某特大桥双壁钢围堰设计与施工

1、某特大桥双壁钢围堰设计与施工 某特大桥双壁钢围堰设计与施工 某特大桥双壁钢围堰 设计与施工 刘 畅 （中铁六局集团石家庄铁路建设有限公司， 河北 石家庄 050000） 摘 要：以某特大桥 64# 桥墩双壁钢 围堰为例，对钢围堰不同工况下的整体抗浮性进行检算，并 利用 MIDAS CIVIL 软件计算钢围堰各构件强度，结果表明， 钢围堰整体抗浮性和强度均满足规范要求。对钢围堰施工过 程中清理河床、钢围堰下沉、灌注水下混凝土封底等关键工 序采取相应的技术措施，确保施工顺利完成，为同类工程的 设计和施工提供有益的参考。 关键词：双壁钢围堰；结构 设计； 有限元模型； 桥梁施工； 精确定位 现代桥梁

2、建设中， 部分桥梁需跨越水深流急区域河流，而这些桥梁需要在河流 中修建深水桥墩基础，如何克服深水的影响是修建桥梁深水 桥墩基础的关键 1 。施作双壁钢围堰作为深水施工常采用的 技术，具有明显的优势：双壁钢围堰施工基本不受墩位处 水深的限制，能在深水、厚覆盖层的条件下采用；内外壁 形成的空间可根据施工要求加载或减载，从而能自主控制钢 围堰的下沉或上浮，施工过程中可方便调整偏差；双壁钢 围堰防水性能好，可以准确沉入承载力高的土层或岩面 2-3 1 工程背景 1.1 工程概况 某特大桥起讫里程 DK25+016.7 DK29+914.97，全长 4 898.27 m，全部为高 架桥，为跨越水道而设。

3、桥址于 DK27+191.81 DK27+311.81 处跨越水道 (宽约 120 m) ，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?1.5 m 钻孔桩，一级承台 尺寸为 15.4 m x 12.2 m x 3 n加台尺寸为 10.1 m x 6.9 m x 2 m, 承台底标高为 -12.187 m 。 1.2 水文条件和通航要求 此特大 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1.5 m左右，航道正常水深 611 m，百年一遇水位 为 6.02 m ，设计最高通航水位为 +5.262

4、m 。设计最高通航 水位是按照洪水重现期 10 a 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 120 m 。通航净空尺度：通航 孔净宽应不小于 109 m( 投影航道上的净宽应不小于 104 m) ， 净高应不小于 8 m ，上底宽应不小于 98 m ，侧高应不小于 5.5 m 。 1.3 地质结构 桥梁 64#墩河床从上到下依次为粉砂、 细砂、粉质粘土，河床地质结构资料见表 1 。 表 1 河床地 质结构资料土层名称土层顶标高 /m 土层底标高 /m 土层厚 /m 重度/(kN/m3)内摩擦角$厂粘聚力/kPa粉砂 -4.8-7.32.518.5300 细砂-7.3-14.

5、166.8618.5320 粉质粘土 -14.16-24.161019.51619.3 综合考虑施工环境及工程要求， 64#桥墩基础采用双壁钢围堰施工。 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 4 。 2.1 总体结构设计 双壁 钢围堰采用圆形结构，外径 24.6 m ，内径 22.2 m ，内外壁 间距 1.2 m 。钢围堰顶面标高 +3.5 m ，底面标高 -16.817 m ； 总高度 20.317 m ，高度方向分为四节，第 1节 5.267 m ，第 2、 3 节

6、5.02 m ，第 4 节 5.01 m ；平面环向均分 8 段，按照 45设置。钢围堰结构见图 1。 图 1 钢围堰结构 （单位： cm） 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 8 mm 。钢围堰沿周围布置 192根/ 100 x 100 x 1角钢作为竖向主龙骨，主龙骨的间距外 壁为 40.3 cm ，内壁为 36.3 cm 。钢围堰横向主龙骨均采用 I10 工字钢，沿高度方向每隔 1 m 布置一道。壁内横、竖向 桁架采用/ 63x 63X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

7、 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 10 mm ，每个隔仓上下贯通，左右封闭。 2.1.3 刃脚 钢围堰底部设置150 cm高刃脚，底部用/ 100 X 100 X 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?300 mm 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

8、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 5.267 m 钢围堰下放，在钢围 堰内灌注刃脚混凝土，灌注高度为 1.5 m ，钢围堰底标高 +0.233 m ，未着床。 (2)工况二，接高第 2节 5.02 m 钢围 堰，在钢围堰隔仓内注水 5 m 高，钢围堰底标高 -4.787 m ， 未着床。 (3)工况三，接高第 3 节 5.02 m 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

9、泥抓土，下沉 至河床标高 -9.807 m 位置，入河床 5.007 m 。 (4) 工况四， 接高第 4 节 5.01 m 钢围堰，在钢围堰隔仓内填充高度为 3 m 混凝土及注水 6 m 高，钢围堰内吸泥抓土，下沉至河床标高 -16.817 m 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 2.5 m 。 首 节钢围堰

10、自重：G1=122.5 t X g=1 225 kN。钢围堰内灌注刃 脚混凝土(高度1.5 m)自重：G2=1.5 mXnX (24.622.22)m2/4 X 24 kN/m3 X 0.5=1 588 kN 。水浮 力：F 浮=Y w(2.767-0.75) m XnX (24-22.22) m2/4=1 779 kN，式中yw为水的重度。 图2工况一计算图示(单位：m) 钢围堰下沉安全系数： K=(G1+G2)/F 浮=1.581.0 ，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 表 2 各工况下钢围堰整体抗浮计算结果工况抗浮力 /kN 水浮 力/kN下沉安全系数是否

11、满足要求工况一281317791.58满 足工况二 833862081.34 满足工况三15 满足 工况四 31705307511.03 满足工况五 108713870591.25 满 足 由表 2 可知，各工况下钢围堰整体抗浮满足要求。 2.4 钢 围堰强度计算 钢围堰强度计算采用 MIDAS CIVIL 2010 软 件进行三维整体建模分析，水土压力荷载按最不利状况考虑， 钢围堰封底混凝土及隔仓混凝土采用实体单元模拟，内外壁 板采用板单元模拟， 水平、竖向桁架采用桁架单元模拟， 横、 竖肋采用梁单元模拟，钢护筒及钢管桩约束采用一般支承模 拟，刃脚处约束平动自由度，

12、不约束转动自由度，钢围堰自 重由软件考虑，钢围堰计算模型如图 3 所示。 图 3 钢围堰 计算模型2.4.1钢围堰内外壁板由图4得出，壁板(8 =8 mm)最大应力 a w=81.2 MPaf=215 MPa。2.4.2 钢围堰水 平桁架 由图 5 可知，水平桁架最大应力 66.5 MPa ，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 $ =0.777，则水平桁架最大压应力a w=66.5 MPa/0.777=85.6MPaf=215 MPa ，满足要求。 图 4 钢围堰 内外壁板组合应力图 图 5 钢围堰水平桁架组合应力图 钢 围堰各构件强度计算结果见表 3

13、。 表 3 钢围堰各构件强度 计算结果构件部位最大应力 /MPa 强度设计值 /MPa 是否满足 要求内外壁板 81.20215 满足水平桁架 85.60215 满足竖向桁 架 194.40215 满足横肋 156.20215 满足竖肋 172.70215 满 足 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 2 m ，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

14、抓土 吸泥量约为 6 650 m3 。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 10 t 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

15、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

16、 。 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 10 mm 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 1 m 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 20 mm 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

17、，立即停止吸泥，连续观测8 h ，钢围堰下沉 不大于 10 mm ，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5 ，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 2.5 m ，外加 0.5 m 找平层。 导管作用半径按 3 m 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

18、围堰的稳定性。 4 结束语 本文根据 某特大桥 64# 桥墩双壁钢围堰的施工工况，对钢围堰的整体 抗浮性和强度进行计算，计算结果表明钢围堰整体抗浮性和 强度均满足要求，且具有一定的安全储备。施工实践证明， 该钢围堰设计合理，施工工艺得当，为同类工程的设计和施 工提供有益的参考。 参考文献 1胡启升，李小珍， 李贞新 . 桥梁基础双壁钢围堰施工技术的应用现状 J. 四川建筑， 2006,26(03):137-138 2 王贵春，王勋文 .桥梁深水基础双壁 钢围堰的设计方法J.科学技术与工程，2007,7(01):79-83 3 狄为民.双壁钢围堰在山区河流桥梁基础中的应用 J .铁道标 准设计，

19、 2005(04):36-38 4 洪苏科，张 敏，张 牧，等 .嘉 绍跨江大桥桥塔墩承台钢围堰结构设计与施工 J. 桥梁建设， 2010(S1) ：18-22 5 赵 涛.潮汐地区深水大体积承台双壁钢 围堰施工技术 J. 石家庄铁路职业技术学院学报， 2011,10(04):24-28 On the Design and Construction of the Dual-Walled Steel Cofferdam for a Mega Bridge LIU Chang (The Shijiazhuang Railway Construction Co. Ltd. of the 6th Bu

20、reau Group of China Railway,Shijiazhuang 050000,China) Abstract ： With the dual-walled steel cofferdam for the 64th pier of a mega bridge as an example,the integral anti-floating performance of the steel cofferdam in different construction conditions is checked in the paper,with the strength of each of the members of the steel cofferdam calculated by means of the software of MIDAS CIVIL.The result of the calculation shows that both the integral anti-floating performance and the strength of the steel cofferdam are up to the requirement