港珠澳大桥浅水区非通航孔桥梁基础围堰施工技术
2017-04-10
1 工程概况
1.1 工程简介
港珠澳大桥是连接珠海、香港、澳门两岸三地的特大型公路桥梁。大桥全长约50km，建成后将成为世界最长的跨海大桥。CB05标段浅水区非通航孔桥共62个桥墩，基础采用6根φ2.0m钢管复合桩；预制承台尺寸为（15.6×11.4×4.5）m（横桥向×纵桥向×承台厚度），C45混凝土，承台顶埋入海床面，底节墩身与承台一起预制，其最大重量为2350t。墩高19.143～42.974m，浅水区非通航孔桥梁典型下部结构见图1。
1.2地形与地质
港珠澳大桥位于伶仃洋水域。CB05标段里程为K29+273 ～K35+890，地面较平坦，地面高程一般在-4.0～-6.2m。桥址区围堰入土深度所在范围内的地质为新全新统海相沉积物（淤泥质）和晚更新统海河交互相黏性土夹砂层。
1.3 水文及气象
水中区段位于里程K29+237～K35+605段，高潮时水深5.0～7.0m，低潮时水深3.5～5.5m。桥区潮汐属不规则半日潮混合潮型，20年一遇极高潮位+2.97m，极低潮位-1.35m，水域水流主要为潮流，风生流、波流对水流也有影响。桥位区域属南亚热带海洋性季风气候区，温暖潮湿、气温年较差不大，降水量多且强度大；桥位区处于热带气旋路径上，受热带气旋的影响十分频繁。
2 浅水区非通航孔桥梁下部结构施工方案
浅水区非通航孔桥梁下部结构施工采用大型浮吊定位插打钢管复合桩，之后在钢管复合桩上安装整体式钻孔平台，以CJ-25型冲击钻成孔，灌注水下混凝土形成钢管复合桩；以钢管复合桩为导向，整体吊装双壁钢围堰并下放至海床上，吸泥下沉至设计高程，水下封底，堰内抽水，以大型吊船安装预制承台；在承台预留孔中浇筑混凝土，将承台与钢管复合桩连接成整体；继续吊装中节预制墩身和墩帽，浇筑湿接缝混凝土，完成桥梁下部结构的施工。预制结构分三部分：承台及底节墩身、中节墩身、墩帽，见图2。
3 无内支撑双壁钢套箱围堰的设计
围堰结构为本工程桥梁下部结构施工的关键工艺装备，需要满足如下功能：为预制承台的安装提供无水空间；抵御波浪冲击等外作用力，保证承台预留孔内现浇混凝土的质量不受影响；抵御台风，保障施工安全。同时，本围堰的设计也受到诸多限制，主要有：预制承台的平面尺寸和双体浮吊间的开档尺寸，限制了围堰的轮廓尺寸及壁板厚度；负责安装围堰的吊船的起重能力限制了围堰的总重；海上施工特殊环境要求围堰拆装方便、能多次周转使用，且能为预制承台的安装提供最大便利。为满足以上要求，经过深入研究，提出了无内支撑结构的双壁钢套箱围堰方案。
3.1 围堰壁板
围堰为双壁锁口钢套箱结构[1] [2]，壁板厚0.75m，高23.2m，平面上分为8块，各分块之间采用榫头锁口与螺栓组合方式连接，见图3。为方便预制承台的吊装，围堰内不设内支撑结构。设计水位为+2.00m，封底混凝土厚为3.5m，采用水下C35混凝土。
围堰壁板：壁板为双壁结构，内外壁厚度均为16mm，Q345B结构钢，局部采用20mm厚钢板，内外壁横向采用等边角钢加劲。
水平环板及竖隔板：均采用16mm钢板，Q345B结构钢；竖隔板通长布置，水平环板开长圆形进人孔。
围堰接缝装置：采用锁口与螺栓组合的连接方式，其中锁口连接沿围堰高度方向通长布置，螺栓仅在顶部5.2m范围内布置。锁口中间设置止水水囊或砂袋。
围堰下沉导向支架：为双层整体式导向结构，附着在钢管复合桩上。
3.2 围堰壁板的分块与连接
围堰壁板在平面上分为8块，相邻壁板间采用锁口与螺栓组合连接，锁口结构上下贯通设置，壁板顶部5.2m高度范围内设置螺栓连接，以传递竖向剪力。
壁板平面分块原则：壁板间的接缝布置在围堰横向弯矩相对较小处，并综合考虑方便安装与拆除。
围堰在平面上共分为8块，见图4。其中K1＼K3＼K5＼K7为直线型壁板，K2＼K4＼K6＼K8为L型弧面壁板。
壁板间的连接见图5。榫头式锁口结构可以传递垂直于壁板面的剪力，顶部的连接螺栓则可传递平行于壁板面方向的剪力。榫头的前端设置止水锁口，并留有用以填充止水胶囊或砂袋的空隙。
3.3 新型围堰的特点
围堰最显著的特点在于围堰内不设置任何支撑结构，从而大大提高了预制承台安装的效率。榫头+螺栓的连接方式保证了壁板间可以传递面内、面外剪力，还可传递拉力、压力等，但围堰壁板间存在少量缝隙，可以发生微量相对转动（约1°），因而将接缝视为铰接。围堰壁板的新型接缝结构为取消内支撑提供了可能，并保障了无内撑围堰结构的稳定性和承载要求。
围堰单块壁板的刚度、尺寸、重量均很大，这是围堰受力的要求，但加大了围堰的安装拆除难度。
围堰止水是采用竖向连续的锁口，通过设置水囊或者灌注砂袋来阻断水流路径。
4 围堰快速施工
4.1 总体部署
围堰的快速施工是海上预制基础快速安装的前提。围堰的首次拼装采用墩位处逐块散拼方案，此后周转使用时采用吊船整体吊装方案；围堰的首次下沉采用逐块插打到位，周转使用时采用吸泥整体下沉方案；围堰的拆除均采用整体拆除方案。
围堰的安装和拆除均采用海上大型吊船。 4.2 围堰拼装
围堰在工厂制造，预拼合格后将拆分为单元块运至墩位处。在复合桩上设置双层整体式导向架，利用浮吊逐块将围堰壁板吊装到位，在自重作用下，围堰壁板沿导向架下沉，插入海床一定深度，直至8块壁板安装完毕，合拢后形成整体。见图6。周转使用时，采用大型吊船将围堰整体吊起，套入钢管复合桩上的导向架，调节围堰的平面位置与垂直度，利用自重下放围堰至海床上。见图7。
4.3 围堰下沉就位、清基
围堰下沉方案有二，其一是逐块壁板插打下沉就位，其二是整体吸泥下沉就位。方案一采用两台APE400型振动打桩锤并联插打；方案二采用两台φ273吸泥机吸泥机。吸泥过程中经常摇荡管身和移动位置，以增强吸泥效果。吸泥管口距离泥面15～50cm。
清基采用2台135mm砂石泵，自围堰中中央向周边，按照一定坡度吸出围堰内壁范围内的泥砂。清基完成后，在围堰锁口内安装水囊或者灌注砂浆，封闭锁口缝隙，达到止水效果。清底时，注意保持围堰内外水位一致，必要时采用水泵补水，防止翻砂。
4.4围堰封底
封底前由潜水工认真清理钢管桩外壁及围堰内壁，去除其其表面附着的泥土。封底混凝土灌注采用垂直导管多点同时水下灌注，水下封底混凝土灌注的顺序遵循先中间锅底后四周、对称均衡的原则。
封底混凝土施工过程中要通过对封底混凝土方量与封底顶面标高这两个参数进行控制。要保证其两个参数的相互关系正确，以保证封底混凝土顶面标高达到设计要求，封底顶面最高点不得超过设计标高300mm。
封底混凝土强度达到设计要求前，钢围堰不得受到冲击、干扰和承受额外荷载，以免影响混凝土强度增长，确保混凝土的强度、整体性和水密性。
4.5 围堰拔除及周转
承台墩身安装完毕后，往围堰内注水，拆除围堰连接螺栓，利用振动锤使围堰与封底混凝土脱离，利用浮吊逐块拔起围堰一定高度，再将围堰连成整体并利用浮吊整体起吊围堰。吊离承台后对围堰进行检查修复后投入下一个施工墩位。
4.6围堰快速施工技术措施
为加快围堰施工速度，提高安装质量，施工过程中采用了如下优化技术措施：
（1）在围堰下放前，对围堰安装位置的海床进行预抓泥处理，严格控制抓泥范围不超过围堰内边缘尺寸，确保围堰下放区域不出现空洞并减少摩阻力。
（2）围堰整体下放，一次性安装至设计高程，提高安装效率。
（3）围堰内吸泥、清基工作应尽可能减少对海床基底原状土的扰动，确保封底前淤泥处于相对粘性板结状态。
（4）封底前在底层敷设一定厚度的细砂，确保封底混凝土质量。
4.7 围堰抵御台风技术措施
台风期进行围堰施工时，密切关注天气变化，避开台风来袭时的大型吊装作业。同时，为确保围堰在台风期不受浪涌破坏，提前将围堰内部及双壁隔舱内灌水，保持围堰内外水头一致，确保围堰稳定。
5 结语
港珠澳大桥非通航孔桥梁围堰施工是本工程最为关键的工序之一。新型无内支撑围堰结构的设计和使用，大大提高了海上施工的效率，为海洋浅水区桥梁基础快速化施工开辟了新方法，可资同类工程参考借鉴。由于海床地质情况极其复杂，加大了围堰施工的难度。通过对围堰施工工艺的改进，为港珠澳大桥基础施工高效、快速地完成奠定了基础。
参考文献（References）：
[1] 王崇艾.锁口式钢套箱围堰的设计与施工.铁道建筑技术，2006，（1）：22-24.
（WANG Chong-ai.Design and Construction of Interlocked Precast-box Cofferdam.Ralway Construction Technology，2006，（1）：22-24.in Chinese）
[2] 孙建勋.青岛海湾大桥锁口式钢套箱围堰设计与施工[J].施工技术，2009，38（11）：109-112.
（Sun Jian-xun.Design and Construction of Lock-type Steel Boxed Cofferdam in Qingdao Bay Bridge.Construction Technology，2009，38（1）：109-112.in Chinese）
