安慶長江鐵路大橋3號墩巨型圓圍堰氣囊下河技術

jimosea

1、工程概況：安慶長江鐵路大橋3號墩基礎施工采用雙壁鋼圍堰方案，圍堰直徑達56m。為實現(xiàn)底節(jié)圍堰下河，經(jīng)方案比選，3號墩底節(jié)圍堰高20.08m，采用氣囊法整體下河。通過在圍堰內(nèi)設置2道相互平行且與圍堰井壁連接成整體的鋼承重梁結構和底托架結構，作為氣囊法整體下河上滑道。根據(jù)圍堰結構并經(jīng)計算，圍堰滑道下方采用36只φ1.8m×8.0m規(guī)格的承托氣囊。圍堰下河場地選在下游一修船廠內(nèi)，緊鄰水邊，尺寸約120m×150m，入水口地面坡度為6.25％。入水口采取挖掘清淤方式形成水深3m以上的陡坎，避免圍堰入水擱淺。圍堰下河后臨時錨泊，以便完成落放托架和浮運編隊工作。

寧安鐵路安慶長江大橋是南京至安慶城際鐵路 和單陽至景德鎮(zhèn)鐵路跨越長江的一座4線高速鐵路 橋。大橋全長2996.8m, 其中主橋長1363m, 采 用1.5+188.5+580+217.5+159.5+116 m

兩塔六跨連續(xù)鋼桁梁斜拉橋布置形式。3號、4號 墩為主橋的2個主塔墩，均采用鉆孔樁承臺基礎，每 墩各設37根直徑48.4(3.0)m 變直徑鉆孔樁，樁中心距 7.6m, 按梅花形布置；承臺直徑51 m, 厚 8m,  承臺 頂標高一6.0m、底標高一14.0m 。3 號墩近池州 側，距他州岸邊約120 m, 墩位處河床平均標高 -26.5m,   覆蓋層淺，局部無覆蓋層，枯水期3號墩 水深約30m, 汛期水深達40m2。

根據(jù)工期安排及3號墩施工環(huán)境，經(jīng)技術可行 性、施工難度、風險大小、工期和經(jīng)濟投人等方面比 較，3號嫩基礎施工最終采用雙壁鋼圍堰方案，先圍 堰后平臺施工。圖堰外徑56 m, 壁 厚 2m, 總高 42.88m, 為目前國內(nèi)最大直徑深水圍堰-3。圖堰 分為3節(jié)制造拼裝，除底節(jié)外，中節(jié)和頂節(jié)在墩位處 接高，采用散拼法吊裝施工。

2 、底節(jié)圍堰下河方案及其高度確定

2.1 底節(jié)圍堰下河方案研究

圍堰下河方法與圍堰尺寸大小、重量，施工環(huán) 境、當時所具備的起吊裝備能力有關，歸納起來有以下方法

(1)先平臺后圍堰方案的吊船起吊圍堰下河方 法或利用已成樁鋼護筒接高后自設液壓頂起吊下放設施實現(xiàn)圍堰起吊入水。

(2)先圍堰后平臺方案的圍堰沉船法下河方 法或吊船(自設起吊設備)整體起吊下河再浮運至 墩位就位，

(3)氣囊承托的斷纜氣囊法門整體下河方法。

(4)船廠專用軌道臺車或斜船架承托的控制 溜放法整體下河。

后3種方法理論上可用于3號嫩圍堰下河。

2.1.1  整體起吊法或沉船法下河方法

整體起吊下河方法有以下適用條件：①圍堰須 在便于浮吊站位起吊的地點事先組拼好，如深水碼 頭、先平臺后圍堰的墩位鈷孔施工平臺或數(shù)條駁船 組拼成的浮式水上拼裝平臺；②吊船各種參數(shù)(起 吊重量、吊高、吊距)滿足要求；③符合要求的浮吊 能夠順利行進至作業(yè)水域；④圍堰結構滿足起吊受 力和變形要求，通常需要加設內(nèi)支撐，因此，整體起 吊下河方法多用在先搭建鉆孔平臺施工樁基，后下 放圍堰施工承臺和墩(塔)身的場合。根據(jù)調(diào)查，日 前能夠進入長江中、下游的大型浮吊最大起重能力 約1200 t, 受起昂物高度及寬度限制，可用浮吊完 成下河的施工用大中型圍堰重量只能在1000t 左 右。其缺點是大型浮吊使用需要提前預約，受沿途 所通過橋梁凈空的限制，事前要充分調(diào)查清楚，蟲于 使用時間短，其進出場費用高，成本較大。沉船法對水域水深、流速有特殊要求， 一般只能 在平靜水城環(huán)境使用，且水深不能太大，否則給打撈 沉船帶來難度；其次需對船體進行檢查，作加固和密 封處理，并加設排水浮起裝置。

2.1.2 斷纜氣囊法整體下河方法

2006 年以來，特大型、超大重量圍堰下河方法 取得突破：非控制下放的圍堰斷纜氣囊法整體下  河技術解決了特大型圍堰快速下河難題，實現(xiàn)了  快速施工。斷纜氣囊法整體下河技術原理：在具有  平行邊圍堰壁的長邊井壁下方布設能夠滾動前行的  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。

其適用條件是：

①圍堰本身  具備平行邊井壁結構，圍堰底而為平面形狀；

②圍堰組拼、下河處場地緊鄰水邊，且有3%～6%的自 然坡度”,水邊人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，汽車等設備  進出的道路，電力供應充足。

目前長江中、下游用斷纜氣囊法將用堰從岸上

轉移至水上的重量達到了近3000t 。

斷纜氣囊  法整體下河方法具有以下優(yōu)點：

①適應大尺寸、大  噸位圍堰下河，下河快速安全，整個過程僅幾十秒時間  ；

②僅需氣囊、相應的充氣設備及2臺卷揚機、 鋼絲繩等控制設備，所用設備少、簡單，且可重復使  用；

③對采用高承臺基礎設計的先圍堰后平臺方案  來講，大量樁孔定位設施在岸上完成，和圍堰一起下 河，既確保了樁孔施工精度，又減少了大最的水上作  業(yè)量，縮短了施工時間；

④所需施工配合費用少，節(jié)省成本，效益明顯。

2.1.3  船廠專用滑道控制溜放法整體下河方法

船廠場地大小通常都能滿足圍堰加工制造要 求，但專用滑道地形的坡度通常較陡，圍堰下河時需 多次轉換和支墊斜船架以使圍堰順利從平地轉移 至岸邊滑道，耗時較長；另外，受施工時間限制，船廠 自身生產(chǎn)時間與圍堰施工時間往往發(fā)生沖突，需事 前詳細調(diào)查清楚。

2.1.4  圍堰下河方法確定

由于3號墩地處光板巖，基礎規(guī)?；⒋螅瑯段蛔o 筒整體一次吊裝下放時重量、吊距和吊高均超出浮 吊作業(yè)參數(shù)要求，只能分組吊裝，在圍堰下沉就位后 進行。因此圍堰封底用隔艙須在圍堰下河時安裝完 成，以便用其作為護筒分組吊裝下放時的導向定位 結構，確保護簡下放時位置準確，并在澆注封底混凝 土時不會發(fā)生偏移。根據(jù)計算，整體起吊時因剛度 需要，圍堰高度需達10 m 以上，重量約1000 t,如 果再加上定位護簡群需隨圍堰同時下河的隔艙結構 重量，總下河重量超過1200t 。經(jīng)多方比較，最后決定底節(jié)圍堰采用氣囊法下河方案，在船廠以外的 合適地點進行。

2.2 底節(jié)圍堰高度確定

底節(jié)圍堰高度的確定原則；

①剛度要求，其高度應滿足計算受力需要，在最不利支承條件下結構  變形在材料彈性允許范圍內(nèi)；

②水上作業(yè)環(huán)境差， 應設法減少水上對位焊接工作量，降低施工難度，盡量使水上的工作事先在岸上完成，因此在滿足受力  要求的前提下將底節(jié)圍堰高度做大；

③圍堰高度還  應便于現(xiàn)場施工，底節(jié)人水后出水高度不能超過灌  水壓倉用水泵的揚程，否則施工困難；

④圍堰分節(jié)  遵循結構形式進行劃分，將井壁內(nèi)部結構相同的劃  分在同一節(jié)內(nèi)。根據(jù)圍堰總高度和上述原則，最后  確定圍堰底節(jié)高為20.08 m, 中節(jié)和頂節(jié)高度分別

3  無平行邊的圓形圍堰氣囊法下河施工要點

3.1  設置圓形圍堰氣囊法下河的支承滑道結構

氣囊滾動體只能沿直線滾動，所以斷纜氣囊法 整體下河技術的必備條件是：圍堰自身必須具有2 條相互平行、長度足夠且能支承自身重量、可沿直線 運動的上滑道結構，以滿足圍堰解除控制力后，圍堰 沿直線白由向前滾動時始終支承在滑道氣囊上。對 平行四邊形(含矩形)、圓端形狀的圍堰，總能找到相 對較長且相互平行的2條圍堰壁平行邊，上滑道結 構問題很容易解決：旅工時將氣囊支放在2條相對 較長的平行邊圍堰壁底部的托板下方就可實現(xiàn)圍圾 滾動下河，但圓形圍堰井壁為環(huán)形封閉結構，井壁 本身不能作為直線移動的承重滑道結構，因此，圓形 圍堰氣囊法整體下河的關鍵是解決上滑道結構。

3.1.1  上滑道承重梁結構

上滑道由設在圍堰內(nèi)相互平行的與圍堰井壁連 成整體的2道鋼承重梁結構及支墊在其下方的底托 架結構組成，沿順橋向分別布置在第2～第3排樁 (自小里程起算，下同)和第5～第6排樁之間的空 擋處，中心間距19.746m。 鋼承重梁為雙壁鋼箱結 構，尖底，由壁板和端部加強板、豎肋、連接壁板的水 平桁架及尖底等部分組成。承重梁巧妙地結合圍堰 封底用隔艙結構·并進行設計，兩端與圍堰內(nèi)、外井 壁焊接連接成整體，下河時作為上滑道起支承整個 圍堰重量的承重梁結構作用，下河就位后則作為圍 堰封底分隔艙作用，承重梁雙壁寬2.4 m, 總高

8.438 m(含尖底部高),兩承重梁之間設有高4.4 m 的聯(lián)結系桁架支撐(防止其側向失穩(wěn))[11]。承重梁 做成尖底結構，且其底面比圍堰井壁刃腳底高300 mm,目的是確保圍堰在高低不平河床而上能夠項 利著床，也便于圍堰封底前各相鄰隔艙之間如存在 互相連通情況時能封堵嚴密。圍堰承重梁布置示意 見圖2。為8.6m和14.2m。

3.1.2 底托架結構

底托架[10是設在承重梁(或方形、圓端形圍堰  井壁)和氣囊之間的荷載分配擴散結構，與承重梁共  同組成上滑道。通過底托架，將作用于承重梁上的  圍堰重量均勻分配到整個氣囊上，確保滿足氣囊受  力需要，尤其是井壁底做成刃腳或尖底的圍堰。底  托架結構由數(shù)組桁片式托架架體和底托板組成，桁  片式托架由型鋼組焊而成，長8m, 中部呈 V 字狀， 以與承重梁尖底匹配；承重梁中間部分托架桁片間  距900 mm,  靠近圍堰壁范圍托架桁片間距450mm,5 片或6片桁片構成1組托架，桁片位置須與 承重梁壁板上的豎向肋位置對應，每組托架的桁片 縱向之間用型鋼連接支撐，防止失穩(wěn)。托板設在托 架底部，與托架桁片點焊固定。托板厚20 mm, 寬 8 m, 長度超過承重梁處圍堰尺寸。托板前、后端彎起 上翹，四周用鋼管包邊，以便圍堰下滑移動時前方氣 囊順利喂入，并防止托架或板邊毛刺扎破氣囊。數(shù) 組底托架及其下方托板構成承重梁支承體系，托架 與承重梁尖底不焊，保持貼緊接觸傳力。

托架及托板在組拼承重梁前事先擺放固定，再 進行承重梁和圍堰組拼。圍堰組拼后用鋼索將各組 托架分別栓掛在承重梁頂部固定，待圍堰下河后再 解除鋼索使其自動脫離承重梁，圍堰移開后打撈上 岸回收。圓形圍堰氣囊法下河支承體系見圖3,圍 堰承重梁托架布置示意見圖4。

3.2 承托氣囊設計計算及設置

圍堰下河使用的是一種圓柱狀、長形橡膠充氣 耐高壓氣囊滾動體，使用時均勻擺放在承重梁托架 (上滑道)和地面(下滑道)之間，當解除圍堰控制拉

圖4 圍堰承重梁托架布置示意

纜后在圍堰重力分力的作用下圓柱狀氣囊滾動體承  托圍堰向前快速移動沖入水中，從而實現(xiàn)圍堰自岸 上搬運至水上。氣囊直徑有1.2,1.5,1.8m 等 型 號，采用何種直徑大小氣囊應根據(jù)圍堰底部結構進  行確定，使圍堰被氣囊安全托起后離地有足夠高度， 3號墩圍堰下河氣囊選用*1.8 m×8m     型號(直徑 1.8m, 長 8m), 其單個氣囊受壓后高度與氣囊的承  載力關系(其中氣囊有效長度為7m) 見圖5。

氣囊受壓后高度/cn

圖5  氣囊受壓后高度與氣囊承載力關系

根據(jù)圖5可知，氣囊在不同工作高度時的承載 力。當已知圍堰重量且下河坡度一定時可計算出某  個工作高度下氣囊的使用個數(shù)，如圍堰長度范圍內(nèi)  地面有多個坡度時，則需根據(jù)不同坡度段的氣囊高  度計算所需氣囊總數(shù)(取最不利情況),并考慮適當  安全儲備(K≥1.2～1.4) 。

3號墩底節(jié)圍堰從組  拼場地移至下河場地需經(jīng)過2種坡度，因圍堰剛度  原因，不同坡度段或同一坡度的不同位置圍堰底和  地面之間的距離各不相同，考慮氣囊具有一定的調(diào)  節(jié)能力，圍堰整體下河支承氣囊按3種高度考慮。 各種高度氣囊使用數(shù)量和承載力見表1。

考慮所用氣囊較為陳舊，實取氣囊載荷安全系數(shù)為1 . 5,由表1可知，氣囊總承重40180 kN,  40180   kN/1.5>26000   kN(圍堰自重),說明滿足 受力要求。圍堰下河共布置36只*1.8m×8.0     m 的氣囊，每條滑道下放18只，氣囊間距3m。 托架 和承重氣囊布置見圖6。

圖6  托架和承重氣囊布置

圍堰組拼焊接完成并經(jīng)檢驗合格后，在承重梁  托板下方穿入氣囊準備起頂圍堰。起頂時分批、分  次逐步進行，先頂圍堰前端，后頂尾端，起頂過程中  保持氣囊受力均勻。待圍堰脫離圍堰臨時支墩時撤  離支墩，使圍堰全部改由氣囊支承，然后再放松圍堰  后方控制拉纜，將圍堰逐步滑移至下滑坡道上?；?nbsp; 移過程中需不斷在圍堰前方的托板下方喂入氣囊， 直至滑至距水邊規(guī)定位置。將所有承重梁下方氣囊  均勻充氣，在圍堰前端和入水口之間的地面上擺放  數(shù)個已完全充氣的氣囊，迅速打開控制拉纜保險，讓  圍堰快速滑入水中自浮。

3.3  圍堰下河場地選取

底節(jié)圍堰組拼和下河場地選擇在橋位下游的安 慶樅陽某修船廠，距橋位約21 km 。場地情況如下：

(1)圍堰下河場地緊靠江邊，長約150 m, 寬約 120m, 能滿足吊機組拼安裝時站位以及適當?shù)膰?堰塊件存放場地需要，場地后方布置有地錨、卷揚 機、滑車組等下河用控制系統(tǒng)設施。

(2)原場地100m 長范圍為平坡，下河方向靠 水邊50 m 范圍地面自然坡度10%。下河前將水邊 至岸上80m 長范圍地面坡度修整為6.25%,保證

勻順過渡。

(3)場地土質(zhì)良好，滿足圍堰組拼、下河時地基  承載力要求，近入水口處地段進行了人工換填處理。

(4)具備進場道路條件，滿足圍堰拼裝用吊機 以及圍堰下河所需的氣囊、卷揚機、場地平整用挖掘 機等設施進出場；電力供應設施齊全，滿足簡易構件 加工、圍堰拼裝焊接和下河、施工照明等電力供應 需要。

3.4 入水口處理

圍堰底部多為非流線狀的平底結構或帶刃腳的  尖底結構，僅井壁部分屬于浮體，排水量小，吃水深。 因此圍堰下河地點的水深應滿足圍堰入水后的吃水  深度要求，入水口處岸坡最好陡降，距水邊3～5 m   遠處，水深應達3 m 以上，更遠處水深大于圍堰吃  水深度。3號墩底節(jié)圍堰所選下河地點岸坡較平  緩，且江水上漲過快，造成入水口水深不足，所以圍  堰下水前對入水口處河岸進行了挖掘清淤，保證圍  堰沖滑距離最短時其吃水深度也能達到3m 以上， 避免擱淺。

3.5  臨時錨泊設施

由于圍堰下水后在水流作用下會向下游漂移， 同時還要在下河地點進行托架(板)分離、圍堰浮運  方向調(diào)整、浮運拖輪靠幫編隊等工作，耗時較長，因  此須在下河地點的上游近岸側先拋設好1艘臨時錨  泊圍堰用定位船(定位船錨錠噸位、數(shù)量經(jīng)計算而  定)。為防圍堰下河后漂移，同時也為使圍堰在斷纜  下河后圍堰尾部能快速脫離岸邊，圍堰斷纜前須將  拖拉牽引纜繩和圍堰、主拖輪連接好，圍堰入水后拖  輪開動向江中拖帶，使圍堰順利入水并調(diào)整方向穩(wěn)  定，將圍堰浮至臨時定位船過纜臨時錨錠，進行托架  分離和浮運編隊工作。

4  結  語

圓形圍堰斷纜氣囊法整體下河方法系在安慶長 江鐵路大橋3號墩首次采用 ，下河圍堰直徑達56 m, 高20.08 m, 重近3000 t, 圍堰自開始組拼至下 河完成用時約45 d, 符合快速施工理念。該方法所 用設施簡便，投入小，有效解決了超大超重圓形圍堰 快速下河難題，開創(chuàng)了無平行邊圍堰斷纜氣囊法整 體下河先例，豐富了圍堰氣囊法下河技術的適用范 圍和領域，為類似工程施工提供了可借鑒經(jīng)驗。