安庆长江铁路大桥3号墩巨型圆围堰气囊下河技术
1、工程概况：安庆长江铁路大桥3号墩基础施工采用双壁钢围堰方案，围堰直径达56m。为实现底节围堰下河，经方案比选，3号墩底节围堰高20.08m，采用气囊法整体下河。通过在围堰内设置2道相互平行且与围堰井壁连接成整体的钢承重梁结构和底托架结构，作为气囊法整体下河上滑道。根据围堰结构并经计算，围堰滑道下方采用36只φ1.8m×8.0m规格的承托气囊。围堰下河场地选在下游一修船厂内，紧邻水边，尺寸约120m×150m，入水口地面坡度为6.25％。入水口采取挖掘清淤方式形成水深3m以上的陡坎，避免围堰入水搁浅。围堰下河后临时锚泊，以便完成落放托架和浮运编队工作。
宁安铁路安庆长江大桥是南京至安庆城际铁路 和单阳至景德镇铁路跨越长江的一座4线高速铁路 桥。大桥全长2996.8m, 其中主桥长1363m, 采 用1.5+188.5+580+217.5+159.5+116 m两塔六跨连续钢桁梁斜拉桥布置形式。3号、4号 墩为主桥的2个主塔墩，均采用钻孔桩承台基础，每 墩各设37根直径48.4(3.0)m 变直径钻孔桩，桩中心距 7.6m, 按梅花形布置；承台直径51 m, 厚 8m,承台 顶标高一6.0m、底标高一14.0m 。3 号墩近池州 侧，距他州岸边约120 m, 墩位处河床平均标高 -26.5m, 覆盖层浅，局部无覆盖层，枯水期3号墩 水深约30m, 汛期水深达40m²。
根据工期安排及3号墩施工环境，经技术可行 性、施工难度、风险大小、工期和经济投人等方面比 较，3号嫩基础施工最终采用双壁钢围堰方案，先围 堰后平台施工。图堰外径56 m, 壁 厚 2m, 总高 42.88m, 为目前国内最大直径深水围堰-3。图堰 分为3节制造拼装，除底节外，中节和顶节在墩位处 接高，采用散拼法吊装施工。
2 、底节围堰下河方案及其高度确定
2.1 底节围堰下河方案研究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，归纳起来有以下方法(1)先平台后围堰方案的吊船起吊围堰下河方 法或利用已成桩钢护筒接高后自设液压顶起吊下放设施实现围堰起吊入水。(2)先围堰后平台方案的围堰沉船法下河方 法或吊船(自设起吊设备)整体起吊下河再浮运至 墩位就位，(3)气囊承托的断缆气囊法门整体下河方法。(4)船厂专用轨道台车或斜船架承托的控制 溜放法整体下河。后3种方法理论上可用于3号嫩围堰下河。 2.1.1整体起吊法或沉船法下河方法整体起吊下河方法有以下适用条件：①围堰须 在便于浮吊站位起吊的地点事先组拼好，如深水码 头、先平台后围堰的墩位钴孔施工平台或数条驳船 组拼成的浮式水上拼装平台；②吊船各种参数(起 吊重量、吊高、吊距)满足要求；③符合要求的浮吊 能够顺利行进至作业水域；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，整体起 吊下河方法多用在先搭建钻孔平台施工桩基，后下 放围堰施工承台和墩(塔)身的场合。根据调查，日 前能够进入长江中、下游的大型浮吊最大起重能力 约1200 t, 受起昂物高度及宽度限制，可用浮吊完 成下河的施工用大中型围堰重量只能在1000t 左 右。其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，事前要充分调查清楚，虫于 使用时间短，其进出场费用高，成本较大。沉船法对水域水深、流速有特殊要求， 一般只能 在平静水城环境使用，且水深不能太大，否则给打捞 沉船带来难度；其次需对船体进行检查，作加固和密 封处理，并加设排水浮起装置。2.1.2 断缆气囊法整体下河方法2006 年以来，特大型、超大重量围堰下河方法 取得突破：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。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。其适用条件是：①围堰本身具备平行边井壁结构，围堰底而为平面形状；②围堰组拼、下河处场地紧邻水边，且有3%～6%的自 然坡度”,水边人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。目前长江中、下游用断缆气囊法将用堰从岸上转移至水上的重量达到了近3000t 。 断缆气囊法整体下河方法具有以下优点：①适应大尺寸、大吨位围堰下河，下河快速安全，整个过程仅几十秒时间；②仅需气囊、相应的充气设备及2台卷扬机、 钢丝绳等控制设备，所用设备少、简单，且可重复使用；③对采用高承台基础设计的先围堰后平台方案来讲，大量桩孔定位设施在岸上完成，和围堰一起下 河，既确保了桩孔施工精度，又减少了大最的水上作业量，缩短了施工时间；④所需施工配合费用少，节省成本，效益明显。
2.1.3船厂专用滑道控制溜放法整体下河方法船厂场地大小通常都能满足围堰加工制造要 求，但专用滑道地形的坡度通常较陡，围堰下河时需 多次转换和支垫斜船架以使围堰顺利从平地转移 至岸边滑道，耗时较长；另外，受施工时间限制，船厂 自身生产时间与围堰施工时间往往发生冲突，需事 前详细调查清楚。2.1.4围堰下河方法确定由于3号墩地处光板岩，基础规模虎大，桩位护 筒整体一次吊装下放时重量、吊距和吊高均超出浮 吊作业参数要求，只能分组吊装，在围堰下沉就位后 进行。因此围堰封底用隔舱须在围堰下河时安装完 成，以便用其作为护筒分组吊装下放时的导向定位 结构，确保护简下放时位置准确，并在浇注封底混凝 土时不会发生偏移。根据计算，整体起吊时因刚度 需要，围堰高度需达10 m 以上，重量约1000 t,如 果再加上定位护简群需随围堰同时下河的隔舱结构 重量，总下河重量超过1200t 。经多方比较，最后决定底节围堰采用气囊法下河方案，在船厂以外的 合适地点进行。
2.2 底节围堰高度确定底节围堰高度的确定原则；①刚度要求，其高度应满足计算受力需要，在最不利支承条件下结构变形在材料弹性允许范围内；②水上作业环境差， 应设法减少水上对位焊接工作量，降低施工难度，尽量使水上的工作事先在岸上完成，因此在满足受力要求的前提下将底节围堰高度做大；③围堰高度还应便于现场施工，底节人水后出水高度不能超过灌水压仓用水泵的扬程，否则施工困难；④围堰分节遵循结构形式进行划分，将井壁内部结构相同的划分在同一节内。根据围堰总高度和上述原则，最后确定围堰底节高为20.08 m, 中节和顶节高度分别3无平行边的圆形围堰气囊法下河施工要点3.1设置圆形围堰气囊法下河的支承滑道结构气囊滚动体只能沿直线滚动，所以断缆气囊法 整体下河技术的必备条件是：围堰自身必须具有2 条相互平行、长度足够且能支承自身重量、可沿直线 运动的上滑道结构，以满足围堰解除控制力后，围堰 沿直线白由向前滚动时始终支承在滑道气囊上。对 平行四边形(含矩形)、圆端形状的围堰，总能找到相 对较长且相互平行的2条围堰壁平行边，上滑道结 构问题很容易解决：旅工时将气囊支放在2条相对 较长的平行边围堰壁底部的托板下方就可实现围圾 滚动下河，但圆形围堰井壁为环形封闭结构，井壁 本身不能作为直线移动的承重滑道结构，因此，圆形 围堰气囊法整体下河的关键是解决上滑道结构。3.1.1上滑道承重梁结构上滑道由设在围堰内相互平行的与围堰井壁连 成整体的2道钢承重梁结构及支垫在其下方的底托 架结构组成，沿顺桥向分别布置在第2～第3排桩 (自小里程起算，下同)和第5～第6排桩之间的空 挡处，中心间距19.746m。 钢承重梁为双壁钢箱结 构，尖底，由壁板和端部加强板、竖肋、连接壁板的水 平桁架及尖底等部分组成。承重梁巧妙地结合围堰 封底用隔舱结构·并进行设计，两端与围堰内、外井 壁焊接连接成整体，下河时作为上滑道起支承整个 围堰重量的承重梁结构作用，下河就位后则作为围 堰封底分隔舱作用，承重梁双壁宽2.4 m, 总高8.438 m(含尖底部高),两承重梁之间设有高4.4 m 的联结系桁架支撑(防止其侧向失稳)。承重梁 做成尖底结构，且其底面比围堰井壁刃脚底高300 mm,目的是确保围堰在高低不平河床而上能够项 利着床，也便于围堰封底前各相邻隔舱之间如存在 互相连通情况时能封堵严密。围堰承重梁布置示意 见图2。为8.6m和14.2m。
3.1.2 底托架结构底托架托架及托板在组拼承重梁前事先摆放固定，再 进行承重梁和围堰组拼。围堰组拼后用钢索将各组 托架分别栓挂在承重梁顶部固定，待围堰下河后再 解除钢索使其自动脱离承重梁，围堰移开后打捞上 岸回收。圆形围堰气囊法下河支承体系见图3,围 堰承重梁托架布置示意见图4。
3.2 承托气囊设计计算及设置围堰下河使用的是一种圆柱状、长形橡胶充气 耐高压气囊滚动体，使用时均匀摆放在承重梁托架 (上滑道)和地面(下滑道)之间，当解除围堰控制拉
图4 围堰承重梁托架布置示意
缆后在围堰重力分力的作用下圆柱状气囊滚动体承托围堰向前快速移动冲入水中，从而实现围堰自岸 上搬运至水上。气囊直径有1.2,1.5,1.8m 等 型 号，采用何种直径大小气囊应根据围堰底部结构进行确定，使围堰被气囊安全托起后离地有足够高度， 3号墩围堰下河气囊选用*1.8 m×8m 型号(直径 1.8m, 长 8m), 其单个气囊受压后高度与气囊的承载力关系(其中气囊有效长度为7m) 见图5。
气囊受压后高度/cn图5气囊受压后高度与气囊承载力关系
根据图5可知，气囊在不同工作高度时的承载 力。当已知围堰重量且下河坡度一定时可计算出某个工作高度下气囊的使用个数，如围堰长度范围内地面有多个坡度时，则需根据不同坡度段的气囊高度计算所需气囊总数(取最不利情况),并考虑适当安全储备(K≥1.2～1.4) 。3号墩底节围堰从组拼场地移至下河场地需经过2种坡度，因围堰刚度原因，不同坡度段或同一坡度的不同位置围堰底和地面之间的距离各不相同，考虑气囊具有一定的调节能力，围堰整体下河支承气囊按3种高度考虑。 各种高度气囊使用数量和承载力见表1。
考虑所用气囊较为陈旧，实取气囊载荷安全系数为1 . 5,由表1可知，气囊总承重40180 kN,40180 kN/1.5>26000 kN(围堰自重),说明满足 受力要求。围堰下河共布置36只*1.8m×8.0 m 的气囊，每条滑道下放18只，气囊间距3m。 托架 和承重气囊布置见图6。
图6托架和承重气囊布置
围堰组拼焊接完成并经检验合格后，在承重梁托板下方穿入气囊准备起顶围堰。起顶时分批、分次逐步进行，先顶围堰前端，后顶尾端，起顶过程中保持气囊受力均匀。待围堰脱离围堰临时支墩时撤离支墩，使围堰全部改由气囊支承，然后再放松围堰后方控制拉缆，将围堰逐步滑移至下滑坡道上。滑移过程中需不断在围堰前方的托板下方喂入气囊， 直至滑至距水边规定位置。将所有承重梁下方气囊均匀充气，在围堰前端和入水口之间的地面上摆放数个已完全充气的气囊，迅速打开控制拉缆保险，让围堰快速滑入水中自浮。3.3围堰下河场地选取底节围堰组拼和下河场地选择在桥位下游的安 庆枞阳某修船厂，距桥位约21 km 。场地情况如下：(1)围堰下河场地紧靠江边，长约150 m, 宽约 120m, 能满足吊机组拼安装时站位以及适当的围 堰块件存放场地需要，场地后方布置有地锚、卷扬 机、滑车组等下河用控制系统设施。(2)原场地100m 长范围为平坡，下河方向靠 水边50 m 范围地面自然坡度10%。下河前将水边 至岸上80m 长范围地面坡度修整为6.25%,保证匀顺过渡。(3)场地土质良好，满足围堰组拼、下河时地基承载力要求，近入水口处地段进行了人工换填处理。(4)具备进场道路条件，满足围堰拼装用吊机 以及围堰下河所需的气囊、卷扬机、场地平整用挖掘 机等设施进出场；电力供应设施齐全，满足简易构件 加工、围堰拼装焊接和下河、施工照明等电力供应 需要。3.4 入水口处理围堰底部多为非流线状的平底结构或带刃脚的尖底结构，仅井壁部分属于浮体，排水量小，吃水深。 因此围堰下河地点的水深应满足围堰入水后的吃水深度要求，入水口处岸坡最好陡降，距水边3～5 m 远处，水深应达3 m 以上，更远处水深大于围堰吃水深度。3号墩底节围堰所选下河地点岸坡较平缓，且江水上涨过快，造成入水口水深不足，所以围堰下水前对入水口处河岸进行了挖掘清淤，保证围堰冲滑距离最短时其吃水深度也能达到3m 以上， 避免搁浅。3.5临时锚泊设施由于围堰下水后在水流作用下会向下游漂移， 同时还要在下河地点进行托架(板)分离、围堰浮运方向调整、浮运拖轮靠帮编队等工作，耗时较长，因此须在下河地点的上游近岸侧先抛设好1艘临时锚泊围堰用定位船(定位船锚锭吨位、数量经计算而定)。为防围堰下河后漂移，同时也为使围堰在断缆下河后围堰尾部能快速脱离岸边，围堰断缆前须将拖拉牵引缆绳和围堰、主拖轮连接好，围堰入水后拖轮开动向江中拖带，使围堰顺利入水并调整方向稳定，将围堰浮至临时定位船过缆临时锚锭，进行托架分离和浮运编队工作。4结语圆形围堰断缆气囊法整体下河方法系在安庆长 江铁路大桥3号墩首次采用 ，下河围堰直径达56 m, 高20.08 m, 重近3000 t, 围堰自开始组拼至下 河完成用时约45 d, 符合快速施工理念。该方法所 用设施简便，投入小，有效解决了超大超重圆形围堰 快速下河难题，开创了无平行边围堰断缆气囊法整 体下河先例，丰富了围堰气囊法下河技术的适用范 围和领域，为类似工程施工提供了可借鉴经验。
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