港珠澳大橋淺水區(qū)非通航孔橋梁基礎(chǔ)圍堰施工技術(shù)
2017-04-10
1 工程概況
1.1 工程簡(jiǎn)介
港珠澳大橋是連接珠海、香港、澳門兩岸三地的特大型公路橋梁。大橋全長(zhǎng)約50km，建成后將成為世界最長(zhǎng)的跨海大橋。CB05標(biāo)段淺水區(qū)非通航孔橋共62個(gè)橋墩，基礎(chǔ)采用6根φ2.0m鋼管復(fù)合樁；預(yù)制承臺(tái)尺寸為（15.6×11.4×4.5）m（橫橋向×縱橋向×承臺(tái)厚度），C45混凝土，承臺(tái)頂埋入海床面，底節(jié)墩身與承臺(tái)一起預(yù)制，其最大重量為2350t。墩高19.143～42.974m，淺水區(qū)非通航孔橋梁典型下部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。
1.2地形與地質(zhì)
港珠澳大橋位于伶仃洋水域。CB05標(biāo)段里程為K29+273 ～K35+890，地面較平坦，地面高程一般在-4.0～-6.2m。橋址區(qū)圍堰入土深度所在范圍內(nèi)的地質(zhì)為新全新統(tǒng)海相沉積物（淤泥質(zhì)）和晚更新統(tǒng)海河交互相黏性土夾砂層。
1.3 水文及氣象
水中區(qū)段位于里程K29+237～K35+605段，高潮時(shí)水深5.0～7.0m，低潮時(shí)水深3.5～5.5m。橋區(qū)潮汐屬不規(guī)則半日潮混合潮型，20年一遇極高潮位+2.97m，極低潮位-1.35m，水域水流主要為潮流，風(fēng)生流、波流對(duì)水流也有影響。橋位區(qū)域?qū)倌蟻啛釒ШＱ笮约撅L(fēng)氣候區(qū)，溫暖潮濕、氣溫年較差不大，降水量多且強(qiáng)度大；橋位區(qū)處于熱帶氣旋路徑上，受熱帶氣旋的影響十分頻繁。
2 淺水區(qū)非通航孔橋梁下部結(jié)構(gòu)施工方案
淺水區(qū)非通航孔橋梁下部結(jié)構(gòu)施工采用大型浮吊定位插打鋼管復(fù)合樁，之后在鋼管復(fù)合樁上安裝整體式鉆孔平臺(tái)，以CJ-25型沖擊鉆成孔，灌注水下混凝土形成鋼管復(fù)合樁；以鋼管復(fù)合樁為導(dǎo)向，整體吊裝雙壁鋼圍堰并下放至海床上，吸泥下沉至設(shè)計(jì)高程，水下封底，堰內(nèi)抽水，以大型吊船安裝預(yù)制承臺(tái)；在承臺(tái)預(yù)留孔中澆筑混凝土，將承臺(tái)與鋼管復(fù)合樁連接成整體；繼續(xù)吊裝中節(jié)預(yù)制墩身和墩帽，澆筑濕接縫混凝土，完成橋梁下部結(jié)構(gòu)的施工。預(yù)制結(jié)構(gòu)分三部分：承臺(tái)及底節(jié)墩身、中節(jié)墩身、墩帽，見(jiàn)圖2。
3 無(wú)內(nèi)支撐雙壁鋼套箱圍堰的設(shè)計(jì)
圍堰結(jié)構(gòu)為本工程橋梁下部結(jié)構(gòu)施工的關(guān)鍵工藝裝備，需要滿足如下功能：為預(yù)制承臺(tái)的安裝提供無(wú)水空間；抵御波浪沖擊等外作用力，保證承臺(tái)預(yù)留孔內(nèi)現(xiàn)澆混凝土的質(zhì)量不受影響；抵御臺(tái)風(fēng)，保障施工安全。同時(shí)，本圍堰的設(shè)計(jì)也受到諸多限制，主要有：預(yù)制承臺(tái)的平面尺寸和雙體浮吊間的開(kāi)檔尺寸，限制了圍堰的輪廓尺寸及壁板厚度；負(fù)責(zé)安裝圍堰的吊船的起重能力限制了圍堰的總重；海上施工特殊環(huán)境要求圍堰拆裝方便、能多次周轉(zhuǎn)使用，且能為預(yù)制承臺(tái)的安裝提供最大便利。為滿足以上要求，經(jīng)過(guò)深入研究，提出了無(wú)內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)的雙壁鋼套箱圍堰方案。
3.1 圍堰壁板
圍堰為雙壁鎖口鋼套箱結(jié)構(gòu)[1] [2]，壁板厚0.75m，高23.2m，平面上分為8塊，各分塊之間采用榫頭鎖口與螺栓組合方式連接，見(jiàn)圖3。為方便預(yù)制承臺(tái)的吊裝，圍堰內(nèi)不設(shè)內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)水位為+2.00m，封底混凝土厚為3.5m，采用水下C35混凝土。
圍堰壁板：壁板為雙壁結(jié)構(gòu)，內(nèi)外壁厚度均為16mm，Q345B結(jié)構(gòu)鋼，局部采用20mm厚鋼板，內(nèi)外壁橫向采用等邊角鋼加勁。
水平環(huán)板及豎隔板：均采用16mm鋼板，Q345B結(jié)構(gòu)鋼；豎隔板通長(zhǎng)布置，水平環(huán)板開(kāi)長(zhǎng)圓形進(jìn)人孔。
圍堰接縫裝置：采用鎖口與螺栓組合的連接方式，其中鎖口連接沿圍堰高度方向通長(zhǎng)布置，螺栓僅在頂部5.2m范圍內(nèi)布置。鎖口中間設(shè)置止水水囊或砂袋。
圍堰下沉導(dǎo)向支架：為雙層整體式導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，附著在鋼管復(fù)合樁上。
3.2 圍堰壁板的分塊與連接
圍堰壁板在平面上分為8塊，相鄰壁板間采用鎖口與螺栓組合連接，鎖口結(jié)構(gòu)上下貫通設(shè)置，壁板頂部5.2m高度范圍內(nèi)設(shè)置螺栓連接，以傳遞豎向剪力。
壁板平面分塊原則：壁板間的接縫布置在圍堰橫向彎矩相對(duì)較小處，并綜合考慮方便安裝與拆除。
圍堰在平面上共分為8塊，見(jiàn)圖4。其中K1＼K3＼K5＼K7為直線型壁板，K2＼K4＼K6＼K8為L(zhǎng)型弧面壁板。
壁板間的連接見(jiàn)圖5。榫頭式鎖口結(jié)構(gòu)可以傳遞垂直于壁板面的剪力，頂部的連接螺栓則可傳遞平行于壁板面方向的剪力。榫頭的前端設(shè)置止水鎖口，并留有用以填充止水膠囊或砂袋的空隙。
3.3 新型圍堰的特點(diǎn)
圍堰最顯著的特點(diǎn)在于圍堰內(nèi)不設(shè)置任何支撐結(jié)構(gòu)，從而大大提高了預(yù)制承臺(tái)安裝的效率。榫頭+螺栓的連接方式保證了壁板間可以傳遞面內(nèi)、面外剪力，還可傳遞拉力、壓力等，但圍堰壁板間存在少量縫隙，可以發(fā)生微量相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)（約1°），因而將接縫視為鉸接。圍堰壁板的新型接縫結(jié)構(gòu)為取消內(nèi)支撐提供了可能，并保障了無(wú)內(nèi)撐圍堰結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和承載要求。
圍堰單塊壁板的剛度、尺寸、重量均很大，這是圍堰受力的要求，但加大了圍堰的安裝拆除難度。
圍堰止水是采用豎向連續(xù)的鎖口，通過(guò)設(shè)置水囊或者灌注砂袋來(lái)阻斷水流路徑。
4 圍堰快速施工
4.1 總體部署
圍堰的快速施工是海上預(yù)制基礎(chǔ)快速安裝的前提。圍堰的首次拼裝采用墩位處逐塊散拼方案，此后周轉(zhuǎn)使用時(shí)采用吊船整體吊裝方案；圍堰的首次下沉采用逐塊插打到位，周轉(zhuǎn)使用時(shí)采用吸泥整體下沉方案；圍堰的拆除均采用整體拆除方案。
圍堰的安裝和拆除均采用海上大型吊船。 4.2 圍堰拼裝
圍堰在工廠制造，預(yù)拼合格后將拆分為單元塊運(yùn)至墩位處。在復(fù)合樁上設(shè)置雙層整體式導(dǎo)向架，利用浮吊逐塊將圍堰壁板吊裝到位，在自重作用下，圍堰壁板沿導(dǎo)向架下沉，插入海床一定深度，直至8塊壁板安裝完畢，合攏后形成整體。見(jiàn)圖6。周轉(zhuǎn)使用時(shí)，采用大型吊船將圍堰整體吊起，套入鋼管復(fù)合樁上的導(dǎo)向架，調(diào)節(jié)圍堰的平面位置與垂直度，利用自重下放圍堰至海床上。見(jiàn)圖7。
4.3 圍堰下沉就位、清基
圍堰下沉方案有二，其一是逐塊壁板插打下沉就位，其二是整體吸泥下沉就位。方案一采用兩臺(tái)APE400型振動(dòng)打樁錘并聯(lián)插打；方案二采用兩臺(tái)φ273吸泥機(jī)吸泥機(jī)。吸泥過(guò)程中經(jīng)常搖蕩管身和移動(dòng)位置，以增強(qiáng)吸泥效果。吸泥管口距離泥面15～50cm。
清基采用2臺(tái)135mm砂石泵，自圍堰中中央向周邊，按照一定坡度吸出圍堰內(nèi)壁范圍內(nèi)的泥砂。清基完成后，在圍堰鎖口內(nèi)安裝水囊或者灌注砂漿，封閉鎖口縫隙，達(dá)到止水效果。清底時(shí)，注意保持圍堰內(nèi)外水位一致，必要時(shí)采用水泵補(bǔ)水，防止翻砂。
4.4圍堰封底
封底前由潛水工認(rèn)真清理鋼管樁外壁及圍堰內(nèi)壁，去除其其表面附著的泥土。封底混凝土灌注采用垂直導(dǎo)管多點(diǎn)同時(shí)水下灌注，水下封底混凝土灌注的順序遵循先中間鍋底后四周、對(duì)稱均衡的原則。
封底混凝土施工過(guò)程中要通過(guò)對(duì)封底混凝土方量與封底頂面標(biāo)高這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行控制。要保證其兩個(gè)參數(shù)的相互關(guān)系正確，以保證封底混凝土頂面標(biāo)高達(dá)到設(shè)計(jì)要求，封底頂面最高點(diǎn)不得超過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)高300mm。
封底混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求前，鋼圍堰不得受到?jīng)_擊、干擾和承受額外荷載，以免影響混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)，確?；炷恋膹?qiáng)度、整體性和水密性。
4.5 圍堰拔除及周轉(zhuǎn)
承臺(tái)墩身安裝完畢后，往圍堰內(nèi)注水，拆除圍堰連接螺栓，利用振動(dòng)錘使圍堰與封底混凝土脫離，利用浮吊逐塊拔起圍堰一定高度，再將圍堰連成整體并利用浮吊整體起吊圍堰。吊離承臺(tái)后對(duì)圍堰進(jìn)行檢查修復(fù)后投入下一個(gè)施工墩位。
4.6圍堰快速施工技術(shù)措施
為加快圍堰施工速度，提高安裝質(zhì)量，施工過(guò)程中采用了如下優(yōu)化技術(shù)措施：
?。?）在圍堰下放前，對(duì)圍堰安裝位置的海床進(jìn)行預(yù)抓泥處理，嚴(yán)格控制抓泥范圍不超過(guò)圍堰內(nèi)邊緣尺寸，確保圍堰下放區(qū)域不出現(xiàn)空洞并減少摩阻力。
?。?）圍堰整體下放，一次性安裝至設(shè)計(jì)高程，提高安裝效率。
?。?）圍堰內(nèi)吸泥、清基工作應(yīng)盡可能減少對(duì)海床基底原狀土的擾動(dòng)，確保封底前淤泥處于相對(duì)粘性板結(jié)狀態(tài)。
?。?）封底前在底層敷設(shè)一定厚度的細(xì)砂，確保封底混凝土質(zhì)量。
4.7 圍堰抵御臺(tái)風(fēng)技術(shù)措施
臺(tái)風(fēng)期進(jìn)行圍堰施工時(shí)，密切關(guān)注天氣變化，避開(kāi)臺(tái)風(fēng)來(lái)襲時(shí)的大型吊裝作業(yè)。同時(shí)，為確保圍堰在臺(tái)風(fēng)期不受浪涌破壞，提前將圍堰內(nèi)部及雙壁隔艙內(nèi)灌水，保持圍堰內(nèi)外水頭一致，確保圍堰穩(wěn)定。
5 結(jié)語(yǔ)
港珠澳大橋非通航孔橋梁圍堰施工是本工程最為關(guān)鍵的工序之一。新型無(wú)內(nèi)支撐圍堰結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和使用，大大提高了海上施工的效率，為海洋淺水區(qū)橋梁基礎(chǔ)快速化施工開(kāi)辟了新方法，可資同類工程參考借鑒。由于海床地質(zhì)情況極其復(fù)雜，加大了圍堰施工的難度。通過(guò)對(duì)圍堰施工工藝的改進(jìn)，為港珠澳大橋基礎(chǔ)施工高效、快速地完成奠定了基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)（References）：
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