深水浅覆盖层凸岩钢围堰的施工技术

2022-09-11

1 工程概况

黔桂铁路扩能改造工程QG3标东江大桥位于广西省河池市东江镇东江村旁, 跨越环江。大桥中心里程为D3K150+019, 起始里程为D 3 K 1 4 9+9 1 5.2 8, 终至里程D3K150+123.35, 全长208.07m, 为6m~32m预应力混凝土梁桥。3#、4#墩位于江中, 2#墩一半在江水中, 一半在岸边;其余墩台均位于岸上。桥梁水中墩基础均位于白云质石灰岩上, 岩质坚硬, 江中河床地质覆盖层厚仅20cm~30cm, 3#墩处水深约为15.4m, 4#墩处水深约7.0m。3#墩墩位所在处河床地形比较复杂, 呈凹凸不平状, 高差相对较大, 最大高差达4.0m。水中墩基础类型均为桩径φ1.25m的钻孔桩, 每墩桩基各5根, 呈梅花形布置;墩身为坡比1∶28双向收坡式圆端形桥墩, 高20m。河道上下游均为水力发电站, 且不通航。

2 施工技术关键及难点

由于3#墩墩位处河床底层岩质坚硬, 且有部分陡然凸起, 相对高差较大, 最大高差达4.0m, 施作水下基础有一定难度, 且本工程施工工期较短, 水中墩必须在一个枯水季节中全部施工完毕。因此, 该桥的钻孔桩和承台施工是整个大桥施工的关键和难点。受河道上下游均为水力发电站而不能通航的影响, 进行水下爆破施工费用相对较大, 所以只能采用双壁钢围堰进行水中基础的施工, 双壁钢围堰施工时需要解决的主要技术难点是有以下两方面。

(1) 由于3#墩墩位处岩石高差较大, 最高处高达4.0m, 普通高低刃脚双壁钢围堰着床困难。

(2) 河床部分凸起岩面高程较高的地方, 不能满足封底混凝土的厚度要求。

3 采取的具体实施方案

3.1 高低刃脚及钢挂板的结构设计

高低刃脚双壁钢围堰的方案, 是让钢围堰在下沉的过程中高刃脚部分在河床岩层较高的一侧基岩上着床, 同时在低刃脚侧根据河床地形的高低情况加设钢挂板, 使钢挂板着床于河床岩层较低的一侧基岩上, 以改善双壁钢围堰着床后承受的施工荷载。

3.1.1 高低刃脚的结构

本桥双壁钢围堰由钢围堰内、外壁, 水平桁架、竖向桁架组成, 以形成空间体系, 增强钢围堰的整体稳定性。钢围堰外径13.18m, 内径10.78m, 平面分成结构相同的六个隔舱。为了适应河床基岩面的高差, 刃脚设计为高刃脚和低刃脚两部分, 高刃脚在钢围堰下沉后置于河床基岩突出的部位, 其高程根据实测岩面高程确定。

3.1.2 钢挂板的结构设计

为了使低刃脚能够顺利着床, 同时考虑到节约钢材用量, 降低成本, 在保证钢围堰受力稳定和满足封底混凝土厚度的前提下, 采取在低刃脚的下部焊接单臂钢挂板, 以增加钢围堰的高度, 确保低刃脚出顺利着床, 钢挂板的高度根据钢围堰所在位置处的实测河床基岩高程来确定, 钢挂板距岩面的距离控制在50cm之内。

因河床地面岩层高差较大, 且封底混凝土高度为刃脚至承台底面的高度, 故刃脚以下部分的单臂钢挂板仅承受灌注封底混凝土时的侧压力。下面是单臂钢挂的结构设计计算。

河床距封底混凝土底面 (钢围堰下端) 的最大距离为:

H=166.30m (钢围堰刃脚底面标高) -163.82m (最低处河床面标高)

混凝土侧压力:q=2.5×2.48=6.20 (t/m2)

双壁钢围堰刃脚底部断面处的弯曲力矩:

M=1/3×6.20×2.482=12.71t·m/1m宽。

为了与双壁钢围堰的设计保持一致, 设计单壁钢挂板的竖向肋骨间距亦为0.314m, 此时弯矩为:

在钢挂板背面加设斜撑, 其斜撑弯矩按简支梁计算:

竖向加劲肋设计为∟75×75×6mm, 组合截面W=29.4cm2, 计算竖向加劲肋处的应力为:

故只加设竖向加劲肋和斜撑不能满足应力的要求, 还须在挂板背面加设水平撑, 加设水平撑后的弯矩为:

经过设计检算, 当钢挂板高度为2.48m时, 应在钢挂板背面加设间距分别为1.0m、0.314m、1.0m的角钢斜撑、加劲肋、及水平横撑, 才能满足灌注封底混凝土时的侧压力。为了使钢围堰能够顺利着床, 施工时取用单臂钢挂板最高高度为2.2m, 且同时在钢挂板背面加设间距分别为1.0m、0.314m、1.0m的角钢斜撑、加劲肋、及水平横撑。

3.2 钢围堰施工程序

加工钢围堰-同时拼组龙门船-在龙门船上拼组围堰底节-焊接钢挂板-围堰接高-钢围堰浮运下沉就位-潜水员水下堵漏-在钢围堰上搭设封底工作平台-导管法灌注水下封底混凝土。

3.3 龙门船的拼装

龙门船拼组所用的器材设备, 都是利用汽车将单元构件运至现场临时码头, 在临时码头用25t汽车吊和水上浮吊配合拼组而成。

首先是按照设计将中-60型浮箱吊放水中, 然后逐个用连接板和连接螺栓在顶部和底部相连接, 形成两个浮墩。拉开空档锚固备用。在岸上拼装好连接梁, 用吊机将连接梁吊装到两浮墩端部与浮墩相连。安装平台悬挂支撑梁。悬挂梁与连接梁间采用型钢固定。然后在悬挂支撑梁和浮墩空档上铺设工字钢。再在工字钢上满铺10mm钢板, 形成作业平台。

3.4 钢围堰的制作

3.4.1 制作工艺流程:

按设计图下料-压制平刃脚和水平桁架角钢-按划分单元分榀制作水平桁架-按单元组拼骨架 (隔舱板组焊于其上) -按节组拼骨架-检查、校正骨架-围焊内、外壁板-水密试验、检查焊缝质量并补焊-焊制吊耳、锚环、划高度标尺-成品检查验收-吊运接高。

3.4.2 制作注意事项

(1) 水平桁架、竖向桁架及其他骨架应在地膜和组拼胎架上组拼, 不符合精度要求者用起道机和顶杆校正, 焊接时先点焊, 再从一端向另一端推进, 依次进行。为防止焊接变形需要夹持施焊。

(2) 电焊前应将焊缝处油污及锈蚀物清除干净, 严格按照有关电焊操作工艺进行, 为减少焊接应力及变形, 除正确制定焊接顺序及工艺外, 还要根据焊缝方向及部位, 适当加骑缝板或临时拉板, 减少变形。

(3) 每节钢围堰的吊耳根据浮吊的吊重和吊高进行受力分析和计算。

(4) 第一节吊起后在平刃脚底部焊接尖刃脚和支撑桩部分。

(5) 每节钢围堰制作完毕按制作精度和水密试验进行验收, 焊缝执行国标GB304-64, 用油浸试验检查, 不合格的进行补焊。

(6) 制作精度:曲线部分半径差值不超过0.5%壁厚;围堰壁表面不向外突出或倾斜, 每节倾斜度不大于2‰;围堰骨架构件必须保持设计位置, 误差不超过3mm。

3.5 钢围堰的拼装和接高

钢围堰拼装和接高是在浮运龙门船上进行的, 在浮云龙门船拼装平台上准确放出各单元体的轮廓位置, 然后沿周边逐件拼装底节 (平刃脚以上) , 单元体有浮吊吊装, 操作时要随拼装随调整, 待全部点焊成型后, 方可全面焊接。

底部拼装完毕经全面检查后, 利用浮运龙门船上的起重龙门将底节钢围堰吊起, 使之离开拼装平台5cm左右, 仔细观察, 无异常情况继续提升至能够拆除工作平台时为止。经检查无误后, 拆除拼装平台, 并在其底部焊接钢挂板, 然后操作起重龙门将钢围堰底节平衡地落入水中并注水使其下沉, 然后将围堰底部和顶部所有拉揽收紧, 使其保持垂直而不被水流冲斜。在底节顶部定出一个测量基准面并准确进行结构尺寸的测量控制, 然后由浮吊吊装上节钢围堰单元体拼装接高。

钢围堰定位:钢围堰接高完毕并经检查无误后, 通过浮运龙门船四角的锚绳使钢围堰稳定垂直地自浮并浮运至墩位处锚碇, 调整四角锚绳使钢围堰精确就位, 使钢围堰稳定于墩位中心。

下沉着床:钢围堰着床是通过向围堰双壁内快速大量的灌水压重的办法来实现的。首先灌水调平围堰, 使围堰处于设计位置上;其次向各舱内均匀注水, 使围堰逐渐下沉, 并且不断地测量钢围堰中心位置和高差, 测刃脚及钢挂板的标高, 待刃脚及钢挂板距河床最小距离为0.3m~0.5m时, 停止灌水, 再用水头整平围堰, 调整围堰的中心位置;在钢围堰双壁间隔舱内同时注水使其下沉, 同时迅速测量, 以确定着床位置, 注水时要向先着床部位进行偏注水, 调平后再整体注水, 注水时要注意使钢围堰各舱内水头差及舱内外水头差不能超过设计允许值。

3.6 封底混凝土的施工

钢围堰封底混凝土隔舱板安装完毕后, 利用型钢在钢围堰顶面加工安装封底用工作平台, 钢围堰下沉定位后, 由潜水员用砂袋封堵钢围堰刃脚下的缝隙以免封底混凝土流出。封底混凝土施工时, 采用四套导管, 其中三套设在钢围堰内呈三角形布置, 一套制于增设的混凝土隔舱板内, 待钢围堰内的封底混凝土厚度达到设计要求后, 停止进行封底混凝土施工, 当围堰内的封底混凝土将要达到初凝时开始进行隔舱内封底混凝土的灌注, 以免隔舱内的混凝土从地面溢出。所有的封底混凝土采用泵送进行。

4 结语

施工实践表明:在河床基岩面倾斜及凹凸不平、河床覆盖层较薄的深水桥基础施工中, 可以充分利用双壁钢围堰的浮力, 根据地形的实际情况对双壁钢围堰的刃脚结构进行灵活变动, 以改善双壁钢围堰着床后承受的施工荷载。该方案既避免了水下爆破及清碴等繁琐工作, 又节约了施工成本, 提高了施工进度, 对相关工程施工具有一定的借鉴作用。

摘要：本文结合东江大桥3#墩墩位处特殊的地形地质情况, 介绍浅覆盖层且河床岩层凹凸较大的情况下采用双壁钢围堰施工时, 针对河床地形参差不平且高差起伏较大的情况下进行深水基础施工的施工技术。

关键词：深水,浅覆盖层,凸岩,钢围堰