钢浮筒浮平台拼装大型双壁钢围堰施工技术

汤德强 ，杨波 （中铁十局集团济南铁路工程公司，山东 济南 250000）

0 前言

目前大直径钻孔桩基础广泛应用于大跨度桥梁主墩深水基础，钻孔桩承台深水基础施工广泛采用“先堰后桩”方案，大型双壁钢围堰施工常采用两种方法：①围堰底节在码头上拼装利用气襄承托拖拉（或起吊）下水；②在大吨位平板驳船组拼浮平台上拼装底节、用拢门吊（或大型水上吊装设备）起吊下水，围堰下水后浮运至现场进行定位、拼接、下沉等作业。在兰渝铁路新井口嘉陵江特大桥81号主墩深水基础施工中，首次采用钢浮筒浮平台进行双壁钢围堰底节拼装及下水施工，取得了较好的技术经济效果。

1 工程概况

新井口嘉陵江特大桥是兰渝铁路客线与渝利货车外绕线合建的特大桥，引桥部分客、货线双线桥分建，在跨江处合并为四线桥，其中客线双线桥长2534 m，货车（单）双线桥长3865.5 m，四线桥部分长1301 m，四线主桥跨江段桥跨布置及结构：（64+64）mT构 +（84+152+76）m连续刚构 +（64+64）m T构。81#主墩基础设计钻孔桩32根，桩径2.5 m，桩长为33 m，按梅花形布置。承台为圆弧端形，尺寸为45 m×20 m×4 m，承台底标高为161.15 m，施工水位175 m,双壁钢围堰尺寸为48.5 m×23.5 m×18 m，壁厚1.5 m。

嘉陵江属于长江一级支流，水位受季节性降雨变化较大，雨季河水湍急。桥址处枯水季节江面宽度约350 m，汛期宽度可达约500 m，最大水深达约47 m以上，最大流速为V[1/20]=3.8 m/s，最高水位为H[1/20]=192.69 m。桥址处河床大部分基岩裸露，表层局部有沉积砂卵石土层，厚1 m～2 m，其下为弱风化泥岩夹砂岩。深水基础施工必须避开汛期。

图1 钢浮筒拼装平台平面示意图

2 工艺原理

钢浮筒浮平台拼装大型双壁钢围堰是“先堰后桩”的一种施工方法，是利用钢护筒封端制成密闭的钢筒作为浮体，再拼装成大型浮动施工平台，在浮平台上拼装底节钢围堰后，分批向钢浮筒内注水使平台下沉，底节围堰自浮后移至墩位处进行上层围堰拼装、注水下沉及着床等作业。浮平台入水前一部分钢浮筒分批抽离上岸，另一部分沉入水中，钢围堰移开下水地点后采用充气排水的方法使其浮升至水面，钢浮筒上岸整修后再用于钻孔桩施工。

3 浮平台设计

3.1 钢浮筒平台结构

钢浮筒平台主要由钢浮筒、贝雷梁拼装而成。钢浮筒采用直径2.8 m的钻孔桩钢护筒两端封堵后制成，长度分为9 m、13 m两种规格。在钢围堰两侧直线壁板下分别垂直布设5根9 m长浮筒，浮筒位于围堰竖向箱柱下（块件拼缝处），间距6.75 m。在钢围堰两圆弧端下顺桥向各设2根31 m长浮筒，间距6 m，每根由3节浮筒按照9 m+13 m+9 m形式拼接而成。在钢围堰直线壁板两侧各设一组贝雷梁（每组2片），将所有钢浮筒联结成整体，形成钢围堰拼装浮动平台。

3.2 浮力验算要点

钢浮筒浮平台的自重G主要为钢浮筒、封端板、贝雷梁、拼装垫梁等构件自重组成，承受的荷载W主要由底节围堰自重及施工机具及人员等施工荷载组成，钢浮筒浮平台的总浮力F由钢浮筒提供。为保证浮平台安全，满载后吃水线宜控制在钢浮筒圆截面直径附近，即满足G+W≈F/2。此时浮平台抵抗不均衡荷载的能力较强，干弦高度亦能满足围堰拼装施工要求（见图1）。

3.3 贝雷梁检算要点

围堰壁板分割成若干节段进行吊装，分割板块水平长度与钢护筒间距尺寸相同，吊装时使每个板件两端支承在浮筒上。拼装按照先直线段后圆弧段及直线段按照由中间向两端对称的顺序进行。贝雷梁检算按照吊装中间2块和吊装中间4块壁板两种工况进行分析计算。在拼装中部2块（或4块）壁板并焊连后，在浮力及壁板两侧防倾覆斜拉线的作用下，壁板下3个（或5个）浮筒与壁板紧贴，即吃水深度相同（浮力相同），已拼壁板两端以外部分的贝雷梁按悬臂梁进行强度及挠度检算。

4 钢浮筒平台制做及拼装工艺要点

4.1 钢浮筒制做及密闭性试验

用于深水基础的大直径钻孔桩钢护筒焊接质量能满足浮筒的要求，因此可直接用来制成钢浮筒。2.8 m直径的钢护筒两端采用10 m m厚钢板焊接封端，并在每节浮筒中部（壁板下）设置一道米字型角钢加强支撑，防止在吊装壁板时浮筒产生局部变形，钢浮筒下水前应按工作压力的1.5倍进行密闭性试检验，合格后方可使用。

4.2 钢浮筒平台拼装

钢浮筒浮平台应在近岸浅水区分组块进行拼装，然后再组拼成整体。本工程钢浮筒分成4个组块进行拼装，两侧直线段壁板下各5根9 m长浮筒为A组块，两个圆弧端壁板下各2根31 m长浮筒为B组块，组块B长浮筒按9 m+13 m+9 m顺序用法兰连接。组块拼装时，在浮筒两端封端板中上部设置一道水平连接杆（[22槽钢），将各浮筒按设计间距连接成整体，两根浮筒之间设置水平交叉拉杆（钢筋Φ25），使组块形成平面稳定结构。拼装好的组块用钢丝绳临时系于岸上锚桩上，全部完成后将4个组块连接成整体，利用锚碇系统进行临时固定，然后吊装贝雷梁组。2组贝雷梁对称布置于直线壁板的内外侧，每组贝雷梁由2片组成，中心间距0.9 m，2片之间每隔3 m设一道横向垂直支撑架，上弦每隔3 m设置一片水平支撑架。贝雷梁下弦用槽钢与钢浮筒扣连。在壁板两侧与贝雷梁之间铺设1.0 m宽走道，以方便操作。

5 钢浮筒浮平台拼装工艺要点

5.1 拼装垫梁铺设

钢套箱围堰两侧壁板直线下各设置2组垫梁，垫梁中心间距与壁板相同（1.5 m）。每组垫梁由2根工字钢I 32 b组成，中心间距0.3 m，用10 m m钢板进行连接。垫梁段在岸上分段加工，运至平台上进行接长，整体定位调平后，用铁件与钢护筒扣连。钢套箱围堰两端圆弧壁板下各设置9根垫梁，垫梁长9.0 m，间距2.0 m，采用I 32 b工字钢，用铁件与钢护筒扣连。全部垫梁必须在同一平面上，保证底节围堰顺利拼装。

5.2 钢围堰底节拼装

在拼装垫梁上放出钢围堰的轮廓尺寸线。拼装钢围堰底节时，按照先直线后圆弧的顺序进行，直线段由中部向两端对称拼装，合拢块设在两端圆弧段的中部。直线段块件拼装时，在壁板重力和浮力的共同作用下，平台（贝雷梁）中部向下弯曲，两端上翘，一侧壁板拼装后浮筒下沉而发生平台倾斜，因此在拼装壁板时，按照通过向未加载的浮筒注水或压重的方式，减少弯曲并基本达到整体平衡。

壁板吊上平台后，用倒链进行精确定位及垂直度校正，用千斤顶支顶加支垫的方式进行标高调整。中间2块壁板吊上平台后，通过向两端浮筒注水使3个承力浮筒基本平衡，精确调整并将2块壁板焊连后，即排除平衡水，再进行下一块吊装。

圆弧段拼装时，根据合拢块的实际尺寸进行放线，拢口尺寸比合拢块略大5 m m～10 m m，严格控制拢口两侧的块件拼装的垂直度，保证拢口上下尺寸一致。合拢块吊装时，保持缓慢垂直插入，中途发生插入困难时，不得强行下插，避免卡死，待查明原因处理解决后再重新插入。

围堰底节拼装完成后，严格检查所有焊缝的质量，并进行渗透性检验，确认合格后，方可进行下水作业。为防止底节下水时由于局部不均衡下沉产生变形，采取临时加强措施，即在四个角部采用630 m m×10 m m螺旋钢管设置临时加强斜撑杆，增强围堰的整体性和直线段壁板的侧向稳定性。

6 底节围堰下水要点

6.1 下水地点选择

为保证底节围堰下水后，钢浮筒平台打捞及底节围堰自浮后接高拼装同时进行，下水地点应离开墩位，具体地点选择在墩位下游附近。必须对围堰下水范围内河床进行详细探查，避免河床局部存在突出岩石影响围堰下水。

底节围堰拼装完成后，嘉陵江井口段封航2 h，用2艘400 t拖轮将底节围堰和平台浮运到下水点，在墩位下游附近用锚碇系统进行定位。下水地点水深需满足下列条件：

其中：D——钢护筒直径

h1——拼装垫梁高度

h2——围堰自浮吃水深度

6.2 注水系统设置与安装

注水下沉系统由进水管、出气管、水泵、阀门、集中控制柜组成。进水管伸入浮筒内底部，出气管底位于浮筒内上部，进水及出气管道贴近浮筒顶面处安装控制阀门，并用高压软管引至围堰壁板上部固定。水泵采用小型潜水泵，悬挂设在围堰的外侧，在水泵出水管处设阀门，然后与进水管连接。高压软管留足浮筒下沉及排水浮升作业所需长度。控制柜安放于工作船上，柜内水泵控制开关与水泵、管道对应编号。钢浮筒平台注水前，对注水系统进行调试，检查各台水泵单位时间的出水量，并据此对水泵出口处的控制阀开启程度进行调节，全部调试达到一致后进行标记。

6.3 设置附加浮筒

由于设置垫梁的原因，当钢浮筒全部没入水中时，钢浮筒提供的浮力不再增加，此时围堰尚未入水，由于围堰不能及时地提供浮力而造成整体加速下沉，直至围堰入水提供浮力才能逐步达到新的平衡。为减缓整体下沉速度，在围堰两端B组块浮筒两端上部各增加一个直径0.8 m、长8 m的附加浮筒，并与主浮筒可靠连接，以保证围堰缓慢入水。

6.4 底节围堰下水

本工程钢浮筒浮平台根据计算，仅B组块平台钢浮筒提供的浮力已大于总荷载，因此底节钢围堰下水时，先对直线段壁板下A组块平台10根钢浮筒分两批对称注水下沉及抽离。然后再对圆弧端B组块平台钢浮筒注水下沉，底节围堰自浮后，将B组块平台钢浮筒注水沉至水底。主要操作要点如下。

①钢浮筒注水过程必须随时观测围堰角部顶面标高，当发生不均匀下沉时，通过调整各浮筒的注水量进行调平控制，保证平台下沉过程基本保持平稳，并做好浮平台整体下沉量的记录。

②计算每批浮筒脱离平台时的注水量与平台整体下沉量的关系，当平台整体下沉量接近达到该批浮筒脱离计算注水量时暂停，解除该批钢浮筒与垫梁、贝雷梁等相关连接，再开始注水，并注意观察浮筒脱离情况，当间隙满足抽离要求时即停止注水，将浮筒进水口和出气口处阀门关上，摘除管道后，由人工将浮筒缓慢推出平台范围，用小型机动船将浮筒拖到岸边。

③底节围堰浮平台两端的B组块平台是由2根31 m长浮筒组成，每根浮筒由3节互不相通的浮筒连接，必须先对中间浮筒加注至计算注水量后方可对两端浮筒进行注水，以减小不平衡力矩对围堰整体平稳的影响。

④当浮筒顶面接近入水时，应暂停注水。平台及围堰上的工作人员撤离到工作船上后，再继续采取缓慢间隔注水，每隔3 m i n～5 m i n停顿观测一次围堰顶面水平、下沉量及下沉速度，出现异常时即停注调整，直到围堰底入水。

⑤从围堰底部入水时起，注水下沉过程是体系内重量和浮力同步增加的过程，即随着浮筒内的注水重量不断增加，底节围堰随着下沉浮力也等量增加，系统内浮力和重量始终保持平衡。当围堰下沉至自浮深度时，浮筒再缓慢间隔适量注水，使平台脱离后即可停止注水，同时关闭进水及排气管上端阀门，平台沉落至水底。

底节围堰下水作业完成后拆除水泵，将沉入水底的浮筒上的进水及排气管上端移到工作船上，清理现场，为围堰移位作准备。

7 底节围堰移位

底节围堰下水自浮后，利用上游主锚，通过卷扬机收紧主锚钢丝绳进行牵引，同步放松尾锚，将底节围堰牵引到墩位处。采用锚碇系统定位后进行上节围堰拼装、注水下沉着床等作业。

8 浮平台充气排水浮升

底节钢围堰浮运离开下水地点后，即可对沉入水底的B组块钢浮筒进行充气排水浮升作业。充气排水浮升系统由充气管、出水管、空压机、分气缸、阀门、气压表、控制柜组成。作业时用空压机向B组块两端的4个浮筒充气排水，使其平台整体上浮。其施工要点主要包括如下几个方面。

充气管和排水管安装：利用B组块长浮筒两端浮筒注水时的排气管作充气管，并将其与空压机系统进行连接，安装好经校验合格的压力表。排水管利用浮筒注水时的进水管，在其上端接约1.5 m长的钢管，钢管固定在工作船上的支架上，钢管出口设45°弯管，可将水排至船外。

平台浮升作业：充气排水系统安装完毕后，将空压机的排气量放在低档位后启动空压机，检查系统的运行情况，确认排水管有气体（或水）喷出后，将空压机的送气开关由低档逐步向高档位调节，直到排水管喷水。当出水压力过大时，可适当调低风压。随着浮筒内的排出水量大于沉入水底的平台总重量时，平台便整体上浮，直至平台漏出水面0.5 m左右即可停止。

停止充气排水后，解除充气排水系统后用机动小船将浮平台拖至岸边，用水泵将浮筒内剩余水排出，然后将平台解体运送上岸，浮筒整修复原后用于钻孔桩施工。

9 结语

钢浮筒浮平台利用钻孔桩钢护筒和钻孔平台所需构件、材料加工拼装而成，围堰拼装下水完成后，钢浮筒修整复原后再用于钻孔桩施工，降低了钢材及周转性材料的消耗量，施工成本大幅降低，取得了较好的经济效益。

注水下沉作业及充气排水浮升打捞作业，采用常用的水泵、空压机等小型机具设备，均具有设备简单、操作简易、下水速度均匀可控、安全可靠等特点。

用钢浮筒浮平台拼装施工组织快，在底节围堰加工完成前即可完成，不占用工期，大大缩短工期。

钢浮筒浮平台拼装双壁钢围堰在桥址现场进行施工，对施工环境要求不高，不需要围堰拼装码头、大吨位平板驳船、大型吊装设备等，只要水深满足钢围堰下水自浮即可。钢围堰拼装施工均在浅水区域进行，避开了主航道，且不需封航进行长距离浮运，减少了对水上交通运输的影响。