圍堰氣囊法下河的工藝計算及實際應(yīng)用

jimosea

圍堰氣囊下河法因為適應(yīng)性強，投入少等優(yōu)點，在橋梁基礎(chǔ)施工中得到越來越多的應(yīng)用。但是，其目前的理論研究還不完善，急需進(jìn)行系統(tǒng)的研究。
本文首先對氣囊的特性進(jìn)行研究，得到簡化模型。在此基礎(chǔ)上，對圍堰下河過程進(jìn)行靜力與動力的理論推導(dǎo)與計算，從而得到圍堰下河過程中的入水角度、前端入水深度以及運動速度等信息。并通過實例計算，驗證本文理論算法的可行性與準(zhǔn)確性。最后進(jìn)行參數(shù)分析，提出坡道初始角度、斷纜位置以及水下開挖等方面的建議措施。
關(guān)鍵詞 :圍堰:氣囊;下河:入水角度:入水深度:坡道


第1章緒論
1.1簡介
現(xiàn)代橋梁一般采用樁承臺基礎(chǔ)，其由樁和連接樁頂?shù)某信_所組成，依靠樁將作用在承臺上的荷載傳至地基。在橋梁的修建過程中，經(jīng)常要在水中進(jìn)行基礎(chǔ)的施工。而承臺通常采用大體積現(xiàn)澆混凝土，其施工需要在無水條件下進(jìn)行。圍堰就是橋梁墩臺基礎(chǔ)施工中用于防水、擋土的臨時性圍護(hù)結(jié)構(gòu)，如圖 .1-1 所示。圍堰一般用完即拆除回收，也有不拆除而與承臺成為永久性結(jié)構(gòu)的。在橋梁深水基礎(chǔ)的承臺施工中，目前中多使用雙壁鋼圍堰結(jié)構(gòu)。

圍堰的種類按照材料劃分，主要有土石圍堰、木質(zhì)圍堰和鋼圍堰。鋼圍堰中，鋼板樁圍堰、鋼管樁圍堰以及雙壁鋼圍堰是目前使用最為廣泛的三種圍堰。

圍堰施工的方案不同，下水的方法也不盡相同。目前對于雙壁鋼圍堰，較為經(jīng)濟(jì)與常用的方法是氣囊法下水。圍堰拼裝時在下方布置氣囊，拼裝完成后氣囊充氣抬高，在一定坡度(通常為 8%~12%)的坡道上將圍堰斷纜自由下放，圍堰依靠重力的分力加速下滑下水。在下水之前要先進(jìn)行設(shè)計與驗算，合理布置現(xiàn)場條件(如坡度、坡道長度、圍堰增加浮力措施等)，這也是本文研究的內(nèi)容。

目前圍堰下河方法
圍堰下河方法與圍堰尺寸大小、重量、施工環(huán)境、當(dāng)時所具備的起吊裝備能力有關(guān)[。主要有以下幾種。
1.2.1千斤頂系統(tǒng)起吊下放
在基礎(chǔ)施工中運用此方法，先建立鉆孔平臺，進(jìn)行鉆孔施工;鉆孔完成后，在平臺上拼裝圍堰，并接高護(hù)筒;再拆除部分平臺，利用千斤頂起吊系統(tǒng)進(jìn)行圍堰的下放!7。
如圖 1.2.1-1，為某工程的鋼套箱圍堰構(gòu)造圖，該墩臺基礎(chǔ)工程采用的是“先平臺后圍堰”的施工方法。即先搭設(shè)鋼棧橋、鉆孔平臺，進(jìn)行樁基施工，隨后利用鉆孔平臺焊接牛腿支承作業(yè)平臺，進(jìn)行圍堰的拼裝，并利用千斤頂起吊系統(tǒng)進(jìn)行圍堰(套箱)的起吊和下放，最后進(jìn)行圍堰基礎(chǔ)清理、封底、抽水以及承臺的
施工。施工流程圖如 1.2.1-2 所示。這種方法的優(yōu)點是:無需投入浮運圍堰的大型機(jī)械設(shè)備，相對而言比較經(jīng)濟(jì):缺點是拼裝時間較占用工期，對在關(guān)鍵線路上的基礎(chǔ)工程施工要充分考慮工期要求。

1.2.2整體起吊法
整體起吊下河，就是先拼裝好圍堰結(jié)構(gòu)，再利用大型浮吊將其運至施工位置.整體起吊下水的方法。這種方法有以下適用條件:
表 1.2-2 整體起吊法下水的適用條件
下水方法
適用條件
1、圍堰必須在便于浮吊站起吊的地點事先組拼好，
整體起吊法
2、吊船各項參數(shù)(起吊重量、吊高、吊距)滿足施工要求
3、符合要求的浮吊能夠順利行駛進(jìn)入作業(yè)水域
4、圍堰結(jié)構(gòu)滿足起吊受力和變形要求，通常需要加設(shè)內(nèi)支撐

因此，先搭建鉆孔平臺進(jìn)行樁基礎(chǔ)施工、后下放圍堰從而施工承臺和墩(塔)身的場合比較適合用整體起吊下河方法。根據(jù)調(diào)查，目前能夠進(jìn)入長江中、下游的大型浮吊最大起重能力約 1200 噸，但是由于長江上的橋梁等一般有通行高度及寬度限制，因此可用浮吊完成下河的施工用大中型圍堰重量只能在 1000 噸左石。
這種方法的缺點是:大型浮吊使用需要提前預(yù)約:受沿途所通過橋梁凈空的限制，事前應(yīng)當(dāng)充分調(diào)查清楚:由于使用時間短，其進(jìn)出場費用高，成本較大。

1.2.3 沉船法
沉船法，就是在拼組船上拼裝好圍堰，經(jīng)水密性檢查合格后，向拼組船各船艙內(nèi)均勻?qū)ΨQ壓重、灌水，使圍堰連同船只一起徐徐平穩(wěn)下沉入水，直至圍堰達(dá)到自浮狀態(tài)并脫離拼組船只[8]。這種方法有以下適用條件:
1船主同意駁舶做沉船使用且船體質(zhì)量可靠、密封性能好:
2)駁船上高出刃腳將軍柱及所有雜物等清理干凈:
3)船時水流應(yīng)平緩:
4)沉船位置應(yīng)選擇在砂層或巖面，不能選擇在黏土層，且覆蓋層不能太厚。
同時提前對沉船處海灘河床面不平問題加以處理。

沉船法優(yōu)點是投入機(jī)械設(shè)備少，經(jīng)濟(jì)實用;缺點是對船體質(zhì)量要求高且船主同意沉船，此外對沉船位置的河床也有一定要求。

1.2.4底節(jié)氣囊下河法
由于橋梁建設(shè)的規(guī)模加大，圍堰尺寸與重量也隨之增加，且施工工期縮短，之前提到的許多方法不再適用。受到船舶氣囊下水法的啟發(fā)，我國特大型、超大重量圍堰下河方法取得了重大突破，非控制下放的圍堰斷纜氣囊法整體下河技術(shù)解決了特大型圍堰快速下河難題，實現(xiàn)了快速施工7。斷纜氣囊法整體下河技術(shù)

原理:在具有平行邊圍堰壁的長邊井壁下方，布設(shè)能夠滾動前行的圓柱狀氣囊支承圍堰，圍堰依靠坡道形成的重力分力在氣囊承托下自行快速向前移動滑入水中自浮，瞬間完成圍堰下河

適用條件
1、圍堰本身具備平行邊井壁結(jié)構(gòu)，底面為平面形狀
2、圍堰拼裝、下河處場地須緊鄰水邊，并且有 3%~6%的自然坡度，
氣囊法
入水口水深滿足圍堰下河后吃水深度要求
3、河岸地面條件較好，能滿足氣囊支承承載力需要
4、所選場地有施工用吊機(jī)、汽車等設(shè)備進(jìn)出的道路，電力供應(yīng)充足

這種方法的優(yōu)點是:適應(yīng)大尺寸、大噸位圍堰下河，下河快速安全;投入機(jī)械設(shè)備少且能重復(fù)使用:所需施工配合費用少，節(jié)省成本，效益明顯。缺點是:對下水口的水深要求高，須事先予以清理;增設(shè)的滑道設(shè)施，入水后較難打撈。


1.2.3國內(nèi)外圍堰下河發(fā)展現(xiàn)狀
1
國外深水橋梁基礎(chǔ)(主要是歐美尤其是日本)多以沉井、沉箱基礎(chǔ)、管柱基礎(chǔ)、地下連續(xù)墻基礎(chǔ)為主。沒有類似工程雙壁鋼吊(套)箱施工實例。
2
國內(nèi)大型鋼圍堰通常采用底節(jié)鋼圍堰軌道滑行下水、整體起吊下水或現(xiàn)場分
塊拼裝的方法施工，其余節(jié)段采用現(xiàn)場分塊拼裝、分節(jié)接高下放:整體吊裝:分塊制造、墩位組拼成整體后下放的方法施工

1)蕪湖長江大橋的 10#、11#主塔墩，采用大直徑雙壁鋼圍堰兼作鉆孔平臺法施工，圍堰直徑為 30.5。10#墩圍堰第一、二節(jié)總重量 189.84t，采用滑道法下河:11#墩圍堰第一、二節(jié)總重量 167.18t，采用前端牽引后端地龍控制速度的氣囊滾動法下河和圍堰分片下水、水中對拼等方法，鋼圍堰采用導(dǎo)向船進(jìn)行定位。2)南京長江二橋的南、北兩主塔為 21 根3m，長度分別為 102，87m的鉆孔澆筑樁。承臺基礎(chǔ)采用了圓形雙壁鋼圍堰導(dǎo)向船定位施工法，圓形雙壁鋼圍堰外徑 36m，內(nèi)徑33m，圍最大高度為65.5。鋼圍采用塊件拼接的方式拼裝和下沉，即鋼圍堰在岸上制作底節(jié)，底節(jié)沿滑道下水，浮運至墩位，然后在底節(jié)上逐步拼接塊件接高圍堰，壁倉灌水，通過壁倉水位調(diào)整圍堰與重力平衡，使圍堰下沉至河床。
3)潤揚長江大橋索塔基礎(chǔ)由上游承臺和下游承臺通過系梁連成整體，整個結(jié)構(gòu)平面呈啞鈴型。單個承臺平面尺寸為 21.6x21.6，系梁平面尺寸為19.837mx12m，承臺、系梁厚度均為 6.0m。承臺及系梁采用雙壁鋼吊箱作為臨時擋水結(jié)構(gòu)。鋼吊箱采用整體拼裝、整體吊裝的施工方法。
4)南京長江三橋北主塔承臺采用啞鈴形雙壁鋼圍堰施工，雙壁鋼圍堰高19.1mm，總重1709.0t。首節(jié)鋼圍堰重 446.355t，整體吊裝入水，鋼圍堰水上接高、吸泥輔助下沉。
5)蘇通長江公路大橋的主塔墩為群樁基礎(chǔ),高承臺，平面尺寸113.75mx48.1。采用先搭設(shè)鉆孔樁施工平臺，鉆孔樁完成后在鉆孔平臺上現(xiàn)場拼裝鋼吊堰，圍堰總重量近 5000t，采用了鋼吊箱，通過千斤頂控制同步吊放下沉。
6)天興洲長江大橋的主塔墩位于長江主河槽，2#主墩 32 根3.4 鉆孔樁，采用雙壁吊箱圍堰(57.6x31.20mx14.5m定位施工技術(shù)，3#主墩 40根03.4m 鉆孔樁，采用雙壁吊箱圍堰(69.5mx44.x15.0m)底節(jié)下河采用氣囊法7)南京大勝關(guān)長江大橋的主墩采用鋼吊(套)箱施工，鋼吊(套)箱平面尺寸為 80mX38m(長X寬)，高度 26.，總重量6200t(5000t)，分為底節(jié)、中節(jié)和頂節(jié)三個分段，底節(jié)圍堰高為 14.5m，重量 3100t(2900t)，采用氣囊法下河。
8)安慶長江鐵路大橋 3#墩基礎(chǔ)施工采用雙壁鋼圍堰方案，圍堰直徑達(dá)56m3號墩底節(jié)圍堰高 20.08，采用底節(jié)氣囊法下河。在堰內(nèi)設(shè)置 2道鋼承重梁結(jié)構(gòu)和底托架結(jié)構(gòu)，作為氣囊法整體下河上滑道，滑道下方采用 36 只 1.8X8.0m 規(guī)格的承托氣囊。圍堰下河后臨時錯泊，以便完成落放托架和浮運編隊工作。
9)蒙西華中鐵路洞庭湖大橋 4#墩圍堰為雙壁圓鋼結(jié)構(gòu)，外徑 50.5m，內(nèi)徑46.5m，底節(jié)高 10，圍堰底端設(shè)置兩條底托架作為滑道，共重 852，采用氣囊法下河。下河后浮運墩位接高下沉。
由于氣囊下河法具備適應(yīng)大尺寸、大噸位圍堰下河，下河快速安全，投入少等諸多優(yōu)勢，在橋梁基礎(chǔ)施工中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

1.3論文研究的目的與內(nèi)容
1.3.1 論文研究的內(nèi)容
由上一節(jié)的比較分析可以看出，圍堰氣囊下河法是今后水下基礎(chǔ)施工方法的大方向，非常值得研究與發(fā)展。實際應(yīng)用中，氣囊法下水是圍堰斷纜后依靠自身的重力的分力加速下滑，這個過程是非控制下放的，不可控因素很多。而且，由于這種方法還未建立完善的理論，下河的布置主要依靠下河公司的經(jīng)驗進(jìn)行。目前已經(jīng)施工的圍堰中，有部分圍堰下河失敗，失敗的原因主要是理論研究不夠，單純依靠經(jīng)驗很難把握下河過程的重要影響因素。
圍堰氣囊法下水主要關(guān)注兩個問題:第一，圍堰下河過程中前端最大吃水深度，這直接說明圍堰是否能夠下水成功，以及能夠下水成功時水下開挖的深度:第二，圍堰后端會不會擱淺在岸邊和水下邊坡上，這主要表現(xiàn)在氣囊的受力應(yīng)當(dāng)小于其承載力，以及圍堰后端脫離岸邊時的速度不能太小。本文主要從以下 4 個方面對圍堰下河過程進(jìn)行理論研究，討論上述兩個問題:
1、建立氣囊受壓模型，研究受壓前后的高度變化與內(nèi)壓、承載力的關(guān)系，并結(jié)合實際情況簡化模型，得出氣囊承載力與受壓后高度的簡化曲線，為后續(xù)圍堰下水計算提供依據(jù)。
2、對圍堰下水過程中的入水角度與前端入水深度進(jìn)行研究，并計算圍堰下水過程中的運動狀態(tài)。并通過參數(shù)分析，得出坡道參數(shù)對圍堰下水的影響。
3、通過圓形圍堰的實例計算，驗證計算方法的準(zhǔn)確性與可行性。
4、通過前述的計算與研究分析，得出圍堰下河的布置要求
1.3.2論文研究的目的
本文的主要研究目的有以下方面:
1、通過下水過程的分析計算，幫助理解氣囊法下水的過程，為實際工程提供可視化的下水角度與前端入水深度曲線，并得到重要的參數(shù)值。
2、通過計算與分析，研究下水布置要求，在現(xiàn)有下水經(jīng)驗的基礎(chǔ)上為工程提供參考，推動圍堰下水理論模型的建立與完善。


第2章氣囊的受力性能分析
由于圍堰氣囊下水法是引自船舶氣囊下水的方法，因此氣囊的標(biāo)準(zhǔn)也是參考船舶下水用的氣囊標(biāo)準(zhǔn)《CBT 3837-2011 船用氣囊上排、下水工藝要求》。本章主要包括了氣囊的參數(shù)與規(guī)格定義、氣囊受壓模型的建立、以及氣囊的選用原則。
2.1圍堰下水所用氣囊簡介
2.1.1下水所用氣囊定義
圍堰下水所用氣囊是船舶氣囊下水專用的下水設(shè)備，其在陸地上移動大型構(gòu)件和在水中打撈沉船等也有廣泛應(yīng)用。氣囊有起重氣囊與滾動氣囊兩種:起重氣囊主要用于垂直起升或下降船舶、圍堰等大型產(chǎn)品，滾動氣囊則主要用于配合并保證船舶、圍堰等大型產(chǎn)品順利實現(xiàn)縱向滑移。
氣囊所用的材料主要有橡膠和簾線。橡膠是基礎(chǔ)材料，采用品質(zhì)較好的橡膠可以提高與簾線的粘接強度，提高氣囊耐磨性和抗老化能力，提高氣囊使用壽命等，而簾線的布線方向決定了下水氣囊的結(jié)構(gòu)，對于多層結(jié)構(gòu)來說，其囊壁的強度在各個方向均的衡性非常重要，下水氣囊在不同的工作高度下，其主應(yīng)力方向也不相同，當(dāng)主應(yīng)力的方向與簾線的布線方向不一致時，布線薄弱的方向就決定了氣囊的承載強度[12]因此，多層簾線的分布要盡量保證氣囊各向強度的均衡性以適用于保證不同的主應(yīng)力方向。
2.1.2氣囊的規(guī)格尺寸
下水氣囊的尺寸定義如圖 2.1.2-1 所示。其中，D 為氣囊的公稱直徑，L 為氣囊總長度:ab 段為囊頭，cd 段為囊尾， bc 段為囊體。


圍堰下水所用氣囊，其規(guī)格主要由公稱直徑 D 與囊體長度 Le 決定?，F(xiàn)今使用的氣囊，公稱直徑 D 一般有 0.8m，1.0，1.2，1.5，1.8 與 2.0 六種尺寸，囊體長度主要有 8m，12，14m，1m等規(guī)格。
2.1.3氣的技術(shù)參數(shù)
氣囊在正常工作時由于其內(nèi)壓的改變，其高度也會發(fā)生改變，氣囊被壓縮后的實際高度，稱為氣囊的工作高度，記為 H[2。氣囊通過自身壓縮而使船舶、圍堰等升墩，達(dá)到該大型產(chǎn)品下水時所需工作高度時的內(nèi)部壓力，稱為氣囊的工作壓力[12]，記為P;。
圍堰下水所用的氣囊，有以下種類:
表2.1-1氣囊的種類
種類                工作壓力
低壓氣囊    0.03/D~0.069/D MPa
中壓氣囊   0.07/D~0.099/D MPa
高壓氣囊   0.10/D~0.14/D MPa



2.2氣囊受壓模型
2.2.1基本假定
氣囊是非平衡態(tài)高彈體，其受壓的過程是非常復(fù)雜的。為了便于對其承載性能進(jìn)行研究、分析與簡化，本文作了以下幾個基本假定:
2.2氣囊受壓模型
2.2.1基本假定
氣囊是非平衡態(tài)高彈體，其受壓的過程是非常復(fù)雜的。為了便于對其承載性能進(jìn)行研究、分析與簡化，本文作了以下幾個基本假定:


基本假定
1.氣囊為圓柱形平衡彈性體。由于圍堰尺寸較大，氣囊長度一般在 8m左右，而氣囊兩端錐體部分占的比例較小，故可以不考慮錐體的影響而將圍堰視為圓柱體
2.氣囊材料均勻，各向受力平衡，徑向周長在受壓時不發(fā)生改變3.氣囊是一個封閉的系統(tǒng)，內(nèi)部空氣是理想氣體，受壓時質(zhì)量不變4.受壓時，氣囊的橫截面與圍堰接觸的部分水平，承擔(dān)圍堰施加的全部四荷載:沒有與圍堰接觸的部分仍然保持圓柱體的形狀，具體如圖 2.2.1-1所示