水下巖層中大直徑雙壁鋼圍堰施工技術(shù)

水下巖層中大直徑雙壁鋼圍堰施工技術(shù)水下巖層中大直徑雙壁鋼圍堰施工技術(shù)摘要：廣深港鐵路客運專線沙灣水道特大橋6#、7#、14#主墩低樁承臺均嵌入水下巖層中。結(jié)合6#、7#、14#墩雙壁鋼圍堰施工，介紹Φ32.6m大直徑輕型雙壁鋼圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計、水下爆破、巖層開挖；雙壁鋼圍堰制作、浮運、定位、下沉、封底、拆除等關(guān)鍵施工技術(shù)。關(guān)鍵詞：巖層中水下爆破大直徑雙壁鋼圍堰施工技術(shù)1工程概況1.1設(shè)計概況廣深港鐵路客運專線ZH-1標(biāo)沙灣水道特大橋5#～9#墩跨紫坭河設(shè)計為(104+2×168+112)m連續(xù)剛構(gòu)，12#～16#墩跨沙灣水道設(shè)計為(112+2×168+104)m連續(xù)剛構(gòu)。線路采用無砟軌道，設(shè)計時速350km/h。其中6#、7#、14#主墩基礎(chǔ)均采用12Φ250cm鉆孔樁，承臺設(shè)計為低樁承臺，尺寸為23.5m×17m×5m，全部埋于河床巖層中。承臺施工擋水圍堰均采用圓形雙壁鋼圍堰。1.2水文資料廣深港鐵路客運專線與紫坭河斜交30°，與沙灣水道斜交68°。紫坭河為Ⅴ級航道，水深約9m；沙灣水道為Ⅰ級航道，水深約10m。兩條河道主要流量、流速等要素如下：紫坭河：Q1/100=2561m3/s，H1/100=4.644m，V1/100=1.37m/s；沙灣水道：Q1/100=7171m3/s，H1/100=4.774m，V1/100=2.62m/s。1.3地質(zhì)情況6#、7#墩雙壁鋼圍堰嵌入河床約9.5m，其中覆蓋層為2m，向下約7.5m深全風(fēng)化花崗片麻巖。6#墩河床巖面為斜面，一邊嵌入強風(fēng)化花崗片麻巖約1m。14#墩河床無覆蓋層，為裸露基巖（弱風(fēng)化花崗片麻巖），雙壁鋼圍堰嵌入河床約8m?；境休d力：全風(fēng)化σO=200KPa；強風(fēng)化σO=400KPa；弱風(fēng)化σO=800KPa。2雙壁鋼圍堰設(shè)計2.1設(shè)計思路由于承臺伸入到了巖層中，不具備鋼吊箱和鋼板樁圍堰施工的條件，因此選用雙壁鋼圍堰法施工。由于航道通航凈寬允許，選用圓形雙壁鋼圍堰，不需要內(nèi)支撐，對圍堰內(nèi)施工無干撓。內(nèi)外壁鋼板厚度根據(jù)下沉最不利工況來設(shè)計，雙壁鋼圍堰抽干水時按照鋼殼和壁內(nèi)混凝土共同受力考慮。雙壁鋼圍堰抗浮設(shè)計按照樁基部分無浮力，樁基鋼護筒參與抗浮來考慮。如果采用“邊挖邊沉”的常規(guī)下沉辦法，雙壁鋼圍堰很難下沉到設(shè)計位置。因此本橋采用了“先開挖水下基坑，再直接下沉到位”的施工方法。2.2雙壁鋼圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計6#、7#墩雙壁鋼圍堰采用圓形雙薄壁鋼殼和混凝土組合結(jié)構(gòu)，鋼圍堰內(nèi)直徑為Φ31m（較承臺對角線每側(cè)大100cm），外徑Φ32.6m，壁間厚度80cm，壁內(nèi)全部填充C20混凝土。內(nèi)外壁鋼板厚度3mm，豎向主龍骨采用∠75×50×5角鋼，橫向主龍骨采用∠63×6角鋼，橫向主龍骨間采用6mm扁鋼加強，壁間斜撐采用∠63×6角鋼。龍骨間距根據(jù)高度方向水壓力不同而不同。平面分8塊，塊間用5mm厚鋼板設(shè)置隔倉板，底節(jié)預(yù)制高度為3m，以上節(jié)預(yù)制高度為4.5m或6m。單塊鋼圍堰吊裝最大重量約8t。塊與塊之間、節(jié)與節(jié)之間相連均采用8mm鋼板焊接。雙壁鋼圍堰設(shè)計充分考慮了成形后鋼殼和混凝土共同受力，因此鋼殼設(shè)計比較輕型化，平均用鋼量約為100kg/m2。14#墩雙壁鋼圍堰采用了變截面設(shè)計，河床以下部分采用與6#、7#墩一樣的鋼殼與混凝土組合結(jié)構(gòu)（壁厚80cm）。而河床以上部分壁間厚采用了140cm，內(nèi)外壁板采用δ6mm鋼板，內(nèi)支撐主要采用∠75×8和∠75×10角鋼，壁內(nèi)填砂。表16#、7#、14#墩雙壁鋼圍堰設(shè)計參數(shù)表序號項目單位6#墩7#墩14#墩備注1河床標(biāo)高(m)m-4.0-4.5-5.02河床巖面標(biāo)高(m)m-6.1-6.5-5.03承臺底標(biāo)高(m)m-11.085-11.085-10.0854承臺尺寸(m*m*m)m23.5*17*523.5*17*523.5*17*55鋼圍堰外直徑m32.6032.6032.606鋼圍堰壁厚cm8080下80上1407圍堰頂面標(biāo)高m4.004.005.008圍堰底面標(biāo)高m-14.00-14.00-13.009雙壁鋼圍堰總高度m18.0018.0018.0011雙壁鋼圍堰分節(jié)高度m3+4.5*2+63+4.5*2+63+4.5*2+63雙壁鋼圍堰施工方法3.1分塊制作為提高鋼圍堰加工精度，形成規(guī)?；魉€生產(chǎn)，在鋼圍堰加工場地內(nèi)先加工4座胎架，鋼圍堰分塊在胎架上制作。由于鋼圍堰壁板較薄（3mm），采用BX5-63B型薄板電弧焊機焊接。每塊鋼圍堰焊接完畢后,內(nèi)、外壁板焊縫必須進行煤油滲透試驗。煤油滲透試驗檢驗方法為：焊縫外涂白堊粉漿，晾干后內(nèi)刷煤油，經(jīng)過半小時后檢查，無煤油滲漏斑點為合格。否則滲漏處焊縫必須鏟除重焊。3.2水下開挖基坑為減少水下開挖后回淤現(xiàn)象，6#、7#墩水下基坑底部直徑取40m，向上開挖坡度采用1：1，上口直徑約60m，這樣6#、7#墩實際水下開挖方量均超過20000m3。14#墩由于河床為裸露基巖，回淤和邊坡塌方現(xiàn)象應(yīng)該很少，因此水下基坑底部直徑取37m，上口直徑取40m，水下爆破方量約10000m3。3.2.1水下爆破設(shè)計水下爆破設(shè)計參數(shù)14#墩處河床為裸露基巖，基坑開挖采用了水下爆破。水下爆破設(shè)計參數(shù)見表2。表2水下爆破設(shè)計參數(shù)表序號名稱代用字母單位數(shù)量備注1炮孔孔徑dcm112炮孔間距acm2203炮孔排距bcm220梅花形布孔3炮孔傾角α度90垂直鉆孔4超鉆深度hcm1505單位炸藥消耗量qkg/m31.10乳化炸藥6單孔裝藥量Qkg32.57最大段別起爆藥量Qmaxkg368.4爆破網(wǎng)路采用毫秒導(dǎo)爆管微差起爆網(wǎng)路，如圖3。在水中爆破時，瞎炮率比較大。為避免產(chǎn)生瞎炮，每個炮孔應(yīng)采用兩點起爆。在炮孔的下部、上部各設(shè)一個起爆點，每個起爆點放二枚雷管?？變?nèi)并聯(lián)，孔外串聯(lián)。非電雷管共分MS1、MS3、MS5、MS7四段。3.2.2水下爆破施工首先必須向航道、海事、公安部門申報水下爆破審批手續(xù)，待各部門批復(fù)后方可開工。水下鉆孔采用6臺GY-2A型潛孔鉆一字排開固定在鉆探船上同時鉆孔，孔位采用 GPS定位。GY-2A型潛孔鉆可以克服該水域無覆蓋層和巖層破碎不利于爆破成孔的缺點。在鉆孔完畢時，外套管仍留在原位，待裝藥堵塞完畢后才取出。裝藥、堵塞水下爆破采用2號巖石乳化炸藥。為方便施工，炸藥加工成直徑為Φ80mm的長條圓柱形藥卷，并采用特定的塑料波紋管裝成柱狀，每50cm長一節(jié)，節(jié)與節(jié)之間采用螺旋式擰入連接。在塑料波紋管高度方向的1/3和2/3處各開一小洞，分別將雷管插入藥卷內(nèi)。在藥卷一端綁上引繩。用引繩把藥卷順鉆孔外套管勻速放下，直至設(shè)計位置。為減少沖擊波的強度，施工中采用直徑Φ70mm，長60cm砂袋裝河砂，將裝藥后的炮孔頂部堵上。最后把外套管輕輕取出。聯(lián)線聯(lián)線可在鉆探船上進行。每一排的孔尾線分別綁扎在一竹桿上。要注意炮孔的次序與尾線綁扎次序相一致，以免網(wǎng)路連接出錯。竹桿兩頭固定一漂浮物，以增加整個網(wǎng)路系統(tǒng)的浮力。網(wǎng)路由最后一個接力組的連接雷管的尾線引至岸邊，起爆電雷管在警戒完畢后才聯(lián)上網(wǎng)路。警戒和起爆起爆警戒前通知海事局3艘警戒船，對航道進行短時間封航，每次封航時間約30分鐘。警戒時從爆區(qū)向外輻射清理無關(guān)人員和船只到危險區(qū)以外。警戒完畢，再進行起爆雷管的連接，連接完成后，立即起爆。起爆完成并檢查安全后恢復(fù)通航。3.2.3水下基坑開挖表3抓斗式挖泥船性能表船總長42m吊機臂長18m作業(yè)最大深度水下45m船寬16.8m起重荷載60t作業(yè)半徑11m～15m型深3.5m抓斗型式全齒型水上定位儀型號(GPS)HD8900主機功率1500KW抓斗容積8m3測深儀型號SDH-13D6#、7#墩水下基坑直接開挖，14#墩水下爆破完成后再進行開挖。水下開挖采用8m3水上抓斗進行，全齒型抓斗上配有利齒，而且自身重量較大，可以擊碎巖石。因此對于軟質(zhì)巖石開挖，抓斗式挖泥船非常方便而快捷。抓斗船上配GPS定位和測深儀，可以精確判斷（誤差在5cm以內(nèi)）抓斗的開挖位置和深度?；娱_挖完畢后，采用GPS側(cè)深儀來進行掃床測量，可以準(zhǔn)確測出基坑底各點的標(biāo)高。通過電腦軟件分析整理后，可以打印出水下基坑的各點標(biāo)高圖，準(zhǔn)確而方便。6#、7#墩水下基坑開挖各用時4天。14#墩水下爆破每天2～3次，爆破共用時15天，水上抓斗開挖時間為11天，這樣水下爆破和開挖共用時26天。3.3底節(jié)拼裝、下水雙壁鋼圍堰3m底節(jié)總重約40t，河堤邊水深約4m。可以采用“滑道法”、“拼裝船法”和“整體吊裝法”下水。滑道法需鋪設(shè)較長滑道，需要較多鋼材，而且耗時較長；而拼裝船法則需要較多的大型水上船只和施工設(shè)備。經(jīng)綜合比選后，底節(jié)鋼圍堰采用了“整體吊裝法”下水。首先緊靠河邊填筑并平整出一塊50m×50m場地，作為臨時碼頭和底節(jié)鋼圍堰拼裝場地。然后在碼頭上將底節(jié)鋼圍堰逐塊拼裝成形，并設(shè)置四個吊點。最后采用兩臺25T浮吊和兩臺岸上50T汽車吊同時起吊，浮吊始終不松鉤，汽車吊將底節(jié)鋼圍堰吊起后向水中擺動，每次擺動約6m，然后臨時將底節(jié)放下，汽車吊也前移6m，再次起吊向水中移送6m，如此反復(fù)6次，即可將底節(jié)全部放入水中。這種下水方法既不必占用大量鋼材，也避免了動用大型水上船只設(shè)備，節(jié)約了施工成本。3.4浮運浮運前要事先確定好浮運就位位置、浮運路線，并探明浮運路線范圍內(nèi)的水深。注意避開天文大潮，盡量選擇平潮時開始進行浮運。并請海事局警戒船疏導(dǎo)來往船只。浮運采用3條拖船，一條主拖船牽引，兩條輔拖船左右挾持。主拖船提供主要的拖力和掌握前進方向，輔拖船負責(zé)提供部分拖力和防止雙壁鋼圍堰旋轉(zhuǎn)和擺尾。3.5水上接高鋼圍堰就位固定后，采用2臺25T浮吊水平環(huán)向?qū)ΨQ對鋼圍堰進行接高。為保持鋼圍堰接高過程中的水平，可采用在壁內(nèi)充水或抽水的方法來進行調(diào)整。接高時先采用點焊固定，確認位置合格后再全面開始焊接。同一節(jié)八塊之間的桁架必須保證閉合，以保證整體受力安全。壁板采用搭接焊或貼板焊接，焊縫必須做煤油滲透試驗來進行檢查。3.6定位、下沉雙壁鋼圍堰的定位采用“中心定位法”定位。在雙壁鋼圍堰頂部沿直徑方向安放36m長雙拼貝雷梁，采用90#花窗連接。用鋼尺定出雙壁鋼圍堰中心位置，并用Φ16mm鋼筋豎直標(biāo)示，固定在貝雷梁頂部。雙壁鋼圍堰定位、下沉應(yīng)選擇在平潮時進行。采用兩臺全站儀交叉定位。根據(jù)測量人員的指令，分別開動雙壁鋼圍堰頂部的5臺10T卷揚機，來進行精確定位。由于水下基坑已按設(shè)計標(biāo)高開挖到位，向雙壁鋼圍堰內(nèi)直接灌水就可以下沉到位。雙壁鋼圍堰下沉就位后，潛水員須探明鋼圍堰底部著床情況。對底部刃腳與基坑底的空隙進行支墊，確保雙壁鋼圍堰底部著床良好。3.7鋼平臺、鋼護筒安裝雙壁鋼圍堰在落床、定位并錨固牢固后，開始搭設(shè)鋼圍堰頂鋼平臺。鋼圍堰頂平臺采用貝雷梁和型鋼結(jié)構(gòu)平臺尺寸為30m×24m。鋼護筒直徑采用Φ280cm，壁厚12mm。為確保鋼護筒在封底混凝土澆注過程中不發(fā)生位移，鋼護筒設(shè)兩層導(dǎo)向架，上層利用鋼平臺型鋼桁架，下層利用鋼管樁頂橫梁和鋼圍堰內(nèi)壁焊制導(dǎo)向架。為了增加鋼護筒與樁基混凝土和封底混凝土之間的摩阻力，讓樁基更好地參與鋼圍堰抗浮。在鋼護筒下放前，在底部3m范圍內(nèi)壁加焊環(huán)向Φ25mm鋼筋，間距50cm，在外壁加焊“U”形剪力筋。3.8封底混凝土灌注雙壁鋼圍堰封底C20混凝土厚度3m，設(shè)計方量為2263 m3。C20水下混凝土設(shè)計配合比：水泥：砂：石子：水：粉煤灰：外加劑（HT-HPC）=190:826:970:171:190:3.8。混凝土緩凝時間不小于32h，坍落度18～22cm。為保證封底混凝土質(zhì)量，混凝土施工要連續(xù)不間斷進行，并且在24小時內(nèi)完成?；炷敛捎?臺HZS90型拌和機拌和，20臺攪拌車運輸，兩臺HBT80型輸送泵輸送，采用兩臺HG12型布料桿分布混凝土，3套料斗和導(dǎo)管配合灌注。導(dǎo)管底口離基坑底約25cm，混凝土的擴散半徑約為4～6m，圓錐體率約為1/5～1/10。在鋼圍堰內(nèi)布置23個灌注點，每換一灌注點必須重新剪球。封底混凝土灌注順序為先環(huán)向閉合，再補中間。3.9壁內(nèi)填充6#、7#墩雙壁鋼圍堰壁內(nèi)全部灌注混凝土，14#墩雙壁鋼圍堰下部8m壁內(nèi)灌注C20混凝土。采用導(dǎo)管法水下灌注，每個隔倉內(nèi)設(shè)2個灌注點。每次灌注高度約3m。14#墩雙壁鋼圍堰上部10m灌砂，采用運砂船水上運輸，將砂用輸送帶直接打入壁內(nèi)，一次性灌注完畢。3.10鋼圍堰拆除由于14#墩雙壁鋼圍堰河床以上部分壁內(nèi)全部填砂，拆除可以在壁內(nèi)混凝土頂面處直接進行水下切割。6#、7#墩雙壁鋼圍堰為了拆除方便，在河床處設(shè)置了環(huán)向30cm高砂夾層，內(nèi)外壁采用6mm鋼帶加強。墩身施工出水面后，雙壁鋼圍堰即可進行拆除作業(yè)。拆除采用水下切割方式進行，豎向沿隔倉板空隙切割，橫向沿河床處壁內(nèi)砂夾層處進行切割。切割完畢后采用40t浮吊起吊，裝船運走。4結(jié)束語本工程為嵌入裸露基巖和軟質(zhì)巖層中雙