沙县府前悬索桥主墩双壁钢围堰施工技术
2018-03-26
1.工程概况
沙县新建府前悬索桥工程为独塔双跨连续地锚式悬索桥，跨径组合为2x112m，桥梁全长264.18m，桥面全宽13m，主缆采用预制平行钢丝索股，加劲梁为空间钢桁架结构。江中主墩索塔总高度为37.09m，为由塔柱、横梁组成的格构式钢筋砼桥塔；索塔承台采用12.43×8.5×3m整体式矩形承台，承台顶面设置分离式塔座；索塔基础采用4根Φ2.0m钻孔嵌岩桩。
2.水文地质
新建府前悬索桥工程位于沙县城区旧索桥下游，跨越沙溪河道，沙溪为闽江三大支流之一，受每年湍急洪水冲刷作用，沙溪河床多为无覆盖层的裸岩河床。桥位处沙溪河水自SW向NE径流，河面宽度约218米，水深1.5-5m，水流日常流速约0.1m/s，流量约60-100m³/s，河面常水位高程约为103.1m；受桥位上游水电站发电影响，桥位处水位落差约为1.0-1.5m；沙溪河道汛期一般为每年的5～7月份，在此期间沙溪水流速度及水位变化均较大。
桥区地处丘陵区山间河谷地带，地形起伏较大，场地内岩土层结构较简单、岩性较单一，桥区范围无断裂破碎带通过。受水流冲刷影响，江中主墩处河床无覆盖层，为裸岩河床，主墩处河床地质岩层自上而下依次为：碎块状强风化粉砂岩、中风化粉砂岩。
3.双壁钢围堰施工技术
江中深水主墩采用双壁钢围堰施工技术进行索塔桩基和承台的施工。双壁钢围堰是封底混凝土、承台施工的围水结构，同时也是主墩基础钻孔桩施工的工作平台。
3.1双壁钢围堰构造设计
3.1.1设计原则
双壁钢围堰的设计本着受力条件好、稳定性强、方便施工、节约材料的原则进行设计。
3.1.2结构形式
3.1.2.1整体结构
根据江中主墩承台的形状和平面尺寸，确定主墩钢围堰采用长15.74m、宽12m的矩形双壁钢围堰结构。双壁钢围堰内外壁间距为0.75m，内壁与承台外侧面设1m宽工作面。
主墩双壁钢围堰结构主要由刃脚段、双壁加强段、堰内支撑及连接法兰等几部分组成。双壁钢围堰设计总高6.5m，共分为2个节段，第1节刃脚段高3m，第2节双壁加强段高为3.5 m ，堰顶高出施工常水位2m。刃脚底面宽0.2米，刃脚角度为58.6°。主墩双壁钢围堰单节共分为10个块段，内部共设置8个分舱。考虑吊装设备起重能力，块段设计重量控制在4t以内。双壁钢围堰各节段、块段间均采用法兰连接，连接螺栓采用10.9级M20高强螺栓。
3.1.2.2细部构造
双壁钢围堰为空间桁架结构。水平主桁架由[10槽钢、∠75×8角钢及∠63×6角钢等型钢焊制而成，其竖向分布间距为0.45-0.9m；竖向桁架由[10槽钢及∠63×6等边角钢焊制而成，横向分布间距为1.5m；内外壁面板加劲肋采用[8槽钢，环向分布间距为0.375m。
双壁钢围堰块段面板及隔舱板均采用5mm厚钢板。为增强封底混凝土与钢围堰壁板的粘结力，在刃脚部分内壁钢板外侧加焊剪力筋，剪力筋采用Φ16钢筋制作，单根长度为0.2米，沿纵、横向分布间距均为0.3米。
双壁钢围堰节段、块段连接法兰均采用∠100×10mm角钢，法兰角钢与壁板满焊，法兰连接螺栓螺距为0.2m。法兰按编号统一下料加工，连接法兰冲孔时，应保证两对应螺栓孔位一致。法兰与壁板焊接时，采取可靠的防焊接变形措施，确保法兰平整度满足连接强度及钢围堰密闭性的需要。
为使双壁钢围堰整体稳定性在抽水工况下满足施工要求并保证堰内施工安全，在承台顶面以上1m处采用Φ325×10mm钢管设置一道堰内支撑结构，支撑钢管与围堰内壁板间设置工字钢枕梁，以分散壁板上局部压应力。
图1 主墩双壁钢围堰布置示意图
3.2双壁钢围堰加工
因工程位于沙县城区中心地带，施工场地极其有限，无法在场地内设置钢结构加工场，所以选择当地专业钢结构厂进行双壁钢围堰各块段的加工。双壁钢围堰按互换件和对号入座的办法制成块件，并在厂内进行节段预拼，经检验合格后汽运至施工现场，运输途中采取必要的装载、加固措施，避免各块段在运输过程中出现变形。
3.2.1材料选择
钢板选用优质Q235钢，角钢及槽钢采用A3钢。
3.2.2焊缝要求
壁板与主桁架之间及壁板与加劲肋间采用双面间断焊，焊缝最大间隔30cm。外壁板焊缝总长不小于缝隙总长的三分之一，内壁板焊缝总长不小于缝隙总长的二分之一。主桁架的主要受力杆件接长焊缝要对齐饱满,腹杆与主桁架间采用双面焊，所有腹杆两端采用两侧角焊缝，焊脚尺寸不得小于焊件厚度，焊接杆件均进行结构校正。壁板拼接采用坡口焊接方式，并进行渗油检验，合格后再进行半成品组装。
3.2.3块段吊点
为满足双壁钢围堰块段吊装与拼装需要，各块段上均设置两个吊点。吊点设置在各块段顶层水平桁架的腹杆上，相应腹杆采用双拼[10槽钢进行加强，并与水平桁架的弦杆焊接牢靠。
3.3双壁钢围堰施工
3.3.1拼装顺序
双壁钢围堰拼装顺序为：先刃脚段后加强段；各节段钢围堰块段拼装时，应先拼南、北侧（长边方向）块段，再拼上、下游（短边方向）块段。块段拼装时，应做到两侧对称、均衡拼装，严格控制悬挂支架两侧不平衡荷载，确保节段拼装阶段的施工安全。
3.3.2 块段、节段连接
双壁钢围堰各块段间采用竖向法兰连接，各节段间采用水平法兰连接，连接螺栓采用10.9级M20高强螺栓,法兰间铺设PN-300型止水条，止水条规格为6×100mm。
为保证法兰连接的安全可靠性及防止双壁钢围堰下沉后法兰处渗水，法兰连接螺栓均采用加力扳手施拧至设计紧固力，同时要求止水条在相邻块段上的搭接长度不小于0.3m。
3.3.3刃脚段拼装下沉
双壁钢围堰刃脚段拼装采用支架悬挂拼装法：即先在墩位处采用钢管桩与工字钢梁搭设大型承重支架，再利用倒链将双壁钢围堰各块段悬挂在设计位置，然后采用高强螺栓进行块段连接，在刃脚段各块段拼装成整体后，通过倒链下放至水中至首节段为自浮状态。
3.3.3.1悬拼支架设计与施工
a.构造设计
为满足双壁钢围堰拼装下沉的需要，在江中主墩处搭设双壁钢围堰悬挂拼装支架。悬拼支架主要由钢管立柱、横桥向承重梁、顺桥向承重梁、悬挂横梁及提升倒链等几个部分组成。
悬拼支架钢管立柱采用Φ406×10mm钢管，钢管立柱间采用[14剪刀撑拉结，以保证钢管立柱的整体稳定性；顺桥向承重梁采用I32a工字钢梁，横桥向承重梁采用I25a工字钢梁，悬挂横梁采用I25a工字钢梁。
图2 双壁钢围堰刃脚段悬拼支架构造图
b、搭设
悬拼支架各构件均采用停放在钢便桥上的50t履带吊进行搭设。支架钢管桩采用60t液压振动锤在设计桩位施打下沉就位，钢管桩底部进入河床强风化粉砂岩贯入度按1m进行控制；钢管桩顶部与纵向承重梁及各承重梁连接部分均应焊接牢靠，剪刀撑与钢管立柱间全部采用双面焊缝连接，以使悬拼支架的整体性满足吊装作业受力要求，从而保证双壁钢围堰刃脚段拼装施工安全。
3.3.3.2刃脚段下沉入水
刃脚段共计采用24个倒链悬挂拼装下沉，每个块段布置2个5t加长倒链；双壁钢围堰块段拼成整体节段后，在钢围堰四个角部加设4个10t加长倒链作为安全保险；吊装倒链两头分别采用Φ21.6mm钢丝绳与支架悬挂横梁及双壁钢围堰块段连接。
在倒链悬挂机构安全检查合格后，采用倒链同步、匀速下放整节钢围堰，直至刃脚段下沉入水至自浮状态。刃脚段钢围堰整体下放时，安排专人统一指挥，应保证各个倒链与支架承重梁受力均匀，确保吊装安全。
3.3.3.3密闭性检查
首节钢围堰下沉入水至自浮状态后，采用分舱加抽水的方法进行钢围堰各分舱密闭性试验。分舱加水前，应适当松动倒链，然后注水进行密闭性检查；分舱注水时应做到对称、均衡加水。若舱内出现较为严重的渗、漏水现象，应抽干各分舱内的水，采用倒链将首节钢围堰提升至水面以上，查明原因后进行相应防渗漏处理，待确定各分舱焊缝及法兰连接处均无漏水现象后，再进行次节钢围堰的水中接高。
3.3.4次节钢围堰水中接高
首节刃脚段钢围堰下沉至自浮状态后，拆除悬拼支架顶部悬挂横梁及倒链，通过对钢围堰内隔仓加、抽水来调整首节钢围堰的平衡至次节待拼状态，然后采用50t履带吊按序对称拼装次节双壁加强段各块段，各块段采用竖向法兰进行连接，并与刃脚段通过水平法兰进行连接牢固。
3.3.5限位下沉
双壁钢围堰下沉着床前，准确测定其在水中的实际平面位置，通过倒链水平牵引调整其平面位置直至符合要求，然后在悬拼支架钢管立柱与钢围堰内壁间设置工字钢导轨限位装置，确保双壁钢套箱按设计位置下沉就位。
3.3.6着床
堰内下沉限位装置安装完成后，采用8台4寸水泵向钢围堰的各分舱同时灌水，当围堰刃脚底面距离河床0.5m左右时暂停注水下沉,在钢围堰位置复测合格后，启动水泵向围堰的各个分舱快速注水,使双壁钢围堰快速着床。
双壁钢围堰着床后，仔细观察各分舱渗水情况，若次节双壁加强段连接法兰处出现较为严重的渗漏，应抽干各分舱内注水，使其上浮至施工水位线以上以进行进行相应防渗漏处理。待确定次节双壁钢围堰各分舱密闭性符合要求后，再重新注水使双壁钢围堰下沉着床。
3.3.7刃脚刚性支垫与注水压重
双壁钢围堰着床后，调整其倾斜度至满足后续施工要求后，采用短工字钢制成的钢板凳在刃脚底面与河床岩面的空隙中设置刚性支垫。为防止封底混凝土灌注成型前，双壁钢围堰位置出现变动或上浮，在双壁钢围堰各分舱堰间注水压重，注水标高按超出施工常水位不小于1米控制。
3.3.8刃脚封堵
为保证封底混凝土的可靠性，采用砂袋在双壁钢围堰刃脚外侧进行封堵。砂袋在指定位置抛投下水后，安排潜水员下水进行堆码，砂袋沿刃脚段外壁堆码高度应超出封底混凝土顶面0.5m以上，以防止堰内封底混凝土灌注时堰内外形成的压力差挤倒封堵砂袋。
双壁钢围堰刃脚部分封堵完成后，安排潜水员下水逐段探摸检查，发现问题及时处理，应确保刃脚封堵的可靠性。
3.3.9堰内清基
在堰内裸岩河床低洼处，一般仍会存在薄砂层，必须有效清除河床上的薄砂层。采用10m3空压机及Φ152mm无缝钢管制成高压风管，对围堰内河床按方格网坐标分区域逐块吸除河床岩面上存留的薄砂层。安排潜水员下潜至堰内岩面逐块、逐片检查围堰内清基质量情况，检查重点部位是围堰韧脚底部及桩基钢护筒周围，应确保该部位河床细砂层及杂物清理干净彻底，以防止桩基钻孔中护筒底脚出现漏浆及保证封底混凝土与河床岩面粘结的可靠性。
堰内清基工作尤为重要，直接关系到钢围堰混凝土封底施工的质量。
3.3.10水下混凝土封底施工
对裸岩河床而言，在双壁钢围堰刃脚底部进行有效封堵，封底混凝土板底将不会产生向上的水压力，因此无需按有覆盖层河床通过验算钢套箱在堰内抽水工况的混凝土抗折强度及抗浮力来确定封底混凝土的强度与厚度。
3.3.10.1水下不分散混凝土
依据我单位在闽江流域多个水下工程的施工实践经验，双壁钢围堰良好的水下封底混凝土工作性能应满足以下要求：
⑴混凝土强度应满足7天达到围堰抽水的要求；
⑵水下混凝土的抗分散性能要求高；
⑶混凝土应具有自流平性能；
⑷混凝土缓凝时间应满足灌注完成所需的时间。
本工程主墩双壁钢围堰封底混凝土采用C25水下不分散混凝土，在混凝土中掺加TW-NA复合型水下不分散剂，有效提高了封底混凝土的工作性能，保证了混凝土封底施工的可靠性。封底混凝土灌注厚度取1m，高出刃脚0.2m。
3.3.10.2封底混凝土灌注施工
桩基钢护筒安装就位后，即可进行堰内封底混凝土灌注施工。总体灌注顺序为：依地形考虑，由低处向高处；依平面位置考虑，由外向内、从一端向另一端推进的灌注方法。
封底混凝土采用单导管多点灌注法施工。首个灌注点位置根据钢围堰的平面尺寸、钻孔桩钢护筒阻挡情况及混凝土水下流动半径（一般取R=4m）等因素来布置。后续灌注点应根据灌注过程中掌握的混凝土在水下实际分布数据来布置，确保水下砼能流动到堰内每一个角落，从而保证封底效果。
水下封底混凝土灌注方法同普通水下混凝土的灌注工艺，采用内径Φ325mm导管及2m3容量的储料斗，混凝土料采用机械泵泵送至储料斗内，料斗及导管采用50t履带吊进行提升，导管吊放时应保持轴线顺直，导管口至距岩面悬空高度控制在20cm。
混凝土灌注终结时，尽量调平混凝土表面平整度，混凝土面的最终灌注高度，应比设计标高高出不小于15cm，待混凝土强度达到设计要求强度后，再抽水凿除表面松弱层达到设计标高。
3.3.10.3施工质量控制要点
为确保封底施工质量，施工过程中应注意一下几点：
⑴灌注点不宜靠围堰内壁过近，以防止首盘封底混凝土料产生的冲击力挤垮刃脚外侧堆码的砂袋。
⑵每次更换灌注点后，必须重新进行导管封底施工。导管首批混凝土量按下式计算确定：
V�πd2h/4 ＋ (Hc/3)πD2/4
式中：V－首批混凝土所需数量，m3；
HW－导管底到水面高度，为(H0－0.4)m ；
d－ 导管内径，取0.3m；
D－ 首批封底混凝土形成圆锥直径，通常取5～6m；
γW―水容重，取10KN/m3；
γc―混凝土容重,根据试验室试验取得，一般取24KN/m3；
H0－水面到围堰底高度，m；
Hc―灌注首批混凝土所形成混凝土圆锥高度，一般为0.8～1.0m；
h－导管内混凝土顶面至作堆混凝土顶的高度，即h�HWγW/γc ，m。
⑶灌注过程中，采用测锤每隔一段时间测量下混凝土表面标高，将测量数据及时通报现场值班技术员，用以指导导管提升及灌注点的更换，也避免因导管埋置过浅而影响到混凝土的顺利灌注。
⑷钢围堰刃脚底部有效封堵后，随着混凝土的灌注，堰内水位会同步上升，应及时抽水，保持围堰内外压力平衡，防止因压力差过大致使封堵砂袋失稳。
⑸混凝土灌注应连续进行，确保能够一次灌注完成，以保证混凝土结合良好。
⑹在混凝土同条件养护试块强度达到设计强度后，再进行桩基施工，以防上方桩基施工产生的动荷载致使封底混凝土出现破裂，影响钢围堰的整体封底效果。
3.3.11封底效果
在双壁钢围堰堰内抽水至封底混凝土顶面过程中，堰壁连接部及围堰封底混凝土表面均未见明显渗水现象，证明双壁钢围堰块段连接及混凝土封底效果良好，为下步主墩承台施工提供了良好的干作业环境。
4结语
在裸岩河床中采用支架进行首节刃脚段的悬挂拼装，采用导轨限位下沉，有效解决了双壁钢围堰节段拼装入水、定位的施工技术难题；块段、节段拼装采用法兰栓接工艺，大大加快了双壁钢围堰的施工进度；在水下混凝土中掺加TW-NA复合型水下不分散剂达到改善了封底混凝土的水下工作性能要求，提高了水下混凝土封底施工的可靠度。
沙县府前悬索桥拓宽改造工程中采用的裸岩河床双壁钢围堰施工技术，相关施工工艺在类似施工环境的桥梁水下工程施工中可以借鉴并值得推广应用。
参考文献：
1.刘自明，王邦楣，陈开利，桥梁深水基础，人民交通出版社，第一版.
2.周孟波，刘自明，王邦楣，悬索桥手册，人民交通出版社，第一版.
