公路桥梁水下基础施工中双壁钢围堰的设计优化与下沉施工技术研究

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随着我国基础设施建设的不断深入，特别是在交通中对公路桥梁建设的要求越来越高，桥梁水下基础施工技术已成为亟待解决的重要课题之一。水下基础建设面临地质条件复杂、水下环境恶劣、施工安全性高的挑战，传统施工方法很难保证施工质量和工期。因此，寻求一种更高效、更安全、更经济的施工方法，是目前桥梁施工中迫切需要解决的问题。双壁钢围堰是一种新型的水下基础施工技术，具有抗压强度高、施工稳定等优点，在复杂水域具有广阔的应用前景。但是，目前的双壁钢围堰设计与施工工艺还存在着许多不足之处，如围堰承载力低，施工效率低，水下环境适应性差。因此，开展双壁钢围堰设计优化及沉陷法施工技术研究，不仅有利于提高桥梁水下基础施工技术水平，而且能有效解决现阶段施工中遇到的问题。

1 工程概况

1.1 设计概况

某高速公路大桥106#主墩是该桥关键部位，承台采用分离式设计，左、右墩间距1.65m。承台尺寸为13.6m×13.6m×4.5m，承台采用C30 砼。106#承台工程采用无底型双壁钢围堰，其尺寸为长32.25m，宽17m，高22.39m，封底厚度3.5m，总重量 570 吨左右。钢围堰是一种综合考虑内外墙结构要求的钢围堰，内墙比承台外侧大20cm，围堰壁厚1.5m。围堰顶部30.0m，底部7.61m，保证了在施工期间水流不会进入围堰内，为承台浇筑及后续施工提供稳定的工作环境。

1.2 地质及河床地貌

该区出露的地层主要是第四系的人工填土、粉质土、粉质粘土、砂质砂等，以及第四系更新世的粉质粘土、砂层、碎石土、胶结砂层等。106#主墩所处地层岩性比较复杂，砂层顶高15.6m，厚6.18m；砾砂层顶部高程9.42m，厚11.60m；下面细砂层顶面高程-2.18m，厚度1m；砾砂层的顶部高程是-3.18m，厚度是10.10m。主墩承台施工区受河流冲刷作用，河床地形在纵向及横向上发生了一定的变化。从纵向来看，河床自东向西逐渐降低，河床高程在12.2—15.6m 之间有 3.4m 左右的高差；从断面来看，河床自上游至下游高程范围为13.8-14.4m，高程差1m 左右。这些地质、地形特点对工程建设有很高的要求，必须针对具体的地质条件，做好合理的设计与施工安排，才能保证工程的顺利实施。

2 双壁钢围堰的设计优化

2.1 控制壁体应力位移变形让关键构件应力位移变形满足设计要求

在设计时，特别是在水深较大，河床地质情况复杂时，围堰的边墙应力与位移变形控制尤为重要。根据106#主墩地质情况（细砂、砾砂层及碎石土），围堰将承受较大的水、土压力。根据水动力学的基本原理，可以用公式 P=ρ_p gh 来计算水压力P，这里ρ表示水的密度，g 表示重力加速度，h 表示水深。在该工程中，水的深度可以达到15.6 米，水的压力是：

P=1000×9.81×15.6=153336Pa

当围堰厚度为 1.5m 时，需对围堰进行结构分析，以确定围堰的最大承载能力，以保证不出现应力集中超出设计限值。利用有限元方法对围堰进行应力仿真，得到了围堰关键构件（支撑体系、连接节点）应力分布情况。应力公式σ=FA，这里F 是力，A 是横截面积，可以用来计算应力的分布，并和设计值做比较。对围堰壁厚进行了调整，并对支护结构进行了优化，保证了围堰的应力位移变形能够满足设计要求。经设计计算，围堰最大应力为320MPa，位移为 4.5 毫米，均在设计范围之内。

2.2 减小壁板厚度提高材料利用率

为提高材料利用率，降低工程造价，对双壁钢围堰壁厚进行了优化设计。假定围堰有1.5m 厚的护壁，钢的抗拉强度为500MPa，由应力公式σ=FA 可知，可减少不需要的材料厚度，从而提高钢的利用率。

采用有限元方法计算出钢围堰壁厚1.2m，既可满足安全要求，又可降低材料用量，降低工程造价。在降低壁板厚度的前提下，合理的支撑体系可以有效地分担压力，并且在水下施工环境下，结构所能承受的最大应力达到330MPa，完全满足设计要求。

2.3 增大内支撑水平间距增加施工空间

为了扩大施工场地，加快施工进度，在设计过程中增加了内支撑的水平间距。在原有支撑间距为 2 米的情况下，优化后支撑间距增大到2.5 米。根据施工要求，增加水平间距可增加作业空间，使施工人员操作更加灵活，并可减小管内壁的受力。

可由公式 F=kΔx （其中F 为力、k 为弹性常数、Δx 为位移）来分析支撑间距的增加效果。通过增加支护间距，优化支护节点及结构布置，在保证围堰稳定的前提下，提高施工空间利用效率。通过增加支距，降低了围堰下沉所需的受力，提高了施工效率。通过优化设计，可使内撑力达到1600kN，从而保证围堰稳定。

3.1 方案概述

双壁钢围堰是一项比较复杂的施工工艺，尤其是围堰底部安装完毕后，要浮于水面，直至靠床前。这一阶段的围堰沉降比实际沉降要高得多，因此对围堰的稳定性及精度要求非常高。沉放前要保证围堰自重足以克服浮力，所以采用均匀注水的方法，逐步增加围堰自重，保证围堰稳定下沉。

3.2 主要施工过程

3.2.1 围堰水中下沉

详细统计围堰高、刃脚高、顶高、水位高、内、外水位差、内墙混凝土厚度等关键参数。对围堰进行精密的水位控制与监控，以保证围堰在下沉过程中平稳运行，不会因浮力而发生偏移或倾斜。同时，为进一步提高围堰的稳定性，需在围堰刃脚部位浇筑混凝土，以增加围堰自重，并有效抵御外部水流的扰动。沉放期间，围堰顶面一定要保持在水面以上1 米以上。这样可以有效地防止围堰受到水流的冲击，避免不必要的振动，从而保证施工的安全稳定。

3.2.2 围堰着床

为了保证施工过程的稳定与安全，围堰施工应选择在低水位、低流速时进行。在施工之前，需要清理并平整河床。尤其是在设计位置上游，通过均匀抛石来降低局部床面冲刷作用，保证围堰底面与床面充分接触，为其稳定着床奠定基础。采用此项措施，既可有效避免因水流冲击而产生的底部不平整，又可为后续施工提供更为稳固的支撑。

在前期工作完成的基础上，采用空压机吹扫，进一步减小水面高差，为围堰准确着陆创造条件。这时，围堰刃尖距离河床约0.5 米，施工人员停止注水下沉，用吹砂设备将河床整平。这样就可以消除河床不平整对围堰的影响，保证了围堰在平坦地面上的平稳着陆。

当围堰底水位降至 1 米左右时，启动多台泵，向围堰侧壁均匀注水，保证刃脚与河床接触，使围堰稳定下沉。这时，围堰已经到了最后阶段。为保证围堰安放精度，保证围堰稳定，施工队伍需实时监测河床冲刷及围堰倾斜状况，及时调整围堰位置或采取纠偏措施，以保证围堰准确满足设计要求，顺利完成施工任务。

3.2.3 围堰吹砂下沉

在围堰施工过程中，采用空压机、吹砂管等方法对围堰进行沉砂作业。为有效地提高沉放速度，减小地质阻力，吹砂作业是围堰沉放过程中的关键环节。将吹砂管道安装在围堰周围和底部，吹砂管道底部和离底部 2～ 3 米范围内用镀锌管输送高压空气。在吹砂管道中，高压空气在吹砂管内形成低压区域，使吹砂管内内外压力差逐渐增大，淤泥在高压空气的作用下被排出。沉砂过程中，砂粒能有效分散于水下，减小沉砂过程中与床面的摩擦，有利于围堰平稳下沉。

为保证吹砂作业的高效、精确性，必须按照“先中间后四面、先高后低”的原则进行作业，并有专人负责对围堰内外刃脚区水位及沉降进行定期监测。通过实时监测，及时调整吹砂装置的运行位置，保证了吹砂效果的均匀。另外，当遇到特殊情况时，如果遇到下沉困难，可采用高压水枪局部喷浆，使围堰刃脚进一步松动，减少下沉阻力。该方法能有效地克服因局部阻力引起的沉降困难，确保围堰能顺利下沉和稳定。

吹砂沉陷法是一种适用于复杂地质条件下的沉放工艺，特别适合多砂河床和复杂地质条件下的围堰沉放。吹砂沉陷法施工简单、高效，是该项目的关键技术之一，可为围堰准确定位及沉陷量提供可靠保证。

3.3 围堰下沉施工的控制要点

围堰的沉放施工对于保证围堰的定位精度及稳定至关重要。施工过程中，需严密监测围堰沉降情况，采取一系列控制措施，保证围堰平稳下沉，使围堰进入覆盖层沉降阶段。监测内容包括围堰下沉速度、下沉深度、下沉偏差等，如发现不均匀或不均匀，应及时调整。定期进行沉降观测，可以及时掌握围堰沉降的动态变化情况，保证沉降平稳进行。

均匀喷砂是围堰找平施工中的一个重要措施。在围堰底坡率小于1%的情况下，可采用多台喷砂机均匀喷砂，使喷砂口底部的泥面在刃尖以上，避免翻砂。喷砂作业既可使围堰下沉均匀，又可减小底床与底床间的摩擦，使沉放过程更为顺畅。

围堰水深稳定后，需浇筑混凝土。当围堰刃脚稳定于河床设计水深后，按匀速逐次浇筑混凝土，保证围堰稳定，防止围堰倾斜、移位。混凝土浇筑要均匀，避免因局部多浇造成围堰位置偏移。同时，还应采取防涌砂措施。围堰入床后，河床受围堰挤淤，水流流速增大，易引起下游河段局部冲刷。此时，如遇涌砂，应立即停止施工，采取抛砂包等措施，保证围堰内外水位平衡，防止围堰移位。

在围堰施工期间，为了保证围堰内、外水位的平衡，必须对堰顶水位进行定期监测。当水位不均衡时，应及时调整水位，以确保围堰稳定。为了保证围堰沉降精度，必须对围堰进行实时监测。施工小组要对围堰的坡度、坡度、位移等沉降量进行记录，一旦发现异常，应及时采取纠正措施，防止围堰倾斜或偏位。

3.4 围堰下沉纠偏纠斜及防涌砂措施

在围堰施工过程中，由于河床不均匀，土质复杂，容易产生偏斜或涌砂等现象。为保证围堰下沉顺利，在工过程中必须采取有效的纠偏及防涌砂措施。

围堰沉陷偏移是工程中经常遇到的难题。为了解决这一问题，在施工过程中常采用侧向取土法。本发明是利用吹砂装置，由围堰中心向四周散布砂粒，使其形成锅底状。这样既能使围堰受力均衡，又能保证围堰下沉均匀。在吹砂作业中，要密切注意围堰的沉降，如果有一面刃脚下沉过慢或过高，可调整吹砂装置的位置，向此方向吹砂，达到纠偏目的。这样做既可促进围堰均匀沉降，又可减小因局部不均匀沉降引起的倾斜和位移。

当侧向取心方法不能彻底解决这一问题时，应采用偏压平衡法。施工过程中，施工人员需经常检查刃脚所在河床的情况，如有必要，及时清理河床。重力式偏载是指在围堰一侧施加力，使围堰向设计位置下沉。采用偏孔取土法，多次作业，可有效地实现围堰纠偏，保证围堰稳定下沉。

围堰施工过程中，防涌砂措施尤为重要，特别是抽水、吹砂等作业，极易引起河床扰动，形成涌砂。为防止涌砂，施工人员应在围堰下沉过程中对围堰进行补水，保证围堰内外水位差在 0.5～1 米。这样既能保证围堰内外水位差不大，又能减少涌砂。另外，为了保证河床的均匀下沉，防止因翻砂、涌砂而造成围堰偏位，施工人员在围堰刃脚处要避免一次进尺过多。及时补水，合理控制进尺，是预防涌砂的有效途径。

结语

随着围堰施工技术的不断发展，未来的围堰下沉施工将更多依赖于高效的实时监控系统以及先进的自动化调节设备。这些技术的引入，不仅能够提高施工效率 而且可以减少人为干预，保证施工过程的精确和可靠。同时，随着水下施工工艺的不断进步，围堰设计与 技术向更高效率、更节能的方向发展，特别是复杂的水文地质条件下，如何利用新材料、新工艺进一步提高围堰的稳定性与施工精度，是今后的研究重点。

展望未来，围堰施工技术将不再局限于优化施工方法本身，而是向智能化、可持续性方向发展。利用大数据、物联网等技术，结合无人机、机器人等自动化设备，实现围堰施工全过程的实时数据采集与分析。

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