩水下基础施工期为草街电站蓄水高位稳定期，水流速度相对较缓，结合地形，综合考虑如下因素：有足够的能力抵抗水流、风力等因素对钢围堰的不利作用；不影响通航；不影响施工作业；布置合理、简捷、费用节省、操作方便，通过计算，最终决定12#、13#墩均不采用导向船定位系统，13#墩结合地形，取消前定位船。2.3.1 13#墩定位系统根据13#墩前方地形，前端不设置定位船，定位系统改由领水锚+后定位船+重锚定位系统构成。设1艘400t平头甲板驳作为后定位船。后定位船与围堰间设置后拉缆，围堰边锚通过围堰马口转向收锚于领水锚及定位船上。利用墩位上游的埋设6个15t砼地锚的形式，围堰侧锚设置8个(靠岸侧4个10t地锚，靠河侧4个5t霍尔锚)，后定位船设置4根8t的霍尔锚作为尾锚，两侧亦分别设置2根3t的霍尔锚作为边锚。具体布置见图4。图4 13#墩定位系统布置图2.3.2 12#墩定位系统12#墩定位系统采用前、后定位船重锚定位系统，前后均设1艘400t平头甲板驳做为前、后定位船。前、后定位船与围堰间设置前、后拉缆，围堰边锚通过围堰马口转向收锚于定位船。前定位船设置6根8t的霍尔锚做为主锚，两侧分别设置2根3t的霍尔锚作为定位船边锚；后定位船设置4根8t的霍尔锚作为尾锚，两侧亦分别设置2根3t的霍尔锚作为定位船边锚；钢围堰两侧分别设置4根5t的霍尔锚作为钢围堰边锚，具体布置见图5。图5 12#墩定位系统布置图3 方案实施3.1 施工工艺流程施工准备钢围堰拼装, 地锚埋设, 坡道换填土、夯实平整、坡度调整钢围堰下气囊布置及充气拆除钢围堰拼装支承点调整气囊位置及数量放松后拉缆、钢围堰起滑后拉缆控制钢围堰前行滑行至设计断缆位置，断缆、放滑入水钢围堰整体入水、自浮底托盘指定位置脱落拖轮绑定围堰，浮运至前定位船下游60t机驳过缆至围堰上逐渐放缆围堰至设计位置围堰侧锚、后定位船钢缆施工回收底托盘场地清理, 进行下一步工作。3.2施工准备围堰下水工序至关重要，必须一次成功，所以，在下水前，必须对相关准备工作进行详细的检查，并书面确认。为了更好的完成围堰下水施工任务，现场成立围堰下水指挥部，总指挥一位，以统一指挥，协调各方事宜，确保步调一致。其他人员分组分别对入水河道水深、下水坡道、设备、围堰质量、后拉缆系统、气囊、海事电力单位等诸多事项分组检查确认。3.1.1 入水河道水深检查入水河道中有原滨江路一连续挡墙，后通过水下爆破清出，运用抓泥斗进行了水下清理，清理完成后通过水下地形测量满足要求。经过河流一个月的冲刷，必须再次对水下地形进行复核，对水深是否满足围堰入水进行确认。经测量，入水口水深最浅7.5m，大于13#墩围堰最大入水深度3.8m、12#墩围堰最大入水深度4.6m，满足要求。3.1.2 围堰下水施工前检查（1）下水坡道再次检查检查下水坡道地基是否密实，有无湿陷，坡道平整度，有无起伏陷坑，有无尖锐硬物避免刺破气囊。围堰滑行范围及坡道以外50m有无杂物及无关人员。（2）设备检查派专人对后锚缆卷扬机、备用发电机、空压机、浮吊、拖轮、机驳、定位船上的卷扬机等所有可能参与施工的设备进行检查，并试运行，确保设备完好。（3）围堰及底托盘检查焊缝泌水性能是否满足要求，底托盘吊杆连接质量是否可靠，各种施工时的小型机具材料以及临时电缆、电线是否已经按要求搬离，围堰入水后吃水深度以内的临时梯步是否全部拆除，围堰上准备的备用抽水机是已按要求放好并能使用，围堰入水出现紧情况下备用的配电箱及电缆线是否到位。（4）后拉缆系统检查要检查地锚的稳固性，钢丝绳是否有断丝，13#墩下水时，拉缆是穿过12#墩围堰底部与钢围堰相连接的，要检查钢丝绳是否与12#墩钢围堰及临时钢支撑有无擦挂，断缆器与钢丝绳连接是否可靠。（5）滚动气囊主要检查气囊的数量、质量是否满足要求，气囊的位置是否按方案设计摆放。为气囊充气的风管是否也空压机联结好，且是否漏气，备用气囊是否已经到位。（6）协调事宜检查与供电部门确认在围堰下水时不能停电（准备发电机是为了防止电力部门也不能控制的突发性事件造成停电）；与海事部门提前联系，对航道发出通告，围堰下水时禁止通航，并要求海事部门执法船到现场予以配合；与气象部门取得联系，对围堰下水当天的天气有所掌握，如有大风、大雨、大雾等影响围堰下水的恶劣天气，应根据实际情况推迟围堰下水时间；施工区域50米以外的范围布置警界线，确保围观群众不能进入施工区域。（7）下水前动员及再次交底在围堰下水前，再次进行技术交底，涉及围堰下水的所有管理人员及操作工人均参加，对第一个人、每一个岗位均应书面明确职责及工作范围。3.3钢围堰下水、定位施工技术3.3.1 气囊充气，围堰起滑钢围堰全部拼装完成后, 其下的气囊分两侧对称布置于钢支墩 (支承点 )间, 间距为3m。当与支墩位置重合时,待支墩拆除后再布置。气囊在充气前, 必须事先检查布置好地锚及卷扬机等装置, 并将钢围堰锚固牢靠, 保证其在被气囊顶起后不滚动滑脱。气囊充气应尽量对称、分散进行, 相邻的气囊分两批充气。当气囊充气至钢围堰被顶起 0.3m高时, 钢围堰脱离支承点约10 cm，拆除并清理支撑, 使地面平整, 不致影响气囊滚动。当气囊完全托起钢围堰，下滑道清理完成后，慢慢放松后拉缆，并在前端不断补充气囊。在充气的过程中，务必确保钢围堰尽量处于水平状态，即围堰入水端尽量高，围堰尾端尽量低，以减少钢围堰自重在下滑坡道上的分力，从而减小后拉缆卷扬机滑车组的工作拉力，大大降低安全风险。围堰下滑及下水前姿态对比示意图如图6所示。图6围堰下滑及下水姿态对比示意图3.3.2 断缆下水待围堰下滑至预定位置后，立即停下来，并对周围情况进行确认，如：海事部门的禁航情况、水上拖运小组的准备情况、坡道及施工区域的安全警戒情况等。当钢围堰下滑至设计断缆位置时（断缆位置：13#墩离入水口10m，12#墩离入水口5m），便对钢围堰下后半部份气囊进行对称、分散充气，抬高钢围堰后端，使钢围堰整个底部与坡面平行，然后利用尾部拉缆快速断缆器断缆，让钢围堰在1:10的加速坡道上自由加速下滑，利用其惯性入水并向江中滑行一段距离。3.3.3 钢围堰漂移距离控制在13#墩围堰下水过程中，理论计算13#钢围堰漂移247m，实际漂移了269m，超过设计22m；12#墩围堰理论计算漂移150m，而定位下沉位置仅为106m，在确保12#顺利下水的前提下必须想办法减小12#的滑行距离，即节约功效又可消除12#墩围堰撞击13#墩既有围堰的风险，经过综合考虑，采取以下三条措施减小钢围堰下滑冲量。调整前端气囊与滑行方向的垂直角度。气囊与下滑方向严格垂直，能确保最大下滑速度，调整后续围堰滑行气囊不与滑行方向严格垂直，向围堰中部设置约5的内偏角度，加大围堰下滑阻力降低滑行速度。如图7所示。图7 气囊偏转布置示意图在钢围堰尾部设置52mm重型锚链拖拽，并在锚链尾部连接一10t重的霍尔式铁锚。锚链设置成“S”形，在下滑过程中，利用锚链与地面的摩擦力进行消能，同时为确保围堰入水后位置，锚链总长度即为围堰预定位置与锚点间距离总长。锚链消能示意图如图8所示。图8锚链消能示意图在钢围堰尾部设置锚固拉缆作为保险措施，拉缆的长度为精确计算后围堰的控制最大漂移距离，以控制其漂移距离不超过设计墩位。3.4钢围堰定位下沉当钢围堰在水中基本稳定时，拖轮及机驳船靠拢、浮运至底托盘回收位置，再将底托盘运至指定水域脱落，以便回收。底托盘脱离后将钢围堰分别浮运至13#墩上游指定位置处，连接主锚钢缆，12#墩连接前定位船上拉缆。3.4.1定位系统施工定位船施工定位船利用400t的工程驳船进行改装，将驳船上的所有建筑拆除掉，然后安设固定座、转向马口、卷扬机、滑车、滑车组及转向滑轮。每台定位船上安装4台8t的卷扬机，安装一台150kVA的发电机，自行发电，供卷扬机使用。围堰前、后定位船平面布置图如图9。图9 前、后定位船的平面布置图抛锚抛锚顺序按“先主后边，先上游后下游”的原则进行。考虑到锚抓牢时有一定的位移，抛锚时需预设一定的预偏量，分别向抛锚方向各预偏10m。铁锚均采用机驳船进行抛锚。抛锚时铁锚与锚链及钢丝绳连接好。测量人员在岸上观测，指挥机驳船开至设计锚位处。抛锚方法：用直径为16mm20mm，长约20m的钢丝绳挂着铁锚，将钢丝绳一端固定在带缆桩上，然后将活头绕成字于带缆桩上，活头的末端用细麻绳扎住。铁锚挂好后，将连于锚上的锚链在船上摆好，盘好钢丝绳，并将锚绳的末端固定在带缆桩上。准备工作完后，将船拖至测量指定的锚位，其他人员站在安全地点，由一技术熟练的工人将活头松开，铁锚靠自重力落入河床，锚链及锚绳随之落入河中。调节系统安装为便于调节围堰位置，所有调节系统均设计在定位船或地锚位置，围堰上仅设置转向滑轮。钢围堰与各类锚绳和拉缆之间通过马口进行连接，马口分为2种：马口A，为固定式，主要用于连接围堰的前、后拉缆，同时也用于13#钢围堰侧锚为地锚的连接；马口B，为转向活动式，主要用于侧锚，其作用是通过马口B的转向功能，可不在围堰上设置侧锚收锚平台，将侧锚转向于地锚、后定位船上收放。围堰马口布置示意图如图10。图10 12#墩围堰马口布置示意图系统预拉定位系统中的定位船及主、尾锚抛锚完成后，对主锚进行40%设计（即340KN）拉力的预拉。其作用主要是通过预拉，使主锚、尾锚同时持力，避免在施工过程中出现锚缆脱空滑移的现象。通过连接前后定位船固定架，将预拉力传递至主锚及尾锚，同时收主锚、尾锚，达到锚定系统预拉效果。3.4.2围堰定位下沉钢围堰浮运至墩位后，利用锚碇系统对钢围堰位置进行调整、定位。由于无导向船系统，围堰定位下沉控制主要依靠围堰的前后、左右拉缆调节、围堰隔仓注水下沉控制，所以在围堰定位下沉施工过程中，必须结合每个隔仓注水速度及重量，确保所有拉缆分别调整、互相配合。1 准备工作钢围堰定位下沉前，检查定位系统各马口及锚绳连接，确认各工作部位符合设计要求后，即可开始进行钢围堰定位下沉施工。2 围堰注水分4个点同时往围堰隔舱内注水，注水的过程随时监控围堰姿态及围堰下沉标高，一边注水，一边通过拉缆调整围堰平面位置。围堰共分为8个隔舱，分隔舱对称注水，通过调整注水量及注水隔舱来调整围堰姿态。3 围堰平面位置精确调整围堰下沉至距设计标高1m左右后，停止注水。通过前后拉缆及侧锚精确调整围堰平面位置。通过测量围堰四角特征点，计算围堰的平面偏位及倾斜度。平面位置满足要求后，继续往围堰内缓慢注水，每下沉20cm测一次特征点三维坐标，调整平面位置，直至设计标高。围堰下沉至设计标高后，派潜水员检查刃脚处是否悬空，若出现悬空，则用沙袋及时塞垫。4 控制标准根据围堰设计资料及相关规范要求：围堰着床时，平面位置偏差不得大于5cm；围堰下沉到位时，平面位置偏差不得大于10cm，倾斜度不得大于1/200。5 钢围堰刃脚及井壁充混凝土填围堰着床后，立即采用水下混凝土的方式浇筑围堰刃脚及井壁填充混凝土，以增加围堰刃脚刚度，提高围堰稳定性。4实施效果4.1 理论数据与实践成果对比涪江四桥12#、13#主桥墩双壁钢围堰断缆法整体下水、无导向船定位下沉施工得到了顺利实施，现场实测与理论计算结果对比如表4。表4双壁钢围堰下水及定位成果对比表检查项目实测结果设计要求结论12#围堰滑行距离113m小于150m满足要求13#围堰滑行距离259m23410m略微偏大12#围堰位置偏差10.7cm15cm以内满足要求13#围堰位置偏差5.6cm15cm以内满足要求12#围堰垂直度1/3171/200以内满足要求13#围堰位置偏差1/4211/200以内满足要求总表上对比数据可以得出以下结论：第一，13#墩钢围堰在水中漂移距离超出理论设计值25m；第二，同条件下，对12#墩钢围堰下水时采取了消能措施后，其在水中漂移滑行的距离满足了设计要求；第三，12#、13#钢围堰在无导向船定位下沉后精度均满足规范要求。4.2效果总结1 在桥区地形较为开阔、不影响通航、水流速度相对较缓、水深采取措施能满足围堰吃水深度的情况下，无论从安全、质量、工期、效益等各个方面对比，钢围堰下水采用气囊法一次性整体下水均是最佳方法之一；2 在水流速度相对较缓、施工