洞庭湖大桥3#主墩双壁钢围堰施工技术研究.pdf

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·桥涵工程· 收稿日期:2016 02 06 基金项目:国家自然科学基金(51378504) 洞庭湖大桥3#主墩双壁钢围堰施工技术研究 王殿伟1,2 (1.中国铁建大桥工程局集团有限公司 天津 300300;2.中南大学土木工程学院 湖南长沙 410075) 摘 要 深水基础施工技术是衡量桥梁施工水平的重要标志之一,其不仅受水流及环境的作用,还会受到地质条 件、施工过程等因素影响。蒙西华中铁路洞庭湖大桥为三塔双索面钢箱钢桁结合梁斜拉桥,3#主塔墩位处水深超 过20 m,所处环境及地质条件复杂多变,深水基础采用双壁钢围堰施工。围堰底节高19.7 m,在岸上制造拼装完成 后,采用气囊法下河、整体浮运到墩位处,进行抛锚定位、接高4.3 m 中节围堰,吸泥清底、下沉着床到位,安装钻孔 平台、水下灌注混凝土进行围堰封底。封底完成后进行钻孔桩施工,钻孔桩施工完毕,抽水后进行承台施工。通过 对围堰抽水后的测量检查,证明3#主墩双壁钢围堰施工定位准确、封底成功。 关键词 钢箱钢桁结合梁 斜拉桥 深水基础 双壁钢围堰 施工技术 中图分类号 U445.55 +6 文献标识码 A 文章编号 1009 4539 (2016)04 0020 05 Construction Technology for Double Wall Steel Cofferdam at No.3 Main Pier of Dongting Lake Bridge Wang Dianwei (1.China Railway Construction Bridge Engineering Bureau Group Co.Ltd.,Tianjin 300300,China; 2.School of Civil Engineering,Central South University,Changsha Hunan 410075,China) Abstract The foundation construction in deep water is one of the important symbols to measure the level of bridge construction. It is not only affected by the water flow and the environment,but also by the geological conditions,construction process and other factors.Dongting Lake Bridge is a three tower,double cable plane,steel box girder and steel truss combined girder cable-stayed bridge.It belongs to a part of the railway line from West Inner Mongolia to Central China.The depth of the pier for the No.3 main tower is over 20 meters.Moreover,the environment and the geological condition are complex and changeable.So it is a good choice for deep water foundation to adopt the double wall steel cofferdam.The height of bottom cofferdam section is 19.7 m.Firstly,the steel cofferdam is assembled on shore,and then it is submerged into the water by balloons.The cofferdam is integrally transferred to the right of pier site,and fixed at the right position. After that,it is connected a middle section cofferdam with 4.3 m,suctioning the mud of cofferdam bottom,sinking and putting in place,installing the platform of drilling,pouring concrete underwater to make cofferdam back cover.Bearing platforms are constructed after the completion of bored pile.By measuring and checking the cofferdam after pumping,it is proved that the construction of No.3 main pier adopting the double wall steel cofferdam is accurate and successful. Key words composite beam with steel box and steel truss;cable-stayed bridge;deep water foundation;double wall steel cofferdam;construction technology 1 工程概况 大桥位于湖南省岳阳市,由君山区向东南方向 跨越洞庭湖与长江相连接的出口处,距上游洞庭湖 公路桥约4.2 km,距下游莲花塘水文站约2.2 km, 河道两岸均为湘江漫滩区。洞庭湖大桥主桥为 (99.12 +140 +406 +406 +140 +99.12)m 三塔双 索面钢箱钢桁结合梁斜拉桥,全长1 290.24 m。其 20 铁道建筑技术 RAILWAY CONSTRUCTION TECHNOLOGY 2016(04) ·桥涵工程· 中3#主墩位于洞庭湖北岸侧君山区,主桥桥跨布置 如图1 所示。河岸处地面高程+26.0 ~+31.0 m, 湘江与长江之间的防洪大堤顶高程为+35.9 ~+ 36.2 m。采用1 /100 设计洪水频率,其设计洪水位 为+34.544 m(85 国家高程)。3#主墩处水深较深, 在枯水季节达20 m,汛期水深超过了25 m。经过比 选,采用双壁钢围堰进行主墩基础施工是项目适合 可行的方案。 图1 洞庭湖大桥主桥桥跨布置(单位:m) 2 总体施工方案 2.1 围堰施工总体方案 3#主墩双壁钢围堰施工完成围堰底节的制造拼 装后,在长江岸边选定的下河码头采用气囊法下 水。采用拖轮整体浮运至主墩施工位置处,抛设重 力锚锚碇定位,接高围堰中节;围堰壁舱内注水下 沉着床,灌注围堰壁舱内混凝土;接高顶节围堰,转 换锚碇系统;吸泥清底,下放钢护筒,搭设钻孔平 台,围堰水下灌注混凝土封底,安装钻机,进行钻孔 桩施工;钻孔桩施工完后,围堰内抽水,在无水状态 下完成承台施工。 2.2 围堰的设计特点 3#主墩围堰为双壁圆形钢围堰,内径φ46.5 m, 外径φ50.5 m,壁宽2 m。设计围堰分节高度(10 + 9.7 +4.3)共计24 m。围堰由侧板、底隔舱、托架及 钻孔平台组成。侧壁板整个圆周共分为16 个隔舱, 下沉定位时通过隔舱抽水、灌水来调整围堰的高程 及垂直度;托架主要用于增加围堰下水时的支撑面 积,围堰下水后需解除其与底隔舱的连接;钻孔平 台由钢管桩支撑,钢管桩底部支承在底隔舱上。为 加强围堰抗浮能力,降低护筒及封底混凝土间的剪 力,在墩位两侧增加6 根3.0 m 辅助钻孔桩,每根桩 长15 m。设计围堰下沉到位顶部高程+27.0 m,底 部高程+3.0 m,围堰封底后设计抽水水位高 程+26.0 m。围堰截面图如图2 所示。 图2 围堰截面图(高程单位:m,其他单位:mm) 2.3 围堰施工流程(见图3) 图3 双壁钢围堰基础施工流程 3 3#主墩双壁钢围堰施工 3.1 围堰的制造与拼装 钢围堰所有单元块均在工厂加工预制。3#主墩 铁道建筑技术 RAILWAY CONSTRUCTION TECHNOLOGY 2016(04) 21 ·桥涵工程· 围堰选在长江大堤外岸边一码头处为底节围堰的拼 装下河场地。底节拼装完成后,利用气囊整体下河。 顶节单元块由制造基地装船运至墩位处进行接高。 3.1 .1 围堰单元块制作 主墩钢围堰单元块件在工厂胎架上加工、组拼 及施焊。钢围堰单元件出厂前严格对关键受力焊 缝应做探伤检验,并对有水密要求的焊缝进行煤油 渗透性试验,防止漏水。 板单元及环板框架制造完成后,立体段的组装 焊接在胎架上一次完成。由于所有分片均为异形, 组装采用“正装法”或者“倒装法”,以内壁板或者外 壁板为外胎,各框架按照画线就位点焊,扶墙材逐 根插入,辅以加固设施,以确保精度和安全。为使 立体段在现场组装成整体时便于对接接口,将环板 端部焊缝留250 mm 暂不焊接,等现场安装完成后 焊接。立体段的组装按照内壁板-扶墙材-框架 -扶墙材-外壁板的顺序在胎架上组装到位,并且 点焊牢固,检查外型尺寸,然后对称施焊。 3.1 .2 围堰单元块组拼 钢围堰底节组拼顺序:拼装胎架平台制作→围 堰底部刃脚段拼装→底隔舱安装→侧板拼装→辅 助结构安装。钢围堰底节拼装完成后,对拼装焊缝 质量进行检查验收,对关键受力部位的焊缝应做探 伤检验,并对钢围堰外壳焊缝做煤油渗透性试验, 以确保钢围堰在浮运、定位、接高及下沉各阶段具 有密水性。 3.2 围堰下水 受围堰制造、滑移下水场地、技术及安全性要 求限制,围堰采用气囊法下水方案。由于围堰底部 为刃脚结构,采用刃脚底下加垫托架避免气囊直接 与刃脚接触,防止局部受力过大导致气囊破坏,底托 架横向宽度8 m,通过螺栓吊挂在隔舱底。底托架底 铺设20 mm 钢板,下方设置长8.5 m、直径φ1.2 m的 高压气囊,充气托起钢围堰,在拉缆的控制下,钢围 堰依靠自重沿坡道向下的分力随着气囊的滚动移 动到水中,围堰入水部分依靠浮力平衡自重,直到 围堰全部入水,在水中自浮。 3.3 围堰浮运、定位 3.3.1 围堰浮运 底节钢围堰下河后用拖轮浮运至墩位处接高。 浮运前,需完成部分锚碇系统的布设工作,在锚碇 系统调整就位后,选择气象、水文条件对浮运较为 有利的日期进行钢围堰下河及浮运。围堰浮运至 墩位,停靠在辅助定位船临时定位位置,进行围堰 的过锚工作。 3.3.2 锚碇系统 桥址处水流呈单向流态,围堰采用无导向船的 锚碇系统定位方案。前定位船采用1 艘400 t 铁驳, 后定位船采用1 艘400 t 铁驳,定位船起到确定、调 整钢围堰的位置,并对钢围堰具有安全防护作用, 定位船上布置有马口、将军柱、绞关、固定座、卷扬 机、滑车组等设备,如图4 所示。 图4 锚碇系统布置(单位:m) 前、后定位船与底节钢围堰之间均设有拉缆, 前拉缆采用4 根6 ×37 -56 钢丝绳,后拉缆采用4 根6 ×37 -50 钢丝绳,其作用是将钢围堰所受外力 传递给主锚和尾锚。边锚通过围堰马口连接至前、 后定位船上进行收锚。主锚和前拉缆均在前定位 船上收锚,尾锚和后拉缆在后定位船上利用卷扬机 收锚。 3.3.3 霍尔锚抛设 霍尔锚的抛设选择在江面风平浪静、能见度好 的气候条件下进行,采用30 t 吊船配合抛锚船作 业,由测量人员测出锚位,抛锚船在锚位处在吊船 的辅助下,将锚抛至指定的位置。 3.3.4 安装钻孔平台立柱及围堰接高 围堰初定位后利用浮吊安装钻孔平台立柱,将 立柱底座与底隔舱固定此时底隔舱顶面仍低于施 工水面,底隔舱高度5.7 m,围堰自浮吃水深度为 3.9 m。围堰浮运到位后,完成锚碇系统转换,并开 始现场接顶节4.3 m 围堰。主墩中节钢围堰在厂内 分块制造,船运至墩位后,由1 艘150 t 和1 艘200 t 浮吊对称分块安装。 22 铁道建筑技术 RAILWAY CONSTRUCTION TECHNOLOGY 2016(04) ·桥涵工程· 3.3.5 围堰定位、下沉、着床 (1)定位 钢围堰的定位、稳定是基础施工的关键工序, 其定位精度必须满足设计要求才能保证群桩中心 和承台平面位置的施工精度,为保证钢围堰定位的 质量,必须控制钢围堰定位的精度。 ①锚绳的固定端连接在锚碇上,活动端连接前 后定位船。 ②起重船靠在围堰的一侧,钢围堰拖至现场后, 起重船将定位船上的拉缆与围堰上拉缆相连接。 ③8根主缆带到围堰上并预收一定力量稳定围堰 后,4根围堰边锚通过围堰马口到定位船上并收紧。 ④初步调整围堰位置。 ⑤对主锚、尾锚逐级施加预拉力,精确定位 围堰。 (2)下沉、着床 围堰在着床之前,呈悬浮状态,此阶段的围堰 下沉较容易,只要向井壁内灌水,克服水的浮力,并 调整好拉缆受力,围堰即可平衡下沉。在向井壁内 灌水时,应遵循对称加载的原则,对称的隔舱,同时 灌水,且流量一致,以防围堰倾斜。在围堰底距河 床表面1.0 m 时,对围堰进行精确定位后即可实施 着床。围堰采用井壁内迅速注水加重的方法下沉, 每个隔舱布置一台水泵,同时开动均匀注水,使围 堰刃脚尽快落到河床上。围堰下沉过程中,设专人 不断调整前后拉缆,以使围堰稳定,下沉顺利。围 堰进入岩面后,需收紧围堰拉缆,调整好围堰平面 位置,完成围堰的定位着床工作。 钢围堰下沉到位后,测量人员采用全站仪再次 校核其平面位置与倾斜度偏差,满足规范要求后, 立即组织对钢围堰外侧四周均匀对称抛填施工。 围堰外侧四周封堵完成后进行壁舱混凝土的施工。 壁舱混凝土施工时,按照单个壁舱、对称浇注。混 凝土浇注采用水下混凝土施工,浇注时壁舱内的水 及时排除。 3.4 围堰封底 分别安装固定护筒,将所有安装好的护筒联结 牢固。搭设钻孔平台,安装封底混凝土浇注系统, 并准备进行围堰混凝土封底施工。 围堰分3 个区进行封底,首先进行底隔舱的浇 注,然后在底隔舱混凝土强度达到要求后,按照先 中舱(即底隔舱中间区域)后边舱(底隔舱外侧区 域)的顺序进行围堰封底。底隔舱和封底均采用 C25 混凝土,封底混凝土厚度根据抽水水头及抗洪 要求确定为3.5 m。封底混凝土灌注采用垂直导管 多点水下灌注。 由于封底平面面积较大,为保证封底效果,施 工时,根据混凝土流动度和分隔仓大小布置混凝土 灌注导管,按事先编好顺序灌注。封底混凝土灌注 顺序:先中间后周围,先低后高,分隔舱进行。 3.5 围堰内抽水及承台施工 封底完毕后进行钻孔桩施工,钻孔桩施工全部 完毕后,拆除钻孔平台等设施,进行围堰内抽水。 抽水严禁一步到位,且需派人测量围堰壁板是否形 变、观察围堰周围有无渗漏、测量围堰是否上浮等 异常现象,并严格控制围堰单壁水头不大于10 m。 抽水完成后,进行承台施工。割除多余钢护筒、凿 除桩头,围堰内清渣,立模,绑扎钢筋,预埋冷却水 管及预埋件,浇注承台混凝土。 4 结束语 我国自从在九江长江大桥首次采用双壁钢围 堰施工方法以来,双壁钢围堰因其结构简单、制造 方便、自身刚度大,且围堰顶部可设置能承受较大 荷载的施工平台等优势得以在国内桥梁深水基础 施工中广泛使用。目前武汉天兴洲长江大桥、南京 大胜关长江大桥、苏通长江大桥、南京长江二桥、三 桥等诸多桥梁基础施工均采用了此种方法。蒙西 华中铁路洞庭湖大桥3#主墩基础采用双壁钢围堰 施工已顺利完成,其为同类型桥梁的施工提供了一 些借鉴与指导。通过在不同环境条件下的实践总 结,该施工方法也定会不断得以创新和发展。 参考文献 [1] 陈宁贤,邓永锋.天兴洲长江大桥3 号主塔墩钢吊箱围 堰施工[J].铁道科学与工程学报,2006,3(4):74 -78. 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(上接第4 页) 梁自重小,主梁容易发生绕顺桥向轴的扭转。 (3)整体来看,在前十阶自振频率中,前六阶为 主梁的振动,后四阶为主塔的振动。主梁以竖弯为 主,但较早出现扭转,主塔在第七阶出现横桥向弯 曲,说明主梁需要加强其抗扭刚度,主塔横桥向弯 曲出现较晚,说明主塔横向具有抗扭刚度大的特性。 (4)赣江二桥钢-混凝土叠合梁斜拉桥一阶自 振周期为4.251 8 s,据相关资料可知大跨度斜拉桥 的基本周期远大于5 s,说明该钢-混凝土叠合梁斜 拉桥整体刚度较大,但叠合梁过早出现竖弯和扭 转,说明该叠合梁易受地震、风荷载等动力作用影 响,符合钢-混凝土叠合梁斜拉桥力学特点。 6 结论 采用大型有限元软件ANSYS 15.0 对赣江双塔 双索面钢-混凝土叠合梁斜拉桥建立三维实体有 限元模型,并对其进行了静、动力特性分析,得出了 赣江二桥的一些结构特点,结论如下: (1)赣江二桥斜拉桥拉索的成桥恒载最大索力 为4 770 kN,成桥状态下拉索单元最大应力为 446 MPa,拉索安全系数3.74 大于规范要求的2.5, 说明拉索满足安全要求,并有一定的安全储备。 (2)赣江二桥钢-混凝土叠合梁斜拉桥在正常 使用状态内力组合和承载能力极限状态内力组合两 种荷载工况下主梁跨中挠度幅值为0.64 m,混凝土桥 面板始终承受压应力,钢主梁承受拉压应力。混凝土 桥面板极值压应力为17.8 MPa,钢主梁最大应力值 为189.8 MPa,承载能力极限状态内力组合作用下主 塔顺桥向最大位移为0.153 989 m,正常使用状态内 力组合作用下主塔顺桥向最大位移为0.098 9 m,混 凝土结构主塔最大应力值为16.01 MPa,各项数据 均满足相关规范要求。主塔塔柱由于采用弧线线 形过渡,导致弧线相切处成为薄弱环节,在以后采 用此类型主塔结构时建议考虑到对弧线线形塔柱 进行一定的强度加强。 (3)赣江钢-混凝土叠合梁双塔双索面斜拉桥 的一阶自振周期为4.251 8 s,比一般大跨径斜拉桥 一阶自振周期小,但该叠合梁斜拉桥主梁较早出现绕 顺桥向轴扭转,说明钢-混凝土叠合梁斜拉桥整体刚 度大,但易受地震、风荷载等动力作用影响的特点。 参考文献 [1] 陈明宪.斜拉桥的发展与展望[J].中外公路,2006 (4):76 -86. 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