双壁钢围堰施工工法

胶结密实圆砾土层双壁钢围堰施工工法

一、前言

近几十年来我国公路和铁路桥梁深水基础施工均大规模的采用双壁钢围堰作为临时挡水结构，但双壁钢围堰需穿过胶结密实圆砾土层的并不多见，而且在较短时间内双壁钢围堰需下沉到位也是需要研究的课题。京沪高速铁路跨秦淮新河特大桥桥群水中基础8个，承台直径17.4m，承台位于河床下5m，承台底大多处于承载力为400kPa胶结密实的粗圆砾土中。经过方案比选和现场试验（试打钢板桩），采用双壁钢围堰作为8个水中墩施工的临时挡水结构，在实施过程中，成功解决了双壁钢围堰在400kPa的胶结密实粗圆砾土顺利下沉及围堰空间被群桩分隔的不利情况下封底一次成功的施工技术难题，经实践总结形成本工法。

二、工法特点

1、双壁钢围堰需穿过胶结密实圆砾土层到达设计位置；

2、在围堰空间被群桩分隔的不利情况封底一次成功；

3、施工速度快，双壁钢围堰从拼装、下沉到封底结束，平均施工时间不到两个月；

4、模块化制作，吊装、运输方便，操作简单。

三、适用范围

适用于铁路、公路、港口、码头等水深流急覆盖层厚，尤其是胶结密实的圆砾土等复杂地质条件的深水基础施工或工期要求紧张，在粘土层中的双壁钢围堰施工。

四、工艺原理

双壁钢围堰在胶结密实的圆砾土中下沉难度很大，且常规的吸泥法对于砂、砂夹卵石等非粘性土或胶结性能较差的土效果明显，而对于粘性土或胶结性能较差的土效果不明显，本工程围堰施工处地质主要为粘性土和圆砾土，施工中紧紧抓住围堰下沉的本质就是减少围堰壁与土体的摩阻力，使围堰能依靠自重（或所加配重）下沉到达设计位置，据此理念，在双壁钢围堰下沉中采用以长臂挖掘机开挖和油压伸缩臂挖机取土为主，吸泥、射水、舱内配重等多种方式并用为辅的综合施工方法。

双壁钢围堰空间被群桩分隔后，封底混凝土灌注时势必影响混凝土的流动，且封底混凝土灌注时为水下灌注，须保证抽水后封底混凝土经受基底压力的考验，采用水下自密实混凝土作为封底首选混凝土，且为保证封底一次成功，混凝土性能还

满足不扩散混凝土的性能要求。封底前根据现场实际情况并结合封底混凝土的扩散半径进行布导管置，封底混凝土浇筑时按先低处后高处，先周边后中间的顺序进行水下封底砼浇注。

五、工艺流程及操作要点

(一)工艺流程（见下图：双壁钢围堰施工流程图）

图1 双壁钢围堰施工流程图

(二)操作要点

1.围堰制作

钢围堰采用胎具分块制作，分节原位拼装下沉。

加工时钢模板应光面朝外，以减少下沉时的摩擦力，钢料数量应视地质、水纹情况灵活增减，围堰底部加设刃脚。制作工艺必须保证其设计尺寸及焊缝质量，满足挡水结构的要求。

2.河床找平

待钻孔桩施工平台拆除后，采用液压式长臂挖掘机先对对围堰范围内的河床进行清淤和找平。

3.围堰拼装

钢围堰拼装平台利用现有的钻孔桩与平台栈桥、平台的钢管桩基础，在钢管桩与钢护筒上焊接传力三角牛腿，三角牛腿上采用工字钢作为受力纵梁，工字钢与牛腿之间焊接相连。

在搭设的临时平台上（见图2），精确定出围堰刃脚圆周线，用来控制围堰拼装时的圆顺度和垂直度。利用履带吊把每块钢围堰吊装至指定位置，钢围堰拼装按对称原则进行，采用手拉葫芦牵引校正，使壁板块件之间的误差累计降至最低。拼装施工过程中，采用全站仪进行实时监测，最后逐块对称合龙，完成首节围堰的拼装。首节双壁钢围堰全部拼装完成后，再进行钢围堰块与块之间的焊接，焊接时先焊面板间的竖向焊缝，再焊环向焊缝。

图2 钢围堰拼装临时平台平面图

4.围堰下沉

首节钢围堰在下放前应先进行试吊，检查吊点、钢围堰壁板、吊绳及滑轮组有无故障。确保无故障的情况下将围堰落于临时平台之上，然后用砼灌注刃脚，以增大刃脚下沉过程中的刚度和强度。

围堰下沉的步骤如下：

(1)双壁钢围堰吊放系统及导向装置安装

首节钢围堰拼装完成后，设置双壁钢围堰吊放系统。钢围堰吊放系统利用钻孔灌注桩护筒作受力支柱，利用贝雷片作传力梁和找平高差的主要构件。首先将钢护筒找平，确保贝雷片经过的钢护筒顶面处于同一水平面上，然后在找平的钢护筒上用安装工字钢纵梁，在工字钢纵梁上安装纵、横向贝雷片，贝雷片与工字钢之间、贝雷片与贝雷片之间均采用自制的U型螺栓固定，再在顶层贝雷片顶安装卷扬机传力纵梁，最后安装卷扬机及相应滑轮组。

双壁钢围堰吊点沿内壁板布置，放点数量及位置施工中需吊装的施工荷载确定，利用卷扬机和滑轮组形成吊放系统对底节钢围堰进行提升和下放。

图3 吊放系统平面图

图4 吊放系统立面图

在双壁钢围堰下沉前，先将对角线上四个定位围堰下沉的导向装置安装好（见图5），导向装置主要受力构件采用呈三角形的三根钢管桩，钢管桩间采用剪刀撑连接，在靠双壁钢围堰外侧的钢管桩与双壁钢围堰外壁之间设置工字钢，工字钢离双壁钢围堰外壁为5cm，工字钢与钢管桩之间采用型钢作传力杆件。

图5 限位设施布置图

(2)首节双壁钢围堰下沉

首节双壁钢围堰试吊成功后，并采用煤油对焊缝做渗透试验检查合格后，再进行钢围堰的下沉。下沉时先用卷扬机将围堰提起，与围堰刃脚底部支撑工字钢脱离后，撤去钢围堰拼装平台上的工字钢后，进行钢围堰的下沉入水。

在下放过程中，应统一部署、统一指挥，保持各吊点下放同步性。下放过程应

缓慢进行，各吊点处均应设专人进行监控，以便及时发现问题及时解决。首节双壁钢围堰下沉进入河床后，进行钢围堰的接高。

(3)双壁钢围堰接高

双壁钢围堰接高前，先在已下沉的钢围堰上用型钢焊接作业用的平台支撑三角牛腿，在三角牛腿上铺设工字钢和木板搭设作业平台。钢围堰接高采用履带吊作为吊装设备，用锤球作为钢围堰壁是否竖直的控制手段，最后用全占仪作为钢围堰位置及倾斜度的复核仪器。

(4)接高后的双壁钢围堰下沉

第二节钢围堰接高完成后，进行双壁钢围堰的下沉。下沉困难时先向仓内注水，加大围堰的自重，注水时需注意依据围堰的进尺情况进行调整，严禁单个半封闭的隔仓内一次将水注满。待双壁钢围堰无法下沉时，拆除围堰内的吊放系统。然后采用液压式长臂挖掘机将围堰内土取走，减少围堰内壁与土体的摩擦力，并沿围堰内、外壁采用吸泥设备和高压水枪射水进行辅助下沉。

(5)双壁钢围堰刃脚及仓内配重灌注

围堰内取土下沉效果不明显时，向仓内分两次对称灌注混凝土，每次灌注2m，且灌注时根据现场钢围堰的倾斜情况进行调整。防止钢围堰出现倾斜过大现象。混凝土灌注前先将16个仓编号，并将编号用油漆标识在围堰顶部，防止施工时出现仓内混凝土灌注混乱现象。

仓内混凝土浇筑（以不高出河床标高为控制基准线），根据施工进展情况，适时向仓内灌砂，增大围堰自重，保证在可下沉范围内的围堰顺利下沉。

(6)双壁钢围堰继续下沉及末节接高

结合地质状况，根据现场经验，长臂挖机在深度大于13米后，取土效果已经不明显，此时，采用液压式长臂挖掘机将围堰内土挖松，油压伸缩臂挖机取土，并采用自制吸泥设备和高压水枪沿围堰内、外壁辅助下沉，当双壁钢围堰下沉困难或下沉进展极为缓慢时，向双壁钢围堰仓内灌砂增大围堰自重，当仓内灌砂装满后，向围堰顶部安装提前制作的砼配重块作为增大围堰自重、利于围堰下沉的措施。

5.围堰封底

（1）清理基底

①基底残存物（淤泥、淤泥质粘土、圆砾土等），应基本上清除干净。潜水工详细检查并作好记录，是否某些地点存有极少量残存物。

②清基后的有效面积，不得小于设计要求。自钢护筒边算起至围堰壁间约

1m 左右的基面清理作业，应特别注意，将残存物清理干净。

③测量双壁钢围堰刃脚周圈16个测点处的刃脚埋入深度，并摸清刃尖与基面相贴或埋入泥砂的情况。

④清基完毕后，测量基底标高，绘制基底断面图以查明基底面实际倾斜与走向。 （2）封底混凝土导管布置

采用无缝钢管作为水下砼灌注导管，各管节之间采用采用快速螺纹接头，以便导管长度的调整、拆卸方便。导管使用前进行水密试验，导管安装中，每个接头需预紧检查。

按照每个布料点作用半径布置混凝土导管，如图10所示根据混凝土摊铺情况及混凝土上升高度置换导管位置，导管间距3m 左右。

水下混凝土封底导管及测点布置图

注： 中的数字为导管编号； 为测点。

图6 水下混凝土封底导管及测点布置图

（3）封底混凝土浇筑

清基经检验合格后方可进行封底混凝土施工，封底混凝土采用C25水下混凝土，封底厚度为2m ，总方量为498m 3。封底混凝土技术性能满足水下自密实混凝土和不扩散混凝土的要求。

封底混凝土浇筑的顺序为：

先低处后高处（先将低处混凝土灌高，避免高处导管灌注的混凝土往低处流，使导管底口脱空或埋在混凝土内的深度过小，造成导管进水），先周边后中间，确保

混凝土面保持在大致相同的标高。

混凝土灌注过程中导管随混凝土面升高而竖向徐徐提升，为保证导管有一定埋深，一般不得提升导管，即使需要提管，每次提升的高度都严格控制在20cm之内。

在混凝土灌注过程中，由技术人员专门负责测量混凝土堆高和扩展情况，并在导管附近挂上标识牌以正确指挥施工人员调整导管埋深并及时与试验室取得联系进行坍落度的调整，使每批混凝土灌注后形成适宜的堆高和不陡于1：5的流动坡度。

混凝土灌注将近结束时，加大混凝土的坍落度至20～22cm左右，并加大导管埋深，使混凝土均匀地扩展，形成较平坦的表面。

混凝土浇注临近结束时，全面测出混凝土面标高，重点检测导管作用半径相交处、护筒周边，钢围堰内侧周边转角等部位，根据结果对标高偏低的测点附近增加浇注量，力求封底混凝土顶面平整，并保证封底厚度达要求，当所有测点均符合要求后，终止混凝土浇注，上拔导管，冲洗堆放。

六、劳动力组织

表1 劳动力组织表

七、材料与设备

八、质量控制

（一）工程质量控制标准

《铁路桥涵施工规范》（TB10203-2002），《铁路混凝土与砌体工程施工规范》（TB10210-2001），《铁路桥梁涵工程施工质量验收标准》（TB10415-2003），《碳素结构钢》（GB/T700-2006），《碳钢焊条》（GB/T5117），《低合金焊条》（GB/T5118），《碳钢药芯焊丝》（GB/T10045），《熔化焊用钢丝》（GB/T14957），《二氧化碳气体保护焊用钢焊丝》（GB8110），《碳素钢埋弧焊用焊剂》（GB5293）。

（二）质量保证措施

1．需要改变材料型号、尺寸时必须经过技术负责人批准。

2．对焊缝的要求、焊接的检查等技术应满足相关规范的要求，焊缝尺寸除满足设计要求外，还应在焊缝处涂煤油做水密检查，若煤油渗到反面，则应将该处焊缝重新复焊，然后再做水密实验，合格后方可使用。

3．加工平台及其定位、限位装置时，各分块钢围堰必须在专用的事先制作好的加工胎座上加工。加工胎座台必须具有足够的刚度和强度，其上设置定位、限位装

置，以确保该分块钢围堰的设计尺寸要求。

4.围堰下沉至设计标高程后其位置的偏差应满足以现行规范要求。

九、安全措施

1.围堰分块拼装时必须经过牵引、固定牢固后方可将吊钩去掉。

2.在围堰舱内施焊时，围堰顶口严禁覆盖，并设置通风设备和佩戴防毒面具及呼吸滤清器，围堰舱内的照明电压不得超过12伏。焊接和配合人员必须采取防止触电、坠落、中毒和火灾等事故的安全措施，焊接时必须有人在场监护。

3.由于钢围堰焊接工作量较大，在负荷运行中，焊接人员应经常检查电焊机的升温，如超过A级60℃，B级80℃时，必须停止运转并降温。

4.单块围堰接高时，应对底节围堰顶口用盖板加以覆盖，防止施工人员和检查人员坠入仓内，造成事故。

5.围堰下沉前及下沉过程中和下沉后应对各吊点和受力杆件以及机械设备做详细检查。

十、环境保护措施

1.注意夜间施工的噪音影响,尽量采用低噪音施工设备。做好水系和河岸植被的保护工作。

2.临时运输道路经常洒水湿润，减少道路扬尘。对产生尘埃运输车辆和石灰等挥发性材料堆场加以覆盖，减少对空气污染，生产及生活垃圾定期处理。严禁焚烧有毒废料。

3.围堰内取出的弃土运至当地部门指定的地方处理，吸泥设备产生的泥浆采用泥浆船运走，不得随意排放在秦淮新河中。

十一、效益分析

1.使用的设备除长臂挖掘机和油压伸缩臂挖机设备一般使用较少外，其他设备均为常用设备，且围堰原位拼装下沉占用的用地较少。

2.采用以长臂挖掘机和油压伸缩臂挖机为主、吸泥、射水、舱内配重等多种方式并用为辅的施工工艺，自拼装到下沉至设计高程，且封底结束最短历时49天，平均历时52天，在本地质条件下比常规吸泥为主的下沉施工工艺至少节省时间一个月。

3.截至目前，八个水中墩已经顺利完成，为京沪高速铁路按期通车打下了坚实的基础。高铁建设指挥部、驻地监理等对圆砾土及岩层中双壁钢围堰施工技术给予

了高度肯定，认为措施得当，效果明显，产生了良好的社会经济效益。

十二、工程实例

1、工程概况

南京铁路枢纽NJ-3标二工区负责跨秦淮新河和跨将军路之间的桥群部分施工任务，管段动车走行线1号、京沪高速、沪汉蓉铁路、宁安城际铁路四座桥梁同时跨越秦淮新河，水中墩共计8座（京沪高速铁路5、6号墩，沪汉蓉铁路9、10号墩，宁安城际铁路34、35号墩，动车1号走行线18、19号墩等均位于秦淮新河河中）。承台底标高位于常水位下13m～15m。

水中的八个墩结构形式均相同，每个墩布置21根桩，桩径Φ。承台有两部分组成，底部承台为圆形，直径为Φ，高4m；顶部承台高3m，底部为Φ11m圆形，顶部为Φ的直线圆端形。底部承台均位于河床底圆砾土内，顶部承台露出河床。水中墩所处地质自上至下依次为：流塑状淤泥质粉质黏土、软塑状粉质黏土、圆砾土及强风化凝灰质砂岩夹钙泥质砂岩。

秦淮新河特大桥承台基础施工所采用了先进行钻孔桩施工再进行钢围堰下沉施工的施工方法。

图13 水墩施工整体效果照片图14 抽水后围堰内封底效果照片

2、施工效果

秦淮新河特大桥所采用的双壁钢围堰方案自拼装到下沉至设计高程，且封底结束最短历时49天，平均历时52天，在同等地质条件下至少比常规吸泥为主的下沉工艺节省时间一个月左右。截至目前，八个水中墩已经顺利完成，为京沪高速铁路按期通车打下了坚实的基础。