钢围堰施工技术.docx

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钢围堰施工技术

南京大胜关长江大桥主桥3#墩

钢套箱围堰施工技术

中铁大桥局四公司南京大胜关长江大桥项目部

二〇〇七年十二月

1．工程概况

南京大胜关长江大桥位于既有南京长江大桥上游约20㎞的大胜关桥位，已建成的南京长江三桥位于本桥位下游1.55㎞，距长江入海口约350公里。

大胜关桥是规划中沪汉蓉铁路和南京市地铁跨越长江的重要通道。

主桥上部结构为2联（2×84m）连续钢桁梁+（108+192+336×2+192+108）m六跨连续钢桁拱，全长1615m。

主桥3#墩是B联2x84m钢桁连续梁中间固定墩，钻孔桩直径2.5m，桩长85.2m，呈纵向4排横向7排布置；承台呈矩形，平面尺寸为41m×24.5m，顶面标高0.0m、底面标高-5.0m。

1.1地质情况

3#墩位于长江北侧河槽浅水区，河床面高程为-2.99m，覆盖层厚度大，由上至下分为四大层，第①大层为填筑土及全新统河成相最新沉积的松散状细砂层，厚度20.91m；第②大层缺失；第③大层，主要由全新统河床相地层，主要由中、细砂组成，中密状为主，局部段顶部呈稍密状，厚21.09m；底部为第④大层，主要由上更新统河床相粗颗粒的中、粗砾砂组成，呈密实状，厚14.8m。

该段下伏基岩为白垩系成岩程度差的泥岩、泥质粉砂岩，岩质软弱，基岩岩面平缓，岩面高程-59.79m。

围堰处饱和松散状细砂基本承载力[σ0]=190Kpa，极限摩阻力τ=25Kpa。

1.2水文特征

潮汐：

桥址河段处于感潮区内，潮汐为不正规半日潮，潮差较小，水流基本为单向流，河床演变及造床作用主要受上游泾流控制。

平均涨潮时间为8.5小时左右，平均落潮时间为3.8小时左右。

潮位：

最高潮位+8.78m，最低潮位-0.03m，多年平均潮位3.65m，汛期最大潮差1.31m，枯季最大潮差1.56m，平均涨潮潮差0.52m。

流速：

长江流域以雨洪迳流为主，每年5～10月为汛期，11月～翌年4月为枯水期，洪峰多出现在6～8月，1月或2月水位最低。

洪水期主流表面最大流速2.28m/s，中水期主流表面最大流速为2.75m/s。

水位：

二十年一遇洪水位+7.99m。

围堰拼装及下放在枯水期（11月～翌年4月），此阶段最高施工水位为+3.0m。

1.3施工冲刷

按铁路工程设计技术手册《桥渡水文》有关冲刷公式进行分析计算，渡洪水位取+8.0m，流速2.0m/s,经计算一般冲刷-6.0m，局部冲刷-21.52m。

2．施工方案

2.1平台、围堰结构形式

根据施工进度及河床标高、水位等因素综合考虑，3#墩基础施工采用先平台后围堰的方案，钻孔施工平台为型钢梁+支撑桩式，承台施工挡水结构为双壁钢套箱围堰。

钻孔施工平台分为钻孔平台和作业平台两部分，平台上设一台120t·m动臂塔吊配合施工。

平台由支承钢管桩、钢护筒和梁系组成。

支承桩为φ1200mm，壁厚为12mm的螺旋钢管桩，钢护筒上端设支承牛腿，平台梁系支承在钢管支承桩和护筒牛腿上。

平台结构型式见图1。

图1钻孔桩施工平台结构图

钢套箱围堰总高14.5m，分两节，其中顶节（单壁）高1.5m，围堰下放就位后安装，底节（双壁）高13m，壁厚1.6m，围堰平面尺寸（外壁）为44.4m×27.9m，自重约800t。

围堰刃脚部分高2.0m（体积221.12m3），围堰外周长144.6m，设计有16个封闭隔仓。

围堰封底厚度2.5m。

具体见下图2。

图2钢套箱围堰结构图

2.2钢围堰施工方案比选

钢套箱围堰施工包括拼装及下放两部分，常用的方案有墩位处拼装+扁担梁+吊挂系统下放，或岸上（岸边）拼装浮运就位+大型浮吊下放。

两种方案比选见下表：

比选内容

方案一

岸上组拼浮运+大型浮吊下放

方案二

墩位组拼+扁担梁+吊放系统配合下放

优

点

1.岸上拼装围堰施工条件良好，充分利用现有场地设施。

已成功实施过4#、5#、6#墩吊箱和套箱钢围堰的组拼和浮运，方案与本墩相似，具有可控性。

2.钻孔施工和围堰组拼平行施工，工序衔接紧密可有效压缩施工工期。

1.无需大型浮吊整体吊装作业和河槽清理，节约大量相关费用。

2.扁担梁吊放系统为定点起吊，对于围堰的就位准确度及调整都较方便。

3.临时拼装平台和扁担梁所用材料可充分利用施工平台拆除料，仅增加分配梁和吊耳用料。

缺

点

1.使用方式受限。

大型浮吊吊放钢围堰虽吊装作业时间短，但对围堰所处河床要求较高，所占水域较大，不可见因素多，事先需要做好清淤平整工作，工程量较大。

2.施工配合需协调。

施工过程中需将各项准备工作完成后才能进行。

1总周期长。

围堰拼装须待钻孔桩完成后才能进行，需一艘浮吊和平台动臂塔吊配合作业。

临时拼装平台和吊放系统需新、改制。

2.难度大。

采用吊放系统多点下放围堰，整体性稍差。

经

济

性

围堰拼装设备费用20万元,围堰下水浮运费用30万元；钢围堰一次吊装就位需60万元（含进出场费）。

临时拼装平台改造费用约5万元。

浮吊、塔吊等设备费用约75万元。

综合经济、技术等方面比较结果，在3#墩采用墩位组拼和吊放系统配合下放的方案。

钢套箱围堰在墩位处拼装，通过对原有钻孔平台结构进行分解和重组形成拼装平台，围堰在钢结构车间分块加工后经汽车运至起重码头，下河转运至3#墩处，由工作平台动臂塔吊和水上浮吊（50t）在拼装平台上进行组装。

围堰拼装的同时可接高6个吊放点钢护筒，在围堰拼装完成后安放由护筒顶横梁和提升装置组成的吊放系统，千斤顶起顶，围堰上升50cm，拆除拼装平台及辅助构件。

吊放系统分次均衡下放围堰入水，在调整好平面位置及垂直度后着床，辅以注水及围堰内侧吸泥的方式使围堰下沉至设计标高，将其锚固于四角接高钢护筒上，进行封底施工。

待封底混凝土达到设计强度后抽水，凿除桩头，清除浮碴进行承台施工。

2.3钢围堰施工关键技术

2.3.1钢围堰下放控制工作原理

围堰在自重大于浮力状态下下放的原理为：

支承于护筒顶横梁上的提升下放装置可有效抵抗水流对围堰的水平力、水平力矩及竖直力矩，在钢护筒与围堰间设置局部导向，以微调因水流力变化引起的围堰位移与倾斜；围堰下放过程中，严格控制各升降装置同步、均匀、定量下放，分级分次监测监控钢围堰平面位置与倾斜及提升装置受力；若钢围堰在下放过程中出现一定偏差，可通过升降系统同步提升钢围堰且予以微调后继续下放，围堰每下放一定量高度，在双壁内均匀对称等量注水，以主动控制提升装置支承反力在一可控范围内。

实现围堰下放过程定量可控、微量可调，位置可控，偏差可调。

2.3.2吊放系统

吊放系统由护筒顶横梁和提放装置组成。

护筒顶横梁由4根从钻孔平台分解出的800x400的H型钢（原钻孔平台承重梁）重组而成，分上下两层、长度为29.5m，围堰共需3组横梁。

提放装置由分配梁、千斤顶和Φ32mm的精扎螺纹钢筋（σs≥930MPa）组成，整个围堰共设6个吊放点，每个点一套提放装置,每一套提放装置设计荷载为200t,由2台千斤顶（暂定YDC350型）及4根Φ32四级精扎螺纹钢筋（单根长17m）组成，下端与围堰侧板连接。

6个吊放点分南北两组，每个吊放点的2台油顶通过一台油泵并联作业。

吊放系统见图3。

图3吊放系统结构图

2.3.3水平导向结构

基于钢围堰下放比较深，下放过程中平面位置及竖向倾斜难以控制等原因，选择6根接高的钢护筒作为套箱下放的定位及导向桩，并分别在此钢护筒对应的围堰内支撑架上安装导向结构，使得围堰能沿定位桩准确下放。

3．钢围堰施工

3.1钢围堰制造

钢套箱围堰采用在钢结构车间内分块加工制作。

加工场内配备20t龙门吊1台，KH180吊机1台。

加工成型的块单元经汽车运至起重码头下河再运至墩位处。

3.1.1钢围堰节段划分

考虑施工条件和运输等因素，钢套箱围堰底节侧板分32块制造，在高度方向不分块，沿周长方向分块。

长边沿顺桥向中心线往两侧各分为3.6mx2+2x4.8m+4.8m/2，短边方向沿横桥向中心线往两侧各分为3.9m/2+2x3.9m，拐角处为长4.2mx宽3.0m。

其中拐角段为最大块，重约19t，4.8m段重约15.6t。

3.1.2焊接平台铺设

钢套箱围堰的侧壁全为直线段，为保证钢套箱围堰侧板的平整度，需铺设焊接平台。

焊接平台必须是刚性固定结构来减少尺寸误差。

3.1.3钢围堰单元块制造

内外壁板、围堰单元块采用分块制造的方法，同时考虑分块线处焊缝错开的原则，即相邻的焊缝间距应大于200mm。

将外壁板平铺在刚性的平台上（平台要求进行抄平，以保证围堰的侧板平整度在控制范围内），将拼装好的连接桁架放在面板上精确定位并对环板施焊，再将内壁板盖在其上方，施定位焊后翻身，完成另一侧环板焊接。

3.1.4内支撑架制造

内支撑架以短边方向一组（2.4mx24.7m）桁架为单元件，两单元件间的连接件采用散拼方法施工。

3.2钢围堰拼装

3.2.1拼装前准备工作

改造平台：

钻孔桩施工完成后，对原钻孔平台进行分解，将护筒外侧及平台支撑桩之间的区域保留，形成临时拼装平台，根据施工期最高水位确定拼装平台顶标高为+4.5m。

改造后的拼装平台见图4。

放线：

测量围堰周边的φ2.8m护筒的桩位及倾斜率，并计算出设计墩中心的关系，测量放出承台设计中心。

再根据测量资料在拼装平台上放出围堰外壁板的边线。

图4拼装平台平面图

3.2.2钢围堰拼装

钢围堰总体拼装顺序：

先底隔仓，再围堰侧板，最后内支撑桁架。

底隔仓按先两边后中间分3块拼装。

侧板从拐角段开始沿围堰长边方向南、北两侧对称拼装，最后在上、下游短边段中间合拢。

内支撑架主桁按顺桥向组成整长的桁架沿围堰长边方向从一端向另一端拼装，拼装过程中可间隔焊接横向连接系桁架。

钢围堰拼装示意见图5。

图5围堰拼装平面布置图

3.3钢围堰下放

3.3.1下沉前准备工作

清淤：

钢套箱围堰拼装前须测量3＃墩位处围堰的河床标高，根据测量标高作为河床清淤和整平的依据。

3#墩位处原河床标高约-3.0m，拼装时围堰刃脚底标高+4.5m，围堰下沉到位时刃脚底标高为-7.5m，围堰要下沉12.0m。

钢护筒接高：

为满足围堰下沉可控，在1#、4#、7#、22#、25#、28#钢护筒上纵向安装提升扁担，即首先对上述钢护筒进行接高，接高后钢护筒顶标高约为＋18.5m。

接高后按设计要求在钢护筒相应位置上安装横梁和吊放系统。

吊放系统安装：

整个围堰共设6个吊放点，每个点一套提放装置,每一套提放装置设计荷载为200t,由2台千斤顶（YDC350型）及4根Φ32精扎螺纹钢筋（σs≥930MPa）组成，下端通过吊耳与围堰侧板连接。

水平导向结构安装：

基于钢套箱下沉比较深，下沉过程中平面位置及竖向倾斜难以控制等原因，选择6根接高的钢护筒作为套箱下沉的定位及导向桩，并分别在此钢护筒对应的套箱围堰侧板上安装导向结构，使得套箱能沿定位桩准确下沉。

侧板加强：

提放装置下端的精扎螺纹钢筋锚固于侧板上，需对此处侧板进行加强。

图6围堰吊放系统及拼装平台立面图

3.3.2下放控制

钢套箱围堰自浮吃水深度约4.6m，下放过程中保持吊放装置受原围堰重力的27.6％（约221t＝围堰双壁1.0m高水的自重）。

为使围堰稳定、可控下放，依据长江实际水位情况确定如下下放措施：

围堰拼装完成后，利用安装在接高钢护筒上的吊放装置，施加提升力（控制在1000t以内），使围堰整体升高约30cm，保持稳定后拆除临时拼装平台及辅助构件。

吊放装置同步、等距、缓慢卸载，使钢围堰缓慢下放，每下放20cm为一个周期。

均匀下放围堰3.6m（水位按+2.5m考虑）后，分批次注水（壁仓内注水配备6台水泵，对称布置，注水应对称均匀，防止围堰倾斜卡住护筒）下放围堰直至围堰着床。

围堰进入河床后采取隔仓内灌水和围堰内侧吸泥的方法下放；当围堰进入河床一定深度后，采用隔仓内灌水和围堰内、外侧吸泥的方法下放直至达到设计标高。

3#墩钢围堰依靠重力导向下放，在围堰下放过程中始终保持吊放装置受力在221t～331t之间变化，通过在隔仓内注水克服浮力和潮差引起的钢围堰受力变化，保证每个吊挂装置共同且均匀受力。

3#墩围堰整个下放过程中，要求在每次下放前必须检验围堰平面位置，合格后方可进行下一轮次下放。

在围堰下沉过程中，要求相邻隔仓水头差不得大于1m。

3.3.3下放注意事项

对下放过程中（进入河床前），围堰平面位置、垂直度、平整度进行测量并与理论计算值进行比较，当需要调整时，采用如下方法：

①围堰平面位置利用导向系统进行控制；②围堰垂直度、平整度利用吊放装置及隔仓水进行调整。

围堰落至河床前后，涉及体系转换，要可控。

在围堰落至河床前应准确调整围堰的平面位置和垂直度，保证在误差范围内。

围堰进入河床后，由于平面位置不能再有效调整，下放过程中，采用安装在围堰侧板内侧的水平导向控制平面位置；围堰垂直度、平整度利用吊放装置及隔仓内注水进行调整。

下沉过程中，平面位置要控制在5cm以内。

注水应遵循对称加载的原则。

对称的隔舱，同时灌水，且流量一致，以防围堰倾斜。

围堰下沉过程中，随时观测吊放装置受力，保证其受力在安全范围内。

围堰下沉到位后，受水流冲刷的影响，围堰可能仍处在不稳定状态，此时用剪刀撑将围堰与钢护筒焊接，确保围堰稳定。

4．总结

3#墩位于长江北侧河槽浅水区，围堰底处地质为饱和松散状细砂，在这种施工环境中选择套箱围堰主要有以下优点：

工程进度快，施工难度小；相对于吊箱围堰，结构较简单，易于下放；围堰拼装平台等辅助设施充分利用原平台旧料，可节约成本。

相对于以往采用卷扬机+滑轮组所组成的提放装置，本方案采用的千斤顶+精轧螺纹钢筋组成的提放装置设计巧妙、简单实用。

它可结合双壁钢围堰的自浮功能，实现围堰的下放和提升双向调整；千斤顶液压控制使围堰下放调整的精度及稳定性大大提高；接高的钢护筒变形小，也不用设多层支垫，可保证围堰在可控的支承条件下下放；精轧螺纹钢刚度大于钢丝绳，以重力大于浮力的控制原则，再配合局部导向可确保钢围堰平面位置的精确定位。

根据实际施工情况，总结以下几点经验：

一是河床请理区域应适当扩大，有利于钢围堰着床时精确定位；二是河床清理的标高必须保证围堰就位时状态的稳定，可在围堰下沉过程中边吸边下，一般每次下沉（吸泥）以0.5～1m左右为宜，不可一次超吸，否则影响围堰稳定；三是提放系统需事先进行试验，这样可检验提放系统的性能，也可提高操作人员的熟练能力，因为围堰下放时多台千斤顶同步性是整个结构稳定的关键；四是围堰在下放到位前不要灌注双壁内混凝土，仅配合吸泥、注水即可，可减少下沉过程中的不平衡因素，使围堰在下沉过程中也可进行平面位置的调整。

总的来说，南京大胜关长江大桥主桥3#墩成功运用原位拼装和多台千斤顶同步提放就位的方案进行双壁钢套箱围堰施工，从施工工期、施工质量、施工成本等方面为项目和企业带来了巨大的经济和社会效益，也为以后相类似的大型基础施工提供了借鉴。