深水基础套箱围堰施工综述

./穗莞深交通工程SZH-1标一、二、五工区技术学习资料桥梁水域承台基础围堰施工中铁大桥局穗莞深交通工程SZH-1标一、二、五工区总工室2010年6月桥梁承台基础围堰施工概述近年来,随着我国经济建设的不断发展,跨越大江大河的桥梁也越来越多。我们的桥梁建设水平也日益提高,在许多方面已赶上和达到了国内先进水平。本文针对深水桥梁施工中的难点——低桩承台的施工围堰、高桩承台的施工围堰加以总结,希望能够对我司桥梁工程施工有所帮助。一、名词解释：围堰、低桩承台、高桩承台1、围堰围堰是导流工程中临时挡水建筑结构物。用来围护施工中的基坑,以保证水工建筑物能在干体环境内工作。围堰往往需要在流水中进行修建,它在完成止水任务后,如果对永久建筑物的运行有防碍,则应予拆除。围堰的作用既可以防水、围水,又可以支撑基坑的坑壁。2、低桩承台、高桩承台承台底面侵入河床〔地面的承台就是低桩承台、脱离河床〔地面的承台就是高桩承台。二、围堰的分类桥梁基础施工中围堰的分类。按照所使用材料分类可以分为：土石围堰、木围堰、草袋围堰、钢围堰、混凝土围堰；按照围堰的支撑方式可以分为套箱围堰、吊箱围堰。套箱围堰就是围堰结构重量支撑于河床；吊箱围堰就是围堰结构不着床,而是支撑钻孔桩〔钢护筒侧壁上。很明显套箱围堰一半用于低桩承台、吊箱围堰一半用于高桩承台。钢板桩围堰实质是一种钢套箱围堰,是采用化整为零的方式,将套箱围堰的侧板分成若干个小的单元体,在墩位处进行组合,后形成的钢套箱围堰。三、几种常见的低桩承台套箱围堰施工综述〔一钢板桩围堰钢板桩围堰是一种比较传统的深水基础施工方法。钢板桩是从国外引进的一种制式产品,我系统主要为德国拉森式钢板桩。钢板桩可以打入河床土体中或连到物件上,组成承载及防水结构,工作结束后,拔出或拆下重复使用。1．结构型式及特点钢板桩围堰一般采用单壁的矩形、圆形等结构形式,内部根据水位情况设置支撑,该围堰因为是重复使用,因此,一般不做封底混凝土,但是在某种特定的环境中,为减少内支撑数量,通常采用在钢板桩侧壁上设置隔离剂〔常用的做法是涂刷沥青,然后再做封底混凝土。钢板桩围堰是一种施工简单、快捷、成本较低的围堰形式。但是,该围堰也有其很大的局限性,其一,由于是组拼式结构,整体刚度较小,因此其抗水流及冲刷能力差,不宜于在流速较大的情况下使用〔根据以往施工经验在流速V≯1.5m/s使用较好,在流速V≥2.0m/s不宜使用；其二,由于其本身强度、刚度局限,在承台较深时,需设置强而密的支撑,对后续的承台及墩身施工干扰很大,因此,不宜于在水位较高的情况下使用；其三,因为要重复使用,不宜灌注封底混凝土,因此,在既要满足底部支撑力,又要满足较小渗流的情况下,对河床提出了较高的要求,因此,不宜在透水性强,承载力小的地层条件下使用。2．施工工艺及施工要点〔1施工工艺流程〔A施工准备施工准备设置导向架设置导向架钢板桩检验整修钢板桩插打至合拢钢板桩检验整修钢板桩插打至合拢设置内支撑设置内支撑抽水堵漏抽水堵漏挖、吸泥挖、吸泥基底硬化处理基底硬化处理承台、墩身施工承台、墩身施工钢板桩拆除钢板桩拆除〔2施工工艺流程〔B施工准备施工准备设置导向架设置导向架钢板桩检验整修钢板桩插打至合拢钢板桩检验整修钢板桩插打至合拢设置内支撑设置内支撑吸泥清基吸泥清基灌注封底混凝土灌注封底混凝土抽水堵漏〔设置内支撑抽水堵漏〔设置内支撑基地清理基地清理承台、墩身施工承台、墩身施工钢板桩拆除钢板桩拆除〔2施工要点a.插打钢板桩应用固定的临时导向架插打钢板桩,在稳定的条件下安置桩锤。一般宜插桩到全部合龙,然后再分段、分次打到标高。插桩顺序,在无潮汐河流一般是从上游中间开始分两侧对称插打至下游合龙,在潮汐河流,有两个流向的关系,为减少水流阻力,可采取从侧面开始,向上、下游插打,在另一侧合龙。桩锤一般采用振动桩锤。为了确保每一片钢板桩插打准确,第一片钢板桩是插打的关键,第一片钢板桩位置选择在上游或下游中心位置,插打前在导向架上设置限位装装制,大小比钢板桩每边放大1cm,插打时,钢板桩桩背紧靠导向架,边插边将吊钩缓慢下放,这时在相互垂直的两个方向用锤球进行观测,以确保钢板桩插正、插直；通过检测,确定第一片钢板桩插打合格后,然后以第一根钢板桩为基准,再向两边对称插打每一根钢板桩到设计位置。整个施工过程中,要用锤球始终控制每片桩的垂直度,及时调整；每一片钢板桩先利用自重下插,当自重不能下插时,才进行加压。钢板桩插打至设计标高后,立即与导向架进行焊接,以抵抗水流冲击；插打过程中,须遵守"插桩正直,分散即纠,调整合拢"的施工要点。b．堵漏钢板桩的堵漏常用方法：①抽水前可在其外侧围一圈彩条布,在布的下端绑扎钢管沉入河床,并用砂袋压住,堰内抽水时,外侧水压可将彩条布紧贴板桩,起到一定的防水作用；②在板桩侧锁口不密的漏水处用棉砂嵌塞；③抽水时顺着钢板桩的接缝下溜较干细砂的方法,借助水压力将细砂吸入接逢内而达到堵漏的目的；④施工后的大渗漏处理。对于退潮后不渗漏但涨潮时渗漏较大时,则可用快速堵漏剂将锁口位置进行封堵；⑤渗漏严重时,在钢板桩围堰渗漏外侧堵砂袋或散装细颗粒堵漏物〔如木屑、炉渣、谷糠等。c.吸泥、硬化基层在水抽干后,即可人工挖泥,至设计标高,之后回填片石,浇注30cm的混凝土硬化基底,进行承台施工。d．吸泥、清基、灌注水下混凝土围堰内采用采用高压水枪配合泥浆泵不抽水吸泥开挖,至设计标高,灌注水下封底混凝土,进行承台施工。e.内支撑的安装围堰内支撑的安装与基坑内水位或泥面的下降按"先支撑后降水或吸泥,分层支撑分层降水或吸泥"的原则进行。具体支撑顺序如下：抽水至第一层支撑处→加第一层围檩及内撑→吸泥至第二层支撑处→加第二层围檩及内撑→……→加最底层吸泥至基坑底。f．围堰的拆除围堰拆除的顺序是先拆除内支撑及围檩,在拔出钢板桩。内支撑的拆除从底层开始按照"先注水或填土,分层注水或填土分层拆除"的原则进行。具体拆除顺序如下：注水或填土至底层支撑处→拆除底层围檩及内撑→注水或填土至次底层支撑处→拆除次底层围檩及内撑→……→注水或填土至顶层支撑处→拆除底顶围檩及内撑。钢板桩拔除方法：先用打拔桩机夹住钢板桩头部振动1min～2min,使钢板桩周围的土松动,产生"液化",减少土对桩的摩阻力,然后慢慢的往上振拔,拔桩时注意桩机的负荷情况,发现上拔困难或拔不上来时,停止拔桩,可先行往下施打少许,再往上拨,如此反复可将桩拔出来。g钢板桩围堰的计算假定图式3.应用实例〔一新长铁路长江轮渡北栈桥7号～13号墩高潮位时水深在1～6m之间,河床地质为淤泥质砂粘土,承台尺寸相同,均为5.4m*8.0m,施工采用钢板桩围堰,其结构及内支撑尺寸相同,便于周转和重复使用；由于水浅,堵漏及抽水工作量较小。综合考虑水文、地质、工期、造价等因素,7号～13号墩用单壁刚板桩围堰。钢板桩采用德国拉森〔larssen式槽型钢板桩,长度15m,其数量能同时满足两个墩使用,便于交叉作业,板桩入土深度为8m〔承台底面以下5～6m,内设两道支撑,支撑采用2[40栓接菱形框架式结构,如图2所示。〔二京沪高速铁路xx桥段跨xx河为〔48＋80＋80＋48米预应力混凝土连续箱梁。其中主墩承台平面尺寸为10.4×18.2米,高度为4米,其上为6.6×12米,厚度1.5米的加台。主墩桩基为15根Φ1.5米钻孔桩。承台、墩身具体布置如下：主墩采用钢板桩围堰进行承台、墩身的施工。钢板桩采用拉森Ⅵ型,其长度为21米。钢板桩的具体布置如下图：〔二、混凝土围堰混凝土围堰可分为重力式混凝土围堰和薄壁混凝土围堰。重力式混凝土围堰结构与沉井相似,一般用于岸上或浅水能筑岛的施工区域,是一种比较传统的围堰形式,根据钢筋混凝土的受力特点,一般以圆形结构为主,其同沉井的唯一区别是沉井是桥梁结构的一部分,而混凝土围堰仅是一种施工结构。二者的施工方法相同,本文不再赘述。下面重点介绍薄壁混凝土围堰的结构及施工工艺特点。1．薄壁混凝土围堰的结构型式及特点薄壁混凝土围堰一般采用双壁结构,其结构形式以圆形居多,也有圆端形结构。它是一种分节、分层预制的装配式结构。其壁厚一般为20cm左右,其平面形状根据承台结构形式以及水文等条件而定,其高度根据浮运能力而定,节与节之间一般采用法兰连接,壁间下部为封底需要填充混凝土,上部填充砂砾。该种结构的特点为：其一,须在岸上预制,因此在桥位附近需有码头并设有下水滑道；其二,由于其重量较轻,下沉困难,因此,仅适用于河床覆盖层较浅的水中区域；其三,由于需采用水下对接,因此其下沉须配备潜水员协助,对水流较大、较深的水域不宜实2．施工工艺及施工要点a.混凝土围堰的预制在靠近墩位的岸边设置预制场,将场地平整夯实后,在刃脚位置布置木枕,在其上组拼模板；内模与钢筋一次组装,绑扎成型,外侧模分次组立,边灌混凝土边接高,以便捣固。预制时,应确保模板不滑移、不变形,特别是两节连接处,应确保尺寸准确。b．设置滑道从预制场至河内一定距离设置滑道,滑道需伸入一定水深的河内,以满足龙门浮吊的吃水要求；滑道设-0．5％的纵坡,以便围堰下滑。c.围堰下水待围堰节的混凝土达到设计强度后,用千斤顶将其顶起,将滑道延伸至其下,推入运输平车就位并固定好,然后将千斤顶放松,使围堰节落到运输平车上,再解除平车制动,用卷扬机牵引至水上滑道。在拖拉时为防止失控,在围堰后方设一台小吨位卷扬机控制溜车。d．浮运定位利用平驳或浮箱组拼空腹式龙门浮吊,然后拖至滑道位置,利用4个吊构将围堰平稳吊离滑道,进入水域后缓慢放松吊绳,尽量降低其重心,然后用缆绳将四角拉紧,利用2艘拖船或机动舟牵引,与定位船连结,退出拖船,利用锚绳进行定位。e．围堰的下沉与拼装由于薄壁围堰重量较轻,在流速较大的情况下极易偏移,因此,最好先在其墩位上下游设置定位桩,引导围堰下沉。围堰下沉至接近河床时,潜水员下水清理刃脚处的卵石并大致磨平,然后用吸泥机吸泥,使其落于基岩上,再用编织袋装干硬性水泥砂浆刃脚垫平。底节围堰就位后进行临时锚碇,然后沉放第二节围堰外壁,对位后穿螺栓连接。之后沉放内壁,将刃脚处填塞找平。两壁间吸泥干净后,在两壁间灌注封底混凝土。围堰封底后,再依次沉放其余内壁,直至设计标高,最后在内、外沉井间填充砂砾石。3．应用实例京九线泰和赣江特大桥,位于赣江中游,1号～6号墩位于主河道上,水深10～15m,2号、3号墩处覆盖层2～4m,为中密饱和的粗砂夹卵石。本着充分利用既有设备和资源、因地制宜的原则,综合考虑水文、地质和通航要求等因素,经比选,位于主航道的2号、3号墩采用双层薄壁钢筋混凝土围堰进行施工。围堰外壁为圆端形,长20m,宽16．34m,壁厚20cm,采取分节预制,节长3m,节间法兰连接。内壁为矩形,长13.8m,宽13．4m,壁厚20cm,框内设十字形隔墙。内、外沉井预制好后,按先外后内的顺序逐节下水浮运拼装,内外壁之间填充混凝土及砂砾石,组成挡水围堰。围堰构造如图所示。〔三、钢套箱围堰近年来,由于钢材价格的下降,以及钢结构加工、运输、下沉方便等方面的优越性,钢套箱围堰越来越广泛地应用于大型深水桥梁的基础施工中。1．结构形式和特点钢套箱围堰按形状可分为矩形〔圆端形和圆形,其中每种围堰又有单壁、双壁以及单双壁组合式钢围堰。圆形围堰,由于在水压力作用下,只产生环向轴力,可不设内支撑,因此能够提供足够的施工空间,另外,由于其截面可以导流,因此抗水流能力强,它适用于流速较大的深水河流的低桩承台的施工中。但是,由于承台尺寸一般为矩形,因此,其封底的截面积较大,封底混凝土的量较大。矩形或圆端形围堰,可按承台的尺寸形状设计,减少了围堰钢壁的用钢量以及封底混凝土的用量。但是由于该围堰需加设内支撑,给后续工程的施工带来诸多不便。另外,其抗水流冲击能力和整体性较差,不宜在流速较大的河流中使用。单、双壁的构造主要是考虑钢围堰下沉的需要而设计,由于钢围堰重量轻,在需要人土较深的情况下仅靠自重难以下沉,需灌注配重混凝土,因此必须设置双壁结构；如果下沉较浅,借自重可以下沉,可设计为单壁结构；如在满足下沉需要的前提下,又要节省材料,可设计成单、双壁组合式结构。单臂围堰的优点是结构简单,加工方便；缺点是下沉较为困难。双臂围堰的优点是下沉中充分利用水的浮力,通过调节隔舱内的水位,来调节围堰位置,主动性强；双臂围堰的缺点是结构复杂,加工难度大。钢围堰结构形式的确定受多种因素的制约,如水文、地质、起重设备等。平面形状的确定主要受承台平面尺寸的影响以及水深的影响。我们曾做过比较,当承台的平面尺寸长宽比小于1．5时,采用圆形围堰更为合理,但水深大于15m的情况下,若采用矩形围堰,需加设多层内支撑,施工空间难以保证,同时也大大增加了钢材的用量,此时采用圆形围堰更为合理。2．施工工艺及施工要点〔1施工工艺流程〔图5围堰加工围堰加工浮运就位浮运就位下沉第一节下沉第一节拼装下一节拼装下一节壁内注水、混凝土,吸泥下沉壁内注水、混凝土,吸泥下沉清洗钢围堰侧壁及桩周清洗钢围堰侧壁及桩周浇注封底混凝土浇注封底混凝土抽水抽水承台施工承台施工〔2施工要点a．围堰的加工为运输方便,一般选择船运比较方便的工厂进行加工。为减少墩位处拼装工作量,一般根据现场起重能力分节在工厂加工。其加工顺序为,先分单元在胎具上加工成型,然后在浮体上组拼。矩形围堰由于较轻,一般是分块加工,一次拼装成型。b．围堰的浮运围堰的浮运根据下沉的设备情况而定,如果采用大型浮吊下沉,可用平驳进行浮运；如果采用组拼的龙门浮吊下沉,可直接用浮吊进行浮运。c.围堰的下沉矩形围堰由于重量较轻,可一次拼装到位,因此,精确定位后,可一次放置于河床上。而双壁或单、双壁组合式围堰由于体积大,需在水中边下沉边接高。其作业步骤为：将第一节放入水中定位,利用双壁所产生的浮力自浮于水中,然后接高第二节,灌水或混凝土下沉,再继续接高下一节,直至围堰全高。在围堰上搭设吸泥平台,布置吸泥机进行下沉。围堰设计时,双壁间应设隔仓,灌注时应分仓对称进行,以防钢围堰的偏移。d．封底混凝土的施工钢围堰沉至设计标高,灌注封底混凝土之前,要求潜水员用高压水枪进行清理,整平河床面,同时,为了保证封底混凝土与桩身、箱壁的良好结合,达到止水效果,潜水员应用高压水枪将桩身和箱壁上附着的泥浆冲洗干净。封底混凝土的施工采用垂直导管法。水下混凝土靠自身流动性向四周摊开。导管一般采用φ300mm无缝管,顶部设漏斗,导管数量根据钢围堰内净空面积确定。对于矩形钢围堰由于封底混凝土数量巨大,可分成几个仓,分次灌注封底混凝土。混凝土一般由岸上拌合站或大型拌合船供应,泵送至浇注位置。3．双臂钢围堰双臂钢围堰是我国桥梁技术人员发明的一种新的围堰形式,它首次出现于上世纪70年代XX长江大桥,目的在于解决洪水期施工问题及围堰渡洪安全问题。相比其它形式的围堰而言,双臂钢围堰具有如下优点：①能够承受较大的水压〔XX长江大桥施工时围堰抽水水头差达42m,使得洪水期施工成为可能；②双臂钢围堰刚性大,能够承受向内向外的压力,安全性更高；③双壁钢围堰工序简单,在水中是灌水下沉,主要工作就是围堰组拼,围堰内没有内支撑,吸泥清基方便；④双臂钢围堰顶部施工平台,载荷能力强,有利大型钻孔机械施工。所以它一经产生,就得到了广泛的运用。〔1双臂钢围堰的结构组成双臂钢围堰为全焊接水密结构,结构主要由井壁、隔舱板、刃脚、顶部支座四部分组成。〔2双臂钢围堰的施工a制造安装双臂钢围堰制造时,应对所有焊缝做没有渗透试验。现场拼装的所需设备机具：导向船、拼装船、内外脚手架。现场拼焊施工及质量控制：钢围堰半径误差≯3cm；上下隔舱板、水平环形板对齐、上下竖肋与水平环形板焊牢,内外壁板的焊接必须满焊,并保证水密。b围堰浮运及定位浮运时,拼装船位于两导向船中间,依靠拖轮带动前移至墩位处,然后两导向船通过锚绳与预先设置好的前后定位船相连接,并利用锚绳的收放调整导向船的位置。c围堰的接高、下沉和落底双臂钢围堰是分段接高、下沉河落底的。利用导向船只上吊架,提起钢围堰,待拼装船退出后,围堰开始下放。当围堰刃脚进入河床,围堰钢壳内所加水量,应满足①吊架放松时进入河床；②吊架施力时离开河床。此时使用锚绳、拉缆、围堰下端的前后兜缆对围堰位置进行调整,是围堰精确定位和刃脚底口对中,落底稳固后抽出兜缆。围堰下沉时根据需要辅以高压射水、吸泥等措施。围堰着床后,导向船任然是浮体,应采取措施既可以使得导向船上下移动,有保持其余钢围堰的水平位置不变。〔3双臂钢围堰封底及基础钻孔桩施工a清基清基过程中,潜水员一定要认真赌赛缝隙,将岩面的泥沙清理干净。b安装施工平台围堰清基完成后,在围堰顶安装钻孔施工平台。c安装钻孔桩钢护筒在施工平台设置导向架,并安装钢护筒。钢护筒底口接触岩面,上端高于封底混凝土面1.0m,护筒顶有固定架将所用钢护筒连在一起,以保证相对位置。施工时固定架先拼装成整体,在施工平台安装前悬挂于围堰内,待施工平台安装完成后,将固定架与钢护筒一起吊放下面的岩面。d封底及钻孔围堰封底使用水下导管灌注法。封底后,将围堰内水排干,拆除钢护筒固定架,利用临时导向护筒将护筒接高。临时导向护筒可多次倒用。〔4围堰拆除上壁钢围堰的拆除是一种不完全的拆除。其拆除就是将围堰上部钢壳切除回收。该工种一般在低水位时进行。此时围堰内外水头差较小,仅靠外壁就可以承受水压。切割内壁的工作可在围堰抽水情况下进行。然后围堰内灌水,由潜水员在围堰内切割围堰外壁。切割线一般应低于最低水位2-3m。应用实例

〔1XX长江大桥双臂钢围堰的结构布置示意图〔2XX长江大桥双臂钢围堰主要施工步骤布置示意图a围堰下沉、安装钢护筒b围堰封底、钻机钻孔c围堰内抽水、承台及墩身施工、拆除上部钢围堰〔四低桩承台的围堰小结深水桥梁低桩承台的围堰形式是多种多样的,每种围堰都有其各自的特点和适用条件,施工中应根据各自桥梁不同的水文、地质、材料以及设备等条件,综合考虑各种因素进行比选,不应死搬硬套,随着深水桥梁建设以及设备的发展,新材料的应用,采用大型低桩承台的结构形式越来越多,其施工技术和围堰形式也必将得到进一步的发展。四、高桩承台钢吊箱围堰的设计与施工围堰是用于水下施工的临时性挡水设施。钢吊箱围堰的作用是通过吊箱围堰侧板和底板上的封底混凝土围水,为承台施工提供无水的干处施工环境。根据钢吊箱使用功能,将其分为底板、侧板、内支撑、吊挂系统四大部分。其中,侧板、底板是钢吊箱围堰的主要阻水结构并兼作承台模板。钢吊箱围堰是为承台施工而设计的临时阻水结构,其作用是通过吊箱围堰侧板和底板上的封底混凝土围水,为承台施工提供无水的干处施工环境；封底混凝土作为承台施工的底模板,吊箱侧板作为承台施工的侧模板。〔一钢吊箱围堰的计算a计算工况钢吊箱围堰结构尺寸拟定后,根据施工阶段分析进行结构设计检算。计算内容为①

拼装下沉计算；②吊箱结构设计计算③封底混凝土施工阶段计算；④抽水后吊箱止浮计算。b计算荷载取值依据由《铁路桥涵设计规范》〔JTJ021-98荷载组合V考虑钢吊箱围堰设计荷载组合。水平荷载：∑Hj＝静水压力+流水压力+风力+其他；竖直荷载：∑Gj＝吊箱自重+封底混凝土重+浮力+其他；其中：单位面积上的静水压力按10kN/㎡计,水压随高度按线性分布；封底混凝土容重;γ=24.0kN/m3；水的浮力:γ=10kN/m3；封底混凝土与护筒之间的摩阻力取经验值150KN/m2C计算综合工况条件分析和计算内容,对钢吊箱各部分取最不利受力工况进行计算。①底板主要承受封底混凝土重量和吊箱自重,最不利阶段为封底混凝土灌注阶段。荷载组合为混凝土自重+吊箱自重+浮力,此外,还要对吊箱入水时底板受力情况进行复算。吊箱吊挂系统与底板一起进行验算。②

侧板以承受水平荷载为主,最不利受力工况为抽水阶段,侧板计算包括竖肋、水平加劲肋、面板、竖肋拼接处及焊接的内力、

变形及应力计算。另外,还要对吊箱逐层入水及承台施工等阶段侧板受力情况进行复算。内支撑系统与侧板计算,在侧板验算的同时完成验算。③吊箱拼装下沉阶段主要与吊箱自重有关,以围堰拼装完成下沉时为最不利进行计算控制,并据此计算结果设计吊点、吊带、内支撑。④

抗浮计算分两个阶段：一个阶段是吊箱内抽完水后,灌筑承台混凝土前,另一个阶段是浇筑完承台且混凝土初凝前。吊箱自重+封底混凝土重+粘结力〔方向向下＞浮力吊箱自重