岩板滩特大桥连续梁主墩钢围堰施工方案分析研究

Analysis and Study on the Construction Plan of Steel Cofferdam for Continuous Beam Main Pier of Yanbantan Extra Large Bridge

摘要: 岩板滩水库特大连续梁桥，其23#及24#主墩为水中围堰作业，为保障施工安全、进度，并降低施工成本。本研究基于当前规范并结合工程实际情况，基于套管箱围堰及锁扣钢管桩围堰两种类型，充分考虑水库低扰动性、工程载荷及围堰结构稳定及可靠性等因素，进行优化对比分析。研究显示：锁扣钢管桩围堰对水库安全及水质安全及围堰结构安全具有明显的综合优势，是满足该水库特大连续桥的最优方案。该分析成果对类似的大型桥梁水下墩柱施工的围堰方案优化具有重要参考和指导意义。

Abstract: The 23# and 24# main piers of the Yanbantan Reservoir mega continuous beam bridge are con- structed with underwater cofferdams to ensure construction safety, progress, and reduce construction costs. This study is based on current standards and combined with the actual engineering situation and conducts optimization and comparative analysis based on two types of cofferdams: casing box cofferdam and locking steel pipe pile cofferdam, fully considering factors such as reservoir water level, engineering load, and the stability and reliability of cofferdam structure. Research shows that the locking steel pipe pile cofferdam has obvious comprehensive advantages and is the optimal solution to meet the requirements of the super large continuous bridge of the reservoir. The analysis results have important reference and guidance significance for the optimization of cofferdam schemes for similar large-scale bridge underwater pier construction.

1. 引言

桥梁作为交通基础设施的重要组成部分，在跨越宽阔水域或复杂地形区域时发挥着至关重要的作用。主墩作为桥梁的关键支撑结构，其稳定性和安全性直接关系到整个桥梁的承载能力和耐久性。在桥梁柱墩建设过程中，围堰作为挡水墙结构发挥着重要的作用，它为工程基础的施工创造较为方便的空间。围堰按照材料为：木质围堰、混凝土围堰、钢围堰等，每种围堰都有各自的特点和适用条件[1]。钢围堰作为一种常用的深水基础施工技术，因其施工速度快、对环境影响小等优点，在特大桥主墩施工中得到了广泛应用。很多学者和工程师对钢围堰的施工工艺、设计方法和受荷特征等方面进行了研究分析。张庆伟[2]等在钢围堰施工前，采用了模块化设计，将底节钢围堰与钢护筒群一并加工，确保了在桥承台施工过程中钢围堰没有出现漏水，整体质量达到优良标准。于得安[3]等通过钢–混凝土组合围堰的应用，有效缩短了基础施工周期，降低了围堰施工难度及施工费用，经济合理，满足现场施工各项要求。王成伟[4]通过实践验证，将钢护筒从水下安装改为陆上安装，不仅提升了施工效率，还确保了与大型钢围堰结合后的稳定性，优化了吊装和沉放过程。伍柏宏[5]引进BIM技术，在深水钢围堰施工中的应用，有效解决了多项施工难题，确保了深水钢围堰工程的高精度、高质量和高效率。高骏[6]以广东省黄茅海跨海通道项目黄茅海大桥中塔承台施工为依托，研发了在海域环境下的装配式有底双壁钢围堰的成套设计及施工技术。钱骥[7]等采用MIDAS Civil软件分别建立加固前、后钢管桩围堰结构有限元模型，分析钢管桩及内支撑的受力安全与稳定性，研究得出结论，水下施工中对内支撑进行加固的方案能够有效提升钢围堰的承载能力。姜贺[8]等通过主墩承台应用锁口钢管桩围堰技术，其他墩台则使用钢板桩围堰。承台大体积混凝土通过智能化温度控制，实现了无裂纹施工。陈阳[9]等基于椭圆度理论，使用Fluent软件和二阶迎风算法，研究了大型钢围堰对航道和水流稳定性的影响。研究表明，当相对椭圆度α = 1时，钢围堰对水流和船只航行的影响最小。牛艳伟[10]等针对矩形围堰提出一种在尾端增加一定长度分流板的抑制方法，通过现场流迹线试验，验证了采用尾端分流板方案的有效性。周清泉[11]等采用敏感性分析和PLAXIS软件的二维、三维有限元模型，研究了设计参数对双排钢板桩围堰变形的影响，研究发现拉杆标高、张紧力和钢板桩刚度对围堰变形影响较小。李宁[12]等研发一种带叠合底板的钢吊箱围堰，解决了素封底混凝土开裂失效的问题。

在新建成渝中线铁路(四川段)站前6标岩板滩水库特大桥连续梁主墩施工中，拟采用钢围堰方案，在保证施工安全与水库正常运行的基础上，本文从工程费用、施工难度与安全性、施工工期这三个方面对双壁钢围堰方案和锁扣钢管桩围堰方案进行比选。

2. 工程概况

2.1. 工程背景

岩板滩水库特大桥，位于四川省资阳市乐至县境内，是巴羌高速在大化瑶族自治县乙圩乡连接岩滩库区两岸的关键控制性工程。该桥梁起讫里程：DK190+084.100~DK192+056.494，全长为1972.394 m，本桥于DK190+890处跨越岩板滩水库，河面宽118.1 m，设计采用(44 + 72 + 44) m连续梁跨越河道，其中23#墩、24#墩为水中墩。

2.2. 桥梁跨越水库施工重难点

岩板滩特大桥23#及24#主墩位于水库内，作业前需要施作围堰进行止水，而水库23#、24#主墩设计承台底标高分别为400.5 m、402 m，23#墩最大作业水深15.8 m，24#墩最大作业水深14.3 m，岩板滩水库蓄水位为416.3 m，在施工过程中应充分考虑水库蓄水高度，保证施工安全与水库正常运行。

此外，桥梁跨越的岩板滩水库是该县工业生产、灌溉及生活用水的主要来源。因此，水中作业施作主墩时必须充分考虑到施工作业对水质的影响，对水库坝体的安全的干扰。

3. 23#及24#主墩围堰施工方案优化比选分析

根据规范[13]要求，钢板桩围堰不适用于10米以上水深，钢吊箱围堰不适用于低桩承台，现就钢套箱围堰(含单壁钢围堰、双臂钢围堰两类)、钢管桩围堰进行方案对比，可行方案见表1。

Table 1. Feasibility plan for the 23 # and 24 # underwater main pier cofferdams of the Yanbantan reservoir extra large bridge

表1. 岩板滩水库特大桥23#及24#水下主墩围堰可行性方案

项目	钢板桩围堰	钢套箱围堰	钢吊箱围堰	钢管桩围堰
覆盖层	覆盖层较厚的浅水水域	覆盖层较薄或地基承载力较高，基础底标高位于河床内或略高于河床	河床存在较厚的软弱土层，或基础底面距离河床面较高	河床覆盖层含有大量漂、砾石或存在水下障碍物、其他类型钢围堰下沉困难；并适用于河床为砂类土、黏性土、碎(卵)石类土和风化岩等水中深基坑开挖防护施工
水流条件	流速较小小于2 m/s	可适用于较大流速，大于2 m/s	可适用于较大流速，大于2 m/s	流速较小，小于2 m/s
水深	水深宜控制在10 m以内	水深宜控制在40 m以内，深水低桩承台均可采用	适用于水深较大的高桩承台或构筑物	水深宜控制在15 m以内
钢材用量	较少	相比钢板桩围堰，用钢量要大	相比钢板桩围堰，用钢量要大	用钢量介于钢板桩围堰与钢套箱、钢吊箱围堰之间
适用的构筑物	低桩承台，围堰外形可根据基础外形而相应采用矩形、圆形、圆端形，并根据水位或基坑深度及地质情况设置内部支撑或锚杆	水中低桩承台，围堰外形可根据水流速度、基础平面形状、水深情况选择圆形、矩形、圆端形；根据围堰下沉深度、下沉难易程度、荷载情况选择单壁、双壁或单双壁组合式	深水高桩承台围堰外形可根据水流速度、基础平面形状选择圆形、矩形、圆端形；单壁、双壁结构的选择应根据水压差及支撑情况确定	低桩承台，围堰外形可根据基础外形而相应采用矩形、圆形、圆端形，并根据水位或基坑深度及地质情况设置内部支撑或锚杆
制造难度	制作简单，难度较小	制作复杂，难度相对较大	制作复杂，难度相对较大	制作难度介于钢板桩围堰和钢套箱、钢吊箱围堰之间

由于单壁钢围堰通常适用水深较低，通常施工水深在10 m以内时采用，而岩板滩水库特大桥主墩最大施工水深分别为15.8 m为14.3 m，因此单壁钢围堰方案不适合本工程，不再进行讨论。

3.1. 钢套箱围堰施工方案(双壁钢围堰)

双壁钢围堰方案从结构稳定性的角度，比单壁具有更为优良的自稳性能，见图1。在23#及24#主墩水中施工中具有可靠性及稳定性良好，能抵御水压力和动水压力的作用。同时，该方案也具有局限性。

3.1.1. 工程费用

根据初步估算，双壁钢围堰需钢材约1050 t，混凝土约2200 m³，开挖土石方约6900 m³，总造价约700万元，较原设计增加工程费用约351万元(原设计单壁钢围堰造价约349万元)。双壁钢围堰经济性相对较差。

3.1.2. 施工难度与安全性

锁扣钢管桩围堰施双壁钢围堰拆除采用水下分块切割，分块吊装拆除。由于该施工方案工序繁杂，需开展水下凿平、水下切割与水下爆破作业，施工难度大、安全风险大，此外，水下爆破点距岩板滩水库坝体约100米，前期对接中，水库管理机构不允许采用爆破方案。

3.1.3. 施工作业工期

双壁钢围堰加工过程相对繁琐，受工厂加工、运输、安装制约，现场施工涉及水下凿平与水下爆破作业，施工不确定性较大，工期风险较大。

3.2. 锁扣钢管桩围堰方案

锁扣钢管桩围堰方案，是采用管桩间相互嵌套的方式进行止水和形成整体受力，是工程中较为常用的，能够抵御较大水压力且支护效果较为良好的围堰类型，见图2。针对本工程，其具有如下特点。

Figure 1. Double walled steel cofferdam construction

图1. 双壁钢围堰构造

Figure 2. Locking steel pipe pile cofferdam

图2. 锁扣钢管桩围堰

3.2.1. 工程费用

根据初步估算，锁扣钢管桩围堰需钢材约1000 t，桩基引孔约2200 m，开挖土石方约2150 m³，总造价约680万元，较原设计增加工程费用约331万元(原设计单臂钢围堰造价约349万元)。锁扣钢管桩围堰经济性相对较好。

3.2.2. 施工难度与安全性

由于锁扣钢管桩围堰施工时，采用的是扰动较小的冲击钻引孔方式的施工工法；围堰拆除则采用振动锤直接拔除钢管桩。上述施工方法施工方案工序简单，仅需要冲击钻、振动锤等常规施工机械，无需开展水下凿平、水下切割与水下爆破作业，施工难度小、安全风险小，具有较大的经济和安全优势。

3.2.3. 施工工期

锁扣钢管桩围堰加工简便，施工工期主要取决于钢管桩打入速度，受现场客观环境条件制约较少，工期风险较小。

综合以上对比分析，岩板滩水库特大连续梁桥23#及24#主墩水中围堰方案是该工程标段的重难点工程，施工工期紧、任务重。同时要重点考虑到水下作业区域是在水库区域，必须减少施工震动的影响，同时施工全过程不允许对水库水质有过度扰动，因此包括围堰和桩体施工均不可以产生较大的震动冲击载荷作用。为了保证水库稳定性及安全性，同时兼顾工程经济及进度，锁扣钢管桩围堰方案更有利于节约成本、节省施工工期，控制安全风险，在三种可行性方案的比选中综合优势较大，本工程优化选用锁扣钢管桩围堰作为本次施工作业的围堰。

4. 结论

本研究依托岩板滩水库特大连续梁桥23#及24#主墩水中施工围堰优化比选工程，基于当前规范并充分考虑工程作业处为水库的特殊性，主要从水库安全性及围堰结构安全性、可行性及经济性，同时考量工程队环境的影响的多方位角度，优化选择具有综合优势的锁扣钢管桩围堰作为最终施工类型。该研究成果对于大跨度渡河跨障桥梁水下主墩的围堰施工方案具有重要的借鉴和指导意义。

NOTES

^*通讯作者。