水中墩钢围堰施工综述

水中墩钢围堰施工综述吴泽生关键词：着床型钢围堰、非着床型钢围堰、双壁、单壁、下沉、封底、拉压杆随着我国公路工程建设的不断发展，桥梁施工技术日臻成熟，桥梁建设向大跨度、深基础方向迈进。深水基础中的承台一般采用“围堰法”施工，利用围堰创造一个干施工承台的作业空间。目前，我国桥梁水中基础的结构设计因工程所在地具体条件的不同有相应的变化：在内陆江河上主要采用大直径钻孔灌注桩基础结合实体混凝土承台设计，在宽敞海域一般采用PHC高强管桩或钢管桩结合实体混凝土承台设计。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，如荆沙长江大桥、安庆长江大桥、润扬长江大桥、南京三桥等工程就是这种情况；处于宽阔海域的桥梁如东海大桥、杭州湾跨海大桥等工程，基础施工时还会受到往复潮流、台风等复杂海况的影响，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，受到各施工单位的欢迎。钢围堰通常采用角钢、工字钢或槽钢等刚性杆件与钢板施焊连接，按照承台的结构型式加工制成，具有可靠的整体性和良好的防水性能，既可作为承台施工时的挡水结构，又可作为承台混凝土浇注用的模板。根据钢围堰刃脚着床与否，通常将钢围堰分为着床型钢围堰和非着床型钢围堰（钢吊箱围堰）。钢围堰按其不同的构造特性和使用要求还有多种分类型式，如：按钢围堰壁体结构可分为单壁钢围堰、双壁钢围堰；按钢围堰平面形状可分为圆形钢围堰、矩形钢围堰以及复杂的组合多边形钢围堰；按钢围堰施工工艺可分为整体吊装（或浮运就位）型、块件散拼型以及二者组合型等等型式。本文将结合各类工程的施工实例，就常用型钢围堰的应用范围、施工工艺作简要阐述。一、着床型钢围堰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（承台底面底于河床面）或承台底面虽高于河床面但河床覆盖层较浅的桥梁基础施工中，前者如江阴大桥A标主墩基础、润扬大桥E标主墩基础等，其承台底面均位于河床面以下，都采用了着床型钢围堰施工承台，如图“着床型钢围堰（一）”所示；安庆大桥A标则属于后一种情形，墩位处由于河床冲刷，虽然承台底面高于河床，但其河床覆盖层较浅，不适于搭设钻孔平台进行桩基础施工，因而也采用着床型钢围堰，该钢围堰兼有钻孔平台和承台施工的挡水结构二种功能，如图“着床型钢围堰（二）”所示。承台封底混凝土最高施工水位河床泥面桩基钢围堰着床型钢围堰（一）承台封底混凝土最高施工水位河床泥面桩基钢围堰基岩面着床型钢围堰（二）着床型钢围堰的壁体厚度由所受到的最大水头压力及土压力决定，通常大于80cm、小于200cm，一般在100cm-150cm之间，适当增加钢围堰的壁体厚度可有效提高钢围堰的整体刚度。钢围堰的总高度由刃脚入土深度、施工期承受的最大水头高度以及施工需要共同决定。（一）着床型钢围堰的拼装、就位钢围堰的拼装方式受到拼装场地、运输条件、起吊能力等诸多因素的影响，施工时可根据具体情况，采用适宜的拼装工艺：1）若桥位区附近有造船厂、钢结构加工厂等可利用的拼装场地，且有大型起重船配合，则可将钢围堰竖向分节在工厂加工制作，利用驳船将制作完成的节段运至现场后整体吊装、上下对接后焊成整体；2）若桥位处水流平稳，又有大型驳船可以利用，则可就近在驳船上将钢围堰分节拼装成整体，利用起重船吊装；3）在没有大型起重船的情况下，则可将钢围堰按构造分片（块）在陆上或驳船上加工，块件的重量可根据现有的起重能力进行划分，如将分块重量控制在30t-50t之间以满足小型起重船的吊装能力。散拼钢围堰的施工工艺较复杂，拼装前需在承台外围设置定位桩、导向桩、支承牛腿及起吊钢梁等。第1）、2）二种施工方法可减少现场的操作环节，加快施工进度，但需要配备大型起重设备；第3）种施工方法虽增加了现场焊接工作量，但有效解决了没有大型起重船的限制，只要组织严密、合理配备设备和人员投入，也不失为一种较好的施工方法。4）对于河床覆盖层较浅的情况，则施工工艺要复杂得多，如在安庆大桥A标施工中钢围堰不仅是承台施工的挡水结构，同时也是钻孔桩施工的操作平台。这种情况下的钢围堰通常采用整体浮运，现场利用导向船、定位船抛锚定位的施工工艺。（二）钢围堰的着床、下沉双壁钢围堰就位后自浮于水中，通常在钢围堰刃脚段浇注一定高度的水下混凝土，以增加刃脚部分的刚度，由于刃脚混凝土客观上增加了钢围堰自重，又可加大钢围堰入土后的下沉速度。着床型钢围堰受到的水流力在围堰刃脚接近河床顶面时达到最大值，此时应在严格控制钢围堰定位精度的情况下及时着床。钢围堰刃脚着床后，利用深水抓斗或吸泥机辅以高压射水管吸泥取土，同时向钢围堰壁仓内注水，增加围堰的下沉重量。吸泥取土时从围堰中间逐步向刃脚处对称分层进行，以保证钢围堰平稳、竖直下沉。为保证钢围堰顺利下沉，可事先在刃脚内部埋设高压水枪喷嘴，当钢围堰下沉困难时利用高压射水冲击刃脚底部土体，以减少围堰刃脚处的端阻力，同时采取在隔仓壁体内浇注混凝土或灌砂、围堰顶部配重以及空气幕等方法达到助沉目的。（三）钢围堰的下沉纠偏钢围堰在下沉过程中可能会出现偏位或倾斜现象，此时可通过及时采取调整偏侧取土量的方法逐步达到纠偏纠斜的目的。（四）钢围堰的清基封底钢围堰下沉到位后，采用高压射水冲洗围堰内壁和钢护筒外壁，利用空气吸泥机吸除底部浮泥清基，为浇注封底混凝土做准备。若河床覆盖层较浅，可由潜水员用袋装混凝土堆砌封堵刃脚，也可采用水下不离析混凝土封堵刃脚部位孔隙以防堰外泥砂流入。二、非着床型钢围堰——有底钢吊箱围堰非着床型钢围堰即通常所说的钢吊箱围堰，一般适用于承台底面高于河床面的深水基础施工，如军山长江大桥主墩基础、润扬大桥C1标主墩基础、南京三桥主墩基础以及杭洲湾大桥Ⅴ标基础施工等，其共同特点是墩位处水深流急、河床冲刷较大、承台底面均高于河床面，为了方便承台施工、节省钢围堰材料的投入，均采用有底钢吊箱围堰。封底混凝土承台河床泥面最高施工水位桩基钢围堰非着床型钢围堰（钢吊箱围堰）钢吊箱围堰总高度由封底混凝土的厚度和施工期承受的最大水头高度共同决定，钢吊箱围堰分双壁和单壁二种结构，具体采用哪种结构型式通常由施工期间围堰所受到的水头压力决定。对于内陆河流中的深水基础，由于受到冬枯夏洪的影响导致水位变化幅度较大，洪水期钢围堰需承受较大的水流力和水头压力，一般采用双壁结构可保证钢围堰有足够的刚度以满足渡洪需要。对于杭洲湾大桥这样处于外海区域内的桥梁基础施工，虽然海况较复杂，但与内陆河流比较，在正常施工情况下其水位变化幅度不大且有规律可循，施工过程中可根据气象预报避开台风等恶劣天气的影响，在进行钢围堰设计时一般只考虑承受潮汐和波浪力的作用，与内河围堰相比较，后者对壁体刚度的要求小得多，采用单壁结构可满足刚度要求。不管是单壁或双壁结构，钢吊箱围堰均由壁体、底板、撑杆、拉压杆等组成。同着床型双壁钢围堰一样，双壁钢吊箱围堰的壁体厚度通常大于80cm，一般在100cm-150cm之间。单壁钢吊箱围堰的壁体结构较简单，通常由钢板、纵向次梁、环板及支撑桁架组成，根据需要可在单壁壁体外侧嵌入隔热材料以加强对承台混凝土的保温养护，如杭州湾大桥单壁钢吊箱围堰的设计时，就采用了在吊箱单壁外侧（承台范围内）加设一层3mm钢板，通过向钢板与侧壁面板间的夹壁内注射“聚氨脂硬质泡沫塑料”（俗称液体泡沫）达到隔热保温的目的。钢吊箱底板均由面板、主梁和次梁组成。吊箱内径R型钢次梁I12侧壁面板厚8mm外侧钢板厚3mm承台范围内保温材料杭州湾大桥Ⅴ标单壁钢吊箱保温层构造示意图（一）钢围堰的拼装同着床型钢围堰相比较，双壁钢吊箱围堰的高度较小，一般分节不超过2节，其拼装方式、运输及吊装等基本同着床型钢围堰施工：既可拼装后整体吊装，又可以先加工成块件现场拼装、利用葫芦起吊、注水下沉，不同的是钢吊箱围堰带有底板，因而二者施工工艺又有所不同。1）在岸上或驳船上拼装成整体的钢吊箱围堰，在吊装前需精确测出桩身偏差及倾斜度等参数，根据钢护筒顶口及吊箱底板设计高程处的平面桩位，采用“投影法”在吊箱底板上预留长圆形（两端为半圆形、中间为矩形）孔洞，以便钢吊箱下放到位，防止钢吊箱在下放过程中被群桩“卡”住；2）钢吊箱围堰采取在现场拼装时，其底板开孔较容易控制，可根据现场桩位的偏位及倾斜情况预留孔洞，方法同上；3）双壁钢吊箱整体吊装时需在壁体内侧增加纵横支撑，防止在吊装过程中围堰发生较大变形，对于单壁围堰由于其壁体刚度较小，吊装时尤其要采取可靠支撑，必要时可采用吊具吊装；4）双壁钢吊箱吊放入水后可利用其自身受到的浮力自浮，通过向壁仓内注水或增加配重调整钢吊箱的入水深度。单壁钢围堰由于没有壁体空腔，不能满足自浮要求，因此在设计时一般采取在吊箱顶部设置钢挑梁，利用挑梁将钢吊箱悬挂于钢护筒上直接定位。（二）钢吊箱围堰的就位、固定钢吊箱围堰与着床型钢围堰除了有底或无底的区别外，拉压杆的使用也是钢吊箱围堰与着床型钢围堰的重要区别。1）拉压杆拉压杆在钢吊箱围堰的定位过程中起到平衡吊箱重力、封底混凝土重力及所受浮力的作用，拉压杆的设计必须满足吊箱围堰封底、围堰内排水等不同工况下的受力要求。为方便拉压杆调整角度，通常将拉压杆下端与套箱底板采用转铰连接。2）钢吊箱入水、定位钢吊箱吊放入水后，通过向壁仓注水使之下沉。对于高度较大、分层拼装下放的钢吊箱，施工时先将拉压杆下端与钢吊箱底板铰接固定，当首节吊箱入水下沉至预定高程后，吊装拼焊下节吊箱，然后重复前述操作向壁仓注水使之下沉，拉压杆随着吊箱的分次接高相应依次接长。钢吊箱到达设计高度、精确定位后，将拉压杆与钢护筒（钢管桩）顶面的“十”字撑杆焊接固定，通过拉压杆将钢吊箱所受的力传递到钢护筒（钢管桩）上。（三）底板封孔钢吊箱安装完成后，潜水员水下用环形（半环形、二只）封堵板封堵吊箱底板与钢护筒（或钢管桩）之间的缝隙。二块封堵板间用螺栓连接固定，封堵板与吊箱底板间加装一层橡胶垫片以利止水。（四）水下混凝土封底底板封孔完成后采用竖管法浇注水下封底混凝土，混凝土由中央集料斗统一供料，沿溜槽流向要浇注的导管。钢吊箱水下封底混凝土直接浇注在吊箱底板上，封底施工质量比着床型钢围堰封底施工易于控制，因此钢吊箱围堰的水下混凝土封底厚度相对着床型钢围堰而言可适当减小。三、结语围堰结构的类型是多种多样的，除本文提到的钢围堰外，还有板桩围堰、钢筋混凝土围堰等，无论哪种结构型式的围堰，其目的都是为了止水，以实现承台干施工的作业环境。工程施工中采用哪种类型的围堰通常会受到工程规模、工程进度的影响，只有经过多方技术论证、进行经济比较后方可决定所采用方案的合理性，满足既保证工程质量、又降低工程投入、加快施工进度的总体目标。