摘要：松花江大橋主橋采用3×138m大跨度預應力混凝土連續梁結構,主墩基礎采用雙壁鋼圍堰進行施工,本文介紹了松花江大橋雙圓形雙壁鋼圍堰的設計及在深水河床的相關施工技術。松花江大橋雙圓形雙壁鋼圍堰的設計及施工可為類似隧道無砟軌道的施工提供有益的幫助和參考。
關鍵詞：松花江大橋,雙圓形雙壁鋼圍堰,設計, 施工技術
雙壁鋼圍堰是深水橋梁基礎施工中的一種重要手段，傳統的雙壁鋼圍堰是一個帶有單斜面刃腳的圓形雙壁全焊水密鋼結構圓筒，圓筒的內、外壁形成的空間稱之為鋼殼。內、外壁由鋼板圍焊而成，圓筒上、下均不設底板或蓋板，鋼殼下口以環形單斜面刃腳封閉，鋼殼上口敞開，以方便施工時往鋼殼內灌注混凝土或注水。雙壁鋼圍堰作為擋水結構，承受的主要荷載為水壓力，故其合理的受力結構形式應為圓形。在松花江等水流速度大的江河中修建跨江河工程中，橋梁水中擴大基礎圍堰工程類型的選擇較為復雜，既要考慮水深及流速，又要考慮工期及工藝的要求。采用土石草袋圍堰因其水深及流速影響已經不能適用高流速和深大江河中橋梁的建設，而采用常規的鋼板樁圍堰因河床覆蓋層薄無法打入固定。基于以上的顧慮，國道主干線哈爾濱繞城高速公路東北段松花江大橋采用了雙壁鋼圍堰進行基礎施工。論文介紹了本文介紹了雙圓形雙壁鋼圍堰的設計及在深水河床的相關施工技術。
1.工程概況
國道主干線哈爾濱繞城高速公路東北段松花江大橋全長2324.92m，大橋主橋采用3×138m大跨度預應力混凝土連續梁結構，橋寬28m，雙向四車道，主橋基礎為鉆孔灌注樁加承臺結構，每墩16根Ф2.0m的鉆孔樁，梅花形布置，間距5.2m，以整體式承臺連接，承臺尺寸為29.5m×13.9m×4m。主橋有二個主墩常年位于松花江主河道中，經方案比選，承臺與下部墩身的施工采用雙圓形雙壁鋼圍堰施工方案。雙壁鋼圍堰幾何尺寸為外徑22.4m、兩圓心距15.6m、高21m、隔艙厚1.2m。施工時圍堰內外最大水頭高差達20m，其結構和受力復雜，承受荷載較大，屬于典型的設計和施工難度較大的大型雙壁鋼圍堰結構，同時雙圓形結構也是一種較新穎的結構，更加大了設計與施工的難度。
2. 雙圓形雙壁鋼圍堰設計
國道主干線哈爾濱繞城高速公路東北段松花江大橋采用了鋼圍堰進行基礎施工。若鋼圍堰采用圓形結構，則其直徑及重量太大，既不經濟，施工難度也大，明顯不合理，經過方案比較，本工程鋼圍堰采用“8”字形(異形)雙壁雙圓組合結構。雙壁雙圓組合形構造的受力情況較矩形和圓端形更為合理，整體結構的穩定性也更強;鋼圍堰除作為臨時擋水結構外，其內壁也兼作承臺的側模板。其設計思路如下：選用圓形雙壁鋼圍堰，不需要內支撐，對圍堰內施工無干撓。同時，雙壁鋼內、外壁鋼板厚度根據下沉最不利工況計算，雙壁鋼圍堰抽干水時按照鋼殼和壁內混凝土共同受力考慮。雙壁鋼圍堰抗浮設計按照樁基部分無浮力，樁基鋼護筒參與抗浮來考慮。圍堰參數設計本著受力條件好、穩定性強、施工方便、材料節約和可回收的原則進行設計。
2.1 圍堰結構設計
松花江大橋36號及37號墩承臺為條形，頂面水深14m。根據結構尺寸設計成內徑20米、外徑22.4米的雙圓形結構(如圖1)，即充分發揮了圓形結構受力條件好的特點，又最大限度的節省了材料。圍堰利用自身浮力進行回收。
雙圓形雙壁鋼圍堰結構設計共分為4個部分，即刃腳段、雙壁加強段、單壁段、內部橫向支撐梁。刃腳部分面板采用8mm鋼板，角度為30度;雙壁加強段內外面板及隔板均采用5mm鋼板，內部為空間桁架結構，水平主桁加強圈采用100×100×10或75×75×8角鋼，綴條用63×63×5角鋼，豎向間距按不同的高度荷載計算求得;豎向加勁肋采用50×50×5或63×63×5角鋼，周向間距按不同的高度荷載計算求得;圍堰中支撐桁架用100×100×10或75×75×8角鋼相扣成方管，空間用75×75×6做綴條組成桁架，豎向間距與加強圈相同。為簡化圓形鋼圍堰的受力計算，對環板和水平斜撐計算時考慮壁板40倍板厚的寬度參與受力;豎向加勁肋按多跨連續梁計算，同時考慮壁板40倍板厚的寬度參與受力;板按支撐在豎向加勁肋上的多跨連續板計算。澆筑承臺前鋼圍堰最大抽水狀態為最不利工況。鋼圍堰受力主要計算荷載有靜水壓力、土壓力、施工荷載以及壅水所產生的壓力等。澆筑承臺時鋼圍堰外設計施工水位采用13m，土埋置深度3.5m，壁倉內的水位9m ，計算水流流速1.5 m/s。
2.2 雙圓形雙壁鋼圍堰空間分析計算
用空間模型進行分析計算，外壁板、內壁板、水平加強圈采用空間板殼單元，豎肋采用空間梁單元，水平斜撐采用空間桁架單元，即兩端與水平加強圈采用鉸接連接。主要計算荷載：靜水壓力、土壓力、浪擊力與風荷載(此處作用較小可忽略不計)、施工荷載。經計算：
⑴ 壁板參與受力的寬度h0 采用Q235鋼200mm;當加強圈采用100×100×10角鋼，綴條用63×63×5角鋼。豎向加勁肋采用50×50×5或63×63×5角鋼。圍堰在中間支撐采用 100×100×10或75×75×8角鋼相扣成方管，組成雙肢柱桁架。
2.3 雙圓形雙壁鋼圍堰穩定性驗算
在圍堰下水之前要在冰面上測放出圍堰的準確位置，并且在圍堰的內外打入鋼管樁同時起導向作用和約束鋼圍堰不發生滑移。圍堰內部的導向樁和施工平臺連起來形成整體，增強穩定性和增大抗沖擊力。在圍堰的第一階段下沉時冰也對圍堰也起約束和導向作用。在圍堰的內部上游打入4根鋼管樁,主要用來抵 抗因水流的沖擊而產生向下游滑移的頃向，鋼管樁打入河床深度不小于5米,上部和施工平臺相連接。經計算抗滑安全大于2.0，因此不發生滑移。
圍堰的長寬比較大，為2.18，且質量均勻并有導向鋼管約束不會發生傾覆，所以不必進行抗傾覆驗算。在承臺澆筑前最大的抽水狀態下，對鋼圍堰及封底混凝土的自重是否能克服浮力的作用考慮，進行鋼圍堰浮力穩定性檢算。由于受河床標高及圍堰入土深度的控制，封底混凝土采用C20水下混凝土，厚度為2米;封底混凝土底面的水壓力以18米計;僅靠鋼圍堰、封底混凝土、壁倉內注水等的重力不能克服浮力作用。因此，必須考慮封底混凝土與基樁間的粘結力，在封底前由潛水員對封底混凝土范圍內的樁身表面進行清理并鑿毛，保證封底混凝土和樁身之間能夠很好的粘接，計算中取封底混凝土與基樁間單位面積的粘結力為0.5MPa。經計算，合力大于浮力，滿足要求。
3. 雙圓形雙壁鋼圍堰關鍵施工
3.1雙壁圍堰的制作
雙壁圍堰在工廠按互換件和對號入座的方法制成塊件，汽車運至江邊，在墩位處進行現場拼裝。各節、塊之間安設防水膠條，利用龍門吊對組裝后圍堰翻身。圍堰內外壁進行滿縫施焊，確保無焊傷、無漏焊、無砂眼;鋼板與角鋼水平桿的焊縫長度大于100mm,間距不大于80mm;角鋼骨架的焊接進行滿焊。施焊盡量避免立焊或仰焊，以保證焊接質量。在骨架塊的外壁板上，焊接吊環，組裝成型后對圍堰尺寸、高度、傾斜角以及施焊質量進行檢查驗收，并作漏水試驗以確保不漏水。
3.2 圍堰下沉
圍堰分兩階段下沉，第一階段在鉆孔樁施工之前將圍堰下沉至河床;第二階段待鉆孔樁完成后再將圍堰下沉到設計位置。
第一階段：在施工平臺上固定若干10T倒鏈，用于固定已拼裝好懸浮于水中的圍堰，在圍堰入水前用測量儀器測準承臺的位置，在圍堰的上下游分別打入導向鋼管樁，使圍堰入水位置準確并能夠抵抗水的沖擊。待圍堰頂部降至水面以上位置時固定倒鏈，使其處于懸浮狀態，然后再拼裝第二節圍堰，第二節圍堰和第一節圍堰加固好后繼續下放，利用自重不下沉后在圍堰的雙壁間對稱注水使其下沉。圍堰下沉著陸河床后停止下沉圍堰，把圍堰和導向鋼管樁固定，將懸掛倒鏈鎖死。
第二階段：在施工平臺上進行鉆孔樁施工，待承臺內鉆孔樁全部完成后，配合使用吸泥機和砂石泵在圍堰內側刃腳附近將泥砂吸出，使圍堰下沉，直至設計位置。注意吸泥機和砂石泵要在圍堰四周均勻布置，保證圍堰均勻平穩下沉。
3.3 封底
圍堰下沉完畢，對圍堰內河床按方格網坐標分區域逐塊吸泥，將泥砂清理干凈，由潛水員水下逐塊、逐片檢查，測量標高合格后澆注水下封底混凝土。在各階段施工時要注意圍堰內外的水面高差，防止出現翻砂現象。封底前對各樁樁頭進行清理，確保封底混凝土和樁基良好連接，以增強封底混凝土的抗壓能力，減少封底混凝土的厚度。
封底混凝土灌注采用一次性布設導管法，剪球順序由四周向中間，施工時防先剪球的導管混凝土擴散到未剪球的導管位置。
3.4 圍堰回收
水中墩施工完成后清除圍堰內外所有約束，在圍堰內充水，然后抽出壁倉內的水，靠水的浮力將圍堰浮起，畢要時可用吸泥機清除圍堰外壁周圍的泥砂，以減小摩阻力便于圍堰浮起。圍堰浮起后在水面以上進行切割，分成小塊后由駁船運出。
4 結 論
松花江大橋雙圓形雙壁鋼圍堰在施工過程中經受了多次洪峰和冰排的考驗，且施工效率較高，相對于同類結構而言，該鋼圍堰用料省，其回收施工方法是切實可行的，實踐證明，該結構具有較高的安全性和較好的經濟性，可為類似工程雙壁鋼圍堰的施工提供很好的借鑒經驗。
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