深中通道組合結構圓筒的圍堰設計方案

深中通道組合結構圓筒的圍堰設計方案

宋書東;張全林;張萬達

【摘 要】深中通道西人工島岸壁的主體結構由57個大直徑(28 m)鋼圓筒及副格

形成止水圍堰.鋼圓筒的造價較高,而且在海水環境下,鋼圓筒的耐腐蝕性較差、 后

期維護費用較高.設計一種鋼材與鋼筋混凝土組合結構的圓筒方案,取代鋼結構圓筒,

并對此結構的可靠性、 施工可行性和經濟性與鋼圓筒進行對比.結果表明,組合結構

圓筒方案總體可行、 可靠性高、 成本較低,可為類似工程提供借鑒.

【期刊名稱】《水運工程》

【年(卷),期】2019(000)0z1

【總頁數】5頁(P100-104)

【關鍵詞】深中通道;止水圍堰;組合圓筒;振沉

【作 者】宋書東;張全林;張萬達

【作者單位】中交一航局第五工程有限公司, 河北 秦皇島066002;中交一航局第五

工程有限公司, 河北 秦皇島066002;中交一航局第五工程有限公司, 河北 秦皇島

066002

【正文語種】中 文

【中圖分類】U655.54+1

深中通道是繼港珠澳大橋之后又一跨海交通集群項目，路線全長約51 km，跨海

段采用橋隧組合方案。其西人工島島壁的主體結構由57個大直徑(28 m)鋼圓筒[1]

及副格形成止水圍堰，為橋隧結合部分創造干地施工條件。西人工島圓筒圍堰見圖

1，西人工島岸壁結構斷面見圖2。

考慮到鋼圓筒的造價較高，而且在海水環境下，鋼圓筒的耐腐蝕性較差、后期維護

費用較高。為解決這一問題，設計一種鋼材與鋼筋混凝土組合結構的圓筒方案，作

為鋼結構圓筒方案的替代方案。本文就組合圓筒的設計和施工技術方案進行論述，

并對其可靠性、施工可行性和經濟性與鋼圓筒進行對比，可為類似工程提供參考和

借鑒。

圖1 西人工島圓筒圍堰平面

圖2 西人工島岸壁結構斷面(高程：m；尺寸：mm)

1 組合圓筒結構設計

1.1 設計思路

根據港珠澳大橋的成功經驗，采用起重船與12臺APE600型液壓振動錘組成聯動

系統[2]，將鋼圓筒整體振沉至不透水層，形成可止水的岸壁結構，并承擔水壓力、

土壓力、水流和波浪作用力等荷載。在此基礎上，為充分發揮各自的材料性能，采

用一種上半部為鋼筋混凝土結構、下半部為鋼結構的組合圓筒，取代鋼結構圓筒。

鋼筋混凝土屬于脆性材料，抗沖擊性能較差。因此，振動錘的振激力不能直接作用

于混凝土，通過傳力桿將振激力傳遞至下部的鋼圓筒上，而混凝土圓筒則依靠自重

隨著鋼圓筒下沉。

副格弧形板采取同樣的結構形式，上部為鋼筋混凝土結構、下部為鋼結構。圓筒與

副格的連接方式不變，在混凝土內預埋鋼板、焊接鋼鎖口。

1.2 設計參數

組合圓筒的整體設計尺寸與原設計方案相同，總高度為39.5 m。根據現有的西人

工島地質資料，原泥面高程-13.87 m，向下依次是淤泥、粉砂、淤泥、淤泥質土。

考慮混凝土結構下沉阻力較大，上下結構的分界面設在-14 m，鋼筋混凝土圓筒[3]

的高度為17.5 m；根據圓筒內填料谷倉壓力計算，以及筒體在其他外力條件下的

剛度要求，混凝土圓筒壁厚取40 cm，單體質量為1 539 t(圖3)。

圖3 組合圓筒斷面及平面(單位：mm)

下部鋼圓筒的底高程不變，高度為22 m。在原設計基礎上，局部采取加強措施；

頂面增加一道環形鋼箱梁，以便于上部的混凝土圓筒銜接；傳力桿對應的位置設豎

向加強肋，截面形式由“T”形改為“π”形(圖4)，單體質量約490 t。

圖4 鋼圓筒豎向加強肋局部水平剖面

1.3 組合圓筒的連接形式

上部的鋼筋混凝土圓筒與下部的鋼圓筒分別建造與加工，二者通過M70長螺栓(長

18.35 m)連接為一體，在拆卸時，可將水下操作轉化為水上操作。長螺栓的上端

與環形吊裝工具梁連接，下端與鋼圓筒連接(圖5)。

長螺栓不僅起到上下結構的連接作用，同時將振激力直接傳遞到鋼圓筒上，為了防

止在振動中長螺栓碰撞混凝土結構，長螺栓外表每間隔1 m，套一層50 cm長的

橡膠管作為緩沖層。

沿鋼筋混凝土圓筒墻壁中心線，對稱預埋12組通長的φ95 mm×δ5 mm鋼管作

為預留孔，每組3根、共計36根，以便穿過長螺栓。

在鋼圓筒上部的環形鋼箱梁頂面，設置12個凸形剪力鍵；在混凝土圓筒底面的相

對位置，分別設置相匹配的凹形剪力槽，以限制上下結構的相對位移，并增強其整

體性。為滿足圍堰結構的止水要求，鋼圓筒的箱梁頂面與混凝土圓筒底面之間粘貼

一層3 cm厚的發泡橡膠板，作為止水帶，如圖5a)所示。

圖5 組合圓筒局部斷面(單位：mm)

2 組合圓筒施工技術方案

2.1 鋼筋混凝土圓筒預制及出運

2.1.1 預制臺座

預制臺座采用空間桁架結構，與環形鋼底模焊為一體，臺座下用8個鋼墩支撐。

2.1.2 預制工藝

鋼筋混凝土圓筒采取水平分層澆筑的工藝進行，底段、標準段分層高度分別為1.5、

4 m。鋼筋加工在現有的車間內進行，在鋼臺座上綁扎成型。

內外側模均采用鋼模板、型鋼背楞、豎向鋼桁架結構。桁架下端預埋圓臺螺母連接、

上端通過對拉螺栓連接，混凝土墻體不留對穿孔洞。

圓筒混凝土在預制場的拌合站集中拌合，泵送工藝澆筑。

2.1.3 鋼筋混凝土圓筒出運

混凝土圓筒連同鋼臺座由8個千斤頂一起頂起，由軌道車移送至出運碼頭前沿，

然后采用22 MN起重船裝船，由2 000 t自航駁船運輸至鋼圓筒加工基地進行組

裝。

2.2 組合圓筒拼接

2.2.1 圓筒安置

起重船吊混凝土圓筒安置在加工好的鋼圓筒頂部，通過在鋼圓筒上安裝的臨時導向

架，并通過接合面的剪力鍵咬合裝置實現精確定位。

2.2.2 安裝連接螺栓

用吊機配合人工將長螺栓穿入混凝土圓筒的預留孔，轉動螺栓桿，使其下端與鋼圓

筒頂部帶有內螺紋的加強鋼板擰緊。此時長螺栓的上端露出圓筒混凝土頂面，安裝

橡膠緩沖墊和δ16 mm鋼墊圈，并用M70螺母擰緊。

2.2.3 安裝工具梁

長螺栓全部安裝完成后，先用1組M70螺母擰在長螺栓上并調整其高度，使所有

螺母處在同一水平面上，為環形工具梁提供支撐，然后安裝工具梁就位。之后，用

一組M70螺母擰在工具梁腹內(工具梁側面相應的位置設有φ300 mm的操作孔)

的長螺栓上，使環形工具梁與長螺栓連接緊固，見圖5b)。

2.3 組合圓筒及副格的運輸與安裝

2.3.1 組合結構圓筒及副格運輸

圓筒組裝完畢后，用30 MN起重船整體起吊裝船，2萬t自航駁船運輸至安裝現

場。

2.3.2 組合圓筒及副格安裝

1)組合圓筒振沉。組合圓筒質量約2 029 t，圓筒間標準凈距3 m，振沉順序由一

側按照圓筒位置依次進行。組合圓筒用30 MN起重船，配置12臺APE600型液

壓振動錘組整體振沉。組合圓筒的頂部安裝環形工具梁，振沉錘組液壓夾具夾在工

具梁頂部的δ30 mm鋼板上，通過與之相連的傳力桿傳遞振激力的方式，實現鋼

圓筒與混凝土圓筒同步振沉,見圖6。

圖6 組合圓筒振沉工藝

2)副格的振沉。副格頂端安裝弧形工具梁，將副格立起后插入組合圓筒的鎖口，利

用緊張器調整位置，完全對中后，副格順鎖口緩慢插入完成自沉。自沉后，起重船

吊起振動錘組和副格、振動下沉至設計高程。

3)圓筒及副格倉內回填中粗砂。組合圓筒及副格完成振沉后，倉內的中粗砂采用皮

帶機運砂船回填至設計高程，并采用振沖法進行密實。

2.4 組合圓筒拆除

西人工島的圓筒圍堰，在靠近沉管隧道的位置，有7個圓筒包括副格需要拆除，

為首節沉管安裝提供水上作業條件。組合圓筒拆除時，由于受到自重和上拔摩阻力

的雙重作用，起重船和振動錘的能力難以滿足要求，須采取分體拆除的方法實現。

拆除時，首先拆除工具梁，再卸掉混凝土圓筒頂面的緊固螺母，使傳力桿上端自由、

上下結構之間分離，然后用30 MN起重船，依舊采用穿銷法起吊上部的混凝土圓

筒、裝船運送至指定地點。

混凝土圓筒拆除后，36根傳力桿仍連接在鋼圓筒上，頂端露出水面且處于自由狀

態。為保證每根桿件的相對位置準確，首先安裝1個工裝架，將每根桿件的頂端

固定在一起。為方便施工，工裝架采用δ5 mm薄鋼板焊接成密封的鋼箱結構，可

在水面上漂浮，兼作施工人員的操作平臺，見圖7。

圖7 工裝架平面結構(單位：mm)

傳力桿固定完成后，再次安裝工具梁和液壓振動錘組。開啟振動錘組，起重船吊著

振動錘組，連同工具梁、工裝架和鋼圓筒一起，邊振動邊起吊，將鋼圓筒從泥土中

拔出，放置在運輸船上，然后拆掉工具梁和工裝架，再次投入使用。

3 方案對比

3.1 結構可靠性

1)組合結構圓筒上部為鋼筋混凝土圓筒，相對于鋼圓筒具有更大的剛度，不易產生

變形。

2)鋼筋混凝土結構相對于鋼結構具有更好的防腐和耐久性能。

3)鋼筋混凝土結構具有較大的自身質量，有利于岸壁結構的穩定性。

4)鋼筋混凝土結構更有利于與上部現澆混凝土之間的銜接，加強結構的整體性。

3.2 施工可行性

1)組合結構圓筒經過上述施工步驟，總體可行。

2)與單純鋼圓筒相比，組合結構圓筒的施工工序比較繁瑣，需要采取一系列工藝措

施進行加工、建造、組裝、拆卸。

3)存在一些未定因素需要進行進一步驗證。例如：組合結構的圓筒振沉時，通過傳

力桿傳遞振激力，在傳遞過程中的能量損失有多少？雖然有混凝土圓筒自重提供的

附加下沉力，但實際的振沉效果還需經過現場試驗驗證。

3.3 經濟性

經過對組合圓筒各工序、臨時工裝設施的成本測算，組合結構圓筒的總施工成本比

鋼圓筒降低了1.8%。其中組合圓筒方案主要節省的是材料費，鋼筋混凝土圓筒的

制造成本不足鋼圓筒的50%；但組合結構圓筒的船機費和人工費有較大幅度的增

長，再加上預制場地改造、鋼臺座、工裝等臨時設施的投入，導致兩者費用相差不

大。

4 結語

1)通過對圓筒結構的優化設計，發揮了鋼筋混凝土材料在耐久性方面的優勢，結構

的可靠性得到加強，更適用于永久性岸壁結構。

2)通過對組合圓筒制作、組裝、現場振沉和拆除等工藝細節的研究，解決了混凝土

結構與鋼結構之間的整體性、連接縫止水、組裝對接、同步振沉和分段拆除等疑難

問題。

3)雖然本方案的經濟性不明顯，當圓筒數量較大時，可進一步降低預制構件的工程

成本，可為類似工程提供借鑒。

4)應指出的是，振激能的損失目前尚無可靠的理論依據支撐，振沉效果需要通過現

場試驗進一步驗證，振激力的傳遞方式有待進一步優化。

參考文獻：

【相關文獻】

[1] 吳利科.大直徑圓筒振動下沉施工新工藝[J].中國港灣建設,2003(2):5-7+29.

[2] 袁孟全,徐文華,李永全,等.大直徑鋼圓筒振動下沉設備及工藝的研究與應用[J].建筑機

械,2004(2):45-48.

[3] 袁亞平.大直徑圓筒出運、安裝施工綜述[J].交通工程建設,2010(2):41-43.