大型双壁钢围堰气囊法断缆下水施工工法入水速度计算

PAGE19大型双壁钢围堰气囊法断缆下水施工工法1．前言深水区桥梁基础采用大型双壁钢围堰兼作钻孔平台法施工时，围堰在岸上制造拼装完成后，首先需要解决吊箱围堰的下水难题，国内一般采取大型设备整体吊装下水或轨道滑行下水的施工技术。针对xx长江大桥主墩基础施工工期紧，并结合围堰的规模和下水环境，中铁xx集团有限公司因地制宜地开发了大型双壁钢围堰气囊法下水施工技术。相比之下，采用气囊法下水具备以下优势：第一，不需要大型机械，不需要下水轨道，适用范围广；第二，施工工序简单，下水过程安全迅速；第三，施工投入较少，施工工期短，具有明显的经济效益。中铁xx集团有限公司依据在几项大型桥梁工程中的施工实践，经过研究和总结，形成本工法。2．工法特点2．1本工法使用的气囊能多次重复使用，施工投入较少，且整个施工过程不需要大型起吊设备配合，经济合理。2．2从修整坡道、布置气囊到钢围堰下水整个施工过程用时较短，可有效节省施工工期，对基础施工工期紧迫的项目效果明显。2．3通过合理的下水坡道布置、气囊布置以及双壁钢围堰吃水深度计算、必要的辅助措施安排可有效的控制双壁钢围堰下水过程，安全性高。2．4结构受力明确，理论计算结果与实际状况吻合较好，安全性高，且施工工艺简单易行，操作方便。2．5对施工场地及周围环境要求较低，下水滑道进行简单的换填和硬化即可，通用性好，适合多数大型浮式结构物下水施工。3．适用范围本工法适用于大型双壁钢围堰下水施工，也适用于结构类型相似的大型浮式结构物的下水施工。特别是施工工期紧张、缺少大型机械设备且不具备下水轨道条件的情况下，本工法具有较强的优越性。本工法使用的气囊可根据结构物的规格及形态进行合理选择。4．工艺原理双壁钢围堰气囊法下水系统主要由气囊、下水坡道、后拉缆及地锚及牵引缆组成。双壁钢围堰拼装完成后，气囊充气托起钢围堰，放松或断开后拉缆，使双壁钢围堰在自重作用下，利用气囊滚动，沿坡道加速下滑，迅速到达深水区域，实现安全自浮。5．施工工艺流程及操作要点5.1气囊法下水系统组成双壁钢围堰气囊法下水系统主要由气囊、下水坡道、后拉缆及地锚及牵引缆组成，具体布置示意见图5.1。下水系统的作用是保证双壁钢围堰能依靠自身重力下滑前行并安全入水，整体自浮，最后利用拖轮控制双壁钢围堰。图4.1双壁钢围堰下水系统布置图5.1.1气囊气囊起到承托双壁钢围堰的作用，沿双壁钢围堰两侧对称布置两排，见图5.1.1。气囊按对称、分散的原则进行充气，直至达到设计工作高度。当放松或切断后拉缆后，双壁钢围堰在自重的作用下，利用气囊滚动，沿坡道下滑，加速进入水中。图5.1.1气囊布置图5.1.2下水坡道双壁钢围堰由两排气囊承托在下水坡道上滚动下滑入水，因此下水坡道必须按要求进行设计。下水坡道的地基承载力必须满足承载气囊的要求，坡道设计满足双壁钢围堰下水过程气囊受力要求。坡度设计按照一下原则进行：1、根据气囊的承载特性及受力情况。2、为提供足够的如水速度。5.1.3后拉缆及地锚后拉缆及地锚用来保证双壁钢围堰被气囊托起后的稳定。双壁钢围堰初始下滑在后拉缆的控制下进行，其下滑速度及方向均可做调整，保证双壁钢围堰断缆后加速下滑入水过程安全可控。5.1.4牵引缆牵引缆的主要作用是双壁钢围堰下水后由拖轮牵引，防止双壁钢围堰搁浅。5.2关键技术通过双壁钢围堰切断后拉缆后的滑动入水速度与吃水深度的计算，确定下水坡道长度、坡度大小；根据双壁钢围堰重量、地基条件及双壁钢围堰入水各工况受力计算结果，确定气囊规格型号、数量及布置方式。5.2.1双壁钢围堰入水速度、吃水深度计算。5.2.2下水坡道长度、坡度大小确定。5.2.3选择合适下水地点，进行清淤、整平、加固。5.2.4入水各工况受力计算。5.2.5气囊选型及布置。5.3施工过程及施工要点5.3.1施工工艺流程见图5.3.1。围堰下气囊布置围堰下气囊布置、充气地锚埋设钢围堰拼装坡道换填、平整施工准备坡道坡度调整坡道气囊布置气囊调整拆除钢围堰拼装支承点放松后拉缆、围堰起滑后拉缆控制钢围堰前行围堰移至水边、切断后拉缆、放滑入水钢围堰整体入水、自浮拖轮绑定钢围堰托板回收场地清理，气囊回收整理图5.3.1双壁钢围堰气囊法下水施工工艺流程图5.3.2准备工作1、下水过程分析双壁钢围堰断开拉缆后在重力作用下沿坡道下滑，入水后即有浮力作用；入水后悬出部分的重力矩和浮力矩都同时在增加，在重力矩和浮力矩相等时双壁钢围堰达到自浮平衡条件。2、吃水深度计算根据双壁钢围堰双壁可提供的浮力面积计算入水后钢围堰的吃水深度，并根据双壁钢围堰入水速度的计算确定双壁钢围堰入水后冲出的距离及下水处河床断面的水深条件判断双壁钢围堰下水后的稳定情况，是否有搁浅的危险。双壁钢围堰入水速度的计算做为双壁钢围堰入水后冲出的最远距离的理论依据，还可做为双壁钢围堰入水后拖轮帮靠的依据，事先设计拖轮停靠的位置及帮靠方式。3、下水坡道长度、坡度的确定双壁钢围堰下水由两排气囊组承托在坡道上滚动前行，因此要求下水坡道必须平顺、坡度变化匀缓、无横坡，坡道宽度大于气囊长度。下水坡道的长度及坡度根据双壁钢围堰拼装场地的实际占地情况通过控制双壁钢围堰入水速度及吃水深度来确定。双壁钢围堰在重力作用下沿坡道滚动下滑，坡道的长度及坡度决定了双壁钢围堰入水时获得的速度及加速度，只要这个速度及加速度让双壁钢围堰入水后吃水深度及入水位置能满足要求即可。入水速度、滑移距离计算由于断缆时，钢吊(套)箱重心距离江边50m，钢吊(套)箱前端距水沫线S1=10m,底部气囊高度为1.2m,钢吊(套)箱前端开始接触水面时，前端距离江边的水平距离为S2。详见图5.3.2。图5.3.2钢吊(套)箱入水计算简图假设在钢吊(套)箱前端吃水深为2m时，忽略水流的阻力以及水的浮力影响，此时距其刚接触水面处的水平距离为S3。此时钢吊(套)箱的速度为则水平方向速度分量为：假设钢吊(套)箱前端在达到最大吃水深度7.6m时速度为0。水平加速度为其中:K:安全系数,取0.6A:钢吊(套)箱的阻水面积γ:水的容重v:水的流速(此中为相对速度，即钢吊(套)箱的速度)m:钢吊(套)箱的质量根据速度和加速度的关系得关系式：，则，故（*）当时，视钢吊(套)箱处于可控状态。则当时，由(*)式得此时钢吊(套)箱距离吃水深2m时的水平距离为：则从钢吊(套)箱起动到处于可控状态时，其水平位移为：根据现场水深测量，距水沫线22m位置水深达到8m，故钢吊(套)箱需要滑行的最小安全距离<S>＝8＋22＋80＝110m结论：S＝122.5m＞<S>＝110m，满足下水要求。4、气囊布置及数量确定（应增加气囊的选择和下滑力的确定相关内容）调查单个气囊的承载力参数，根据双壁钢围堰自重计算气囊的使用数量及布置。气囊布置的安全全系数K的计算如如下：1.2～1.44（常规情情况）式中：K—气囊囊使用安全全系数；PP—单个气囊囊承载力（P如何确定定？）；nn—气囊使用用数量；GG—双壁钢围围堰自重；；钢吊(套)箱断缆起动计算算断缆时，钢吊((套)箱重心距距离江边50m，位于1：18.2坡道上，计计算钢吊(套)箱断缆启启动工况。G为钢吊(套)箱箱自重31000t，α＝tan-11//18.22＝3.155°F1＝cos3.155×31000＝30955.3tF2＝sin3.155×31000＝170..35tF3＝F1×μ＝30095.33×0.004＝123..8t（滚动摩摩檫系数μ取0.04）由计算可知F22＞F3，即断缆缆后钢吊(套)箱可以下下滑。单个气气囊的承载载力详见表表5.1。表5.1φ11.2m××15m气囊的承承载技术参参数表H（m）0.20.30.40.50.60.7φ1.2m×155m气囊承载载力（t）16815113411810084注：表中H（mm）值为气气囊的作高高度，亦为为箱体托板板离地面的的高度。气囊用量计算气囊的工作高度度H取为0.5m，下水的的整体重量量G≈31000t，取气囊囊个数n=60，则：气气囊的安全全系数K为：K＝118n／G＝＝118××60／3100＝2.28＞K0＝1.2～1.4（常规情情况）考虑到箱体底部部结构气囊囊受力不均均匀，在计计算时将单单支气囊受受力控制在在150t以内。5.3.3辅助设施施布置1、托板托板在双壁钢围围堰下滑过过程中的作作用是保证证气囊工作作面平整及及使围堰重重量均匀传传至气囊，拖拖板一般由由钢板制成成，为保证证其工作性性能须作如如下处理：：1)钢管包包边在气囊进出托板板时，为不不伤及气囊囊，不影响响吊箱下滑滑，需将外外露边用建建筑钢管包包边并点焊焊牢靠。2)临时限限位托板在双壁钢围围堰下滑时时须与吊箱箱水平限位位并固定，以以避免双壁壁钢围堰与与托板间出出现相对滑滑动。水平平限位采用用在托板上上焊接卡板板的形式与与底龙骨翼翼缘卡定，范范围为托板板两侧双壁壁钢围堰前前半部，在在双壁钢围围堰入水自自浮后后端端托板因失失去气囊的的支承而下下落，在自自重作用下下逐个拉掉掉卡板，最最后脱落。此此方式有效效保证了双双壁钢围堰堰在整体入入水自浮后后，实现托托板的自动动脱落。2、地锚及后拉缆缆为控制吊箱在气气囊起顶后后下滑运动动，以及在在滑道下滑滑的速度和和方向，须须设置后拉拉缆，拉缆缆设计拉力力需大于吊吊箱自重的的最大下滑滑分力。当当吊箱入水水后，吊箱箱下的托板板需由地锚锚配卷扬机机拉起回收收。后拉缆用地锚锚锚固，地锚锚布置于双双壁钢围堰堰后侧。地地锚为埋置置式钢筋混混凝土锚，共共设2个，顶与与地面平齐齐，预埋钢钢板锚环。拉拉缆通过滑滑车组与地地锚相连。双壁钢围堰底龙骨上设置牵引固定点。地锚大小根据计算而定，并验算其抗倾覆稳定、抗滑动稳定及抗上拔力安全稳定。3、牵引缆牵引缆做为防止止双壁钢围围堰搁浅而而设置的一一种保险措措施，牵引引缆的一端端连接在拖拖轮上，另另一端固定定于双壁钢钢围堰上。双双壁钢围堰堰入水后由由拖轮带力力，往水中中牵引。5.3.4坡道处理理在布置双壁钢围围堰组拼台台座前须对对下水坡道道进行基础础换填和硬硬化处理，以以满足双壁壁钢围堰下下水各工况况承载力的的要求。一一般将原有有土换填为为粘土和碎碎石，坡道道前端做抛抛石处理。坡道坡度布置按按每段调坡坡2％设计，以以满足气囊囊承载特性性及受力的的要求，2％是根据据所选择规规格气囊承承载特性及及受力要求求确定的。5.3.5双壁钢围围堰下水1、起滑气囊下河的所有有准备工作作就绪，具具体下河日日期要综合合考虑当时时的天气、风风力及潮水水位情况，应应在风力较较小、无雨雨水的天气气下进行，并并尽量选择择高潮位时时段。当气囊完全托起起双壁钢围围堰，下滑滑道必须完完全清理，不不得有遗漏漏，地表之之上的砼、砖砖等全部清清退，专人人检查，同同时不能有有尖锐物遗遗留，以免免戳穿气囊囊。在边坡坡换填及平平整时，亦亦应注意类类似情况。清理完成后，慢慢慢放松后后拉缆，必必要时在前前端不断补补充气囊，直直至前面气气囊到达水水边。2、断缆、下滑入入水双壁钢围堰控制制下滑至水水边线，切切断后拉缆缆，让双壁壁钢围堰自自由加速下下滑，利用用其惯性入入水并向江江中滑行一一段距离，使使双壁钢围围堰后端水水深满足自自浮吃水深深度要求。3、稳定控制双壁钢围堰整体体入水后，会会在惯性、风风力、水流流作用下继继续漂浮，同同时底板内内进水，双双壁钢围堰堰入水深度度增大，达达到稳定入入水深度，为为控制双壁壁钢围堰不不至继续漂漂浮，待命命的拖轮及及时靠近并并栓绑，控控制双壁钢钢围堰使其其稳定。4、托板回收托板一端预留起起吊钢丝绳绳和浮漂，在在托板沉到到河床后利利用后钢丝丝绳拖拉上上岸，必要要时，可在在托板底部部设置气囊囊，方便拖拖拉。5.3.6应急预案案双壁钢围堰自重重大，结构构不同于船船只，气囊囊法下河会会存在许多多不确定因因素，应准准备好应急急预案：1、双壁钢围堰开开始不滑移移双壁钢围堰若开开始不能下下滑，可通通过调节气气囊压力，来来调整气囊囊的工作高高度，从而而改变双壁壁钢围堰的的下倾坡度度，必要时时，可采用用装载机或或拖轮牵引引，直至双双壁钢围堰堰开始下滑滑。2、双壁钢围堰下下水速度过过快，冲滑滑太远在双壁钢围堰下下水前，设设置柔性保保险长缆绳绳，系结在在水边准备备的铁锚上上，保险缆缆绳长度按按照双壁钢钢围堰安全全距离确定定，蛇行盘盘在水边空空地上，利利用铁锚控控制双壁钢钢围堰。并并配备大马马力拖轮附附近待命。3、双壁钢围堰在在下冲阶段段搁浅搁浅的主要原因因可能有江江边地基松松软，下滑滑阻力大，无无法加速下下滑入水，以以及江边处处的水深不不够。应急急措施按顺顺序如下：：当双壁钢围堰因因气囊滚动动不便而停停止在江边边时，可通通过江中的的拖轮向江江中拖拉，同同时左右摇摇晃方式，使使双壁钢围围堰入水自自浮。若上述处理方法法无效，则则采用在双双壁钢围堰堰前端（冲冲向水中的的一端）注注水，使后后端翘起，减减轻双壁钢钢围堰后端端对边坡的的压力，从从而减小向向江中下滑滑阻力的办办法促使双双壁钢围堰堰入水。6．材料与设备6.1施工主主要机械设设备情况见见表6.1表6.1机械械设备情况况表序号名称规格型号单位数量备注1拖轮3600hp艘1吊箱帮靠2汽车吊机35t/25tt台23发电机组400kw/2250kww台2/24卷扬机15t台25高压气囊φ1.2m×155m条60五帘四胶6空压机台87滑轮组100t对28单门滑车20t台56.2劳动力力组织情况况见表6.2。表6.2劳劳动力组织织情况表序号作业组主要作业内容人数技术人员技工普工1技术组施工组织设计32气囊布置组气囊布置、充气气控制13103后缆控制组地锚浇筑、后缆缆安装控制制1244下水坡道修整组组基础处理、坡度度修整14105钢结构作业组拖板安装、结构构加固14156临时定位组双壁钢围堰下水水控制、临临时定位13107机动作业组设备搬运、清理理、后勤保保障2108船舶组船舶调配组织124质量控制（按编编写要求补补充内容）7.1钢围堰定定位锚碇系系统设置适适当预拉力力，有效减减小锚绳的的非弹性变变形，减小小流速变化化、水位变变化对钢围围堰平面定定位精度影影响。7.2锚碇系统统选用大直直径锚链和和钢丝绳，锚锚绳单位长长度重量较较重，其垂垂度变化受受水流变化化影响较小小。7.3根据详细细的受力分分析计算，并并进行预拉拉试验，优优化定位设设计，合理理布置锚碇碇系统，以以进一步缩缩短锚绳长长度，减小小弹性变形形。7.4选择低平平潮位施加加预拉力。在在潮位升高高时锚碇系系统的锚绳绳将继续绷绷紧，增大大了浮体的的整体刚度度。7.5在较长时时间段内如如水文条件件变化较大大，可通过过调整锚绳绳和拉缆保保证钢围堰堰的平面位位置满足定定位精度要要求。7.6根据观察察实测的钢钢围堰平面面位置随水水文条件的的变化规律律微调锚碇碇系统或调调整拉缆，将将钢吊箱定定位于紧靠靠设计墩位位的一理想想位置。7.7调整箱壁壁内水头高高度确保钢钢围堰平面面倾斜满足足插放钢护护筒要求。8．安全措施8．1项目经理理是安全生生产第一责责任人，全全面负责本本项目的安安全生产工工作。为了了确保安全全管理目标标的实现，项项目部配备备足够的安安全管理人人员，并建建立如下安安全管理机机构，全面面负责本项项目的安全全生产管理理工作。8．2建立、健健全各级安安全岗位责责任制，建建立各项安安全生产规规章制度和和安全操作作规程，建建立相应的的内部考核核制度，责责任落实到到人。充分分发挥各级级专职安检检人员的监监督作用，及及时发现和和排除安全全隐患。8．3开工前要制订好好安全生产产保证计划划，根据各各施工阶段段的特点，开开列危险源源清单，编编制出针对对性的安全全技术措施施。安全技技术措施要要周密而有有针对性，安安全措施方方案需经单单位有关部部门批准，并并报安全监监理审核。8．4施工前，工地负负责人必须须向全体施施工人员进进行安全生生产总交底底，其内容容应做到面面广，突出出重点。8．5施工现场要有醒醒目的安全全标语，安安全警告标标示牌和指指示牌，消消防器材分分布图。大大中型机具具设备包括括船舶要有有安全操作作规程。8．6现场作业人员必必须经过安安全培训和和岗前教育育，合格后后方可上岗岗，特殊工种种人员必须须持证上岗岗。8．7所有进入施工现现场的人员员必须戴好好安全帽，作作业人员必必须穿戴与与其工作相相适应的个个人防护用用品。高处处作业人员员必须系好好安全带，水水上作业人人员必须穿穿救生衣。8．8施工现场的电气气设备必须须符合建设设部《施工工现场临时时用电安全全技术规范范》（JG466-88），输电电线路必须须采用三相相五线制和和“三级配电电二级保护护”。8．9所有施工机具设设备、施工工用船舶、压压力容器、机机动车辆的的进场，均均要进行认认真检查验验收，填写写验收记录录。大型机机械的保险险、限位装装置防护指指示器等必必须齐全可可靠。8．10高处作作业严格执执行JGJ880-911《建筑施施工高处作作业安全技技术规范》进进行施工，搭搭设施工脚脚手架时必必须持有经经批准的专专项施工方方案，并已已进行过安安全技术交交底。架子子搭设完毕毕应有专人人验收，合合格签字，挂挂牌后方可可正式启用用。8．11脚手架架操作平台台等周边要要按规定搭搭设防护栏栏杆和踢脚脚板，外侧侧和底面要要挂设安全全网。人行行通道要满满铺行走道道板，并绑绑扎牢固。登登高作业要要走扶梯，严严禁攀爬，严严禁上下抛抛物。进行行两层或多多层上下交交叉作业时时，上下层层之间应设设置密孔阻阻燃型防护护网罩加以以保护。环保、节能措施施9.1严格执行行国家、铁铁道部、地地方政府及及建设单位位有关生态态环境保护护的规定，贯贯彻“预防为主主、保护优优先，开发发与保护并并重”的原则，“三废”按规定排排放，确保保工程所处处环境及长长江水域不不受污染，并并确保施工工中的环境境保护监控控与监测结结果满足业业主和设计计文件要求求及有关规规定。9.2项目经理理部接受建建设单位环环境保护部部门对本标标段的环境境保护的指指导、检查查和监督