大型双壁钢围堰气囊法下水施工技术及经济分析
大型双壁钢围堰体积和质量大，其下水作业难度较大。气囊法下水施工技术能很好地解决这一难 题，具有简便易行、经济实用的特点。此文以南京大胜关长江大桥主墩基础工程为例，介绍深水基础 大型双壁钢围堰气囊下水施工技术的特点及其相应的控制技术和手段，对施工的具体工艺流程和操 作步骤进行详细的阐述，对工程的施工组织设计和经济性进行深入分析和探讨。关键词：双壁钢围堰；气囊法；下水施工；经济分析
Abstract:Large -gale double wall steel cofferdam s which have big volmes and weights,involvesm any difficulties during undervater operations Launching constructon techniques with air -cap,in the characteristie of simple accurate and econam cal and practical,can easily sove this problem This artcle tak ing main pier oundaton constructions in Nanjing DashengguanYangte River Bridge for exmple,introduces characteristics and relevant conttol technolbgies and measures of hunching constructon with air -cap in the deepwater,and makes a detailed deerpton and further discusson of its constructon process and operatonseps,aswell as constructon organ zaton design and econcm ic periom anceKeyW ords:double wall steel cofferdan;launching con structon w ith air-cap;econcm ic analyses
钢围堰施工采用的气囊法下水施工技术始创于 20世纪90年代末芜湖长江大桥的建设，系借鉴和 引进边缘学科、军事工业和造船工业的先进经验，并 消化吸收造船厂用平底驳托起大型轮船下水的方法 而发明的一项重要创新技术。京沪高速铁路南京大 胜关长江大桥在这一创新的基础上，借助简易坡道 和平移设施，采用气囊法断缆下水施工技术，实现了 钢围堰整体自浮。2007年12月，亚洲最大最古老 的沉船“南海一号”出水后，就是采用类似方法被拖 移入广东阳江市海上丝绸之路博物馆——水晶宫 的。本文对该施工技术及其经济性进行分析，以期 为同行提供参考。
南京大胜关长江大桥是京沪高速铁路的控制性工程，是沪汉蓉铁路及南京枢纽的重要组成部分，同 时还搭载南京市双线地铁。大桥全长9.273 km,主 桥及合建段引桥按六线(京沪高速铁路双线、沪汉 蓉铁路双线、南京地铁双线)标准设计，主跨为(108 +192+336+336+192+108)m。水中6号、7号、8 号主墩基础均采用双壁钢围堰法施工，在围堰内完 成承台和部分墩身灌筑。以8号墩为例，该墩采用 的双壁钢吊箱围堰(简称钢吊箱)为圆端形，平面尺 寸为80m ×38m,高 2 6 5m, 壁 厚 2m,质量约 6000 t。钢吊箱分3节制造，底节高14.5m,质量 约3100 t 中节高9.3m,质量约2100 t 顶节高32 m,质量约800 t。其主要结构由龙骨底板、侧板、主 隔舱、吊杆、内支撑桁架及上下导环组成。底板龙骨 为格构式结构，其顶面布置肋板，在底板上纵向设置 两组加强桁架，以满足钢吊箱下水过程中底板纵向 刚度的要求。2 下水方案简述大胜关长江大桥钢吊箱底节系一防水结构，体积和质量都较大，横截面面积为芜湖长江大桥钢围堰的4～7倍，质量为其35倍，故整体下水难度大。 因需要进行长距离的水上浮运，加上工期紧迫，在整体下水方案比选中，只能因地制宜选择气囊法下水坡进行换土夯实、硬化作业，使之成为坡度为1:10 的临时坡道，然后在坡道前端沿下水区开挖一个水 深为7m的围堰自浮区，以保证钢吊箱底节自浮；第 二步，利用气囊托起钢吊箱底节，使之在垂直分力和 拖轮牵引力的作用下，沿坡道快速下滑，待其滑至水 边时，解除后面的控制拉缆，使之加速冲入水中并实 现自浮；最后整体浮运至墩位，定位下沉。钢吊箱下
施工技术。具体操作步骤为：首先对临江的一段斜 水布置见图1。
3 钢吊箱底节下水施工3.1 工艺流程图1 钢吊箱下水布置示意深度变为1.37m,加上底板龙骨高度，箱体总入水 深约为1.95m。3.22 坡道坡度调节及地基处理
施工准备一钢吊箱底节拼装，地锚埋设，坡道换填土、夯实平整、硬化、调整→钢吊箱下气囊布置及充气一拆除钢吊箱拼装支承点一调整气囊位置及数量→放松后拉缆、钢吊箱起滑→后拉缆控制钢吊箱前行一滑至水边、断缆、放滑入水→钢吊箱整体入水、自浮、钢托板脱落一拖轮绑定钢吊箱、临时锚碇、 并割除接高钢筒一钢吊箱浮运、解除临时锚碇，气囊法回收钢托板→场地清理，进行下一步工作。3.2 下水坡道布胃3.21 吃水深度调节钢吊箱底节箱体质量为3100 t,入水后可提供 浮力的面积为666m²,吃水深度约为4.35m。为减 小吃水深度，将钢吊箱底板隔仓内下导环处预留的 46个钻孔桩圆孔中的38个，用钢筒接高封闭至水 面以上，即除钢吊箱尾端8个圆孔外，其余均用 中3.6 ×1.7～3.2m、8=6mm 的钢筒接高，其底口与 下导环满焊，并满足水密要求，保证仓内不进水。该 方法将可提供浮力的面积增至2260m², 箱体吃水(1)坡道坡度调节。钢吊箱底节由两排承托在 混凝土面坡道上的15m长的气囊组滚动前行。坡 道必须平顺、匀缓、无横坡，宽度大于气囊长度。坡 道宽50m、长70m、平均高约1.5 m。钢吊箱拼装 场距江边水平距约40m,拼装场至江边的原始坡度偏小，约为1:12,钢吊箱入水十分困难。据气囊的承载特性及受力情况分析，必须保证气囊的最大工 作高度不小于0.3m,因此必须把坡道分为3个调 节段，坡度由140逐渐调整为1:10。坡道的调整 详见图2。图2 河床断面及坡道调整示意(2)坡道地基处理。原始坡道地基的主要成分是粉细砂，需换填黏土和碎石；近水面10m 处为淤泥，需进行清淤并抛填片石，上铺10 cm厚6%水泥 稳定层，碾压夯实；全坡道表层浇混凝土进行硬化处 理；在坡道下水处铺设两块宽15m、长20m的钢板 作为坡道路基垫板，保证地基承载力达到100 kPa3.3 气囊布置(1)气囊受力计算。单个φ1.5m×15m气囊承载力见表1。表1中1.5m气囊单个承载力技术参数
气囊工作高度H/m0.20.3040.50.60.7
单个气费承载力/16815113411810084
表中工作高度 H,系钢托板离地面高度，承载力 己考虑2倍的安全系数。(2)气囊用量计算。气囊的工作高度 H取 0.5m,钢吊箱底节下水的整体质量 G=3100t气 囊个数 n=70,则气囊的安全系数 K为：K=118n/G=118×70/3100 =266>K(常规 情况 K₀=1.2～1.4)考虑到钢吊箱底部气囊会存在受力不均匀，在计算时将单个气囊的受力控制在150 t 以内，选用70个气囊是安全可靠的。为确保施工的顺利进行， 另需配置20个备用气囊。气囊布置见图3。 图3 气囊布置(3)气囊布置与充气。钢吊箱底节拼装完成后，其下的气囊分两侧对称布置于混凝土支墩(支承点)间，间距为2～25m。当与支墩位置重合时， 待支墩拆除后再布置，圆弧段最前端10m 范围内不考虑布置气囊。气囊在充气前，必须事先布置好地锚及卷扬机等装置，并将钢吊箱锚固牢靠，保证其在被顶起后不滚动滑脱。气囊充气应尽量对称、分散进行，相邻的气囊分两批充气。当气囊充气至钢吊箱被顶起09m 高时，钢吊箱脱离支承点约10 cm, 拆除并清理混凝土支墩及钢支撑，使地面平整，不致影响气囊滚动。
3.4 辅助设施布胃(1)钢托板。钢吊箱底部纵向布置2块宽17m、长82m、厚20mm的钢托板，其作用是保证钢吊箱下滑过程中气囊工作面平整以均匀传力。事前需对钢托板进行如下处理：①用钢管包边保护气囊。 为使气囊进出钢托板时不被刺伤且不影响钢吊箱下滑，需在钢托板外露边缘(除前端临江侧)用中50× 3.5mm 钢管包边并点焊牢；②钢托板与钢吊箱间设临时限位板。为避免钢吊箱下滑时与钢托板相对滑动，防止钢吊箱前端在入水前或少量入水时即与钢托板脱离而坠入河床，从而影响钢吊箱入水漂移和 钢托板打捞，需在钢托板前端设卡板，与钢吊箱顶部吊挂连接固定，待钢吊箱整体入水后，解除吊挂，钢托板自动与钢吊箱脱离，沉入水中。(2)后拉缆及地锚。为控制钢吊箱下滑运动过程、下滑速度和大致方向，需设置后拉缆，后拉缆采用地锚控制。地锚对称布置于钢吊箱后端30m 处， 共设2个，每个设计水平拉力为150 t,地锚为埋置 式钢筋混凝土锚，长5m、宽 3m、深 4m,顶与地面平齐，预埋厚40mm的钢板锚环。后拉缆一端通过150t 滑车组(15 t卷扬机、五门走十滑车组)与地锚相连，另一端与钢吊箱龙骨上设置的牵引耳板连接 固定。单个地锚的工程耗材用量为：C20 混凝土60m³, 碎石垫层3.8m³,钢筋228t 槽钢5.01 t钢板1.21 to(3)保险缆。为防止钢吊箱入水后在水流作用 下向下游移位走偏，在钢吊箱前端上游侧设置牵引 拉缆固定座，抛设一个10 t霍耳式铁锚并用φ200 mm 尼龙缆和钢吊箱相连接。3.5 钢吊箱下水步骤(1)起滑。钢吊箱下水的所有准备工作就绪后，具体下水日期的确定还需综合考虑当时的天气、 风力及潮水情况。应尽量选择高潮位时段，在风力较小、无雨水的天气下进行。当气囊完全托起钢吊箱，坡道清理完成后，慢慢放松后拉缆，必要时在前端不断补充气囊，直至水边。(2)断缆、放滑入水。控制钢吊箱下滑至距水边约10m时，后拉缆断缆，让钢吊箱自由加速下滑， 最终依靠惯性入水并向江中滑行一段距离。(3)钢吊箱临时定位。钢吊箱整体入水后，会 在惯性、风力、水流等作用下继续漂浮，同时底板内 进水，钢吊箱入水深度增大，最终达到稳定入水深 度。为控制钢吊箱，使其不致继续漂浮或搁浅，应在 坡道上游江中布置1000 t 临时定位船(工程驳)1 艘，主锚采用2个7t霍耳式铁锚，锚绳为φ48 mm
钢丝绳及φ60mm有档锚链；边锚和尾锚均采用3 t 霍耳式铁锚，共5个，锚绳为φ32mm钢丝绳和φ30 mm 锚链。钢吊箱下水自浮稳定后，利用4艘拖轮， 将其拖到临时定位船位置顺水向系泊，然后进行接 高封闭钢筒割除施工。(4)钢托板回收。钢托板的尾端事先与岸上的 150t地锚及卷扬机连接好，当钢吊箱入水浮运后， 将钢托板拖至近岸边，再利用气囊法将其拖拉上岸 回收。3.6 应急措施由于钢吊箱自重大，结构不同于船舶，气囊法下 水会存在诸多不确定因素。遇下列情况时，应采取 应急措施。(1)吊箱不滑移。可通过调节气囊压力，调整 其工作高度，从而改变下滑坡度，使钢吊箱滑移。必 要时可采用装载机或拖轮挂钢丝绳牵引，直至开始下滑。(2)钢吊箱走偏。需保证两侧气囊工作压力、 工作高度相同，若有不正情况应及时纠偏。(3)钢吊箱在下冲阶段搁浅。当钢吊箱因气囊 不滚动而停止在江边时，可通过拖轮向江中拖拉，同 时左右摇晃，使其入水自浮；若上述处理无效时，则 在钢吊箱前端注水，使后端翘起，减轻后端对边坡的 压力，从而减小下滑阻力，使钢吊箱入水。(4)钢吊箱侧板漏水。侧板密封焊接质量不合格，或吊箱在移动及下水过程中局部结构受力过大， 都容易造成焊缝裂开，从而导致侧板进水，应配备备用水泵及时抽水，并迅速补焊小隔仓或采用专用堵漏材料进行堵水。4 施工周期主要节段施工周期见表2。其中净操作时间 为：6m³/min 空压机充满一个气囊耗时7～8mn; 清除钢吊箱下支承墩188个耗时3～4 h;自开始下 滑至准备冲滑约耗时2 h,断缆后约需冲滑58 s完 成下河动作。表2施工周期
序号项且单位数量周期/d
1施工准备项116
其 中地锚(垄)施工5m X&m ×4m个210
滑车组及拉缆安装组25
临时锚锭定位船及设备准备艘14
拖轮及拉缆准备项14
续表2
序号项且单位数量周期/d
2钢吊箱下水t310010
其 中临时锚锭系统布置项
4
坡道调整、硬化、抛片石m²63098
气囊布置个705
气囊充气、支承墩拆除、清理个1883
断缆、钢吊箱入水t3100
钢吊箱控制、临时定位t3100
接高钢筒切割、吃水深度调整t682
3钢托板打捞t40016
5 劳动力配置劳动力配置见表3。表3劳动力配置
序号
工种地锚 施工滑车组安装、坡道调整、临时锚碇系统布置气囊布置 及充气钢吊箱下水钢托板 打捞
1装吊工111081010
2混凝土工10
3钢筋工10
4电焊工1220 517
5电工33 32
6潜水工 1010
7机电维修工33 33
8普工153249025
合计64393212167
注：不含测工及技管人员16人。6 主要机具设备主要机具设备配置见表4。表4主要机具设备
序号机械名称及规格单位数量用途
挖掘机1m³台1下水坡道
2装载机3m²台1下水坡道
3卷扬机50 KN/150 KN台2/2下水坡道
4空气压缩机3m³/6m³台4/2钢吊箱下水
5滑车组150组2钢吊箱下水
6汽车起重机25 t台2钢吊箱下水
7平板运输车15 t台2钢吊箱下水
8内燃拖轮221 KW/441 RW艘1/1钢吊箱下水
9内燃拖轮1340 RW /1799 kW艘1/1钢吊箱下水
10内燃拖轮2073 KV/2647 kW艘1/1钢吊箱下水
11工程铁驳400 t/1000 t艘2/2钢吊箱下水 钢托板打捞
12运输驳船150 t艘2钢吊箱下水 钢托板打捞
13潜水工作船400 t艘1钢吊箱下水 钢托板打捞
14交流弧焊机40 KVA台2钢吊箱下水
15自动切割机h≤100台
钢吊箱下水
16起重船250 t艘
钢托板打捞
7 经济分析为制定切实可行的大型钢围堰整体下水方案， 施工人员经过查阅大量国内相关资料和多次举办专家论证会，拟定了3个方案并对其进行了经济比选。方案1。先施工钻孔平台，钻孔完成后拆除平 台，进行钢吊箱分块拼装。其优点是技术可行，有成 熟经验，质量控制较易。其缺点是水上分块拼装时 间长、工序多；施工期长，约95 d; 费用高，约为气囊 法 的 2 倍 多 。方案2。租用滑移下水码头，将钢吊箱底节分 单元运至码头后再拼装成整体，然后滑移下水。该 方案的优点是下水工艺成熟。该方案的缺点是占用 码头时间长，受滑道坡道和长度的影响较大，质量控 制较难，水上长距离浮运安全风险大，施工工期约 50d.费用仍偏高，约为气囊法的1倍多。方案3。钢吊箱底节在岸上整体拼装好，采用气 囊法下水。该方案的优点是技术上可行，可因地制宜 修建简易坡道；水上浮运距离短；节省施工时间，约需 41 d;费用较小。该方案的缺点是缺少成功下水先 例，有一定风险。经研究，项目组组织有类似小型结 构物下水经验的专业施工队伍，对可能出现的问题采 取了相应措施。实践证明，该方案工艺简化、节省施 工时间、可带来巨大经济效益，该技术方案已申报省 部级科学技术进步奖，其参考定额见表5。表5 大型钢围堰底节下河参考定额(平面3.000m²以上)工作内容：滑道清理、拖拉设备安拆、气囊布置、下河
电算代号项且单位单价玩t数量
人工工24.004.15
气囊中1.2 ×15m个8483000.02
高强丙纶八股绳中100m310.000.07
1010002普通水泥325级kg0.2613.50
1110003锯材m³1013.000.01
1230006片石m³15.000.07
1240016碎石80以内m³23.000.03
1260022中粗砂m³6.510.02
1910102螺纹钢筋中16kg3.271.47
1950101槽钢Q235 -Akg3.433.28
2000007钢板8=10～20kg3.9014.65
2100005钢丝绳6×37/中21.5～47.5kg7.231.73
2261004错链中36-60kg8506.68
2261007铁锚霍尔式3~7 tt3218840.01
2741012|素枕一型根112.000.38
续表5
电算代号项目单位单价元数量
300301氧气m²1.690.38
3003015乙炔气kg11.790.16
3710014电焊条J507中4kg4.985.74
其他材料费元
45.54
9100003挖掘机1m³台班695.800.04
9100505装载机3m³台班683.710.04
9101004空气压缩机3m³台班110.030.02
9101005空气压缩机6m³台班179.830.01
9102107汽车起重机25 t台班1053.80.03
9102614卷扬机50 KN台班82.470.03
910267卷扬机150 KN台班166.800.02
910270起重船250 t台班8305.30.007
9103211平板运输车15 t台班689190.02
9103804内燃拖轮221 RW(一班制)台班3183.440.004
9103810内燃拖轮441 RN(一班制)台班4680.150.004
内燃拖轮1340 kW(一班制)台班11180060.001
内燃拖轮1799 kW(一班制)台班15275.940.001
内燃拖轮2073 kW(一班制)台班17602570.001
内燃拖轮2647 kW(一班制)台班19273.450.001
9103824运输驳船150 t台班512.370.023
9105817工程铁驳400 t台班551.050.021
工程铁驳1.000 t台班841.60.06
9105712潜水工作船400 t(二班制)台班694.410.007
910600交流弧焊机40 kVA台班116.180.64
9106041半自动切割机h≤100台班93.850.005
其他机械使用费元
4.37
基价元
104L 7
其中人工费元
99.60
材料费元
500.96
机械使用费元
441.16
质量t
0.304
8结束语南京大胜关长江大桥大型双壁钢围堰气囊法下 水的成功实践，开拓了我国桥梁深水基础施工的新 方法，创造了钢围堰断缆后整体下水仅用了58 s的 新记录，最大限度地节省了施工时间，降低了施工成 本，为类似工程提供了施工、工艺和定额方面的经 验，具有重要的借鉴意义。
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