6、双壁钢围堰施工工艺工法全解

1双壁钢围堰施工工艺（QB/ZTYJGYGF-QL-0206-2011）桥梁工程有限公司静国锋刘涛1前言1.1工艺工法概况我国在20世纪70年代修建九江大桥时，首创双壁钢围堰的围堰形式，在简化施工工序、缩短工期方面有了新的突破。目前双壁钢围堰已成为我国桥梁深水基础施工广泛采用的工艺之一。1.2工艺原理双壁钢围堰是一个带有刃脚的圆形双壁水密井筒钢结构，它既是钻孔桩施工的作业平台，又是承台施工的隔水结构。与无底钢套箱相同都无底板系统，双壁钢围堰的侧面双层壁板结构，通过刃脚直接插入河床，并通过吸泥下沉至设计标高。由于双壁钢围堰刚度大，可直接在其顶部铺设钻孔工作平台，待钻孔桩施工完成后，浇筑封底混凝土、围堰内抽水，在无水状态下施工承台混凝土。2工艺工法特点2.1结构刚性大、能承受向内、向外的压力，能承受较大水压，施工安全可靠。2.2圆形双壁钢围堰对内支撑要求不高，吸泥、灌水下沉和清基，较为方便。2.3钻机平台可直接放置在钢围堰的顶部，适宜于大型旋转钻机。3适用范围适用于各种河床的河流、湖泊、水库的深水基础施工。4主要技术标准《铁路桥涵地基和基础设计规范》（TB10002.5）《铁路桥涵工程施工质量验收标准》（TB10415）《铁路桥涵施工规范》（TB10203）《铁路桥涵设计基本规范》（TB10002.1）《铁路桥涵工程施工安全技术规程》（TB10303）《公路桥涵施工技术规范》（JTG/TF50）5施工方法根据设计图纸在工厂中分块加工,按互换件和对号入座的办法制成块件,检查2合格后运至现场，分层按号进行组装焊接,待检查合格后浮拖至墩位处，通过灌水、节段拼接下沉着床，然后采取配重、吸泥下沉至设计标高。围堰精确定位后对围堰内部采用吸泥机进行基底清理，在围堰上铺设钻孔桩施工平台，埋设护筒，灌注水下封底混凝土。进行钻孔桩施工；围堰内抽水，进行承台混凝土施工。6工艺流程及操作要点6.1施工工艺流程双壁钢围堰施工工艺流程见图1。钢围堰设计钢围堰加工钢围堰拼装钢围堰浮运、拖拉至墩位第一节钢围堰下沉钢围堰精确定位其余各节依次接高钢围堰就位后的整体纠偏、定位、堵漏围堰着床浇注钢围堰井壁混凝土、配重或吸泥下沉、清淤就位围堰顶搭设钻孔工作平台、埋设护筒灌注封底混凝土、钻孔桩施工围堰内抽水、承台混凝土施工钢围堰拆除河床面标高的准确测量综合检查测量放样、仪器观测检查围堰的倾斜和偏位吊运设备准备挂设锚绳抛锚、缆风绳固定钢围堰3图1双壁钢围堰施工工艺流程图6.2操作要点6.2.1双壁钢围堰设计1水文地质技术参数的选择处于大江大河上的桥梁基础工程，墩位处往往水深流急，地质条件复杂，水流冲刷较深，施工难度会更大一些；目前在各类基础施工中多采用钢围堰作为承台施工的挡水结构，钢围堰施工具有易加工、速度快、周期短的特点。着床型钢围堰通常采用双壁结构，一般适用于泥沙淤积河段承台淹埋于河床内（承台底面底域河床面）或承台底面虽高于河床面单河床覆盖层较浅的桥梁基础施工。调查水深、流速、流向、浪高、涨落潮、一般冲刷深度、局部冲刷深度、风向及风力大小、河床地质等情况作为钢围堰结构设计及锚锭系统设计的资料。2双壁钢围堰壁板及加劲肋技术参数的选择双壁钢围堰壁板及加劲肋均按塑性结构计算选择，一般内、外壁板厚度5～6mm，竖向加劲肋为一般为角钢∠63×63×6或∠75×50×6。3组拼作业平台、钻孔作业平台选择钻孔作业平台均直接放在钢围堰上口，根据钻机布置的需要，钻孔平台可为万能杆件拼装，也可用型钢组拼。4锚锭系统的选择为保证钢围堰下沉时能准备达到设计位置，应设置锚锭系统。锚锭系统一般选择由定位船、导向船、锚缆设施组成。具体选择与施工区的流向、流速、河床表层土质有关。5封底混凝土选择封底混凝土主要承受钢围堰和封底混凝土浮力，以竖向荷载为主。以计算封底混凝土的拉应力和剪应力满足要求选择合适的厚度和混凝土强度。6主要检算项目及方法双壁钢围堰的荷载取值：水平荷载：静水压力+流水压力+风力+其他。竖向荷载：结构静载+封底混凝土自重+浮力+其他。主要计算工况：围堰拼装起吊、围堰结构计算、封底混凝土施工阶段计算、4抽水后围堰封底混凝土抗浮计算等。1）壁板计算壁板以承受水平荷载为主，其最不利受力工况为抽水阶段。壁板可看作是由加劲肋角钢支撑的多跨连续梁，其荷载为均布水压力q，取跨中及支点处的弯矩均为（1l为加劲肋间距）。水压力由静水压力和动水压力组成：静水压：（h为围堰计算水压高度）动水压：式中K——钢围堰形状系数，圆形0.73；——迎水面积；——水的容重（kN/m³）；——流速（m/s）；g——重力加速度（9.81m/2s）。图2加劲角钢与壁板组合2）竖向加劲肋计算。竖向加劲肋计算是以水平桁架为支撑的多跨连续梁,计算时可按三跨连续梁计算：2112MKql，22VKql（1K取0.1，2K取0.6，1q为作用在单根竖肋上的水压可按均布计算，2l为水平桁架层间间距）根据上述两公式计算竖肋的弯矩、剪力。竖向加劲肋计算截面按竖向加劲角钢与壁板组合计算，见图2。组合截面惯性矩：5式中1F——竖肋截面面积；1I——竖肋惯性矩；2F——壁板截面面积；2I——竖肋惯性矩。组合截面的抗弯模量：竖向加肋劲肋的弯曲应力计算：竖向加肋劲肋的剪应力计算：3）水平桁架计算。水平圆形桁架由内、外侧圆环钢板和斜杆组成，内、外圆环钢板相当于水平桁架的上、下弦杆。水平桁架结构示意图见图3。图3水平桁架结构图（1）水平桁架斜杆计算。斜杆轴力S：6式中2l——为水平桁架层间距。斜杆的强度：式中S——斜杆轴力，1F——斜杆截面面积，1——压杆稳定系数。（2）水平桁架平环板计算。水平环板轴力N：弦杆强度：式中N——环板轴力，2F——环板截面面积，2——压杆稳定系数。4）双壁钢围堰接高、下沉、着床验算围堰下沉阶段主要与静载有关，以竖向荷载为主。钢围堰在接高下沉、着床过程中应按各工况先行计算，按下述步骤和方法进行：（1）钢围堰接高计算压重时应考虑壁板对接时内、外侧方便施焊，入水下沉围堰的顶面距工作平台距离合适，即有合适的干舷高度。（2）为保持每次接头在设计位置，通过计算入水钢围堰自重加上待接钢围堰重，算出分仓灌注混凝土量或灌水量，压重下沉。但应遵循在着床前必须将刃脚灌满混凝土。其余壁仓内灌注砼或灌水量依据浮力和围堰着床处覆盖层厚度确定。5）双壁钢围堰高度确定钢围堰高度H：H=施工水位-承台底标高+封底砼厚度+0.5～0.7m6）局部冲刷验算一般围堰着床后，根据设计图纸确定围堰着床刃脚范围是否在局部冲刷线内，若冲刷较为严重（局部冲刷深度较刃脚着床后位置还要低），均采用抛沙或抛投7块石防护。未进行局部冲刷验算。7）封底混凝土验算封底混凝土与钢围堰相连,宜按周边简支圆板承受均匀荷载,计算板的中心弯矩Mmax，求出封底砼的厚度h。式中h——封底混凝土厚度（mm）；K——安全系数，按抗拉强度计算的受压、受弯构件取K=2.65；Mmax——板的最大弯矩（kN.m）；B——板的单位宽度，一般取1000mm；0P——静水压力形成的荷载；ctF——混凝土抗拉强度设计值（）；2R——钢围堰内圆半径（m）；D——水下混凝土可能与井底泥土掺混的增加厚度D=0.3～0.5m。封底混凝土厚度计算确定后，还应与抗浮计算后需要的最小封底混凝土厚度进行比较，取其大者。8）双壁钢围堰抗浮计算双壁钢围堰的抗浮计算为钢围堰静载G（含钢围堰自重、封底混凝土重、壁仓内混凝土重、壁仓灌水重、桩基重或钢护筒与封底混凝土握裹力）应大于钢围堰所产生的浮力F。即双壁钢围堰在抗浮计算时注意以下两点：8（1）桩基与岩层的摩阻力应不计算，作为安全诸备。（2）桩基重与钢护筒与封底混凝土握裹力应进行比较，取两者中小值。9）锚碇系统验算锚碇系统是钢围堰在水中悬浮状况时固定其位置的重要设施，对围堰施工的成败起着关键作用。随着钢围堰的下沉，水流涡漩对钢围堰的推力越来越大，为了克服水流阻力和风阻力，使钢围堰准确定位和顺利下沉，应配置合理、经济的锚碇系统。（1）锚碇的主要组成及作用。双壁钢围堰锚碇系统一般由导向船及拉缆，前后定位船及其主锚、尾锚、边锚和下兜缆组成。①定位船。为钢围堰定位用，一端直接和锚索相连接固定船位，另一端用缆索和导向船、围堰相连。船上设置滑车组应用于收、放缆索调整围堰位置，定位船应在上、下游设置。②导向船。导向船体系既作为调整、确定钢围堰位置的约束体系，也作为基础施工的辅助工作平台。一般配置在钢围堰两侧，两艘导向船用万能杆件或型钢支架联结梁连成整体.③主锚。主锚承受钢围堰锚碇系统顺水流方向的水流阻力和风阻力，是保证钢围堰安全稳定的主要结构物。④边锚。边锚布置于定位船和导向船两侧，主要作用是调节和控制定位船、导向船在垂直水流方向的位置，承受侧向水流阻力和风力。⑤尾锚。尾锚顺水流方向分别布置在导向船和后定位船尾部，主要作用是抵御潮水影响，保证钢围堰锚碇系统在水流方向上的稳定。⑥拉缆。前后定位船与导向船之间均设有拉缆，其作用是将钢围堰和导向船体系所受9外力传给主锚和尾锚，起到固定钢围堰位置的作用。（2）锚碇系统计算。①船只水流作用力1R。式中——船只水流作用力V——水流速度（）——摩擦系数，铁驳0.17fS——浸水面积（为船长，为吃水深度，B为船宽）——阻力系数，方头取——船只入水部分垂直水流的投影面积——船只数量②钢围堰流水阻力2R。式中K——水流阻力系数，取k=0.75；——水的容重；V——水流速度（m/s）；A——围堰入水部分在垂直于水流方向的投影面积（㎡）；——重力加速度。③钢围堰风阻力3R。10式中1K——为设计风速频率换算系数1K=1.0；2K——为风载体型系数2K=0.8；3K——为风压高度变化系数3K=1.0；4K——为地形、地埋条件系数4K=1.0；ω0——为基本风压值ω0=500Pa；F——为挡风面积（m2）。④定位船风阻力4R。2K取0.8，n为定位船数量，其余系数同上式。⑤导向船风阻力。系数同定位船风阻力。总阻力R主：⑥锚重计算。锚的选择应综合考虑抛锚区内水深、河床覆盖层土质类别等情况，并先预估抛锚区范围，然后在抛锚区内进行调查，看有无影响抛锚的异物或其它设施。锚重G覆盖层为砂土时：铁锚：G=R主/5；钢筋混凝土锚：G=1.5R主。每个主锚受力：（P为锚数）⑦主锚链计算。㈠采用普通有横档锚链，链条直径：11式中k——安全系数K=4；P——拉力（kN）。㈡锚链长度，h为锚索马口与锚位处河床标高差（m）。⑧锚索计算。㈠钢丝绳容许拉力计算：式中——为钢丝绳破断拉力换算系数，对6×37钢丝绳取0.82；Fg——钢丝破断拉力总和，k为安全系数，k=3～6；P——钢丝绳实际拉力。㈡锚索长度计算长锚索：式中——锚索长度（m）；H——锚索马口与锚位处河床标高差（m）；R——总阻力；q——钢丝绳或锚链在水中的重力kN/m，按在空气中的重量的0.7计。短锚索：式中——锚船马口至锚位的水平距离（m）；、、、符合意义同长锚索公式。㈢边锚计算。导向船组边锚、定位船边锚分别按导向船组和定位船顺水流向受力的50%计12算，其计算方法同主锚。㈣钢围堰下兜缆计算。当钢围堰下沉时，为抵御水流阻力，保持钢围堰的竖直，应设下兜缆见图4。图4钢围堰下兜缆示意图下兜缆阻力T：式中2R——为钢围堰入水部分的水流力。a、b——分别为2R的作用力点与下兜缆作用力点至钢围堰导向船组下游联结梁支点的距离。10）组拼作业平台、钻孔作业平台验算水上作业平台是为深水桩基施工服务，设计时需考虑河床地貌、地层、汛情、涨落潮、航道等情况。（1）作业平台分类。双壁钢围堰钻孔灌注桩基础的施工为先下钢围堰后成桩的施工方案。作业平台分为浮动施工平台和固定施工平台两种。（2）钻孔作业平台在功能上应满足的要求。①满足钻机成孔工艺与设备布置的要求。②必须保证清孔、水下混凝土灌注等成桩工艺与设备布置的要求。③保证围堰、承台顺利施工。④保证作业人员良好的工作环境。⑤平台不受一般汛情和小涨落潮的影响，以确保安全施工，不影响施工进度。13⑥平台为临时结构，应便于安装、拆卸与迁移，可重复利用。6.2.2双壁钢围堰的加工制作及检查验收1双壁钢围堰的加