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双壁钢吊箱围堰加工拼装、气囊法下水、浮运、定位关键技术

发表时间：2020/6/19 来源：《基层建设》2020年第6期作者：晏威

[导读] 提要：明珠湾大桥主桥为三主桁中承式连续钢桁拱双层桥梁，主跨436米，位居同类型桥梁世界第一。

        中国铁建大桥工程局集团有限公司
        提要：明珠湾大桥主桥为三主桁中承式连续钢桁拱双层桥梁，主跨436米，位居同类型桥梁世界第一。明珠湾大桥桥址处受台风影响大，主桥基础及钢梁架设施工需经历多个台风期，工期紧，安全风险高，经过多方案比选，明珠湾大桥主墩基础采用双壁钢吊箱围堰兼做钻孔平台的快速施工方案。本文重点对围堰工厂化加工拼装、气囊法下水、浮运、精确定位等关键技术进行研究。
        关键词：三主桁，钢桁拱，双壁钢吊箱围堰,加工拼装，气囊法,浮运，精确定位
        1.工程概况
        1.1工程简介
        明珠湾大桥是广州市南沙区的重要交通通道，跨越宽度1300m的龙穴南水道，主桥为（96+164+436+164+96+60）三主桁中承式六跨连续钢桁拱双层桥梁，主跨436米为同类型桥梁世界第一。主墩27#、28#墩基础均采用25根直径2.5米的端承桩，承台为56.5×17.5×5.5m的圆端形高桩承台，采用双壁钢吊箱围堰兼做钻孔平台及后期承台施工的围护结构及模板。围堰采用在岸上工厂化加工制造、气囊法整体下水、拖轮浮运至墩位处、采用锚墩+重锚+定位船进行精确定位的施工方案。
        1.2地质水文气象条件
        1.2.1地质条件
        根据钻探资料，桥址覆盖层为第四系全新统海陆交互相沉积层、第四系上更新统河流相冲积层、第四系上更新统河流相冲积层、第四系上更新统积层及下古生界混合岩。明珠湾大桥桥址河床以淤泥、淤泥质砂为主，厚17～23m，底部有9～12m的中粗砂；主河槽以粉砂或粘性土为主，厚2～4m，其下有3～12m的中砂。
        1.2.2水文条件
        龙穴南水道宽约1300m，桥位西南岸有边滩，偏向西南岸处有挖沙形成的深槽。河道地形为主槽偏向东北岸的不对称地形，水深8～20米。桥位附近流线较顺直，流速纵向沿里程变化不大。洪水期主流表面最大流速为1.79m/s，水流与桥轴线法向夹角小于5°。龙穴南水道南沙站最大涨潮潮差为2.90m，最大落潮潮差为3.15m。明珠湾大桥27#、28#墩河床及水深对照表如下：
        表1-1 27#、28#墩河床及水深对照表

        1.2.3气象条件
        1）气温及湿度
        年平均气温22℃，历年最高气温38.7℃，最低气温0℃；年平均相对湿度在80%左右，春、夏最大相对湿度在95%以上。
        2）风况
        据广东省气象局提供的资料，本区为台风影响区（7～9月），桥位处设计基本风速为37.6m/s。
        2.双壁钢吊箱围堰加工拼装、气囊法下水、浮运、定位施工
        2.1总体施工方案
        27#主墩围堰在桥址上游约11公里的大岗镇洪奇沥水道岸边的临时码头加工制造、拼装；28#主墩双壁钢吊箱围堰在明珠湾大桥主桥南沙侧岸上空地加工制造、拼装。两个围堰拼装完成后均采用气囊法下水，然后用拖轮浮运至墩位处，27#墩围堰通过锚墩、重锚及定位船进行定位，28#墩围堰通过岸锚及锚墩进行定位。
        2.2钢吊箱围堰设计
        围堰外形尺寸确定为：59.3m×20.3m×14.596m，其中侧板高度14.24m，底板厚0.356m，围堰壁厚1.2m，内壁距承台边距离0.2m，兼做承台模板。为满足围堰下水、浮运要求，围堰内部设置4道隔舱，隔舱高度5.5m，壁厚3m。单个围堰重1900t，浮运时吃水深度3.73m。
        2.3围堰加工拼装
        围堰首先在制作区进行分块加工，主要为侧板单元块、底板单元块、底隔舱单元块、吊杆、内支架；单元块制作完成后再在拼装平台上先后组装龙骨、底板、侧板和隔舱、下导环、吊杆、内支架及上导环以形成围堰整体。
        2.3.1分块
        为方便作业人员进入壁舱进行焊接，提高围堰整体受力性能，围堰内外壁板水平方向相互错开进行分块，高度方向不进行分块，围堰侧壁在径向共分20块，其中直线段划分为12个单元块，圆弧段分为8个单元块。底板共分为96块。
        2.3.2单元块制作及组拼
        围堰制作前首先组织焊接施工人员进行焊接内部自评考核，确保焊接质量后方可正式进行围堰制造。现场根据设计图纸和分块进行下料，并按要求设置坡口，分别进行侧板单元块、底板、内支架、底隔舱、吊杆和上下导环的制作。
        单元件制作完成后，按照底龙骨→底板→底隔舱→侧板→下导环→内支架→吊杆→上导环→附属结构的顺序进行组拼。
        2.3.3整体验收
        下水前对围堰进行验收，主要对围堰的尺寸和焊缝质量进行检查验收，对上、下导环的位置进行复核。吊杆的立杆接长焊缝采用超声波探伤检验，其余的焊缝外观质量严格按《钢结构焊接规范》中的要求进行检查。
        焊缝外观质量检测合格后，侧板对接焊缝、侧板与底板的角焊缝、隔舱与龙骨及底板的角焊缝、隔舱的对接焊缝、底板与底板之间的龙骨上的钢板堵漏焊缝等都采用煤油渗透试验方式检查焊缝抗渗性。
        试验前检验部分不允许油漆，焊缝必须打磨干净，然后在检视面刷一层石灰浆（晾干）以便观察，在另外一面涂刷煤油。若是石灰浆变黑则需对该处的焊缝进行修补，修补后必须重新试验；若是灰浆未变色，则焊缝满足抗渗要求。
        2.3.4质量控制措施
        由于围堰兼作钢护筒插打导向结构和承台施工模板，围堰的加工精度必须满足规范对钢护筒、钻孔桩和承台的精度要求。因此，对围堰平面形状、内轮廓尺寸、侧板垂直度，特别是上、下导环的平面位置、同心度和椭圆度要在加工过程中严格控制。具体措施如下：
        1）建立独立的测量控制网，全程监控围堰的拼装，确保满足设计及规范要求。
        2）加强过程控制，按单元块进行逐个验收，确保每个单元块的加工精度符合设计要求。
        3）严格执行验收程序，围堰下水前，由局指牵头组织，四公司、南方公司及一二分部相关人员，对围堰进行验收，确保焊缝质量、轮廓尺寸、侧板垂直度、上、下导环的平面位置、同心度和椭圆度等满足设计及规范要求。
        2.3围堰下水
        围堰采用气囊法下水。下水前先将围堰浮运和定位时所需的水泵、发电机、卷扬机、临时拉缆等相关设备和材料提前放置在围堰平台上，固定牢固。在围堰底部设置的底托板作为围堰底龙骨与气囊间的衬垫，采用气囊顶起托板后，拆除钢凳，围堰依靠自重分力作为下滑动力使围堰下滑，采用地垄控制围堰匀速下滑，进入加速区时断缆，围堰快速冲入水中并自浮，待围堰自浮稳定后，用拖轮控制围堰位置准备进行浮运。
        2.3.1围堰下水计算分析
        采用直径1.2m、长8m气囊下水，气囊间距2.5m，共56个，具体技术参数如下：

        分别对下水过程中各工况进行计算、分析，结果如下：

        由计算结果可知，围堰在下水过程中，气囊处于安全状态。
        2.3.2围堰下水坡道布置
        围堰下滑区分别按1:25、1:15的坡度设置两级坡道，长度分别为60m、20m。采用片石和水稳层进行填筑，坡道前端与河道常水位齐平。现场根据实测水深进行河床清理，保证下滑坡道3米以外范围的河道水深不小于5.5m。具体设置见下图：

        图3-1 27#墩围堰下滑区坡道示意图
        2.3.3围堰下水气囊布置
        在组拼区的分配梁和钢凳间隙之间均匀布置34个长度8m，直径1.2m的气囊。为工作压力0.17MPa气囊，工作高度0.7m时，单位长度气囊的承载力为133.61KN/m，则气囊的承载力为：
        133.61*8.5*34KN=38613KN>19000KN，满足顶起围堰的要求。气囊布置如图3-2：

        图3-2 气囊布置图
        为控制围堰下滑速度和方向，在围堰上设置后拉缆。组拼区坡道的坡比为1:25，根据计算，围堰下滑分力760KN，地垄按提供90KN的拉力设置。围堰后端设置2个拉耳，采用钢丝绳与地垄连接，确保围堰下水安全。
        2.3.4围堰起滑下水
        为确保围堰下水时水位满足要求，安全下水。围堰制造过程中安排专人每天对下水位置处的水位观测并形成记录，同时考虑到潮位变化，围堰下水水位选择在涨潮至+4.5m，以确保围堰下水到自浮过程中始终处于高水位。
        采用空压机给气囊充气，当气囊气压达到一定压力时，围堰将被顶起离开钢凳，这时拆除钢凳，同时收紧卷扬机钢丝绳，钢丝绳设置为两段，中间采用脱钩器连接。
        钢凳撤除完成后逐渐释放卷扬机钢丝绳，使围堰沿着气囊摆放方向匀速向前滑行。当围堰进入加速下滑区时，立即断开脱钩器，使围堰快速冲入水中。
        围堰入水达到完全自浮状态并稳定后，立即查看围堰是否有破损及漏水现象，若发现破损和漏水，立即采用水泵抽水并及时焊接修补，直至不再漏水。
        3浮运、定位
        3.1浮运
        3.1.1浮运线路
        通过实地调查，27#墩围堰浮运路线为下横沥水道—广澳下横沥大桥—南沙港快速下横沥大桥—广东S111省道下横沥大桥—凤凰三桥—明珠湾桥27#墩。各桥梁通航情况如下表：
        表4-1 浮运路线中桥梁通航情况统计表

        28#墩围堰下水点距离墩位仅300m左右，此范围内水深均大于6m，考虑用2艘拖轮浮运就位。
        3.1.2浮运计算及拖轮选择
        考虑到围堰浮运受吃水深度、水流阻力、风阻力、波浪力等因素影响，对围堰浮运时所需的动力、围堰自身的稳定性进行了计算，围堰浮运拖轮马力满足计算要求，浮运过程中稳定性满足要求。
        27#墩围堰采用1艘1500马力的主拖轮进行拖拉，1艘500马力的拖轮进行顶推，1艘600马力和1艘3200马力的傍拖进行浮运。
        28#墩围堰下水后距离墩位处仅300m左右，属于水流较缓的非通航水域，采用2艘1000马力拖轮浮运就位。
        3.1.3浮运
        待围堰下水基本稳定后，拖轮编组靠近围堰，主拖轮系在围堰首部，顶推拖轮与围堰尾部固定，两侧傍拖拖轮分别与围堰左舷、右舷固定，按照既定的航线浮运至墩位处。浮运，速度控制在3节以下，并安排一名专业内河1类船长在船上负责引航指挥，配备足够的水手负责带缆。
        3.2定位
        3.2.1定位系统布置
        综合考虑施工条件、对航道的影响等因素，27#墩围堰采用锚墩+定位船+重锚联合定位的方式，28#墩围堰采用岸锚+锚墩的定位方式。
        3.2.2围堰定位
        3.2.2.1准备工作
        完成锚墩施工、锚碇抛设、定位船布置等准备工作。其中锚墩采用打桩船插打钢管桩，管桩上设置牛腿施工混凝土锚墩平台；利用浮吊将锚碇抛锚到设计位置。
        3.2.3定位
        3.2.3.1初定位
        围堰浮运至距前锚墩平台10m时减速，缓慢靠近前锚墩平台。立即将前后锚碇系统锚绳与围堰连接，收紧钢丝绳，对围堰施加预拉力进行初调，使围堰平面位置偏差在100cm范围内，达到初步定位要求，然后拖轮撤离。
        3.2.3.2精定位
        在拖轮撤离后，打开4个隔舱阀门，隔舱进水后，围堰吃水深度为7.8m，此时进一步通过卷扬机对围堰进行精确调整定位，使平面偏差在2cm以内。
        围堰精确定位包含标高、垂直度、扭转、纵向偏位、横向偏位。其调整顺序：垂直度→标高→扭转→纵向偏位→横向偏位。垂直度及标高均采用在双壁内加水进行调整；扭转主要通过锚墩上的拉缆调整；纵向偏位主要通过锚墩及定位船的拉缆共同调整；横向偏位主要通过锚墩中间的两根拉缆调整。
        3.2.3.3插打定位钢护筒
        在平潮时段插打定位钢护筒。连续观测围堰在不同水流及潮位变化下的状态，掌握围堰姿态与水流及潮位的变化规律，确定护筒插打时机，待达到精度要求的条件后迅速插打第一批四角处4根定位钢护筒，为进一步修正围堰位置，插打深度不宜过深，预留二次插打条件，如精度不满足要求可拔起重新插打。首批四根定位钢护筒插打完成且围堰定位精度满足要求的前提下，依次插打剩余4根定位钢护筒。
        3.2.3.4挂桩固定
        围堰注水下沉至设计标高以上50cm，在钢护筒上安装围堰挂桩设备。定位钢护筒相应位置开孔，安装伸缩吊挂梁，吊挂梁伸出并抄垫好，继续在侧板隔仓内注水下沉至设计位置，支承于8根定位钢护筒上。根据计算，为控制挂桩荷载，需要保持侧板内水头低于水位约5.0m左右。挂桩完成后，收紧活动上、下导环并抄紧，使围堰与定位钢护筒固结形成稳定平台。
        3.2.3.5定位成果
        围堰定位后，平面位置、扭转、垂直度设计要求如下：
        倾斜度小于1/100；
        顶、底中心位置允许误差为25cm；
        平面扭角允许偏差1度。
        最终定位结果平面轴线偏差为：偏大里程12mm，偏下游侧29mm，大小里程高差11mm，上下游高差30mm，达到了预期的精度要求。
        4.结束语
        本项目27#、28#主墩围堰已成功下水、浮运、精确定位，定位偏差不大于5厘米，目前主墩钻孔桩、承台、墩身已全部顺利施工完成。围堰施工过程中克服了加工拼装精度要求高、围堰防渗要求高、下水场地要求高、受潮汐及通航影响大、长距离浮运控制难度大、定位精度要求高、防台安全要求高、工期紧张等一系列难题，为今后同类型桥梁基础施工提供了宝贵的经验。
        参考文献：
        [1]公路桥涵施工技术规范（JTJ041-2000）.北京：人民交通出版社，2000
        [2]钢结构设计规范（GB50017-2003）.北京：中华人民共和国铁道部，2003
        [3]铁路桥梁钢结构设计规范（TB10002.2-2005）.北京：中国铁道出版社，2005
        [4]钢结构工程施工质量验收规范（GB50205-2001）.北京：中华人民共和国铁道部，2002
        [5]气焊、焊条电弧焊、气体保护焊和高能束焊的推荐坡口(GB/T985.1-2008).
        作者简介：
        晏威男，1987-，工程师。2009年毕业于湖南大学土木工程专业，工学学士。研究方向：桥梁施工。