围堰气囊法下河的工艺计算及实际应用
围堰气囊下河法因为适应性强，投入少等优点，在桥梁基础施工中得到越来越多的应用。但是，其目前的理论研究还不完善，急需进行系统的研究。本文首先对气囊的特性进行研究，得到简化模型。在此基础上，对围堰下河过程进行静力与动力的理论推导与计算，从而得到围堰下河过程中的入水角度、前端入水深度以及运动速度等信息。并通过实例计算，验证本文理论算法的可行性与准确性。最后进行参数分析，提出坡道初始角度、断缆位置以及水下开挖等方面的建议措施。
关键词 :围堰:气囊;下河:入水角度:入水深度:坡道
第1章绪论
1.1简介
现代桥梁一般采用桩承台基础，其由桩和连接桩顶的承台所组成，依靠桩将作用在承台上的荷载传至地基。在桥梁的修建过程中，经常要在水中进行基础的施工。而承台通常采用大体积现浇混凝土，其施工需要在无水条件下进行。围堰就是桥梁墩台基础施工中用于防水、挡土的临时性围护结构，如图 .1-1 所示。围堰一般用完即拆除回收，也有不拆除而与承台成为永久性结构的。在桥梁深水基础的承台施工中，目前中多使用双壁钢围堰结构。
围堰的种类按照材料划分，主要有土石围堰、木质围堰和钢围堰。钢围堰中，钢板桩围堰、钢管桩围堰以及双壁钢围堰是目前使用最为广泛的三种围堰。
围堰施工的方案不同，下水的方法也不尽相同。目前对于双壁钢围堰，较为经济与常用的方法是气囊法下水。围堰拼装时在下方布置气囊，拼装完成后气囊充气抬高，在一定坡度(通常为 8%~12%)的坡道上将围堰断缆自由下放，围堰依靠重力的分力加速下滑下水。在下水之前要先进行设计与验算，合理布置现场条件(如坡度、坡道长度、围堰增加浮力措施等)，这也是本文研究的内容。
目前围堰下河方法
围堰下河方法与围堰尺寸大小、重量、施工环境、当时所具备的起吊装备能力有关[。主要有以下几种。
1.2.1千斤顶系统起吊下放
在基础施工中运用此方法，先建立钻孔平台，进行钻孔施工;钻孔完成后，在平台上拼装围堰，并接高护筒;再拆除部分平台，利用千斤顶起吊系统进行围堰的下放!7。
如图 1.2.1-1，为某工程的钢套箱围堰构造图，该墩台基础工程采用的是“先平台后围堰”的施工方法。即先搭设钢栈桥、钻孔平台，进行桩基施工，随后利用钻孔平台焊接牛腿支承作业平台，进行围堰的拼装，并利用千斤顶起吊系统进行围堰(套箱)的起吊和下放，最后进行围堰基础清理、封底、抽水以及承台的
施工。施工流程图如 1.2.1-2 所示。这种方法的优点是:无需投入浮运围堰的大型机械设备，相对而言比较经济:缺点是拼装时间较占用工期，对在关键线路上的基础工程施工要充分考虑工期要求。
1.2.2整体起吊法
整体起吊下河，就是先拼装好围堰结构，再利用大型浮吊将其运至施工位置.整体起吊下水的方法。这种方法有以下适用条件:
表 1.2-2 整体起吊法下水的适用条件
下水方法
适用条件
1、围堰必须在便于浮吊站起吊的地点事先组拼好，
整体起吊法
2、吊船各项参数(起吊重量、吊高、吊距)满足施工要求
3、符合要求的浮吊能够顺利行驶进入作业水域
4、围堰结构满足起吊受力和变形要求，通常需要加设内支撑
因此，先搭建钻孔平台进行桩基础施工、后下放围堰从而施工承台和墩(塔)身的场合比较适合用整体起吊下河方法。根据调查，目前能够进入长江中、下游的大型浮吊最大起重能力约 1200 吨，但是由于长江上的桥梁等一般有通行高度及宽度限制，因此可用浮吊完成下河的施工用大中型围堰重量只能在 1000 吨左石。
这种方法的缺点是:大型浮吊使用需要提前预约:受沿途所通过桥梁净空的限制，事前应当充分调查清楚:由于使用时间短，其进出场费用高，成本较大。
1.2.3 沉船法
沉船法，就是在拼组船上拼装好围堰，经水密性检查合格后，向拼组船各船舱内均匀对称压重、灌水，使围堰连同船只一起徐徐平稳下沉入水，直至围堰达到自浮状态并脱离拼组船只。这种方法有以下适用条件:
1船主同意驳舶做沉船使用且船体质量可靠、密封性能好:
2)驳船上高出刃脚将军柱及所有杂物等清理干净:
3)船时水流应平缓:
4)沉船位置应选择在砂层或岩面，不能选择在黏土层，且覆盖层不能太厚。
同时提前对沉船处海滩河床面不平问题加以处理。
沉船法优点是投入机械设备少，经济实用;缺点是对船体质量要求高且船主同意沉船，此外对沉船位置的河床也有一定要求。
1.2.4底节气囊下河法
由于桥梁建设的规模加大，围堰尺寸与重量也随之增加，且施工工期缩短，之前提到的许多方法不再适用。受到船舶气囊下水法的启发，我国特大型、超大重量围堰下河方法取得了重大突破，非控制下放的围堰断缆气囊法整体下河技术解决了特大型围堰快速下河难题，实现了快速施工7。断缆气囊法整体下河技术
原理:在具有平行边围堰壁的长边井壁下方，布设能够滚动前行的圆柱状气囊支承围堰，围堰依靠坡道形成的重力分力在气囊承托下自行快速向前移动滑入水中自浮，瞬间完成围堰下河
适用条件
1、围堰本身具备平行边井壁结构，底面为平面形状
2、围堰拼装、下河处场地须紧邻水边，并且有 3%~6%的自然坡度，
气囊法
入水口水深满足围堰下河后吃水深度要求
3、河岸地面条件较好，能满足气囊支承承载力需要
4、所选场地有施工用吊机、汽车等设备进出的道路，电力供应充足
这种方法的优点是:适应大尺寸、大吨位围堰下河，下河快速安全;投入机械设备少且能重复使用:所需施工配合费用少，节省成本，效益明显。缺点是:对下水口的水深要求高，须事先予以清理;增设的滑道设施，入水后较难打捞。
1.2.3国内外围堰下河发展现状
1
国外深水桥梁基础(主要是欧美尤其是日本)多以沉井、沉箱基础、管柱基础、地下连续墙基础为主。没有类似工程双壁钢吊(套)箱施工实例。
2
国内大型钢围堰通常采用底节钢围堰轨道滑行下水、整体起吊下水或现场分
块拼装的方法施工，其余节段采用现场分块拼装、分节接高下放:整体吊装:分块制造、墩位组拼成整体后下放的方法施工
1)芜湖长江大桥的 10#、11#主塔墩，采用大直径双壁钢围堰兼作钻孔平台法施工，围堰直径为 30.5。10#墩围堰第一、二节总重量 189.84t，采用滑道法下河:11#墩围堰第一、二节总重量 167.18t，采用前端牵引后端地龙控制速度的气囊滚动法下河和围堰分片下水、水中对拼等方法，钢围堰采用导向船进行定位。2)南京长江二桥的南、北两主塔为 21 根3m，长度分别为 102，87m的钻孔浇筑桩。承台基础采用了圆形双壁钢围堰导向船定位施工法，圆形双壁钢围堰外径 36m，内径33m，围最大高度为65.5。钢围采用块件拼接的方式拼装和下沉，即钢围堰在岸上制作底节，底节沿滑道下水，浮运至墩位，然后在底节上逐步拼接块件接高围堰，壁仓灌水，通过壁仓水位调整围堰与重力平衡，使围堰下沉至河床。
3)润扬长江大桥索塔基础由上游承台和下游承台通过系梁连成整体，整个结构平面呈哑铃型。单个承台平面尺寸为 21.6x21.6，系梁平面尺寸为19.837mx12m，承台、系梁厚度均为 6.0m。承台及系梁采用双壁钢吊箱作为临时挡水结构。钢吊箱采用整体拼装、整体吊装的施工方法。
4)南京长江三桥北主塔承台采用哑铃形双壁钢围堰施工，双壁钢围堰高19.1mm，总重1709.0t。首节钢围堰重 446.355t，整体吊装入水，钢围堰水上接高、吸泥辅助下沉。
5)苏通长江公路大桥的主塔墩为群桩基础,高承台，平面尺寸113.75mx48.1。采用先搭设钻孔桩施工平台，钻孔桩完成后在钻孔平台上现场拼装钢吊堰，围堰总重量近 5000t，采用了钢吊箱，通过千斤顶控制同步吊放下沉。
6)天兴洲长江大桥的主塔墩位于长江主河槽，2#主墩 32 根3.4 钻孔桩，采用双壁吊箱围堰(57.6x31.20mx14.5m定位施工技术，3#主墩 40根03.4m 钻孔桩，采用双壁吊箱围堰(69.5mx44.x15.0m)底节下河采用气囊法7)南京大胜关长江大桥的主墩采用钢吊(套)箱施工，钢吊(套)箱平面尺寸为 80mX38m(长X宽)，高度 26.，总重量6200t(5000t)，分为底节、中节和顶节三个分段，底节围堰高为 14.5m，重量 3100t(2900t)，采用气囊法下河。
8)安庆长江铁路大桥 3#墩基础施工采用双壁钢围堰方案，围堰直径达56m3号墩底节围堰高 20.08，采用底节气囊法下河。在堰内设置 2道钢承重梁结构和底托架结构，作为气囊法整体下河上滑道，滑道下方采用 36 只 1.8X8.0m 规格的承托气囊。围堰下河后临时错泊，以便完成落放托架和浮运编队工作。
9)蒙西华中铁路洞庭湖大桥 4#墩围堰为双壁圆钢结构，外径 50.5m，内径46.5m，底节高 10，围堰底端设置两条底托架作为滑道，共重 852，采用气囊法下河。下河后浮运墩位接高下沉。
由于气囊下河法具备适应大尺寸、大吨位围堰下河，下河快速安全，投入少等诸多优势，在桥梁基础施工中得到越来越广泛的应用。
1.3论文研究的目的与内容
1.3.1 论文研究的内容
由上一节的比较分析可以看出，围堰气囊下河法是今后水下基础施工方法的大方向，非常值得研究与发展。实际应用中，气囊法下水是围堰断缆后依靠自身的重力的分力加速下滑，这个过程是非控制下放的，不可控因素很多。而且，由于这种方法还未建立完善的理论，下河的布置主要依靠下河公司的经验进行。目前已经施工的围堰中，有部分围堰下河失败，失败的原因主要是理论研究不够，单纯依靠经验很难把握下河过程的重要影响因素。
围堰气囊法下水主要关注两个问题:第一，围堰下河过程中前端最大吃水深度，这直接说明围堰是否能够下水成功，以及能够下水成功时水下开挖的深度:第二，围堰后端会不会搁浅在岸边和水下边坡上，这主要表现在气囊的受力应当小于其承载力，以及围堰后端脱离岸边时的速度不能太小。本文主要从以下 4 个方面对围堰下河过程进行理论研究，讨论上述两个问题:
1、建立气囊受压模型，研究受压前后的高度变化与内压、承载力的关系，并结合实际情况简化模型，得出气囊承载力与受压后高度的简化曲线，为后续围堰下水计算提供依据。
2、对围堰下水过程中的入水角度与前端入水深度进行研究，并计算围堰下水过程中的运动状态。并通过参数分析，得出坡道参数对围堰下水的影响。
3、通过圆形围堰的实例计算，验证计算方法的准确性与可行性。
4、通过前述的计算与研究分析，得出围堰下河的布置要求
1.3.2论文研究的目的
本文的主要研究目的有以下方面:
1、通过下水过程的分析计算，帮助理解气囊法下水的过程，为实际工程提供可视化的下水角度与前端入水深度曲线，并得到重要的参数值。
2、通过计算与分析，研究下水布置要求，在现有下水经验的基础上为工程提供参考，推动围堰下水理论模型的建立与完善。
第2章气囊的受力性能分析
由于围堰气囊下水法是引自船舶气囊下水的方法，因此气囊的标准也是参考船舶下水用的气囊标准《CBT 3837-2011 船用气囊上排、下水工艺要求》。本章主要包括了气囊的参数与规格定义、气囊受压模型的建立、以及气囊的选用原则。
2.1围堰下水所用气囊简介
2.1.1下水所用气囊定义
围堰下水所用气囊是船舶气囊下水专用的下水设备，其在陆地上移动大型构件和在水中打捞沉船等也有广泛应用。气囊有起重气囊与滚动气囊两种:起重气囊主要用于垂直起升或下降船舶、围堰等大型产品，滚动气囊则主要用于配合并保证船舶、围堰等大型产品顺利实现纵向滑移。
气囊所用的材料主要有橡胶和帘线。橡胶是基础材料，采用品质较好的橡胶可以提高与帘线的粘接强度，提高气囊耐磨性和抗老化能力，提高气囊使用寿命等，而帘线的布线方向决定了下水气囊的结构，对于多层结构来说，其囊壁的强度在各个方向均的衡性非常重要，下水气囊在不同的工作高度下，其主应力方向也不相同，当主应力的方向与帘线的布线方向不一致时，布线薄弱的方向就决定了气囊的承载强度因此，多层帘线的分布要尽量保证气囊各向强度的均衡性以适用于保证不同的主应力方向。
2.1.2气囊的规格尺寸
下水气囊的尺寸定义如图 2.1.2-1 所示。其中，D 为气囊的公称直径，L 为气囊总长度:ab 段为囊头，cd 段为囊尾， bc 段为囊体。
围堰下水所用气囊，其规格主要由公称直径 D 与囊体长度 Le 决定。现今使用的气囊，公称直径 D 一般有 0.8m，1.0，1.2，1.5，1.8 与 2.0 六种尺寸，囊体长度主要有 8m，12，14m，1m等规格。
2.1.3气的技术参数
气囊在正常工作时由于其内压的改变，其高度也会发生改变，气囊被压缩后的实际高度，称为气囊的工作高度，记为 H，记为P;。
围堰下水所用的气囊，有以下种类:
表2.1-1气囊的种类
种类 工作压力
低压气囊 0.03/D~0.069/D MPa
中压气囊 0.07/D~0.099/D MPa
高压气囊 0.10/D~0.14/D MPa
2.2气囊受压模型
2.2.1基本假定
气囊是非平衡态高弹体，其受压的过程是非常复杂的。为了便于对其承载性能进行研究、分析与简化，本文作了以下几个基本假定:
2.2气囊受压模型
2.2.1基本假定
气囊是非平衡态高弹体，其受压的过程是非常复杂的。为了便于对其承载性能进行研究、分析与简化，本文作了以下几个基本假定:
基本假定
1.气囊为圆柱形平衡弹性体。由于围堰尺寸较大，气囊长度一般在 8m左右，而气囊两端锥体部分占的比例较小，故可以不考虑锥体的影响而将围堰视为圆柱体
2.气囊材料均匀，各向受力平衡，径向周长在受压时不发生改变3.气囊是一个封闭的系统，内部空气是理想气体，受压时质量不变4.受压时，气囊的横截面与围堰接触的部分水平，承担围堰施加的全部四荷载:没有与围堰接触的部分仍然保持圆柱体的形状，具体如图 2.2.1-1所示
第3章围堰气囊下水法过程计算
3.1围堰气囊下水法的过程分析与施工难点
3.1.1下水过程分析
围堰气囊下水法施工工艺流程如图 3.1.1-1 所示
施工准备
地错埋设
围堰底节拼装
围堰下气囊布置、充气
拆除围堰拼装支承点
气囊位置、数量调整
近江侧边坡换填、平整
近江侧边坡调整
近江侧边坡气囊布置
下河范围内的河床清淤
放松错绳、围堰起滑
断锚绳、放滑入水
拖轮绑定钢围堰
放困堰下垫板、收惜，气囊法回拉垫板
场地清理，进行下步工作
图 3.1.1-1围堰囊工艺流程以某工程的围堰(圆端形)下河为例，具体说明气囊法下河的工艺流程
1施工准备
结合现场的地质条件与水文条件等，确定围堰下河的施工方案。方案内容应当包括施工现场条件布置、下河过程的计算与分析、施工队伍的选择以及应急预案等
2、地错埋设
地错主要提供围堰在正式断缆下滑之前的后拉力。因为围堰停靠的位置具有一定的坡度，在加工时为了不让围堰下滑，需要用锚绳固定其位置。此外，当围堰在水中实现完全自浮之后，围堰下的底托板与底托架需由地错配合卷扬机用气囊法拉起回收。
地错布置在拼装围堰的后方(靠岸边)，根据围堰的下滑分力确定所需的错绳数量与错固位置。地锚结构为钢筋混凝土埋置式，顶与地面平齐，锚力通过外露的错环传至错体内。地错需及早布置，有基坑开挖、钢筋安装、硷浇注、等待龄期强度等工序，其中锚环受力安全系数要求不低于 2。如案例说明的工程，其后方有两根错绳，距离围堰约 30m，每个地错提供约 100t 的错固力。
3、底节围堰的拼装
按照设计要求，进行底节围堰的拼装。按先后顺序安装钢凳、拼装围堰外壁安装底托架与底隔舱，同时按照围堰下河及捆绑、浮运、拖拉等要求，布置其它的相关结构。
4、围堰下气囊布置、充气
围堰拼装完成后，在围堰下的支承点间按设计要求布置气囊。如本案例，在直线段按每 2.8m 空布置一个、每 4.2 空布置两个气囊方法设置，如图 3.1.1-3所示。
气囊在充气前，必须先布置好地错及卷扬机等装置，将围堰错固牢靠，使其在被顶起后不向前滚动。
5、拆除围堰拼装支承点
当围堰下的气囊充气后，围堰被抬起至设计高度，围堰拼装时的支承点(钢凳，混凝土柱等)已经托空，可以进行拆除。支承点需清理干净，并作地面平整，以不影响后序的气囊滚动。
6、气囊位置、数量调整
实际中，围堰支承点的位置与高度关不严格是按设计要求，而且工人对气囊进行充气时也会存在一些人为误差，会导致气囊的方向可能存在偏差、数量不够、工作高度偏大或偏小。因此拆除支承点后，必须对气囊的位置、数量以及工作高度等进行调整，使其与实际经验相符，满足下滑要求。
7、近江侧边坡换填、平整
围堰在前端入水之后，围堰前端会出现先下栽后上浮的过程，即入水角度先变大，后变小的情况，这样围堰下方的气囊受力会出现不均，入水角度变大时前方气囊受力急剧增大，入水角度减小时后方气囊受力急剧增大。一般气囊的受力能够满足设计要求，但是边坡的承载力也因此要有足够的富余度。
江边一般的原有边坡处的自然土为粉质砂土，近水处的 6m 左右范围内几无承载力，需用较细块的建筑垃圾换填，深度一般应在 0.5~l 左右，宽度范围对应于围堰不少于 80m，以免围堰下滑方向出现偏差时搁浅。压实后应表面平整无大块尖锐物，以免伤及气囊影响下滑。
此外，在水下的边坡，也应当按照计算要求进行开挖，同时满足围堰下滑的最大深度与最大角度及规范规定的边坡开挖要求。
目前，围堰下河过程中的入水角度与入水深度变化还没有理论算法，这一方面主要还是以经验为主。而开展理论计算的研究，正是本文的内容之一。
8、近江侧边坡调整
围堰下滑的坡道一般有三部分，围堰拼装停留的坡道、过渡坡道以及回事下滑的坡道。过渡坡道一般设计成抛物线，这样在下滑过程中底托板会自动适应抛物线段坡度的变化此项工作在围堰下滑前完成即可。
9、近江侧边坡气囊布置为准备接应滚动过来的围堰，在钢围堰近水端需提前布置气囊，范围自钢围堰处至水线向上8m的边坡区域气囊间距考虑气囊受力后相间有 0.5-1米的间隙。
10、放松锚绳，围堰缓慢下滑
所有上述准备工作完成，经相关检查及手续后，即可放松锚绳，起动围堰缓慢下滑。速度非常慢且均匀。如果不能下滑，要用事先准备的挖机从后方助推，
使围堰前进至加速坡道
11、断缆、放滑入水
在围堰缓慢滑动到设计的断缆位置处时，由工人把后方的错绳锁扣敲开，围堰开始加速下滑，利用其下滑力达到一定的速度，前端入水至至后端完全入水，达到自浮状态并在水中向前滑行一段距离。
12、拖轮绑定钢围堰
入水后的钢围堰会受江水流动的影响而漂移，为控制围堰位置，待命的拖轮应及时靠近并拴绑，使其稳定，不至漂浮及搁浅
13、放围堰下垫板、收锚，气囊法回拉垫板钢围堰运动稳定后，即可放下钢围堰底部的钢垫板，进行回收。
14、场地清理，进行下步工作
3.1.2施工难点
自 2006 年来，国内陆续进行过许多围堰下水的工作。从最初的气囊法控制下放，到如今的气囊法非控制下放，总结了许多成功的经验。但不容忽视的是，也存在着一些失败的案例。
本人通过反复观看围堰下河的视频与实际观测围堰下河的现场，发现围堰下河不成功的主要原因有以下 4 点:
1、围堰下滑方向偏离坡道方向，导致其偏出坡道而在岸上搁浅。
2、围堰加速坡道的角度设置有问题，或者围堰结构问题致其浮力过小，下水过程中围堰角度变化过大，引发气囊相继破裂，从而导致下水失败。
3、围堰加速坡道的角度、长度设置有问题，围堰入水时速度不够，虽然后端也能入水，但是入水时速度几乎为零，围堰后端在水下边坡处不能达到自浮吃水深度而发生搁浅。
4、围堰下方气囊或坡道的承载力不够导致发生围堰直接与地面接触，摩擦系数过大而停滞在坡道上。
本章主要从上述的第 24 条进行理论分析计算。
整修场地，恢复支承点，为下步拼装工作做准备
3.2下水过程静力计算
经分析，围堰下水的过程一共分为以下三个阶段:
(1) 第一阶段:围堰入水之前在岸上加速下滑:
(2) 第二阶段:围堰入水之后至围堰前端开始上浮:
(3) 第三阶段:围堰前端开始上浮至后端下水。
1、现有的计算方法
现有的计算方法主要计算步骤如下:
(1)根据实际需要，确定计算步长(如 3m)
(2)建立围堰的三维立体模型，用于得到围堰在任意前行距离下的排水体积与浮心位置。
(3)用力学分析软件(如MIDAS civil)，建立围堰下河的模型，将气囊假定为弹性支座进行静力分析。
(4)得到气囊的受力数值，再根据气囊受压模型，可以得到此时的围堰入水角度。再由入水角度与前行距离，可以计算得到此时的前端入水深度。
这种方法的优点是:可以较为准确地计算围堰的排水体积与浮心位置，计算得到的结果也较为准确:得到气囊的准确受力，便于检验气囊的安全性;在分析软件中，还可以将围堰考虑为刚体、半弹性体进行分析，可以与实际情况更吻合这种方法的缺点是:由于计算步长的限制，只能得到少数点的结果，如果计算步长减小，则工作量会急剧增大:为了得到最大的入水深度，在某段距离内必须减小步长，反复计算。
2、新的思路
气囊简化受力法由于采用选取步长计算法的局限性，不能连续地计算围堰下河过程中的各个参数。且计算繁琐，不利于实际应用。再者，气囊与围堰底板之间的接触也不是一个点，而是一个面，因此用集中荷载来模拟气囊对围堰的支反力也不完全准确。因此，提出了气囊简化受力法，这种方法是将气囊的受力简化为梯形的分布荷载，围堰的体积与浮心位置也可以通过简化与理论计算得到。这种方法的计算结果更加接近实际情况，有很好的应用前景。使得围堰下水过程可以连续计算,最大入水深度与围堰入水角度也连续计算具体计算如下列步骤。
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