深中通道组合结构圆筒的围堰设计方案

深中通道组合结构圆筒的围堰设计方案

宋书东;张全林;张万达

【摘 要】深中通道西人工岛岸壁的主体结构由57个大直径(28 m)钢圆筒及副格

形成止水围堰.钢圆筒的造价较高,而且在海水环境下,钢圆筒的耐腐蚀性较差、 后

期维护费用较高.设计一种钢材与钢筋混凝土组合结构的圆筒方案,取代钢结构圆筒,

并对此结构的可靠性、 施工可行性和经济性与钢圆筒进行对比.结果表明,组合结构

圆筒方案总体可行、 可靠性高、 成本较低,可为类似工程提供借鉴.

【期刊名称】《水运工程》

【年(卷),期】2019(000)0z1

【总页数】5页(P100-104)

【关键词】深中通道;止水围堰;组合圆筒;振沉

【作 者】宋书东;张全林;张万达

【作者单位】中交一航局第五工程有限公司, 河北 秦皇岛066002;中交一航局第五

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

066002

【正文语种】中 文

【中图分类】U655.54+1

深中通道是继港珠澳大桥之后又一跨海交通集群项目，路线全长约51 km，跨海

段采用桥隧组合方案。其西人工岛岛壁的主体结构由57个大直径(28 m)钢圆筒[1]

及副格形成止水围堰，为桥隧结合部分创造干地施工条件。西人工岛圆筒围堰见图

1，西人工岛岸壁结构断面见图2。

考虑到钢圆筒的造价较高，而且在海水环境下，钢圆筒的耐腐蚀性较差、后期维护

费用较高。为解决这一问题，设计一种钢材与钢筋混凝土组合结构的圆筒方案，作

为钢结构圆筒方案的替代方案。本文就组合圆筒的设计和施工技术方案进行论述，

并对其可靠性、施工可行性和经济性与钢圆筒进行对比，可为类似工程提供参考和

借鉴。

图1 西人工岛圆筒围堰平面

图2 西人工岛岸壁结构断面(高程：m；尺寸：mm)

1 组合圆筒结构设计

1.1 设计思路

根据港珠澳大桥的成功经验，采用起重船与12台APE600型液压振动锤组成联动

系统[2]，将钢圆筒整体振沉至不透水层，形成可止水的岸壁结构，并承担水压力、

土压力、水流和波浪作用力等荷载。在此基础上，为充分发挥各自的材料性能，采

用一种上半部为钢筋混凝土结构、下半部为钢结构的组合圆筒，取代钢结构圆筒。

钢筋混凝土属于脆性材料，抗冲击性能较差。因此，振动锤的振激力不能直接作用

于混凝土，通过传力杆将振激力传递至下部的钢圆筒上，而混凝土圆筒则依靠自重

随着钢圆筒下沉。

副格弧形板采取同样的结构形式，上部为钢筋混凝土结构、下部为钢结构。圆筒与

副格的连接方式不变，在混凝土内预埋钢板、焊接钢锁口。

1.2 设计参数

组合圆筒的整体设计尺寸与原设计方案相同，总高度为39.5 m。根据现有的西人

工岛地质资料，原泥面高程-13.87 m，向下依次是淤泥、粉砂、淤泥、淤泥质土。

考虑混凝土结构下沉阻力较大，上下结构的分界面设在-14 m，钢筋混凝土圆筒[3]

的高度为17.5 m；根据圆筒内填料谷仓压力计算，以及筒体在其他外力条件下的

刚度要求，混凝土圆筒壁厚取40 cm，单体质量为1 539 t(图3)。

图3 组合圆筒断面及平面(单位：mm)

下部钢圆筒的底高程不变，高度为22 m。在原设计基础上，局部采取加强措施；

顶面增加一道环形钢箱梁，以便于上部的混凝土圆筒衔接；传力杆对应的位置设竖

向加强肋，截面形式由“T”形改为“π”形(图4)，单体质量约490 t。

图4 钢圆筒竖向加强肋局部水平剖面

1.3 组合圆筒的连接形式

上部的钢筋混凝土圆筒与下部的钢圆筒分别建造与加工，二者通过M70长螺栓(长

18.35 m)连接为一体，在拆卸时，可将水下操作转化为水上操作。长螺栓的上端

与环形吊装工具梁连接，下端与钢圆筒连接(图5)。

长螺栓不仅起到上下结构的连接作用，同时将振激力直接传递到钢圆筒上，为了防

止在振动中长螺栓碰撞混凝土结构，长螺栓外表每间隔1 m，套一层50 cm长的

橡胶管作为缓冲层。

沿钢筋混凝土圆筒墙壁中心线，对称预埋12组通长的φ95 mm×δ5 mm钢管作

为预留孔，每组3根、共计36根，以便穿过长螺栓。

在钢圆筒上部的环形钢箱梁顶面，设置12个凸形剪力键；在混凝土圆筒底面的相

对位置，分别设置相匹配的凹形剪力槽，以限制上下结构的相对位移，并增强其整

体性。为满足围堰结构的止水要求，钢圆筒的箱梁顶面与混凝土圆筒底面之间粘贴

一层3 cm厚的发泡橡胶板，作为止水带，如图5a)所示。

图5 组合圆筒局部断面(单位：mm)

2 组合圆筒施工技术方案

2.1 钢筋混凝土圆筒预制及出运

2.1.1 预制台座

预制台座采用空间桁架结构，与环形钢底模焊为一体，台座下用8个钢墩支撑。

2.1.2 预制工艺

钢筋混凝土圆筒采取水平分层浇筑的工艺进行，底段、标准段分层高度分别为1.5、

4 m。钢筋加工在现有的车间内进行，在钢台座上绑扎成型。

内外侧模均采用钢模板、型钢背楞、竖向钢桁架结构。桁架下端预埋圆台螺母连接、

上端通过对拉螺栓连接，混凝土墙体不留对穿孔洞。

圆筒混凝土在预制场的拌合站集中拌合，泵送工艺浇筑。

2.1.3 钢筋混凝土圆筒出运

混凝土圆筒连同钢台座由8个千斤顶一起顶起，由轨道车移送至出运码头前沿，

然后采用22 MN起重船装船，由2 000 t自航驳船运输至钢圆筒加工基地进行组

装。

2.2 组合圆筒拼接

2.2.1 圆筒安置

起重船吊混凝土圆筒安置在加工好的钢圆筒顶部，通过在钢圆筒上安装的临时导向

架，并通过接合面的剪力键咬合装置实现精确定位。

2.2.2 安装连接螺栓

用吊机配合人工将长螺栓穿入混凝土圆筒的预留孔，转动螺栓杆，使其下端与钢圆

筒顶部带有内螺纹的加强钢板拧紧。此时长螺栓的上端露出圆筒混凝土顶面，安装

橡胶缓冲垫和δ16 mm钢垫圈，并用M70螺母拧紧。

2.2.3 安装工具梁

长螺栓全部安装完成后，先用1组M70螺母拧在长螺栓上并调整其高度，使所有

螺母处在同一水平面上，为环形工具梁提供支撑，然后安装工具梁就位。之后，用

一组M70螺母拧在工具梁腹内(工具梁侧面相应的位置设有φ300 mm的操作孔)

的长螺栓上，使环形工具梁与长螺栓连接紧固，见图5b)。

2.3 组合圆筒及副格的运输与安装

2.3.1 组合结构圆筒及副格运输

圆筒组装完毕后，用30 MN起重船整体起吊装船，2万t自航驳船运输至安装现

场。

2.3.2 组合圆筒及副格安装

1)组合圆筒振沉。组合圆筒质量约2 029 t，圆筒间标准净距3 m，振沉顺序由一

侧按照圆筒位置依次进行。组合圆筒用30 MN起重船，配置12台APE600型液

压振动锤组整体振沉。组合圆筒的顶部安装环形工具梁，振沉锤组液压夹具夹在工

具梁顶部的δ30 mm钢板上，通过与之相连的传力杆传递振激力的方式，实现钢

圆筒与混凝土圆筒同步振沉,见图6。

图6 组合圆筒振沉工艺

2)副格的振沉。副格顶端安装弧形工具梁，将副格立起后插入组合圆筒的锁口，利

用紧张器调整位置，完全对中后，副格顺锁口缓慢插入完成自沉。自沉后，起重船

吊起振动锤组和副格、振动下沉至设计高程。

3)圆筒及副格仓内回填中粗砂。组合圆筒及副格完成振沉后，仓内的中粗砂采用皮

带机运砂船回填至设计高程，并采用振冲法进行密实。

2.4 组合圆筒拆除

西人工岛的圆筒围堰，在靠近沉管隧道的位置，有7个圆筒包括副格需要拆除，

为首节沉管安装提供水上作业条件。组合圆筒拆除时，由于受到自重和上拔摩阻力

的双重作用，起重船和振动锤的能力难以满足要求，须采取分体拆除的方法实现。

拆除时，首先拆除工具梁，再卸掉混凝土圆筒顶面的紧固螺母，使传力杆上端自由、

上下结构之间分离，然后用30 MN起重船，依旧采用穿销法起吊上部的混凝土圆

筒、装船运送至指定地点。

混凝土圆筒拆除后，36根传力杆仍连接在钢圆筒上，顶端露出水面且处于自由状

态。为保证每根杆件的相对位置准确，首先安装1个工装架，将每根杆件的顶端

固定在一起。为方便施工，工装架采用δ5 mm薄钢板焊接成密封的钢箱结构，可

在水面上漂浮，兼作施工人员的操作平台，见图7。

图7 工装架平面结构(单位：mm)

传力杆固定完成后，再次安装工具梁和液压振动锤组。开启振动锤组，起重船吊着

振动锤组，连同工具梁、工装架和钢圆筒一起，边振动边起吊，将钢圆筒从泥土中

拔出，放置在运输船上，然后拆掉工具梁和工装架，再次投入使用。

3 方案对比

3.1 结构可靠性

1)组合结构圆筒上部为钢筋混凝土圆筒，相对于钢圆筒具有更大的刚度，不易产生

变形。

2)钢筋混凝土结构相对于钢结构具有更好的防腐和耐久性能。

3)钢筋混凝土结构具有较大的自身质量，有利于岸壁结构的稳定性。

4)钢筋混凝土结构更有利于与上部现浇混凝土之间的衔接，加强结构的整体性。

3.2 施工可行性

1)组合结构圆筒经过上述施工步骤，总体可行。

2)与单纯钢圆筒相比，组合结构圆筒的施工工序比较繁琐，需要采取一系列工艺措

施进行加工、建造、组装、拆卸。

3)存在一些未定因素需要进行进一步验证。例如：组合结构的圆筒振沉时，通过传

力杆传递振激力，在传递过程中的能量损失有多少？虽然有混凝土圆筒自重提供的

附加下沉力，但实际的振沉效果还需经过现场试验验证。

3.3 经济性

经过对组合圆筒各工序、临时工装设施的成本测算，组合结构圆筒的总施工成本比

钢圆筒降低了1.8%。其中组合圆筒方案主要节省的是材料费，钢筋混凝土圆筒的

制造成本不足钢圆筒的50%；但组合结构圆筒的船机费和人工费有较大幅度的增

长，再加上预制场地改造、钢台座、工装等临时设施的投入，导致两者费用相差不

大。

4 结语

1)通过对圆筒结构的优化设计，发挥了钢筋混凝土材料在耐久性方面的优势，结构

的可靠性得到加强，更适用于永久性岸壁结构。

2)通过对组合圆筒制作、组装、现场振沉和拆除等工艺细节的研究，解决了混凝土

结构与钢结构之间的整体性、连接缝止水、组装对接、同步振沉和分段拆除等疑难

问题。

3)虽然本方案的经济性不明显，当圆筒数量较大时，可进一步降低预制构件的工程

成本，可为类似工程提供借鉴。

4)应指出的是，振激能的损失目前尚无可靠的理论依据支撑，振沉效果需要通过现

场试验进一步验证，振激力的传递方式有待进一步优化。

参考文献：

【相关文献】

[1] 吴利科.大直径圆筒振动下沉施工新工艺[J].中国港湾建设,2003(2):5-7+29.

[2] 袁孟全,徐文华,李永全,等.大直径钢圆筒振动下沉设备及工艺的研究与应用[J].建筑机

械,2004(2):45-48.

[3] 袁亚平.大直径圆筒出运、安装施工综述[J].交通工程建设,2010(2):41-43.