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。為實現底節(jié)圍堰下河，經方案比選，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。根據圍堰結構并經計算，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，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。

根據工期安排及3號墩施工環(huán)境，經技術可行 性、施工難度、風險大小、工期和經濟投人等方面比 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條駁船 組拼成的浮式水上拼裝平臺；②吊船各種參數(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。根據調查，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 自身生產時間與圍堰施工時間往往發(fā)生沖突，需事 前詳細調查清楚。

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；

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，將井壁內部結構相同的劃  分在同一節(jié)內。根據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、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 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，如圍堰長度范圍內  地面有多個坡度時，則需根據不同坡度段的氣囊高  度計算所需氣囊總數(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  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。滑  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的圍 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、數量經計算而  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驗。