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1、深水基础双壁钢围堰下河计算与浮运定位技术摘 要：以跨长江的某重载铁路大桥钢围堰辅助工程为背景，系统介绍了深水基础施工用双壁钢围堰施工设计要点，开展了钢围堰下河过程计算，分析了围堰下河速度及可能性，并通过分析高清视频影像得出了围堰下河入水深度和时间的关系曲线，为同类工程钢围堰下河设计计算提供参考。钢围堰浮运及定位测量结果表明，钢围堰稳定性良好，设计位置与实测位置相差普遍小于3cm，最大不超过5cm，满足设计及相关规范要求，为该大桥深水基础施工奠定了良好的基础。关键词：基础；双壁钢围堰；下河设计；浮运与定位1 概述深水基础施工是衡量桥梁施工技术水平的一个重要标志。国外经常采用双壁钢围堰（Doubl
2、e Wall Cofferdam，简称DWC）来施工桥梁深水基础、长度较短的码头和水中结构物。国外采用的双壁钢围堰主要有两种类型：钢板围焊的双壁钢围堰以及双壁钢板桩围堰，前者应用数量较后者少。双壁钢板桩围堰作为双壁钢围堰的一种类型，在欧洲和美洲以及亚洲的日本应用最为广泛。位于美国加州的Carquinez 海峡大桥跨越萨克门托河，由于水太深，无法使用常规围堰，采用在陆地上预先制作双壁钢围堰，然后采用驳船浮运就位，使施工更加方便、安全，且效率更高，比合同工期提前3个月完成。美国阿拉斯加州库铂河上的库铂大桥（Cooper RiverBridge），美国乔治尼亚州Brunsiwick港口附近的The
3、Sidney Lanier大桥，哥斯达尼加的Tempisque River大桥等则是采用钢板桩双壁钢围堰进行基础施工的代表作。在国外，围堰不仅用于深水基础的新建工程，而且也经常用于既有结构物的修复。位于日本东京附近的KOU大桥在神户大地震期间受到损坏，为了缩短维修所用的时间，尽快恢复交通，承包商在下部结构的修复和加固中就采用了双壁钢板桩围堰，修复工作迅速而有效完成。近年来国内外有关双壁钢围堰的研究文献较为丰富。王书伟等重点探讨了深水基础围堰方案的选型、围堰（包括异形钢围堰）设计要素及海洋环境中的围堰应用；并简要介绍了其受力检算重点；周文海等从施工的角度探讨了钢吊围堰的方案设计、加工制造要求、施
4、工工艺等过程中的关注重点；张开聪等重点探讨了不同形状及附加结构的钢围堰施工技术；苏杰等则开展了钢围堰结构的三维有限元计算分析；重点研究围堰的强度、刚度、稳定性以及封底混凝土，可以说涵盖了围堰受力分析的各个方面；张峰等则介绍了围堰施工中常见问题的处理方法。已有的研究成果，大多集中在围堰设计、受力计算及工艺流程上，而对围堰下水的设计计算研究则相对较少，工程类比及经验因素较多。基于这一现状，以某公铁两用长江大桥主墩的钢围堰为工程背景，探讨围堰下河设计计算及施工技术，以期对类似工程提供一定的借鉴依据。2 围堰设计构造简介某长江公铁两用特大桥设计里程DK27+299.091DK33+616.763，全长
5、6317.8m；主桥铁路按双线、公路按一级公路四车道设计。主桥为（98+182+518+182+98）m双塔钢桁斜拉桥（图1）。3#、4#墩为斜拉桥主墩，采用先围堰后平台施工方法。其中3#墩采用双壁钢吊箱围堰，4#墩采用钢套箱围堰。3#墩双壁钢吊箱围堰设置为圆端形，平面尺寸为68.2m（横桥向）x40.0m（顺桥向）x18m（高），壁厚2m，初步拟定于枯水期施工承台，围堰最大抽水水位+34.0m，封底混凝土厚4.5m，围堰底高程为+11.0m。围堰由侧板、底板、底隔舱、内支架、吊挂系统和导环组成，钢材均采用Q235B，总重约3200吨。围堰井壁排水面积为351m2，为减少围堰自重吃水深度，围堰
6、内设置双壁底隔舱，底隔舱排水面积为380m2，底节围堰在自重下吃水深度为3.96m（不包括底龙骨高度0.5m）。3#墩围堰下河共布置1.2x15m气囊48条，先布置24条气囊作为支承气囊，围堰重量全部支承在24条气囊上时，气囊工作高度为0.72m，大于钢凳高度0.6m，钢凳可以安全移除。待钢凳全部移除后，再按照设计间距补充其余气囊，并充气，使48条气囊均匀受力气囊工作高度1.0m。3 围堰入水速度及可能性分析3.1 围堰入水过程计算假定（1）围堰自重忽略坡度影响；（2）围堰刚度相对很大，假定为一刚体；（3）气囊作用高度不变；（4）在较短距离里，围堰为匀变速运动，其加速度变化可忽略；（5）在较短
7、距离里，围堰所受水阻力不变；（6）围堰入水过程中，围堰入水角不变。3.2 围堰入水计算原理（1）牛顿第二定律：即物体的加速度跟物体所受的合外力F成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同。（2）运动学定理，即位移与速度的关系式：（3）浮力计算：根据设计图纸，建立三维实体，结合各个工况下水长度截取体积。3.3 计算分析3.3.1 围堰入水前。围堰前端距离水口15m时，在围堰前端铺设气囊，脱拉缆，围堰起滑瞬间速度为V0。围堰开始匀加速运动至刚入水面时，围堰的速度为V1，见图3。起始阶段，围堰的力学平衡关系式如下：联立式（1）、式（2），可以解出围堰刚入水面时的速度V1。3.3.2
8、围堰入水后。围堰入水后，每前行5m作为一个工况。以第一个工况的详细计算过程为例（图4），第一次前行5m后围堰的速度V2，围堰的力学平衡状态为：联立式（3）、式（4），可以解出围堰入水前进5m后的速度V2（见表1），以此类推，逐步求出前进过程中各个阶段的下水速度（表1）。分析表1中围堰入水的速度可知，围堰下滑全部入水后的速度为1.3m/s，此即意味着围堰能够顺利下滑入水。实际观测表明，围堰入水非常迅速，围堰前端入水至达到吃水深度稳定总计历时约4s，下河过程顺利。4 围堰浮运到位后的定位技术4.1 围堰的定位设计4.1.1 锚碇设施布置及主要技术参数。3#墩钢吊箱围堰锚碇系统采用前、后定位船加重锚
9、体系。底节围堰挂桩时，围堰顶高程为+39.0m，此时围堰底高程为+21.0m，按照工期安排，定位时最大水位按+34.0m、最大流速按2.0m/s、最大入水深度按13m设计锚碇系统。前定位船采用1艘800t铁驳，后定位船采用1艘400t铁驳；主锚靠江侧采用3个8t霍尔锚、靠岸侧采用3个50t地垄，尾锚靠江侧采用2个8t霍尔锚、靠岸侧采用2个50t地垄，前、后定位船边锚靠江中心侧采用2个3t霍尔铁锚；靠江滩侧前、后定位船各设置2个地垄，其中一个为10t地垄，另外一个与围堰边锚共用，为30t地垄。4.1.2 锚绳连接顺序及连接方式。围堰就位后锚绳连接基本顺序为：前拉缆L1#L4#→围堰边锚
10、13#（下）、11#、14#（下）、12#→后拉缆L1#L4#→围堰边锚15#（下）、17#、16#（下）、18#。4.2 围堰定位技术4.2.1 定位前的准备工作。（1）前、后定位船固定座、马口安装。（2）前、后定位船滑车组穿钢丝绳并与固定座连接。（3）前、后定位船卷扬机、发电机安装。（4）主锚1#6#、前定位船边锚7#10#分别连接后放在前定位船上并运至现场。尾锚23#26#、后定位船边锚19#22#分别连接后放在后定位船上并运至现场。（5）利用抛锚船依次将围堰主锚、围堰尾锚、前、后定位船边锚抛至设计位置。（6）所有锚绳都松至水下，特别是后定位船边锚20#、22#，避让
11、浮运路线。4.2.2 围堰浮运到位及初定位。（1）钢围堰底节制造拼装完成，转向马口、系缆桩、顶推架、调锚设施等安装完成，围堰带上前拉缆L1#、L2#、L3#、L4#，后拉缆L1#、L2#、L3#、L4#，围堰边锚锚绳11#18#（预先穿过对应的围堰转向马口并打梢于围堰上）共16根，围堰下水浮运至前定位船后约80m处（中心距，见图5）。（2）前拉缆L1#、L2#、L3#、L4#过至前定位船与滑车组系结、初收紧，围堰浮运拖轮退出。（3）将围堰边锚绳11#、12#、13#、14#一头过至前定位船与对应的滑车组连接，12#、14#锚绳另一头与霍尔锚锚绳连接，11#、13#锚绳另一头与地垄连接固定。（4
12、）围堰溜放到设计位置处，偏差设计位置小于5米，且位于上游，并初收紧围堰边锚11#、12#、13#、14#锚绳。（5）将围堰后拉缆L1#、L2#、L3#、L4#过至后定位船与滑车组系结。（6）将围堰边锚绳15#、16#、17#、18#一头过至后定位船与对应的滑车组连接，16#、18#锚绳另一头与霍尔锚锚绳连接，15#、17#锚绳另一头与地垄连接固定。（7）后定位船初收紧尾锚、边锚，并初收紧后拉缆L1#、L2#、L3#、L4#及围堰边锚15#、16#、17#、18#锚绳。（8）底节围堰中心位置调整、初定位（与设计位置偏差小于10cm）。4.2.3 围堰的精确定位。（1）定位精度分析。钢围堰的定位，
13、需要精确调整围堰的平面位置、扭转、垂直度。围堰的位置，应保证之后的钻孔桩、承台施工能满足施工规范及验收规范的要求，即群桩钻孔桩孔位中心偏差小于100mm；承台长、宽、高的尺寸偏差小于30mm、承台轴线偏差小于15mm、承台前后、左右边缘距设计中心线尺寸偏差小于50mm。（2）围堰垂直度调整。围堰的双壁舱分为若干个互不连通的隔舱，可通过注水下沉或排水上浮来调整围堰整体标高，也可通过在不同的隔舱注水或排水来调整围堰四个角点的相对高差。（3）围堰的扭转调整。围堰的平面扭转偏差较大时，则先进行扭转偏差的调整。首先将围堰的边锚绳放松，暂不带紧；如果围堰整体偏下游时，先将围堰D角处的拉缆慢慢放松，同时B角
14、的拉缆慢慢收紧，将围堰的扭转偏差控制在5cm内；如果围堰整体偏上游，则放A角的拉缆，收紧C角的拉缆；再预收紧边锚绳。（4）围堰横桥向位置调整。在围堰经过扭转调整后，围堰的纵、横桥向轴线已平行于墩轴线。当围堰偏下游时，先同时慢慢放松后定位船的尾锚索，同时收紧前定位船主锚索，将围堰向上游拉，调整至围堰轴线与墩轴线上下游偏差在5cm以内，调整时要注意保持各锚索的受力均匀。（5）围堰顺桥向位置调整。围堰顺桥向位置的调整主要通过收紧或放松围堰的边锚来调整。（6）围堰定位步骤。围堰锚碇系统形成→围堰浮运到位→围堰出定位→围堰的精确定位（利用锚碇系统对围堰位置进行调整、定位，围
15、堰定位时应遵循先调整围堰顶面标高，后调整平面位置和扭角的原则）。5 结束语对某重载铁路跨江大桥基础施工用3#钢吊箱围堰、4#钢套箱围堰的设计要点（底托板、后拉锚点及地龙、下河坡道、断缆及起滑等）做了详细介绍，重点开展围堰下河各阶段的气囊受力计算、围堰下河各阶段的速度及入水可能性分析，以及根据围堰入水过程的最大深度确定疏浚水域等问题，高清视频录像分析表明，下河过程的钢围堰入水深度和下河计算结果基本吻合。围堰定位测试结果表明，围堰的浮运、定位过程设计合理、控制措施得当，定位精度较好的满足了设计及相关规范要求，为大桥的基础施工提供了保证，对促进我国深水复杂地质条件下桥梁基础施工技术起到了一定作用。参
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