围堰气囊法下河的工艺计算及实际应用

jimosea

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[8]。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[12]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[2。气囊通过自身压缩而使船舶、围堰等升墩，达到该大型产品下水时所需工作高度时的内部压力，称为气囊的工作压力[12]，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