圍堰氣囊法下河的工藝計(jì)算及實(shí)際應(yīng)用

jimosea

圍堰氣囊下河法因?yàn)檫m應(yīng)性強(qiáng)，投入少等優(yōu)點(diǎn)，在橋梁基礎(chǔ)施工中得到越來(lái)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(duì)氣囊的特性進(jìn)行研究，得到簡(jiǎn)化模型。在此基礎(chǔ)上，對(duì)圍堰下河過(guò)程進(jìn)行靜力與動(dòng)力的理論推導(dǎo)與計(jì)算，從而得到圍堰下河過(guò)程中的入水角度、前端入水深度以及運(yùn)動(dòng)速度等信息。并通過(guò)實(shí)例計(jì)算，驗(yàn)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(kāi)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(jiǎn)介
現(xiàn)代橋梁一般采用樁承臺(tái)基礎(chǔ)，其由樁和連接樁頂?shù)某信_(tái)所組成，依靠樁將作用在承臺(tái)上的荷載傳至地基。在橋梁的修建過(guò)程中，經(jīng)常要在水中進(jìn)行基礎(chǔ)的施工。而承臺(tái)通常采用大體積現(xiàn)澆混凝土，其施工需要在無(wú)水條件下進(jìn)行。圍堰就是橋梁墩臺(tái)基礎(chǔ)施工中用于防水、擋土的臨時(shí)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(tái)成為永久性結(jié)構(gòu)的。在橋梁深水基礎(chǔ)的承臺(tái)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(duì)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(shí)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(jì)與驗(yàn)算，合理布置現(xiàn)場(chǎng)條件(如坡度、坡道長(zhǎng)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(shí)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(yùn)用此方法，先建立鉆孔平臺(tái)，進(jìn)行鉆孔施工;鉆孔完成后，在平臺(tái)上拼裝圍堰，并接高護(hù)筒;再拆除部分平臺(tái)，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(tái)基礎(chǔ)工程采用的是“先平臺(tái)后圍堰”的施工方法。即先搭設(shè)鋼棧橋、鉆孔平臺(tái)，進(jìn)行樁基施工，隨后利用鉆孔平臺(tái)焊接牛腿支承作業(yè)平臺(tái)，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(tái)的
施工。施工流程圖如 1.2.1-2 所示。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是:無(wú)需投入浮運(yùn)圍堰的大型機(jī)械設(shè)備，相對(duì)而言比較經(jīng)濟(jì):缺點(diǎn)是拼裝時(shí)間較占用工期，對(duì)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(yùn)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(diǎn)事先組拼好，
整體起吊法
2、吊船各項(xiàng)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(tái)進(jìn)行樁基礎(chǔ)施工、后下放圍堰從而施工承臺(tái)和墩(塔)身的場(chǎng)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(zhǎng)江中、下游的大型浮吊最大起重能力約 1200 噸，但是由于長(zhǎng)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(diǎn)是:大型浮吊使用需要提前預(yù)約:受沿途所通過(guò)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(shí)間短，其進(jìn)出場(chǎng)費(fèi)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(shí)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(shí)提前對(duì)沉船處海灘河床面不平問(wèn)題加以處理。

沉船法優(yōu)點(diǎn)是投入機(jī)械設(shè)備少，經(jīng)濟(jì)實(shí)用;缺點(diǎn)是對(duì)船體質(zhì)量要求高且船主同意沉船，此外對(duì)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(guó)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(shí)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(zhǎng)邊井壁下方，布設(shè)能夠滾動(dòng)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(dòng)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(chǎng)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(chǎng)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(diǎn)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(fèi)用少，節(jié)省成本，效益明顯。缺點(diǎn)是:對(duì)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(guó)內(nèi)外圍堰下河發(fā)展現(xiàn)狀
1
國(guó)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(méi)有類似工程雙壁鋼吊(套)箱施工實(shí)例。
2
國(guó)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(chǎng)分
塊拼裝的方法施工，其余節(jié)段采用現(xiàn)場(chǎng)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(zhǎng)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(tái)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(dòng)法下河和圍堰分片下水、水中對(duì)拼等方法，鋼圍堰采用導(dǎo)向船進(jìn)行定位。2)南京長(zhǎng)江二橋的南、北兩主塔為 21 根3m，長(zhǎng)度分別為 102，87m的鉆孔澆筑樁。承臺(tái)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(yùn)至墩位，然后在底節(jié)上逐步拼接塊件接高圍堰，壁倉(cāng)灌水，通過(guò)壁倉(cāng)水位調(diào)整圍堰與重力平衡，使圍堰下沉至河床。
3)潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江大橋索塔基礎(chǔ)由上游承臺(tái)和下游承臺(tái)通過(guò)系梁連成整體，整個(gè)結(jié)構(gòu)平面呈啞鈴型。單個(gè)承臺(tái)平面尺寸為 21.6x21.6，系梁平面尺寸為19.837mx12m，承臺(tái)、系梁厚度均為 6.0m。承臺(tái)及系梁采用雙壁鋼吊箱作為臨時(shí)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(zhǎng)江三橋北主塔承臺(tái)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(zhǎng)江公路大橋的主塔墩為群樁基礎(chǔ),高承臺(tái)，平面尺寸113.75mx48.1。采用先搭設(shè)鉆孔樁施工平臺(tái)，鉆孔樁完成后在鉆孔平臺(tái)上現(xiàn)場(chǎng)拼裝鋼吊堰，圍堰總重量近 5000t，采用了鋼吊箱，通過(guò)千斤頂控制同步吊放下沉。
6)天興洲長(zhǎng)江大橋的主塔墩位于長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)X寬)，高度 26.，總重量6200t(5000t)，分為底節(jié)、中節(jié)和頂節(jié)三個(gè)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(zhǎng)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(hào)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(shí)錯(cuò)泊，以便完成落放托架和浮運(yùn)編隊(duì)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(yùn)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(shì)，在橋梁基礎(chǔ)施工中得到越來(lái)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(shí)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(gè)過(guò)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(yàn)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(yàn)很難把握下河過(guò)程的重要影響因素。
圍堰氣囊法下水主要關(guān)注兩個(gè)問(wèn)題:第一，圍堰下河過(guò)程中前端最大吃水深度，這直接說(shuō)明圍堰是否能夠下水成功，以及能夠下水成功時(shí)水下開(kāi)挖的深度:第二，圍堰后端會(huì)不會(huì)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(shí)的速度不能太小。本文主要從以下 4 個(gè)方面對(duì)圍堰下河過(guò)程進(jìn)行理論研究，討論上述兩個(gè)問(wèn)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(shí)際情況簡(jiǎn)化模型，得出氣囊承載力與受壓后高度的簡(jiǎn)化曲線，為后續(xù)圍堰下水計(jì)算提供依據(jù)。
2、對(duì)圍堰下水過(guò)程中的入水角度與前端入水深度進(jìn)行研究，并計(jì)算圍堰下水過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。并通過(guò)參數(shù)分析，得出坡道參數(shù)對(duì)圍堰下水的影響。
3、通過(guò)圓形圍堰的實(shí)例計(jì)算，驗(yàn)證計(jì)算方法的準(zhǔn)確性與可行性。
4、通過(guò)前述的計(jì)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(guò)下水過(guò)程的分析計(jì)算，幫助理解氣囊法下水的過(guò)程，為實(shí)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(guò)計(jì)算與分析，研究下水布置要求，在現(xiàn)有下水經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上為工程提供參考，推動(dòng)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(jiǎn)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)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(qiáng)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(duì)于多層結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，其囊壁的強(qiáng)度在各個(gè)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(shí)，布線薄弱的方向就決定了氣囊的承載強(qiáng)度[12]因此，多層簾線的分布要盡量保證氣囊各向強(qiáng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)由于其內(nèi)壓的改變，其高度也會(huì)發(fā)生改變，氣囊被壓縮后的實(shí)際高度，稱為氣囊的工作高度，記為 H[2。氣囊通過(guò)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(shí)所需工作高度時(shí)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(guò)程是非常復(fù)雜的。為了便于對(duì)其承載性能進(jìn)行研究、分析與簡(jiǎn)化，本文作了以下幾個(gè)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(guò)程是非常復(fù)雜的。為了便于對(duì)其承載性能進(jìn)行研究、分析與簡(jiǎn)化，本文作了以下幾個(gè)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(zhǎng)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(zhǎng)在受壓時(shí)不發(fā)生改變3.氣囊是一個(gè)封閉的系統(tǒng)，內(nèi)部空氣是理想氣體，受壓時(shí)質(zhì)量不變4.受壓時(shí)，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(méi)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