强涌潮水域深埋式承台双壁钢围堰沉放关键技术

强涌潮水域深埋式承台双壁钢围堰沉放关键技术

任亮亮

关键词：强涌潮深埋式双壁钢围堰沉放关键技术

1引言

这几年国家经济高速增长，为了推动“一带一路”发展战略，为了带动产业升级和扩大内需，国家加大了基础建设投资，列出一批重大项目、重大工程，尤其是在长三角及珠三角等地区，一批跨江跨海的超级工程上马，施工条件越来越复杂，技术难度越来越大，标准要求越来越高。本文以嘉绍跨江大桥主桥承台双壁钢围堰为例，详细探讨其沉放控制关键技术，以期为类似工程提供借鉴。

2工程概况

嘉绍跨江大桥主航道桥为六塔独柱四索面分幅钢箱梁斜拉桥，其跨径布置为70+200+5×428+200+70=2680米。索塔基础均采用圆形承台，高6.0米，承台顶面设计标高为-4.5米，中索塔承台直径为40.6米，下设32根D2.50米的钻孔灌注桩，边索塔承台直径为39.0米，下设30根D2.50米的钻孔灌注桩。为了减小承台阻水面积，不影响钱塘江大潮世界自然奇观，所有承台均设计为深埋式。桥型布置见图1。

图1嘉绍跨江大桥主桥桥型布置

嘉绍跨江大桥桥位区的钱塘江河口尖山河段河床宽浅、潮强流急、涌潮汹涌，是世界三大强潮河口之首，桥址处无长期潮位观测站，依据桥址断面短期观测资料，观测期实测最大潮差8.59m，平均潮差6.44m。河床原始标高-5.0m左右。依据浙江省水利河口研究院成果，桥位处100年一遇设计涌潮高度为3.0m，5年一遇设计涌潮高度为2.5m。涌潮试验得到桥位附近涌潮流速可达9.0～10.0m/s，涌潮产生的水压力可达70kPa，施工期河床局部冲刷深度可达19m。

3围堰设计简介

根据工程特点及施工环境，嘉绍跨江大桥主航道桥主墩承台均采用无底双壁钢围堰施工，围堰平面为圆形，内径40.6（或39.0）m，壁厚1.5m；钢围堰双壁部分高度24m，单壁部分高度为2.5m，总高度26.5m。如图2示。

图2双壁钢围堰总体布置图

双壁钢围堰由内外壁板、竖向次梁、环向钢板、水平斜撑、井壁隔舱、连通管及其它附属工程组成。考虑运输、安装及拆除的因素，钢围堰竖向分节高度为7.5m+12m+4.5m+2.5m，每节分成16块加工、安装。双壁钢围堰的主体钢材均为Q235B钢，单个围堰钢结构重810吨，加上刃脚混凝土后下放总重量1050吨。

4双壁钢围堰施工方案及难点

4.1双壁钢围堰施工方案

嘉绍跨江大桥主墩承台双壁钢围堰，采用在后场钢结构加工厂设置胎架分块制造，平板车通过栈桥运输至墩位施工平台处，利用龙门吊或桅杆吊在拼装平台上将围堰节段拼装成整体，采用6台（边索塔）或8台（中索塔）300t千斤顶，通过计算机同步控制系统进行整体下放。钢围堰沉放流程见图3。

图3双壁钢围堰沉放施工流程图

钢围堰沉放工作，主要分如下三个阶段：

第一阶段：依靠第一、二节围堰壁体及刃脚混凝土的自重下沉；

第二阶段：采用注水或浇注舱壁混凝土作为配重下沉；

第三阶段：拼装第三、四节围堰及吸泥下沉到位。

为了确保钢围堰的安全及沉放精度控制要求，围堰下放至入泥稳定前必须避开涌潮及涨潮流速最急的时刻。依据前期观测结果，选择在小潮汛时涨潮过后1小时左右，水流速小于1.5m/s时围堰开始入水，连续沉放，到低平潮时依靠围堰自重着床并入泥稳定。双壁钢围堰沉放到位后，须将侧壁与钢护筒临时固定，防止钢围堰在流水和涌潮冲击下晃动过大，并对围堰姿态及外围河床进行连续监测，如冲刷过大要及时进行冲刷防护。

4.2双壁钢围堰施工难点

嘉绍跨江大桥主墩承台无底双壁钢围堰施工，受桥位处水文地质条件影响大，控制精度要求高，具有以下几方面难点：

（1）围堰结构重，沉放重量大。单个主墩双壁钢围堰沉放总重量达到1050t，沉放困难，在沉放过程中，受水流力、涌潮力及冲刷影响，可能导致各吊点荷载受力不均，个别吊点受力过大，造成承载系统垮塌，带来严重的质量、安全事故。

（2）水流速急，涌潮压力大。涌潮及水流作用在围堰上的最大冲击力达到9000kN。如何确保在如此强荷载情况下，承重结构的安全及双壁钢围堰的沉放精度是个极大的挑战。

（3）冲刷剧烈、淤积严重。双壁钢围堰着床后，水流速及流向均发生较大变化，钢围堰局部冲刷大大增加。围堰下放过程中，实测局部冲刷达到11.2m，局部淤积达到6.3m。严重的冲淤变化，导致围堰局部刃脚被掏空或埋深过大，从而极有可能导致吊点荷载不均，导向及限位装置发生严重变形，致使围堰偏位过大或无法沉放到位。

5双壁钢围堰沉放关键技术

5.1计算机同步控制沉放技术

不同于以往内河水域情况，桥址处由于涌潮汹涌，海水含泥量大，涨落潮明显，大型起重船舶不能长时间停靠，无法采用水上起重设备吊放如此大的围堰，据此，设计时采计算机同步控制系统进行双壁钢围堰沉放。

（1）计算机同步控制沉放系统构成

计算机同步控制沉放系统由计算机主控中心、液压泵站、传感器(包括行程、压力、锚具传感器)、300t连续千斤顶等组成。计算机主控中心布置在围堰中心平台操作室内（如下图4），6（或8）台300t连续千斤顶布置在承台外周接高的钢护筒顶端的承重架上（如下图5），2台泵站设置在中心平台的两边，各连接3（或4）台千斤顶。

（2）计算机同步控制沉放系统原理

主控系统负责接收油缸传感器传送来的油缸信息，根据这些信息通过手动/自动方式传送控制信号给泵站控制系统，泵站控制系统通过接收主控系统传来的控制信号或泵站手动信号控制电磁阀的动作，从而控制油缸动作。油缸传感器负责接收锚具传感器送来的锚具开合信息和油缸行程信息，并处理后通过控制网络传送给主控计算机系统。

下放控制系统共布四路线串联而成，第一路油缸通讯，第二路泵站电磁阀通讯，第三路长行程传感器通讯，第四路紧急停止，四路控制线分别串联后接到主控系统的油缸通讯、电磁阀通讯、长行程传感器通讯、紧急停止，示意如下图6。

（3）计算机同步控制钢围堰沉放技术

计算机控制系统简化了操作程序，避免了人为的操作失误，实现了信息化的施工。吊点荷载控制是钢围堰下放计算机同步控制沉放技术的核心环节，不仅关系到钢围堰下放系统的安全，还可用于指导舱壁内注水、连通管开闭、舱壁混凝土浇筑及辅助纠偏等。

利用控制中心操作界面对相应的多台液压千斤顶进行编号，每个下放吊点处布置1个压力传感器，吊点处的液压千斤顶受载时，压力传感器将相应的千斤顶荷载信息传递到计算机控制中心，经计算机控制中心反馈后，技术员下达指令或系统自动下达指令，通过调节液压泵站的比例阀，控制油缸缩缸速度实现合理控制各个吊点载荷。同时，各个油缸行程传感器将对应的油缸伸缩量（即下放高度）传递到计算机控制中心，技术员可直观的从操作界面上了解到各个吊点的荷载情况、下放行程及同步性能（可精确到1mm），从而进行正确的决策。计算机控制中心对各个千斤顶既可实行联动，也可根据需要单独动作，从而更加灵活地实现了吊点荷载控制和行程控制，最终实现同步下放施工。如下图7。

（4）计算机同步控制沉放系统作业要点

①钢围堰起吊前，检查锚具、千斤顶、泵站等设备安装正确，确保各操作动作控制正常。

②通讯系统检查，确保各动作信号一切正常。

③钢绞线预紧，用一吨的葫芦将每根钢绞线拉紧，避免个别根钢绞线受力过大，导致质量安全事故。

④紧停系统检查，确保若出现紧急情况，按下紧停开关，整个泵站动作都会停止，保障安全。

⑤下放钢绞线保护，严禁被电焊打伤或过电流。

5.2定位导向技术

由于嘉绍跨江大桥主墩双壁钢围堰下放重量大、深度深、时间长，因此其沉放施工过程，避免不了要经历若干个涨落潮的冲击冲刷。在钱塘江强涌潮水域条件下，为了保证双壁钢围堰安全下放，不变形，并保证其到位后的平面精度、垂直度等指标满足规范要求，须设计特定定位导向系统，约束钢围堰平面位置、控制垂直度、传递水平荷载、缓冲消能，保护钢围堰壁体结构和钢护筒不被破坏。本标段双壁钢围堰沉放定位导向系统设计由上、下定位2层组成，对双壁钢围堰的下放过程及精度进行精确控制。

（1）上定位

上定位呈弧形，半径与钢围堰内径匹配，固定在桩基钢护筒外侧，根据吊点布置由3或4根钢护筒通过钢管支撑及钢板箱组成一体，形成1个上定位，每个围堰共有4个上定位。钢围堰上定位布置见图8、图9。

（2）下定位

下定位呈内凹弧形，半径与钢护筒外径相匹配，焊接在围堰壁体上。下定位位于下锚点的下方、刃脚以上约1.5m处，与邻近的钢护筒相对应，下定位随着钢围堰的下沉而下沉，下定位共布置8个，每2个下定位与1个上定位形成1组定位导向系统。钢围堰下定位布置见图10、图11。

上、下定位外侧均固定1块3cm厚橡胶垫，以缓冲钢围堰及钢护筒承受的冲击力。上定位与钢围堰间及下定位与钢护筒间的空隙均为5cm，以确保平面精度不超过10cm。另外，为保证钢护筒不被破坏，在相应的钢护筒内灌砂并振捣密实，以增加钢护筒刚度。

后期施工也表明，该种结构能大大提高钢围堰抵抗外力作用的能力，并经受了2010年阴历8月15日那次8年来最大潮水。

5.3测量监控技术

受强涌潮冲刷，钢围堰在沉放过程中，其姿态及沉放区域的河床标高时刻在变化，为了实时掌握钢围堰及河床各种参数，精确控制沉放精度，因此建立了实时动态测量监控系统。一方面监控钢围堰的姿态及计算机同步控制系统吊点荷载控制的有效程度；另一方面监控围堰处的河床标高变化和潮水的流速，预测围堰姿态变化情况，同时指导吸泥及纠偏工作。主要监测控制系统分两部分。

（1）围堰姿态（包括平面位置、沉放深度及垂直度）监控。

围堰姿态监控通过设置在围堰中心平台上的一台测量机器人（TCA1201+全站仪），实时测量采集围堰顶部4个轴线方向的棱镜三维空间坐标，由测得的坐标利用计算机程序推算钢围堰实时姿态情况。如下图12。

测量监测全天候24h进行，其监控频率主要有四部分：围堰下放着床前，每下放1m深度，测量围堰顶4个点的三维坐标；围堰刚入泥时，必须全面测量，精确调整围堰姿态；围堰全面入泥后，每2h测量1次，指导吸泥及纠偏；围堰周边河床标高测量在每天高、低平潮时测量4次。

5.4纠偏技术

嘉绍跨江大桥主桥双壁钢围堰沉放，实质上就是一个在下放过程中，依据计算机控制中心反馈的荷载、行程传感器的结果及测量监控的结果，对围堰姿态进行不断调整修正，纠偏下沉的过程。其主要纠偏措施共采取了如下4种：

（1）钢围堰着床前，在下沉多的一边适当伸缸，在下沉少的一边适当缩缸，修正围堰的标高及垂直度；

（2）在加载下沉阶段，充分利用配重，在吊点荷载允许的前提下（20～150t内），增加下沉慢的一边的重量，加速下沉，修正围堰姿态；

（3）吸泥下沉阶段，在下沉慢，吊点荷载小的一边，调整吸泥位置，利用吸泥来减少下沉阻力，加快下沉，调整围堰四周高差及垂直度；

（4）通过定位导向系统约束钢围堰，确保钢围堰的总体偏差在可控的范围内。

在钢围堰下沉过程中，通过对吊点荷载及下放行程的同步控制，单个千斤顶索力始终保持在20～150t内，及不断纠偏，既保证了沉放安全，又加快了下沉速度，并使该桥钢围堰的平面偏位始终保持在8cm以内，优于《嘉绍大桥专用施工技术规范》中“围堰顶、底平面中心允许偏差10cm”的要求；钢围堰下沉到位后的总体垂直度在1/500以上，精度优于《嘉绍大桥专用施工技术规范》中“围堰的最大倾斜度不得大于围堰高度的1/300”的要求。3个主墩钢围堰沉放到位后的精度如下表3。

6结语

嘉绍跨江大桥是首座建设在钱塘江强涌潮水域的特大型桥梁，没有相应的施工经验可以借鉴。实践表明，主航道桥北侧（Z3～Z5号墩）3个主墩无底双壁钢围堰沉放采用特制的计算机同步控制技术、定位导向技术、测量监控技术及纠偏技术对平面位置、垂直度的精度进行有效控制，均安全、快速、精确地下放到位，到位后的平面位置及垂直度的精度均优于规范要求，下沉过程均经受了天文大潮及汛期的考验。因此，针对潮强流急、涌潮汹涌、冲淤剧烈等特殊条件，双壁钢围堰沉放采用的以上多项控制技术安全、有效、可靠，可为类似环境下工程施工提供借鉴。

参考文献：

[1]鲁海燕，潘存鸿，卢祥兴。钱塘江嘉绍大桥设计涨潮流速计算[J].浙江水里科技，2008，（4）：1-4.

[2]高涛，林吉明。杭州钱塘江大型桥梁钢吊箱及钢围堰的设计与施工[J].公路，2007，（5）：101-105.

[3]梁浩然，罗国健。钱江六桥主墩双壁钢围堰施工技术[J].建设科技，2007，（10）：82-83.

[4]程海琴，兰其平，邓少锋。天兴洲大桥双壁钢吊箱围堰定位精度的分析与测量控制[J].铁道建筑，2008，（10）：12-15.

[5]杨齐海，高兴泽。强涌潮浅海河流中承台施工方案比选[J].桥梁建设，2010，（S1）：25-28.

[6]袁忠贵。大型双壁钢围堰下沉施工过程中实时监控及检测方法的研究[J].中南公路工程，2000，（3）：29-31.

[7]李陆平，尤继勤，王吉连。蔡家湾汉江特大桥深水基础钢套箱围堰施工技术[J].桥梁建设，2010，（1）：59-62.