对巨型围堰气囊法转角度下河施工的探讨
鉴于长江中下游近些年经济发展迅猛，河岸两边空地较少，即使有空地，场地多大小受限，或距桥址较远。传统 围堰下河均采用轮轨式下河施工，或气囊法直线下河，受场地限制较大。围堰下河采用气囊法转角度下河，取得了良好的 效果，有效规避了钢围堰下河场地受限的缺点，我们对此进行了施工技术研究，并结合实例加以总结。关键词：巨型；气囊法；围堰；转角度；地锚；套箱
1 围堰气囊法转角度下河1.1 施工工艺流程巨型围堰气囊法转角度下河施工工艺流程见图1。
图1 施工工艺流程图1.2 围堰下河前准备要点1.2.1 吃水深度计算下水自浮稳定底托架、底托板脱离后，确定吃水深 度。1.2.2 国堰下水前的检查为确保围堰顺利、安全下水，围堰下水前应安排专 人做详细的围堰检查，围堰检查主要包括以下几项内 容：(1)围堰及其附属结构的各部位构件用料、数量、 尺寸是否与设计图纸相符。围堰及其附属结构的各部位施工焊缝质量尤其是焊缝高度是否满足设计要求， 焊缝焊渣是否及时清除。(2)拼接缝对接处焊缝是否存在错台现象，部分拼 接缝缝隙如果较大需增加板条处理。(3)围堰刃脚与底托架是否抄垫牢固，托架与底隔 舱抄垫是否密实。(4)包板处钢管与钢板之间焊缝的焊渣是否打磨平 滑，避免划伤气囊。做好围堰水密试验(煤油渗透试验),确保围堰下水安全。1.2.3 下水域道处理本课题探讨项目中围堰拼装场地前端到水口的距 离为150m,高差为10.5m, 为保证围堰调向和下水的需 要，需将目前的坡道按如下处理：从围堰的前端往江边 55m,坡道按1:22处理，此坡道主要用于围堰的调向位 置；再往前65m,坡度按1:15处理，此坡道主要用于围 堰方向调整后的下滑坡道；再往前30m 左右，坡道按 1:8处理，此坡道用于围堰下河加速区。围堰下水区域必须进行清淤，清淤的深度根据实 际计算情况确定，但为了保证下水顺利，清淤深度按设 计要求水深再加深一倍；为保证浮运时拖轮的拖带，保 证围堰下底隔舱托架不会影响拖船靠近围堰，清淤的 面积应尽量增大，不仅仅包含围堰本体部分；由于围堰 的转向，相邻的吊机轨道与下河滑道相互交叉，在下水 前应根据实际情况将吊机混凝土轨道去除，保证下河 滑道顺畅。对于围堰前端的场地，由于江水的回落，围堰前端 到江边的水口距离为150m。江水回落后的地基跟原来 的地基的地基承载力有一定的差别，需对裸露的地基 进行重新处理，以达到承载要求，在水口处拟采用在换 填片石后上铺麻料的方式进行加强。坡道修整方法：水口部分利用挖机开挖，换填片石 后铺麻料，推土机推平后，利用压路机碾压密实，其它 位置推土机直接推坡，铺麻料碾压，保证滑道两侧标高 一致。1.2.4 套箱下水拖拉设备的配备为保证围堰在滑道能够进行转向和向前移动，并 能控制围堰下滑的速度和大致方向，需要在围堰上设 置后拉缆。围堰初期调整方向在围堰拼装场地前方约60m 范围内进行，此坡道的坡比为1:22,则后端的地锚 设计拉力约140t。转向后进行地锚转换，此时围堰在1: 15的坡道上进行下滑，位于下滑坡道正后方的地锚设 计拉力约200t 。根据以上的计算数据和围堰的外形结 构，初步确定围堰下河时的牵引采用两点牵引法，牵引 点的位置布置在正对底隔舱的位置，通过一个地锚进 行固定牵引。初步选定转向用地锚和下滑地锚均采用 设计拉力为250t 的地锚，提供围堰下水过程中围堰的 牵引。当围堰入水浮起后，围堰下的18mm 钢垫板和底 隔舱支架由浮吊进行打捞回收。现场下水设备和地锚布置为：后端控制围堰转向 的地锚布置于拼装围堰的正端头35m距离处，与围堰 内隔舱板设置四个拉耳。根据受力要求，地锚需提供约 200t的锚固力，按长7m 宽 6m 深 4m 尺寸布置，地锚结 构为混凝土埋置式，顶与地面平齐，锚力通过外露的锚 环传至锚体内。在拼装场地外侧，即围堰转向下滑坡道 的正后端同样设置一个250t 主地锚。控制拉缆通过2 台180t 滑车组(15t 卷扬机、六门走十二滑车组)与地牛 相连，在钢围堰上设置牵引耳板，提供地牛牵引索的附 着点，围堰与托板之间应进行临时的限位连接。2 受力计算与分析2.1 地龙计算根据下水场地布置，在围堰后方设置下水用地龙， 地龙荷载按250t (围堰自重沿水平方向的分力)设计。2.1.1 地龙抗倾覆计算地龙重量：[(7+5)×1/2×6]×4×2.4=345.6t地龙重心距 A 点距离为：6×(2x7+5)π3×(7+5)]= 3.167m地龙对A 点的稳定力矩为：345.6×3.167=1094.5t*m下滑力对A 点的倾覆力矩为：250×3=750t·m稳定系数 K=1094.5/750=1.46>1.4地锚背侧被动土压力未计入，为安全储备，实际稳 定系数大于1.46。2.1.2预埋件计算单个预埋件设计荷载为250t,单个钢销受力125t, 钢销直径为120mm:钢销抗剪计算：125×107(0.785×120²×2)=55.25MPa< 120MPa。孔壁承压计算：125×109(80×120)=130.2MPa<200MPa。预埋件与混凝土粘结力计算：125×10(500×2×3897)=0.32MPa<0.79MPa。2.2 气囊计算2.2.1气囊参数采用直径1.2m, 长 8m(有效长度按7m 考虑)气囊。
气囊间距2.5m,共54个，具体技术参数如表1。表1气囊参数表
直径(m)工作压力工作高度(m)单位长度承载力(um)气囊长度(m)气囊承载力4)
1.2
0.17MPa0.713.62795.3
0.616.347114.4
0.519.077133.5
0.421.797152.5
0324.517171.6
0.227.247190.7
根据以上参数，单个气囊可以简化为刚度系数为 190t/m的弹簧受力。2.2.2钢围堰下河地形由于目前拼装下河场地尚未明确，因此仅考虑入 水段坡度，经试算，围堰入水处坡度为1:8时，围堰下 河较为安全。假定起滑时围堰情况如下：
图2围堰下河布置图气囊在岸上拼装时，54个气囊平均受力，单个气囊 受力约34t, 此时，根据刚度系数反算出气囊工作高度为：1.2-34/190=1.0m。2.2.3 计算假定围堰自重忽略坡度影响；围堰刚度相对很大，假定 为一刚体；气囊受力假定为弹性体；同样时间里，围堰 下滑长度为气囊移动长度的2倍；气囊入水后即不考虑其作用；下河过程中，假定地基不发生沉降。2.2.4 模型参数整个下水过程分成8个工况计算。每个工况采用 MIDAS 建立计算模型，建模考虑单根滑道承受0.55倍 总重量。单元长度总长78m, 设定材料弹性模量为：2.1× 10°N/mm³,使梁为一无限大的刚体(相对而言);单元截 面为1m×1m 矩形截面，材料容重为：130.5kN/m³。浮力：根据设计图纸，建立三维实体，根据每个工 况下入水长度截取体积与浮心。约束条件采用只受压杆件模拟，根据气囊参数，取 弹性系数为190t/m。每隔2.5m 设置一个，共27个。计算简图如下：
图3 圈堰下河计算简图(单位：m)2.3 托架计算根据下河过程中气囊的最大受力(气囊间距 2.5m),反算出单个托架(托架间距0.8m)最大受力约为393kN.采用 MIDAS2006 建立托架模型，采用梁单元模拟 计算；在与围堰的连接牛腿处竖向约束，对称位置约束 水平方向；在托架底加梁单元荷载393/7=56.2kN/m。托架最大组合应力118MPa<170MPa,出现在 I16 上，满足要求。2.4 计算结论(1)围堰在下水过程中，围堰和气囊受力均满足要 求。(2)河床情况：根据计算结果，预留1m 左右水深， 要求距河岸边10m 处水深不得小于4.6m, 距岸边33m 处水深不得小于5.5m,距岸边43m 处水深不得小于7m, 距岸边53m 处水深不得小于7.6m。并且必须保证围堰下水滑道外的上下游各10m 范围内，水深满足要求。(3)气囊在围堰下水过程中最大受力小于1227kN,工作高度为0.55m。此时，气囊与地面接触面积为：7x 3.14×(1.2-0.55)/2=7.1m²,由于在下水过程的不确定性， 要求地基承载力保证1.3的安全系数，则地基承载力要求为：1.3×1227/7.1=225kPa。要求滑道距岸边10m 范围内地基承载力不小于250kPa。3 辅助设施布置3.1 钢冀钢凳为围堰制造临时性结构，由型钢焊接而成的 框架形结构，底面贴一钢板。钢凳的作用在于支撑钢套 箱以布置气囊和增加与地面的接触面积，保证地面在 承压时不会因为地面的承载力太低而导致地面下沉。3.2 托板钢套箱托板采用18mm厚钢板，托板在钢套箱下 滑过程中的作用是保证气囊工作平整及传力。为保证 其工作性能须作如下处理：钢管包边：在气囊进出托板 时，为不伤及气囊，不影响钢套箱下滑，需将外露边用 建筑钢管包边并点焊牢靠。3.3 底隔舱下临时支架底隔舱支架布置在底隔舱下托板之上，起到传力 作用，它将气囊产生的托举力通过支架传递到底隔舱 上，利用底隔舱将整个围堰举起。3.4 底托板悬挂系统为保证底托板系统与围堰在滑移过程中是一个整 体，及围堰下水后方便拆除底托板，设置如下底托板吊 挂系统。3.5 地锚及后拉缆地锚分设为两种，转向地锚和下滑下河地锚，转向 地锚起到调整围堰方向的作用，其受力按80t考虑，地 锚布置于钢套箱拼装场地后侧，距钢套箱后端35m; 为
控制钢套箱在气囊起顶后下滑运动，以及在滑道下滑 的速度和大致方向，须设置后拉锚，后拉锚设计拉力为 200t,大于钢套箱自重的最大下滑分力，布置在下滑坡 度正后方约50m 处。当钢套箱入水后，钢套箱下的 18mm 托板和托架需打捞船起回收。4 钢套箱下水围堰制作拼装完成后，报检经有关部门检查合格 并签认后，对围堰滑移范围内的场地进行清理，保证无 杂物尤其是可能戳破气囊的尖锐物，挂好地锚钢丝绳 后，开始围堰下水。4.1 起滑气囊下河的所有准备工作就绪，具体下河日期要 综合考虑当时的天气、风力及潮水位情况，应在风力较 小、无雨水的天气下进行，并尽量选择高潮位时段。当 气囊完全托起围堰，下滑道清理完成后，慢慢放松后拉 缆，在前端不断补充气囊，利用围堰自重的分力使围堰 进行移动。4.2 围堰转向利用转向地锚对围堰进行调整，调整时必须分几 次调整到位，在此过程中，需多次调整气囊的角度将围 堰在拼装场地范围内多次移动，依靠调整下方气囊的 布置方向，达到调整整个围堰方向的目的。4.3 尾锚的转化当围堰的方向调整到位后，在围堰下方重新布置 钢凳，调整气囊的充气高度，将围堰落在钢凳上，松开 后锚，将牵引钢索滑车组等全部转移到主锚锭上，收紧 钢索，当钢索受力后，对气囊重新充气，脱离钢凳，抽出 钢凳后，继续下滑。4.4 断缆、下滑入水当围堰控制下滑至离水边线15m 处，调整气囊，并 在围堰前端放置加速气囊后，后拉缆断缆，让围堰自由 加速下滑，利用其惯性入水并向江中滑行一段距离，使 围堰后端水深满足自浮吃水深度要求。4.5 围堰稳定围堰整体入水后，会在惯性、风力、水流作用下继 续漂浮，同时内部进水，围堰入水深度增大，达到稳定 入水深度，为控制围堰不至继续漂浮，待命的拖轮及时 靠近并拴绑，控制围堰使其稳定。4.6 托板、托架回收围堰拖离现场后，打捞船和浮吊配合进行底板和底托架的打捞工作。打捞区域范围应使用警示标志明 确标示，打捞期间禁止船舶在打捞区域范围内通行。打 捞时由潜水员下水后，在底板和底托架上割吊装孔，穿 吊装钢丝绳，并将其割开成小段，分段进行吊装出水。 吊装上的底板和底托架利用打捞船送到岸边，在岸边
解体后，由项目部回收。保证底板和底托架已经完全打捞出后方可通航，避免发生事故。5 结束语双壁钢围堰是大型深水基础施工较为理想的围护 结构，它能承受较大的水压，适用于不同地质条件下的 基础工程的施工。其即可起到基础工程施工时的围水与施工平台作用，又可参与部分结构受力，具有制造方 便、施工迅速、安全可靠的特点、在特定的工程环境下， 它具有其他围堰无法比拟的优越性。但由于钢围堰一 般尺寸较大，加工要求严格，多要求场内加工，再下河 浮运到桥址这样就会受到场地和运距的影响，所以要 不断更新施工方法。
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