长江上游超大直径钢围堰下沉施工技术

第２８卷第５期　重庆建筑大学学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　Ｊｉａｎｚｈｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｖ０１．２８　Ｎｏ．５　Ｏｃｔ．２００６　２００６年１Ｏ月　长江上游超大直径钢围堰下沉施工技术　陈骑彪，　陈玉川，　雷江洪，　汪滇菊，　鲁学成　（中港二航路桥建设有限公司，重庆４０００４２）　摘要：结合忠县长江大桥１０　主塔墩　３６　ｍ钢围堰下沉施工工艺，浅谈超大直径钢围堰施工技术，为类　似深水基础工程施工提供参考。　关键词：钢围堰；超大；下沉；施工　中图分类号：ＴＶ５２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００６—７３２９（２００６）０５—００６６—０４　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｕｌｔｒａ　Ｌａｒｇｅ　Ｄｉａｍｅｔｅｒ　Ｓｔｅｅｌ　Ｃｏｎｆｆｅｒｄａｍ　Ｓｉｎｋｉｎｇ　ｉｎ　Ｕｐｅｒ　Ｓｔｒｅａｍ　Ｙａｎｇｔｚｅ　Ｒｉｖｅｒ　ＣＨＥＮ　Ｑｉ—ｂｉａｏ，ＣＨＥＮ　Ｙｕ—ｃｈｕａｎ，ＬＥＩ　Ｊｉａｎｇ—ｈｏｎｇ，ＷＡＮＧ　Ｄｉａｎ—ｊｕ，ＬＵ　Ｘｕｅ—ｃｈｅｎｇ　（２ｄ　Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　Ｂｕｒｅａｕ　Ｒｏａｄ　ａｎｄ　Ｂｒｉｄｇｅ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｃｏ．Ｌｔｄ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　４０００４２，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｏｆ　ｕｌｔｒａ　ｌａｒｇｅ　ｄｉａｍｅｔｅｒ　ｓｔｅｅｌ　ｃｏｆｆｅｒｄａｍ　ｉｎ　ｂｒｉｅｆ　ａｉｍｉｎｇ　ａｔ　ｔｈｅ　ｐｏｉｎｔ　ａｎｄ　Ｃｒｕｘ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｉｎｋｉｎｇ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｃｒａｆｔ　ｏｆ　３６ｍ　ｄｉａｍｅｔｅｒ　ｓｔｅｅｌ　ｃｏｆｆｅｒｄａｍ　ｏｆ　１　０　ｍａｉｎ　ｐｉｅｒ　ｉｎ　Ｚｈｏｎｇｘｉａｎ　Ｙａｎｇｔｚｅ　Ｒｉｖｅｒ　Ｂｒｉｄｇｅ，ｌａｙｉｎｇ　ｐａｒｔｉｃｕｌａｒ　ｅｍｐｈａｓｉｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ａｎｃｈｏｒ　ａｎｄ　ｆｉｘｅｄ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ，　ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ａ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｄｅｅｐ　ｗａｔｅｒ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｃｏｎｓｔｕｃｔｒｉｏｎ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｔｅｅｌ　ｃｏｆｆｅｒｄａｍ；ｕｌｔｒａ　ｌａｒｇｅ　ｄｉａｍｅｔｅｒ；ｓｉｎｋｉｎｇ；ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　忠县长江大桥位于忠县县城上游８　ｋｍ处，主桥为　的连续刚亍句桥，两岸引桥为预应力砼连续Ｔ梁，桥跨　布置见图１。　２０５　ｍ＋４６０　ｍ＋２０５　ｍ的三跨混凝土ｎ形梁斜拉桥，　全漂浮体系，石柱岸主引桥为１１２　ｍ＋２００　ｍ＋１１２　ｍ　３５×３＋４０×３＋１１２＋２００＋１１２＋２０５＋４６０＋２０５＋４０×４＋３０×１５＝２　１２９　ｍ　图１桥跨布置图　桥位处江面宽约１　１３０　ｍ，逐月最高水位＋１４９．９３　ｍ（黄海高程，下同），最低水位为＋１３７．１７　ｍ，２００３年　７月对桥区河段进行流速流向等观测表明，主流线顺　直，表面流速在１．２～２．１　ｍ／ｓ之间。　１Ｏ　墩（南主塔墩）位于长江河床中部，覆盖层为　３４．５　ｍ；承台直径为３３　ｍ，高６　ｍ。采用双壁自浮式钢　围堰进行桩基和承台的施工，外径３６　ｍ，内径３３　ｍ，壁　厚１．５　ｍ，高度为３４．５　ｍ，总体重量约为１　２００　ｔ。该钢　围堰是长江上游已建成和在建桥梁中直径最大的钢围　堰。　卵石，最大直径１６　ｃｍ，多为５～１２　ｃｍ，卵石间空隙由　细一粗砂充填，主要为细一中砂，结构松散不密实，厚　度３．０～５．３　ｍ，顶面坡角２～４。。　１Ｏ　墩基础为低桩承台结构，由１９根直径　３　ｍ　ｌ　施工重、难点分析　１．１锚碇系统锚着系数的确定　根据地质资料显示，１Ｏ　主墩覆盖层薄，附近区域　的钻孔灌注桩及圆柱形承台构成。钻孔灌注桩桩长　（８　、９　墩）无覆盖层，锚锭锚着力计算时采用切合实际　收稿１３期：２００６—０５—１５　作者简介：陈骑彪（１９７３一），男，重庆垫江人，高级工程师，主要从事桥梁施工研究。　维普资讯 http://www.cqvip.com

第５期　陈骑彪，等：长江上游超大直径钢围堰下沉施工技术　的锚着系数，合理地选择锚型及锚缆配置是关系锚锭　系统是否安全稳固的关键。　１．２导向定位系统的设计　钢围堰拼装完最后节段下沉时，围堰重量达千吨，　导向船和定位架的合理选用和布置型式是关系到围堰　是否精确定位的确定因素。　１．３钢围堰吸泥下沉　河床覆盖层为卵（砾）石，最大粒径１６　ｃｍ，多为５　～１２　ｃｍ，钢围堰吸泥下沉较为困难，对吸泥机的性能　要求高。　１．４河床防护　覆盖层薄（３～５　１ＴＩ），在钢围堰施工期间，需定期　观测河床冲刷情况，采取防护措施，才能确保钢围堰稳　定、可靠地工作。　图２导向船结构布置平面图／ｃｍ　２．２锚锭系统的设计　２导向定位系统的施工设计　２．１导向系统的结构布置　２．２．１　锚碇设施受力计算锚碇系统设计时，其计算　计算条件的取值按：流速取２　ｒｎ／ｓ、水深２０．５　１ＴＩ、基本　风荷载Ｗ　：０．４　ｋＮ／ｍ　（忠县地区），导向船施工荷载　导向系统是由万能杆件组成的联结梁将两艘导向　船组拼成双体船，根据钢围堰的大小、受力情况及设　按实际取值。计算时分别对钢围堰动水压力、围堰风　阻力、导向船组水流阻力、导向船组的风阻力、工作船　水阻力、工作船风阻力进行计算汇总，得到锚碇系统的　主锚所受的总锚力为１　６２４．５　ｋＮ。　２．２．２锚碇系统的布置　根据计算的结果对锚碇系　统进行布置，锚碇系统由主锚、尾锚和边锚、围堰下拉　缆、围堰下拉八字尾缆组成，具体布置见图３。　备、荷载等情况，选用两艘１　５００　ｔ甲板驳船组成导向　船组。每艘甲板驳长７５．００　１ＴＩ，型宽１３．３　１ＴＩ，型深３．４　１ＴＩ，载重１　５００　ｔ。甲板驳船采用常规线型，平板型护舷　材。其上主要包括边锚缆调缆系统、主、尾锚缆调缆系　统、系泊系统、绞车系统、桅杆吊、联结梁系统、供电系　统等，见图２。　．　２　　坚　——卫Ｌ—一　．・　ｒｌＪ‘　１　、　ｌ２＼　　ｌ０－１　７　、ｆ　，星　４５０　５４０　Ｉ　一ｆ　１　Ｙ　▲＾　１　巾心线　３７｝　３７｝　＝｛　８ｏ　一　桥　＼　ｌ口　轴　ｌ星　说明：１圈中尺寸以米计　线　ｌ　＇　姐Ｉ　拉墁及下３根拉八据字锚尾着壤拉图力中试未验示瞢　：定锚着力系数在河床为砂舜石、岩石取ｌｃ４．　２　１０－１～１¨为札■尔蜡１　８～Ｉ　晒２　５ｔＩ￣Ｉ．其亲为８ｔ■朱蜡，ｌＩＴ　图３锚碇系统布置平面图　２．３导向系统的结构计算　２．３．１　设计荷载　力：主锚钢丝绳长５００　Ｉｎ，水深２０．５　１ＴＩ，钢丝绳拉力　１９２　ｔ；尾锚钢丝绳长５００　１ＴＩ，水深２０．５　１ＴＩ，钢丝绳拉力　６４　ｔ；边锚钢丝绳长１７７　１ＴＩ，水深２０．５　１ＴＩ，钢丝绳拉力　１）水文条件。流速：表面流速１．６５－ｎ／ｓ；水深：　２０．５　ｍ。　８０　ｔ。（７）导向船平衡配重：用条石进行配重。　３）使用工况。（１）桅杆吊与船体平行时，空载配　重，配重不要求对称布置，只求合理，材料为条石。　（２）ＷＤ４０７０桅杆吊在工作幅度（２２０。）内时的工况，按　１　４００　ｔ・１ＴＩ考虑；ＷＤ２０／３０桅杆吊按８００　ｔ・１ＴＩ考虑。　２）导向船荷载。（１）联结梁：由万能杆件组成４　ｍ　ｘ６　ｍ梁，单榀重１９５　ｔ。（２）首节围堰起吊横梁：两根　横梁布置于联结梁上，单根重４５　ｔ，两根重９０　ｔ。（３）　桅杆吊：ＷＤ４０７０一台（重１３６　ｔ），ＷＤ２０／３０一台（重　４２　ｔ，实际施工中已取消）。（４）拉力架：布置在船中　（３）波浪与船体成交角时的受力情况。　部，重２０　ｔ。（５）发电机：１０　ｔ。（６）锚碇系统竖向分　２．３．２计算结果为了较为准确地计算分析导向船　维普资讯 http://www.cqvip.com

重庆建筑大学学报　第２８卷　结构在各种工况时的强度，对导向船整体结构作三维　有限元强度直接计算分析，有限元计算分析采用ＡＮ—　ＳＹＳ有限元计算程序进行。　．　导向船三维计算模型共采用板壳元、梁元和杆元　三种单元，共有板壳元１８　４０６个，梁元２２　６８０个，杆元　台进入导向船，再完善导向船联结梁和围堰起吊横梁　的安装，用滑车组下放首节围堰入水自浮，通过导向船　上的桅杆吊进行围堰的水上拼装接高，着床吸泥下沉　至设计位置，最后进行围堰外河床防护。　３．１首节围堰下水　８　４２６个，共有７７　４４４个节点、４９　５１２个单元，３２７　９０２　３．１．１　浮式平台结构布置　水上浮式平台作为首节　阶方程。导向船三维有限元计算模型见图４。　图４导向船三维有限元计算模型（立体视图）　由导向船有限元强度计算结果，可得各工况下导　向船结构最大应力见表１（表中括号内的数值为结构　局部范围内的应力集中）。　表１　各工况下双体导向船结构最大计算应力／Ｎ・ｍｍ。　工　况　枸件静水弯曲静水弯曲静水弯曲静水弯曲　（不吊　（起吊　桅杆吊　桅杆吊横浪弯曲斜浪扭转　围堰）　围堰）　５０。　ｌ１０。　甲板板　１２５．９３　１８９．８０　１６４．５１　１６０．２２　１７５．５６　６１．９５　船体外板２２５．３４　２１３．３１　ｒ，１８９’Ｏ３７１Ｑ１、２２８．８１　２１６．５１　７５．３７　舱壁板　ｌ１０．７５　ｌ１５．１７　１５２．９６　２３３．８１　２１８．９２　１４４．６３　甲板　１５２．５７　１７５．６２　１７４．２６　１７４．９７　１７２．９４　，　１　１，　强骨材（１８５．２８）（２０８．３０）（２７０．５０）（３３７．０７）（２３３．２２）…’一　甲板ｌ１２．２０　９３．８８　９２．８０　１５１．０４　１５４．５９…，　小骨材（１８３．２０）（１８６．１９）（２１０．４８）（２１４．４９）（２５９．９４）…“　舷侧与船１２９．７６　１６７．３１　１５６．８２　１５５．２５　１５５．７５　９１　０６　底强骨材（１９０．８５）（２１０．７７）（２２７．１７）（３２７．６１）（２０７．６３）　一　～　薯　１４８．５５　１５０．５５（４１６７２７．３７４０）（７１４７４０．７０６１）（２１７６５１．７８３７）７７．１７　舱壁骨材１４６．５７（１１６７１．．７１５）１７１．１０（３１３７．１８１５３．７６９２１３．４２）（２６４３）７４．０５　．２船体支柱一８７．１９—８６．０１　—９６．１４—１０１．１３—２１８．２５—１６６．１２　与斜杆　～７０．１０～６５．５０～８０．３２～８７．１３～１４４．７０～１６７．３１　－－－－联结梁３５８．５　３５８．５　２８７１．５２　１７１－．６１５２～１０８４～～．１１６５～．１４１１８．５　～１９８．２４；～－２１７９．１５　根据计算结果，导向船甲板板、舷侧板及船底板满　足强度要求；导向船的两个片体、甲板强骨材、甲板纵　骨、内舷侧及底板小骨材的连接支撑点、舱壁骨材上局　部出现应力集中；导向船片体内的支柱以及斜杆、导向　船联结梁在桅杆吊的锚固点以及中间处杆件压应力过　大。针对此结果，对导向船的局部应力集中部位和压　应力偏大的联结梁进行加强处理，使钢围堰在施沉的　各工况条件下，导向定位船结构强度满足施工要求。　３钢围堰的拼装及下沉　钢围堰在加工厂加工完毕运输到施工现场后，在　浮式平台上拼装首节钢围堰完成，用拖轮顶推浮式平　钢围堰的拼装平台，由两艘８００　ｔ方驳及ｑｂ８００×１０ｒａｍ　钢管桩组成，浮式平台总宽为３５．６　１ＴＩ，长为５３　１ＴＩ。　３．１．２首节钢围堰拼装首节围堰拼装前，根据围堰　尺寸在浮式平台上测量放出围堰的中心和每块围堰的　平面位置，在中心和每块围堰的四个角点位置处用红　油漆标明作为拼装定位的依据。首节围堰的拼装采用　三角形原理，首先拼装平面通过等边三角形来确定，再　用延伸线方法定出分块围堰底口四个角点标高。拼装　时通过直角三角形原理来调整围堰与拼装平面的相对　垂直度，再通过拉顶口直径来校核。　３．１．３首节围堰下水首节下放通过在导向船联结　梁上布置两榀贝雷片横梁，横梁布置在联结梁的加高　立柱上，立柱采用万能杆件组拼而成，断面尺寸４　１ＴＩ×　４　１ＴＩ。立柱上布置纵横向Ｉ５６ａ分配梁，贝雷片横梁搁　置于分配梁上。在贝雷梁横梁上布置型钢吊点，每个　吊点布置两排滑车组，每排为上下两个５０　ｔ的滑车组　成，滑车组钢丝绳走１６线，经滑轮导向进入横梁顶上　的８　ｔ卷扬机。　首节围堰拼装完成后，将围堰提升１．５　１ＴＩ高，退出　浮式平台，四台卷扬机同步缓慢下放，首节围堰入水后　的干舷高度为４．９　１ＴＩ，入水后的首节围堰通过设置在　导向架（联结横梁）上橡胶护舷定位。　３．２钢围堰水上拼装接高在墩位处，采用布置于导　向船上的７０ｔ桅杆式起重机和６０ｔ浮吊进行围堰对称　接高。接高过程中，向围堰隔舱中注水，调节围堰水面　以上高度和垂直状态，各节段的注水高度依次为３．６５　ｍ、３．４５　ｍ、５．５　ｍ、２．６　ｍ。　３．３钢围堰吸泥下沉　３．３．１　钢围堰定位　１）调整钢围堰入水深度：根据实测水深，调整围　堰入水深度，使围堰底口离河床３０—５０　ｃｍ。　２）调整钢围堰的垂直度：测量钢围堰顶口在桥轴　线和墩中心线上四点标高，调整围堰上游下拉缆和下　游下拉八字尾缆，必要时采取在隔舱内不均匀注水以　调整围堰的垂直度。　３）调整围堰平面位置：围堰顶口平面位置通过在　围堰顶部上下游和桥轴线方向设置手拉葫芦来调整。　上下游手拉葫芦悬挂在导向船联结梁上，上游３台２０　ｔ、下游设置２台１０　ｔ葫芦；桥轴线方向手拉葫芦挂在　维普资讯 http://www.cqvip.com

第５期　陈骑彪，等：长江上游超大直径钢围堰　垫　导向船上，围堰两侧各用２台１０　ｔ手拉葫芦。底口平　面位置通过围堰上游下拉缆和下游下拉八字尾缆进行　调整。　３．３．２　围堰着床围堰位置调整到着床位置后，向各　舱内均匀注水，保证在下沉时围堰的垂直度，使其迅速　着床。钢围堰着床后，中心轴线偏位小于１０　ｃｍ，满足　设计及规范要求。　３．３．３吸泥下沉钢围堰采用不排水吸泥下沉的方　法，利用两套（２ｊ３２５　ｍｍ和一套（２ｊ３７７　ｍｍ吸泥机配８０　ｍ　／ｍｉｎ空压机抽吸堰内砂卵石覆盖层。围堰着床平　稳后，吸泥机用桅杆吊移动，对围堰内分层吸泥除土，　使围堰在下沉重力作用下，克服下层阻力而下沉。　３．４围堰着岩　３．４．１　围堰着岩在围堰着床后，经过２０　ｄ的吸泥，　围堰实现着岩，由于石柱岸基岩面比忠县岸低，故在忠　县侧围堰先着岩后，通过石柱岸堰内壁三根（２ｊ８００调　平钢管进行调平，再采用１２个钢支垫在围堰刃脚处对　应于隔舱位置等间距支垫，实现围堰全面着岩，各项指　标均符合规范和设计要求。　３．４．２钢围堰外河床防护　钢围堰着岩后，由于１０＃　主墩覆盖层较薄，为抵抗水流冲击和冲刷，防止封底混　凝土流失，确保钢围堰稳定、可靠地工作，在围堰周边　８　ｍ范围内进行石竹笼防护，防护高度为３　ｍ，顶宽２　ｍ，边坡按１：２控制。　３．４．３钢围堰刃脚封堵钢围堰下沉到位后，调平、　支垫及围堰防护完毕，由潜水工进行围堰刃脚处水下　袋装砼封堵，为封底混凝土浇注做准备。　４　结语　忠县长江大桥１０　墩基础钢围堰是长江上游大桥　中规模最大的钢围堰，在这样复杂的河床、地质、水文　条件下，进行因素分析、可靠性设计，关键技术参数试　验，保证了钢围堰精准入水、下沉着床、着岩就位。该　钢围堰的成功下沉实施，为今后类似工程提供了有益　的借鉴：　１）针对河床基岩为浅覆盖层和无覆盖层情况，作　锚碇拉力试验，为锚着力提供了较为实际的技术参数，　确保了锚碇系统的稳固。　２）对整个导向船和导向联结梁系统作ＡＮＳＹＳ有　限元分析，对应力集中和应力偏大部位进行了合理的　加强处理，保证了导向船舶定位系统在钢围堰拼装、下　沉过程中的结构受力安全。　３）首节围堰在浮式平台上拼装，采用贝雷桁架作　为起吊承重梁支承于导向船的联结梁顶，８　ｔ卷扬机配　５０　ｔ滑车组整体起吊下水，对其余节段围堰采用１　４００　ｔ・ｍ桅杆吊分块安装接高，注水下沉，在整个工艺和　设备选取上简洁实用，经济可靠。　４）在吸泥下沉过程中，由于围堰顶部高出水面较　多且砂卵石覆盖层较密实，采用两套（２ｊ３２５　ｍｍ吸泥　机，效果不甚理想，移动次数多，后改用（２ｊ３７７　ｍｍ吸泥　机配８０　ｍ　／ｍｉｎ空压机，有效地改善了吸泥效果。　５）由于围堰下水及拼装接高过程中，长江水位还　维持在洪水期，流速大，根据现场实测，最大表面流速　达１、８　ｍ／ｓ，故在导向船系统设计时，将万能杆件联结　梁由拟定的６　ｍ宽６　ｍ高增加至６　ｍ宽８　ｍ高，拟采　用的两艘８００　ｔ驳船作为导向船更换为两艘１　５００　ｔ驳　船，事实证明，安全可靠。　６）由于河床覆盖层较薄，同时河床表面不平，致　使围堰着岩后部分刃脚进入覆盖层较浅，为了防止封　底混凝土流失，确保封底成功，围堰着床、调平、支垫　后，采用麻袋混凝土进行堰内刃脚封堵，堰外抛填石笼　进行防护压脚。施工实际证明，通过刃脚支垫和麻袋　混凝土封堵及堰外石笼防护，对于围堰的稳定和封底　混凝土的顺利浇注起到了重要的保障作用，在封底混　凝土浇注过程中未发现混凝土流失和围堰变位。