深水桥梁的基础施工技术

深水桥梁的基础施工技术

一、概述

所谓深水桥施工，亦是指在水深大于5m、河面宽100m以上的江面上施工的大跨度桥梁。根据桥梁所处河址的地形地貌、水文地质情况，采取科学、合理的施工方法。

二、基本思路

纵观国内外深水桥梁的施工实例，不论是跨海还是跨越江河湖泊，核心的问题是如何解决基础工程的施工问题。而基础工程的难点则是水中施工问题，要解决这一问题，无外乎是船坞法、或围堰法。船坞法即采用大型船坞（500t以上）搭设水上工作平台，利用水上平台进行下部工程的施工（桩、承台、墩身等）；围堰法即我们近来常使用的双壁钢围堰，利用钢围堰下沉到我们所需的墩位处，在钢围堰上搭设工作平台进行基础施工。如国内大家所熟知的杭州湾跨海大桥、山东青岛的黄岛大桥、浙江宁波的舟山大桥，以及近年来建成的天兴洲大桥、南京大胜关长江大桥等，均不同型式的采用了上述两种施工方法。

船坞法需要大吨位的船驳及相应马力的牵引装置和水上配套设施，投入较大、要求较高；我国的大桥工程局、中交系统的中国港湾等常有使用。而围堰法对于水深30m以下、流速在5m/s以下的河流或湖泊中，常被广大的施工单位所采用，不失为一种经济、简便的深水桥梁施工方法。

下面，我们将结合围堰法的特点，重点进行讲述。

三、围堰法

围堰分土围堰和钢围堰、钢筋混凝土围堰等三种。钢围堰则分钢板桩围堰、单壁钢围堰、双壁钢围堰、混合型钢围堰（即下层双壁、上层单壁钢围堰）等。至于采用哪种型式为好，应根据承台结构形式、底面高程、工程数量、河床面高程、地质情况、冲刷情况及施工期的水位流速变化、围堰安装的方法等因素综合考虑。

对于水深小于3m、流速小于3m/s的河中或岸边施工时，可采用筑岛土围堰或钢筋混凝土围堰或钢板桩围堰或单壁钢围堰施工。而对于水深大于5m、流速大于5m/s且有通航要求的水中墩施工，则宜采用双壁钢围堰施工。

下面，重点讲双壁钢围堰的设计与施工。

四、双壁钢围堰的设计与施工

㈠、双壁钢围堰的设计

1、基本数据的采集

要设计双壁钢围堰，首先要搞清楚需设计一个怎样的双壁钢围堰？它是什么形状？圆形？矩形？而或是两端为圆形、中间为矩形？它的平面尺寸、立面尺寸如何确定？等等。这就要求收集一些必要的基本资料和数据。

⑴、要测绘桥址处的平面图（或搜集），以便了解施工场地的情况，为施工场地的布置提供依据。

⑵、要测量桥轴线的河床地形断面图，搜集地质断面图，特别是水中墩墩位处的地质情况。

⑶、要搜集河流的水文情况、通航情况，要了解近五年来的水位高程、当年枯水期水位高程、丰水期水位高程、百年一遇的水位设计高程、通航水位高程及通航净空要求等。

⑷、要通过施工设计图准确掌握水中墩的桩基布置，包括桩的根数、直径、桩深；承台的平面、立面尺寸，以及承台底、承台顶标高等。

2、围堰平、立面尺寸的拟定

根据以上搜集到的资料，进行双壁钢围堰的几何尺寸设计。首先是外形设计：在一般情况下，特别是要采用双壁钢围堰作为搭设桩基或承台施工的平台时，宜采用圆形钢围堰。其优点是可利用的平面空间尺寸较大、整体受力较大、过水能力较强；但缺点是要耗费较多的钢材，组拼工作量较大，焊接工作量大等。实际施工中，采用圆形或两端为圆形、中间为矩形的较多。

⑴、圆形钢围堰内径尺寸的拟定，其内径为：

公式中各项字母含义，参见图1所示。

图1 双壁钢围堰结构尺寸构成示意图

式中：

D1——钢围堰的内径（以米计）；

a ——承台（若两层承台，则为下层承台）顺桥向宽；

b ——承台横桥向最大尺寸（以米计算）；

△B——承台对角线处距围堰最近点距离，一般取0.75～1.0米为宜；

L——承台（下层）对角线长度（以米计算）；

D2——钢围堰的外径（以米计）；

h ——双壁钢围堰厚度；视围堰高度及承受的荷载确定，一般为

0.8～2.0米。

⑵、围堰高度的确定

H = 设计水位高程（或为五年一遇最高洪水位）- 封底混凝土高

程 + 安全高△H

式中：安全高△H一般为1.5米；

封底混凝土高程 = 承台底高程 - 封底混凝土厚度；

封底混凝土厚度的确定：一般应大于2米，并保证在抽水、进行承台施工时增加围堰抗浮力及底部不漏（渗）水的需要。

⑶、围堰上浮浮力的计算

围堰上浮力计算原理很简单，即根据阿基米德定律，浮力大小等于物体排开液体的重量。即：

式中：W f——水的浮力（t）；

D2——围堰外径（m）；

H t——围堰抽水后内外的水头差（m）；

γ1——水的容重（t/m3）。

⑷、抵抗浮力的计算：

W抵= W自+ W台+ W填+ W摩

式中：

W抵——围堰抵抗水的浮力（t）；

W自——钢围堰的自重（t）；

W台——围堰上搭设工作平台及设备重（t）；

W填——围堰内注水或灌入混凝土的重量（t）；

W摩——围堰内壁及桩护筒与封底混凝土的摩擦力（t）；

W摩= （πD1 + nπd）×H封×φ式中：

D1 ——围堰内径（m）；

n ——桩的根数；

d ——桩的钢护筒外径（m）；

H封——封底混凝土厚度（m）；

φ——钢与混凝土的粘着系数。

由此计算，若W抵≥1.3 W f 则封底混凝土厚度符合要求；如不满足要求，则修正封底混凝土的厚度，直至满足要求为止。

注意：有人曾在计算抵抗浮力时，将整个封底混凝土的自重均计入，这是不够科学的；除非能保证封底混凝土与钢围堰形成一个结构整体。

图2 双壁钢围堰结构示意图

3、钢围堰的结构设计

⑴、钢围堰的结构设计应按钢结构设计原理进行计算。其整体设计组成如图2所示。

⑵、在计算出围堰总高度后，应根据自身的起吊能力对围堰总高进行分节。为下沉及接高的需要，底节高不宜小于 4.5m，其它节的高度在3～5m均可。为减少焊接、拼装的工作量，不宜分得太小。每节围堰又可分为8块或12块组拼。

⑶、围堰的刃脚部分应进行特殊设计。一般采用较强的型钢焊接而成，因要入岩及起整个围堰的支撑作用。

⑷、组成围堰的竖肋、水平横（斜）撑、面板等，均要进行构件的计算。计算的原则为：竖肋应按两端固结的杆件或将整个围堰的竖带组合体视为一桁架结构的弦杆进行检算；水平横（斜）撑按桁架结构的杆件进行检算；面板则应按四边嵌固的板验算板的应力及局部变形。计算荷载如下：

①、平台上传递而来的竖向静活载（自重、设备、人员）；

②、如作为钻孔桩施工平台，还应考虑钻机的冲击荷载；

③、水压力；

④、自重。

具体计算方法，详见钢结构计算手册。

㈡、钢围堰的施工

1、钢围堰的加工及制作

钢围堰的制作及加工，应在指定的具备加工能力的大型钢构件厂进行，具体的加工工艺，各单位均有较成熟的工艺，从略。