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大型异形双壁钢围堰在桥梁深水基础应用的研究中港集团二航局武汉军山长江公路大桥项目部湖北省京珠高速公路建设指挥部二OO二年十一月大型异形双壁钢围堰在桥梁深水基础应用的研究工程总概况•武汉军山长江大桥主桥为五跨连续双塔双索面半漂浮体系钢箱梁斜拉桥，两个主塔墩基础均采用钢围堰施工方案。主墩工程地质及水文地质条件•主5号墩位于长江北岸河床，表层为松散状粉细砂层，下伏基岩为粉砂质泥岩。•主6号墩位于长江南岸，地形平缓，河床表部分布河流冲积的砂砾石层，厚约0.1～0.3m，下伏粉砂质泥岩。•桥位处多年年平均水位为17.49m，枯水期平均水位为14.18m，一月份平均水位为12.3m，七月份平均水位为22.66m。设计断面平均流速为2.21m/s。主墩基础设计概况•主5、主6号墩基础为主塔基础，一个基础设置19根φ2.5m的钻孔灌注桩。主5号墩基础平均桩长为42m，桩底标高为-40.5m；主6号墩基础平均桩长为40m，桩底标高为-38.5m。承台顶面标高为7.5m，底面标高为1.5m，厚6m，直径为30m。方案设计•主塔墩基础采用钢围堰方案施工。•按常规设计，钢围堰的直径将达到44m。为了减小钢围堰，设计首次创造性地提出了异型钢围堰结构，即在圆形钢围堰上焊接两个簸箕形构造。钢围堰模型簸箕形耳板底座仰视结构设计•钢围堰采用双壁自浮式，平面为圆形外加两个簸箕形。•簸箕形构造分二期制作安装。钢围堰一般构造详图异形钢围堰详细结构图结构分析•圆形钢围堰受力计算；•钢围堰切割后异型钢围堰的空间受力计算；•钢围堰整体抗滑、抗倾覆及抗浮稳定性验算异型钢围堰空间计算模型计算工况•工况一：钢围堰外水位15.00m，簸箕形构造顶标高16.80m，圆形钢围堰顶标高25.00m。•工况二：钢围堰外水位20.00m，簸箕形构造顶标高22.00m，圆形钢围堰顶标高25.00m。•工况三：钢围堰外水位20.00m。簸箕形构造顶标高22.00m，圆形钢围堰二号环块自标高14.80m切割至标高21.00m处，钢围堰壁舱内灌水至标高15.50m，钢围堰内部灌水至标高11.00m。抗滑、抗倾覆、抗浮安全系数抗滑安全系数2.4抗倾覆安全系数3.8抗浮安全系数1.3应力测试目的及实际状况•钢围堰受力工况有：下沉状态、着床状态、最大抽水状态、一期切割完成、二期切割完成等。•施工过程中存在一次结构体系转换：浇筑承台前的最大抽水状态，钢围堰为圆形结构；施工下塔柱时，切割与下塔柱相干扰部分的围堰壁后，钢围堰是一个开口的异形结构，其受力十分复杂。•实际的测试情况是：承台施工完成后，在圆形钢围堰内壁板和簸箕形构造内壁板上的代表性部位布设测点，在分期切割施工的不同阶段进行测试。测点布置原则•选定一个钢围堰作为监控对象。•在迎水侧布置测点，其中一半测点密布，为主控测点，另一半测点疏布，为校核测点。•测点选择在理论计算中应力较大且有代表性的区域。测试元件安装•测试元件采用表面式钢弦应变计。•用电焊将元件焊于钢板壁面，焊接采用点焊。•元件导线顺钢内壁引至围堰顶，分点集中成束，以便观测。测试工况●切割前最不利状态：江水水位15.7m，气温13℃，壁舱内水位9.0m，围堰内积水约70cm。●切割前：江水水位15.5m，气温13.5℃，围堰壁舱内注水至高程11.5m。●第一期第1块切割完成：江水水位15.3m，气温10℃，围堰壁舱内水位11.5m。●第一期第2块切割完毕即第一期切割完成：江水水位15.25m，气温10.5℃，围堰壁舱内水位11.5m。测试时机•温度相对稳定的时段。•切割前3d每d测量1次。•切割过程中增加测试密度。•切割完成，减少测试次数。•塔柱施工出水面，围堰注水前观测1次即可终止测量。结果分析•直接测试结果仅为自布设测点之时的工况起到测试时的工况止圆形钢围堰内壁板和簸箕形构造内壁板某些部位的垂直或水平向的应力变化值。要想通过该测试值确定围堰各部的的最终应力值，必须作如下假定：•钢围堰各部的最终应力值为切割前圆形钢围堰各部的应力与切割后钢围堰各部应力增量的叠加。•竖肋与壁板、环板与壁板在局部构成组合断面分别共同承受沿竖肋方向和水平方向的水压力，受力处于弹性阶段。•根据实际情况进行了（1）圆形钢围堰应力和（2）异型钢围堰应力计算，并与设计计算结果相对比。结论●钢围堰一期第1块切割完成后，异型钢围堰处于最不利状态时，但结构仍是安全的。●钢围堰一期第1块切割完成后，切割区边缘应力变化值较大，簸箕形构造内的应力变化值较小。●钢围堰一期第2块切割完成后，结构是安全的。●从监测钢围堰的应力状态、评估钢围堰整体结构安全度、指导钢围堰的切割施工等方面的意义上讲，此次钢围堰的应力监控是成功的。异形钢围堰的采用首节钢围堰定位•钢围堰圆形部分从下至上分成了刃脚段、加强段和标准段。•采用了定位船+单导向船+岸上锚碇的新型方式来锁定围堰。•采用250T浮吊整体吊装。钢围堰接高、下沉和着床稳定•每一节段均由8块单体在拼装船组上拼装焊接成整体，运到墩位处，以250t浮吊整节起吊与首节（或上一节）进行焊接。•每接高一节即均匀灌水下沉，当围堰接高下沉至刃尖距河床0.5m左右即暂停灌水下沉，通过导向船组及其锚碇系统严格控制钢围堰扭转、偏位，以实现围堰的定位。•然后均匀灌水，快速实施围堰刃脚的着床，调节千斤顶以整平围堰。钢板凳、钢板塞紧支垫，用麻袋装混凝土由潜水员水下进行封堵，同时围堰外周抛投足够数量的钢筋石笼和石块，以牢固地稳定围堰。分节段整体起吊钢围堰内清基、下放钻孔钢护筒、封底•基采用一台空气压缩机（40m3/min）配置两台φ250mm空气吸泥机进行。•用拆装式杆件拼装钻孔钢护筒定位架。•以围堰顶上用万能杆件拼装桁架式的工作平台，开始对钢围堰进行水下混凝土浇注封底。封底混凝土数量较大，每个主墩约5000m3。导管法浇注封底砼围堰内抽水全貌吸泥钢围堰工程数量汇总表材料名称数量钢材（kg）钢板1039101角钢255423槽钢12414钢筋2156钢材合计（kg）12181643%焊条（kg）3929115号水下舱壁混凝土（m3）181115号干浇混凝土（m3）33钢围堰工程数量汇总表技术经济比较项目圆形钢围堰异形钢围堰几何尺寸外径44m，高30.5m，壁厚1.8m外径33m，高30.5m，壁厚1.5m，簸箕形构造高16.648m，宽17.5m，壁厚1.5m，共两个建安费（万元）72274316.8制造较后者大常规结构，技术成熟施工拼装、定位、下沉难度大圆形部分施工技术成熟，异形部分安装属首次，单安装难度不大，切割施工难度大风险定位、下沉、着床风险较大切割施工时需进行监控，做到信息化施工，风险较小工期较后者长较前者短