李勇海，項(xiàng)遠(yuǎn)方

(中鐵四局集團(tuán)第二工程有限公司，江蘇 蘇州 215000)

1 工程概況

涪陵烏江右線大橋是渝懷鐵路涪陵—梅江段增建二線規(guī)模最大、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的橋梁工程，橋址地處三峽大壩上游，常年有千噸級貨輪通航，下游距既有渝懷鐵路烏江大橋約250m。橋梁采用2×32m簡支T梁+(98+192+94)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)形式跨越國道G319與烏江主航道，全長460.1m。橋梁布置如圖1所示。

圖1 烏江右線大橋總布置

3號主墩位于烏江深水航道區(qū)，設(shè)計施工水位為173.600m，水深37m，水速為3.92m/s，基礎(chǔ)位于烏江主河道邊坡內(nèi)，河床為裸巖，陡坡坡度達(dá)50°，巖層堅硬且裂隙較發(fā)育，圍堰所在范圍內(nèi)高差達(dá)7m以上，需水下爆破圍堰基槽，清渣后定位、下放鋼圍堰。如何在深水區(qū)內(nèi)有效精確定位雙壁鋼圍堰及糾偏垂直度是亟待解決的問題。

2 鋼圍堰優(yōu)化設(shè)計

3號墩位于烏江水位較深處，河床地質(zhì)為堅硬裸巖，且矩形承臺尺寸大(14.4m×19.6m)，基礎(chǔ)采用圓形雙壁鋼圍堰先堰后樁的施工工藝[1]。根據(jù)承臺高程和水文資料計算鋼圍堰高度取為38.4m，采用MIDAS/Civil 2016對鋼圍堰進(jìn)行建模分析，3號墩施工期間鋼圍堰受到自重、靜水壓力、流水壓力等荷載的共同作用，對圍堰最不利工況進(jìn)行計算，優(yōu)化鋼圍堰尺寸及材料型號。經(jīng)計算確定，鋼圍堰內(nèi)徑25m、外徑28m、倉壁1.5m、總重1 400t。結(jié)合結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場起重設(shè)備起重能力要求，鋼圍堰在豎向設(shè)置6節(jié)，從下至上分別為第1～6節(jié)，高度分別為6.0，6.4，6.4，6.4，6.0，7.2m。依據(jù)現(xiàn)場水上起重工具起重能力限制在2×10t以內(nèi)的技術(shù)資料，在雙壁鋼圍堰平面上分塊，將圍堰設(shè)為16塊，最大塊重16t。圍堰結(jié)構(gòu)驗(yàn)算受力簡圖及計算模型分別如圖2，3所示。

圖2 圍堰結(jié)構(gòu)驗(yàn)算受力簡圖

圖3 圍堰結(jié)構(gòu)計算模型

3 鋼圍堰平面定位

根據(jù)3號墩所處地形坡度達(dá)50°以上，鐵錨在陡坡裸巖河床上無法起到錨碇作用，然而，錨碇系統(tǒng)對鋼圍堰的定位至關(guān)重要，經(jīng)多次討論及研究，確定采用岸邊地錨、靠江側(cè)混凝土梳齒錨的錨碇方式錨固[2]，錨碇系統(tǒng)布置如圖4所示，采用卷揚(yáng)機(jī)、5t手拉葫蘆對鋼圍堰進(jìn)行調(diào)整，觀測控制網(wǎng)測點(diǎn)坐標(biāo)，精確定位雙壁鋼圍堰。

圖4 錨碇系統(tǒng)布置

4 鋼圍堰定位糾偏方案比選

根據(jù)高低水位2種因素，鋼圍堰定位糾偏有2種方案：①方案1 拼裝3節(jié)鋼圍堰，然后定位，采用向隔倉注水的方法調(diào)整鋼圍堰垂直度，再利用鼎形分布找平器連續(xù)不斷地糾偏鋼圍堰垂直度，當(dāng)垂直度滿足要求后，通過拋石及砂袋將鋼圍堰底部墊平，然后下放鋼護(hù)筒進(jìn)行封底，使鋼圍堰及封底混凝土構(gòu)成穩(wěn)固施工平臺，最后拼裝剩余3節(jié)鋼圍堰。②方案2 將6節(jié)鋼圍堰拼接完成后，定位鋼圍堰，采用向隔倉注水的方法調(diào)整鋼圍堰垂直度，通過潛水員下水作業(yè)，將鋼圍堰底部通過砂袋整平，然后注水下沉，下放鋼護(hù)筒對鋼圍堰進(jìn)行封底。

近6年烏江水位隨時間變化曲線如圖5所示。由圖5可知，水位高度月變化較大，每年5—9月為枯水期，其中6月水位高度達(dá)到最低，8月底水位約為147m，爆破河床找平區(qū)域水深約為12.3m，按拼裝速度6～7d/節(jié)，3節(jié)圍堰拼裝所需時間約為20d，9—10月水位漲幅較大約為1m/d。因此，方案1，2鋼圍堰定位、下放、糾偏涉及低水位和高水位施工，水深從12m變?yōu)?2m，施工環(huán)境發(fā)生巨大變化。下面對2種方案進(jìn)行對比。

圖5 2010—2015年烏江水文曲線

4.1 潛水員水下作業(yè)時間對比

潛水員在不同潛水深度下作業(yè)時間及減壓所需時間如表1所示[7]。由表1可知，12m水深時，潛水員水下作業(yè)105min,所需減壓時間2min;36m水深時潛水員水下作業(yè)45min，所需減壓時間66min。根據(jù)潛水員水下作業(yè)規(guī)程要求，在低水位時，潛水員每天下水次數(shù)不受限制，可全天作業(yè)，高水位時每次只能作業(yè)1次。由于后期鋼圍堰刃腳堵漏及鋼護(hù)筒垂直度控制需潛水員水下墊平，需長時間操作，在水深12m時，潛水員水下作業(yè)時間遠(yuǎn)大于水深36m時的作業(yè)時間，施工效率高，因此在低水位下放、定位鋼圍堰及鋼護(hù)筒，潛水員的水下作業(yè)時間長，作業(yè)難度低，可縮短工期，經(jīng)濟(jì)效益高。

表1 不同潛水深度下作業(yè)時間及減壓時間

4.2 鋼圍堰拼裝、下放風(fēng)險對比

鋼圍堰拼裝完成后處于懸浮狀態(tài)時，隔倉內(nèi)外水頭高差計算如式(1)所示：

Mg+ρgA(38.4-Δh-h1)=ρgA(38.4-h1)

(1)

式中：M為鋼圍堰自重；A為鋼圍堰隔倉面積；Δh為鋼圍堰懸浮時烏江水面與隔倉水面高差；h1為鋼圍堰頂部與烏江水面距離。

式(1)可簡化為：

M-AΔh=0

(2)

從式(2)可看出，鋼圍堰懸浮時烏江水面與隔倉水面高差Δh和自重M成正比，2種方案下，鋼圍堰隔倉與烏江水面高差如表2所示。由表2可知，方案1低水位定位下放鋼圍堰時，鋼圍堰隔倉與烏江水面高差值較小，焊縫所受應(yīng)力相對較小，安全風(fēng)險低。

表2 鋼圍堰拼裝懸浮狀態(tài)時水頭差

4.3 鋼護(hù)筒定位及下放

鋼護(hù)筒位置及垂直度直接關(guān)系到后期樁質(zhì)量及鉆孔樁施工進(jìn)度，又由于鋼護(hù)筒造價高，考慮經(jīng)濟(jì)性，采用高度為6.5m半護(hù)筒，可節(jié)約材料費(fèi)100余萬元，然而半護(hù)筒定位及垂直度控制是否具有可實(shí)施性與水位高低有很大關(guān)系。在低水位時，由于定位架下放前還處于水面之上，鋼護(hù)筒定位可采用以往施工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行定位下放，操作簡單；當(dāng)水位較高時，由于定位架處于深水區(qū)，其準(zhǔn)確位置很難確定，鋼護(hù)筒下放位置均難以確定，準(zhǔn)確定位困難，操作難度大。因此，在低水位時使用半護(hù)筒經(jīng)濟(jì)效益高。

4.4 鋼圍堰刃腳位置堵漏經(jīng)濟(jì)性對比

鋼圍堰定位下放后，需對刃腳位置進(jìn)行堵漏，圍堰外拋填碎石達(dá)到承臺頂標(biāo)高，高度為4m，所需方量757m3。低水位定位下放鋼圍堰時，鋼圍堰外拋石可利用河床爆破碎石，既減少爆破清渣碎石運(yùn)輸費(fèi)，又避免了碎石運(yùn)輸購買；而高水位圍堰外拋碎石時，石料需從隧道進(jìn)行周轉(zhuǎn)，但由于烏江常年水流較大，石料需采用噸袋進(jìn)行裝包，采用浮吊船進(jìn)行拋石，拋石所需時間長達(dá)10d，由計算可知，所需噸袋及機(jī)械費(fèi)用達(dá)10多萬元。

從技術(shù)可行性、施工投入及工期等方面對2種方案進(jìn)行對比，方案1可連續(xù)調(diào)整鋼圍堰垂直度，精度高，投入少；方案2施工難度大、施工工期長、資金投入大，需安排潛水員水下作業(yè)找平，人工精度差，所需工期長，且不能連續(xù)調(diào)整垂直度。故本工程宜采用方案1進(jìn)行鋼圍堰糾偏施工。

5 鋼圍堰糾偏技術(shù)

5.1 河床基底整平

3號墩所處位置河床為起伏不平的無覆蓋層裸巖，且?guī)r層堅硬、裂隙較發(fā)育、坡面陡，巖面傾角>50°，為保證鋼圍堰安全著床及滿足后期施工平臺垂直度要求，基礎(chǔ)需通過水下爆破、清渣方式對河床進(jìn)行整平，最大爆破深度約10m。為了解爆破開挖前后基底標(biāo)高及平整度，指導(dǎo)水下爆破、清渣，需測量河床地形。水下爆破后的地形測量不同于陸地地形測量，可有效選擇地形特征點(diǎn)進(jìn)行測繪[3]，因此，前期采用中海達(dá)單波束測深儀測量爆破成坑后的底面高程，生成爆破后河床地形，用以指導(dǎo)水下爆破及清渣，爆破清渣驗(yàn)收前采用SONIC 2024 & 2022 寬帶多波束測深儀掃描河床斷面，精確反映出河床斷面起伏與標(biāo)高，為后期鋼圍堰著床提供依據(jù)。河床斷面三維掃描如圖6所示。

圖6 河床斷面三維掃描(單位：m)

由圖6可知，爆破清渣后，河床基底并不平整，呈高低起伏形態(tài)，存在超挖情況，鋼圍堰所處位置的圓周最大超挖約2.12m，最小超挖0.71m，因此，后期仍需對鋼圍堰基底進(jìn)行進(jìn)一步整平。為保證鋼圍堰垂直度及精確定位要求，采取向刃腳底部拋砂石袋措施，對鋼圍堰基底進(jìn)行初步整平。借鑒精密儀器找平方法，結(jié)合本工程鋼圍堰具體情況，設(shè)計鼎形分布找平器，解決了因鋼圍堰基底不平整帶來的傾斜問題，有效保證了鋼圍堰垂直度。

5.2 鼎形分布找平器工作原理

現(xiàn)有全站儀等精密儀器找平是通過調(diào)整3個腳點(diǎn)高程從而確定1個水平面，受此啟發(fā)，構(gòu)想在鋼圍堰設(shè)置鼎形分布的6處鋼管，通過千斤頂液壓裝置，調(diào)整鋼管位置標(biāo)高，為鋼圍堰提供活動式刃腳[4-5]，調(diào)整鋼圍堰垂直度。

5.3 鼎形分布找平器設(shè)計

鋼圍堰鼎形分布找平器布置如圖7所示，由反力托架、6臺液壓千斤頂、φ108×8鋼管、導(dǎo)向軌道、反扣輪構(gòu)成，軌道和反扣輪保證鋼管垂直度及限制鋼管在徑向方向的位移，在后期拼裝過程中，將導(dǎo)向軌道接長，反力托架由工字鋼焊接而成，將反力托架焊接在第3節(jié)鋼圍堰頂部，為千斤頂提供反力，通過千斤頂施加反力，調(diào)整鋼圍堰高度。通過調(diào)整6個腳處的高度，調(diào)整鋼圍堰高度。

圖7 鋼圍堰鼎形分布找平器布置

5.4 鋼管、反力托架強(qiáng)度及穩(wěn)定性計算

由河床斷面掃描可知，河床基底處超挖最大高差為1.41m，鋼圍堰調(diào)整前后狀態(tài)如圖8所示。

圖8 鋼圍堰調(diào)整前后狀態(tài)

觸底前，鋼圍堰處于懸浮狀態(tài)，重力和浮力相等，即G=F浮，當(dāng)調(diào)整鼎形分布找平器位置處鋼管高程時，鋼圍堰重力不變，入水體積發(fā)生變化，故鋼圍堰浮力發(fā)生變化，其差值由鼎立分布的鋼管承受。為簡化計算，將浮力變化值加載至2根鼎立分布的鋼管上，鋼圍堰鼎立分布鋼管強(qiáng)度計算如式(3)所示：

F1=σA

F2=ρgv排

(3)

v排=π(R2-r2)ΔH/2

式中：σ為鋼管屈服應(yīng)力；A為鋼管截面面積；R為鋼圍堰外壁半徑；r為鋼圍堰內(nèi)壁半徑；ΔH為鋼圍堰傾斜高差。

令F1≥F2，代入已知數(shù)據(jù)，計算得出，鼎形分布的φ108×8鋼管理論上最大可調(diào)節(jié)1.93m高差。

鋼管在軸向荷載作用下正應(yīng)力不超過其許用應(yīng)力，在強(qiáng)度上保證了鋼管正常工作，然而對于細(xì)長鋼管軸向受壓時，鋼管穩(wěn)定性問題是保證鋼管正常工作的重要因素。由歐拉公式可知，將鋼管簡化為兩端鉸接，計算可得鋼管屈服荷載為容許荷載，即590.24kN，鋼管穩(wěn)定性滿足要求。

將千斤頂反力施加于反力托架上，檢算托架強(qiáng)度，反力托架強(qiáng)度計算如圖9所示。由圖9可知，托架應(yīng)力最大值117.7MPa，小于鋼板屈服強(qiáng)度，因此，反力托架強(qiáng)度滿足要求。

圖9 反力托架受力分析(單位：MPa)

5.5 方案實(shí)施

鋼圍堰著床定位糾偏是施工中重要工序，直接影響其最終定位質(zhì)量[6]，故設(shè)立鋼圍堰定位糾偏指揮中心。采用2臺全站儀觀測第3節(jié)鋼圍堰控制網(wǎng)2個測點(diǎn)坐標(biāo)，并將觀測結(jié)果及時向指揮中心通報，作為指揮中心調(diào)整的依據(jù)，指揮中心通過計算得出鋼圍堰偏移量，下達(dá)指令，通過地錨及靠江側(cè)混凝土梳齒錨精確定位鋼圍堰著床前位置，然后啟用抽水機(jī)向16個隔倉對稱注水，鋼圍堰下沉過程中隨時用儀器觀測其偏位情況并及時糾正，確保其始終在準(zhǔn)確位置下沉，當(dāng)鋼圍堰初步下沉至指定高度時停止注水，通過鼎形分布找平器調(diào)整鋼管所處位置的鋼圍堰標(biāo)高，精確調(diào)整其垂直度，并觀測、調(diào)整其水平位置，直至平面位置垂直度滿足要求。當(dāng)鋼圍堰定位及糾偏工序完成后，由潛水員下水探明底部著床情況，對底部刃腳與基底空隙用袋裝水泥拌合物塞墊，確保底部著床穩(wěn)固良好，然后向鋼圍堰外拋石，觀測控制網(wǎng)4個點(diǎn)坐標(biāo)，隨時調(diào)整其水平位置及垂直度，最后對其進(jìn)行封底。

6 結(jié)語

通過對涪陵烏江右線大橋在深水裸巖條件下鋼圍堰定位糾偏問題的研究，設(shè)計了鼎形分布找平器，最大可調(diào)整1.93m高差。采用鼎形分布找平器可精確調(diào)整深水裸巖河床上鋼圍堰垂直度，避免了傳統(tǒng)水下作業(yè)人工找平的盲目性，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益及應(yīng)用價值。