1 工程概况

　　广东省粤电集团有限公司沙角C电厂煤码头位于珠江入海口，工程水域为不规则半日潮，最低水位0.500m，高水位2.950m，涌浪高0.2～1m，涨落潮流速>2m/s。

　　码头为圆筒墩式结构，码头面底面直径5.05m，基础为62个直径3m的圆筒结构，高17.25m，筒顶接托盘和直径6m的墩帽，筒底标高-13.250m，筒顶标高3.180m，底板为8.9m×8.9m×0.75m的钢筋混凝土板，圆筒和底板为整体预制，安装在填石基床上，然后在圆筒内浇筑不收缩素混凝土，形成实心圆柱。

　　为适应船舶大型化发展需求，需加固改造煤码头泊位，将5万t级升为10万t级，除需对码头前沿加宽加长、港池浚深外，改造重点是加固62个圆柱，混凝土截面加粗至直径4.5m，外包混凝土顶面标高3.930m(位于柱顶直径变化的托盘上)，外包混凝土抗压强度≥25MPa，混凝土中设钢筋笼，通过圆柱外包混凝土发挥重力压载作用，提高耐久性。码头结构如图1所示。

　　

　　图1 码头结构横断面 

　　 

　　2 施工难点及工艺设计

　　2.1 施工难点分析

　　1)圆柱加固各工序包括清理表面、底部泥土和石块、吊装钢筋和模板，混凝土浇筑均在码头面以下作业，因码头面的遮盖阻挡，且为水下作业，施工困难。

　　2)水位高，码头面以下可用于施工操作的垂直高度为1.8～4.5m，除去墩帽高度后操作空间更小。

　　3)码头面下空间小，相邻圆柱间距仅9.75m，船机无法进入，常规的起重吊装机械作业受限。

　　4)水域内为不规范半日潮，可作业时间每天推迟约1h，涨潮和落潮的水位高差最大达3.5m，水位高时码头面以下不能作业，需赶潮水施工。

　　5)落潮最大流速达1.49m/s，水流速度大;落潮及水流大时不能进行潜水、钢筋模板吊装作业;水流不断冲击，安装钢筋和模板时对位及定位困难。

　　6)水深13～17m，为深水作业，且施工区水质浑浊，潜水员可视度极低，水下作业困难。

　　7)在码头面以下浇筑圆柱外径达4.5m、厚0.75m、高约17.2m的环形截面外包混凝土，无法直接使用常规方法，确保混凝土浇筑成功并保证质量难度较大。

　　8)该码头正在运营，业主靠船20d/月，10d不靠船，前沿圆柱施工与靠船卸煤交叉作业，给施工组织和施工技术带来困难。

　　在以上限制条件下，进行圆柱外包混凝土的钢筋和模板安装及混凝土浇筑难度非常大，且无类似施工经验可以借鉴。

　　2.2 工艺设计

　　综合考虑现场条件，确定采用水下安装钢筋笼、模板，然后使用导管法水下浇筑混凝土的方法。

　　1)施工工艺流程加固前清理干净原有圆柱表面的海生物及附着物，圆柱底板上压重片石和淤泥，然后安装钢筋笼、模板，浇筑水下混凝土^[1]。

　　2)钢筋安装钢筋笼分两半制作，分别吊至码头面下进行水下拼装。

　　3)模板安装模板分节制作，每节分成2块，分节拼装后吊入水下拼装。

　　4)混凝土浇筑圆柱混凝土分2次浇筑，第1次立模高度15m，混凝土浇筑至1.750m标高;第2次立模高度2.18m，浇筑至3.930m。因标高1.750m于低水位，又低于高水位，使水上的工人低潮时可干施工，且为圆柱水下部分混凝土施工留出水上操作空间。

　　5)施工平台码头面以下悬挂操作平台，标高1.000m。

　　6)起重方法起重设备采用起重船+葫芦，起重船起吊钢筋和模板至码头边沿，然后利用挂在圆柱墩帽上的葫芦斜拉至码头下方，并完成水平和竖向移动。

　　3 关键施工技术

　　3.1 钢筋制作安装技术

　　3.1.1 基本结构设计及安装方法

　　钢筋笼为ϕ3 900单层圆形钢筋网结构，采用HRB335钢筋，主筋ϕ25@350，箍筋ϕ16@200，顶部与原圆柱顶部植筋连接。

　　钢筋笼垂直分成2个圆弧形钢筋网片进行制作，即组件1,2，组件1为ϕ3 900的半圆钢筋网片，两侧各加长1个60cm搭接长度，以满足规范要求;组件2为ϕ3 930半圆钢筋网片，两侧端头设水平筋与封头竖筋，避免钢筋插入组件1的钢筋中，影响移动，结构如图2所示。

　　

　　图2 单层钢筋组件平面 

　　 

　　钢筋笼采取大包小的安装方法，先吊装直径较小的组件1，并用收紧绳固定在圆柱表面;然后吊装直径较大的组件2，从外侧包裹组件1，形成搭接，最后绑扎搭接钢筋。

　　3.1.2 结构及安装方法优化

　　大直径弧形单层钢筋网片变形严重，合龙时水下对位困难，支撑不稳固，无法完成水下安装，结构优化如下。

　　1)增设内撑桁架及端部限位装置钢筋笼组件增设内支撑桁架，包括水平桁架和竖向连接筋，采用ϕ25钢筋形成双层空间结构。水平桁架间距2m，由内外2条圆弧形钢筋及连接筋组成。组件1的水平桁架内支撑水平筋两侧端部做成直线，保证弧形骨架的水平开口尺寸大于原圆柱直径，保证开口端能套入原圆柱。桁架内径应比圆柱原外径大2cm，防止因原圆柱尺寸偏差或钢筋变形无法安装。

　　另外，内部支撑桁架两侧端头设置封头水平连接筋、竖向连接筋及封头竖向主筋，形成由钢筋封闭的拼接面，结构如图3所示。

　　通过以上改进，组件1,2形成具有承插口和承插面的水平承插式组件，且组件开口尺寸变形控制在1cm内，通过承插方法顺利完成水下安装。组件1在开口端套入圆柱后，在水平拉力作用下，顺利靠紧原圆柱表面，避免水流影响。组件2在水平力拉动作用下沿大直径骨架表面滑动，内支撑桁架两端自动对接，水平桁架内侧紧贴或接近圆柱表面即可。钢筋笼安装完成后支撑在原圆柱表面，定位稳固，能承受水流和模板压力。动力主要来源为圆柱顶的葫芦水平拉力，潜水员水下只需用手力并采用收紧绳辅助，即可拼装钢筋笼，整个安装过程自动化程度高、可操作性强，高效安全。

　　

　　图3 钢筋笼拼装 

　　 

　　2)设置外侧滚轮组件外侧安装混凝土滚轮，滚轮外缘至钢筋笼中心较外模内径小20mm，取值2 230mm，作为模板安装时的下滑道和平面限位支撑装置。

　　3.1.3 钢筋笼制作精度控制

　　因水下安装时无法调整钢筋组件，对制作精度提出很高要求，轴线及横竖断面尺寸偏差应控制在5mm内，需在验收合格的水平平台及定位架上焊接成型。

　　3.2 模板制作安装技术

　　3.2.1 基本结构设计及装拆方法

　　圆柱采用定型钢模板，内径4.5m，模板总高度17.18m，分成6节，最顶部1节长2.18m，以下5节各长3m，单节模板分成2个半圆模板，采用Q235钢，面板厚度6mm，筋板采用扁钢。

　　水下5节模板采用在水面附近分节拼装成圆，逐节下放，水下对接的安装方法。模板装拆步骤如下。

　　1)利用起重船+葫芦吊运模板至安装位置，包围圆柱钢筋笼，模板上部露出水面;先安装水面以上竖缝螺栓，然后潜水员安装水下其余螺栓;用葫芦下放模板，沿钢筋笼滚轮下滑至底部;准确就位后，在圆柱混凝土底板上钻孔打入膨胀螺栓固定模板底部。

　　2)安装底节以上模板的方法同上，潜水员水下安装节间螺栓。

　　3)模板采用橡胶片拼缝止浆。底节模板底面止浆方法为先测量圆柱底板立模面的平整度，然后采用10～50mm厚橡胶片预先粘贴于法兰板底面，利用模板自重压缩胶条止浆。

　　4)模板采用干态脱模漆，从上至下、分节分块拆除，修整后再利用。

　　3.2.2 模板水下对接导向新技术

　　潜水员在水下视线极差，操作困难，因此先采用钢筋笼外侧滚轮初步定位模板平面位置，然后采用圆锥导向对接的辅助方法。在每节模板顶面十字轴上对称安装4个导向圆锥，底面直径5cm，高15cm。圆锥底面用螺栓固定在下节模板顶面法兰板上，锥尖向上，在上节模板底面法兰板的对应位置加工导向洞，直径比圆锥底面直径大约4mm，以留出滑动空间，便于圆锥拆除，结构如图4所示。

　　

　　图4 导向装置 

　　 

　　具体使用方法如下:当模板沿钢筋笼滚轮下放到圆锥顶面时暂停，在滚轮限位作用下模板径向平面偏差控制在4cm内，潜水员水下辅助对位并观察，当导向洞对准锥尖时指挥水上操作人员快速下落钢模板，导向洞自动套入圆锥，完成对接。该法安全高效，实现模板水下自动对接，并在小范围内自动调整模板变形，使节间连接螺栓孔自动对齐，解决潜水员水下对位难题。

　　节间连接螺栓孔的直径比螺杆直径大约4mm，以保证模板变形及导向锥对位出现偏差时，螺杆能顺利安装。另外，模板下水前需试拼，并严格按编号进行安装。

　　3.2.3 模板变形控制

　　半圆形模板为直径4.5m开口圆弧形截面结构，易变形，导致水下无法安装，实践中对以下3种模板结构变形进行研究。

　　1)方案1面板厚6mm;横肋厚8mm，宽150mm，间距375mm;竖肋厚8mm，宽150mm，间距422mm。

　　2)方案2方案1基础上加大筋板尺寸，横肋厚10mm，宽200mm;竖肋厚8mm，宽200mm;法兰板厚160mm，宽200mm。

　　3)方案3方案1模板外侧增加桁架，径向宽度500mm，设2道圆弧形水平桁架和竖向围楞，如图5所示。

　　通过Midas Civil有限元软件对单节半边钢模板起吊工况进行建模分析，研究模板开口变形，同时对比起吊试验、现场应用变形结果，形成半圆形模板上口变形及适用性评价:(1)方案1有限元分析变形缩小13mm，悬吊时缩小的最大值为30mm，放松后变形15～20mm，现场不能安装;(2)方案2有限元分析变形缩小6mm，悬吊时缩小的最大值为12mm，放松后变形4～8mm，现场可安装;(3)方案3有限元分析变形缩小4mm，悬吊时缩小的最大值为7mm，放松后变形3～5mm，现场可安装。

　　

　　图5 桁架加固模板平面 

　　 

　　当采用圆锥导向，模板开口变形<8mm时可顺利完成水下安装，方案2,3可行，方案3最优，拆模后变形极小，且桁架可作为潜水员站立的平台，提高工效。现场按方案2制作2套模板，按方案3制作8套模板，解决模板变形问题。

　　3.2.4 模板防爆模技术

　　本工程采用高性能自密实混凝土，一次浇筑柱体高达15m，水下模板爆模安全风险大，且极难清除爆模后码头面以下深水中的模板及漫流水下混凝土，防止爆模是模板结构设计的重中之重。

　　3.2.4. 1 模板侧压力取值及结构分析

　　1)新浇混凝土侧压力取值导管法浇筑水下不分散混凝土，坍落度500～550mm，初凝12h，浇筑速度3.2m/h、高度15m。水下不分散混凝土为高性能自流平自密实混凝土，浇筑过程中基本达不到自承载能力，对模板的侧压力远大于普通混凝土，研究表明自密实混凝土掺入少量粉煤灰可减少部分模板侧压力^[2]，浇筑后期絮凝产物可加快内部压力下降速度^[3,4]，据此推测水下不分散混凝土加入粉煤灰和絮凝剂后可减小模板侧压力，但目前未见针对性研究，根据GB 50666—2011《混凝土结构工程施工规范》^[5]，流动度特别大的自密实混凝土模板可直接采用r_cH_c计算新浇混凝土侧压力。考虑水下模板的不安全性，侧压力取值如下:F₁=r_cH_c=24×15=360kN/m²。

　　2)水压力取值外侧水深取低水位值，H_w=13.75m，则水压力F₂=r_wH_w=137.5kN/m²。

　　3)倾倒混凝土时产生的水平荷载随着导管提升，倾倒混凝土不影响受力最大的圆柱底部模板受力，故忽略不计。

　　4)荷载组合考虑模板内侧混凝土侧压力和外侧水压力，底节模板的计算标准荷载如图6所示，荷载分项系数分别取1.2,1.0，最大荷载组合值F=294.5kN/m²，该值远大于普通混凝土产生的侧压力。

　　

　　图6 计算标准荷载(单位:k N) 

　　 

　　3.2.4. 2 建模结构分析及连接螺杆设计

　　采用Midas Civil有限元软件对方案2的底节钢模板进行建模分析，边界条件为模板底部铰接，计算结果为模板径向变形最大值<1mm，模板强度和刚度满足要求;单条水平肋拉力最大值为210.8kN。2个水平肋间设置2个8.8级M20高强螺栓，间距控制在15cm内，满足受力要求。

　　3.2.4. 3 防爆模结构设计

　　由于一次浇筑高度大，模板侧压力较大，且模板安装后水流冲击造成螺栓松动，易受力不均，而潜水员难以确保检查到位，水下爆模安全风险大，爆模后水下不分散混凝土发生漫流，强度高、处理困难。为此，特增设防爆拉杆，每节模板增设3道拉杆，取消受拉杆阻挡螺栓。拉杆采用25 PSB1080精轧螺纹钢，允许抗拉力荷载为605kN，可独立承受单节模板竖缝水平拉力。拉杆在邻近混凝土浇筑前由潜水员进行安装，防爆拉杆和螺杆共同受力，有效防止爆模。

　　3.3 混凝土浇筑关键技术

　　3.3.1 浇筑工艺

　　第1次水下混凝土浇筑采用导管法，下料头设在码头面上，导管采用加筋软管穿过码头面，上接料斗，下接钢导管，导管底埋入混凝土中1～2m，如图7所示，钢导管分节长度为1m，满足小空间分节安装和拆除导管的需求^[6]。

　　3.3.2 水下不分散混凝土应用

　　水下不分散混凝土具有自密实性、高流动性和水下不分散性，具有以下优点:(1)试验表明自流平距离达5～7m，对称布置2条导管，即可完成直径4.5m圆环截面混凝土的浇筑;(2)高流动性可有效防止设有转弯的导管堵管;(3)良好的自密实性能保证混凝土的密实度和强度;(4)顶部混凝土浇筑完成后或浇筑过程淹没在水中，采用水下不分散混凝土可避免潮水和涌浪的影响。

　　

　　图7 圆柱水下混凝土浇筑 

　　 

　　第2次安装混凝土模板后，可采用水下不分散混凝土或普通混凝土进行浇筑。

　　3.3.3 混凝土配合比设计及性能控制

　　水下不分散混凝土配合比控制重点是保证较大的自流平距离且不离析，初凝12h，扩展度500～550mm，混凝土抗压强度≥25MPa。

　　试配时增加砂率，将粗骨料改为二级配，减小大粒径粗骨料含量，增加絮凝剂掺量，使混凝土自流平距离达5～7m且不离析，最终每立方混凝土材料用量如下:水泥400kg，砂660kg,5～10mm石274kg,16～31.5mm石638kg，水230kg，絮凝剂12.5kg，Ⅱ级粉煤灰100kg。

　　3.3.4 混凝土浇筑要点

　　水下混凝土浇筑采用导管接入高压水或风清理模板内沉积泥砂的方法。浇筑过程中导管埋深约2m,2条导管对称同步浇筑。混凝土浇筑完成后用土工布覆盖表面，防止水流冲刷。混凝土浇筑3d内码头不能靠船。

　　4 结语

　　1)本工程综合使用以上技术，施工安全和质量得到保证，单个圆柱加固时间由15d缩至7d,62个圆柱在100个有效工作日内如期完成。圆柱外包混凝土采取钻芯取样、超声波检测、水下摄像、水下探摸等检测手段。钻芯取样检测显示混凝土密实，胶结较好，粗细骨料分布均匀，外观质量良好，气泡很少，试件抗压强度35.0～45.6MPa，混凝土表面密实、光滑，外观良好。

　　2)实施过程中，提出钢筋、模板变形的控制方法和标准，研究适合水下安装的钢筋及模板结构与自动化程度高的安装方法，在顶部有码头面覆盖、柱体截面大、水面操作空间小、水深、水质浑浊、水流急、波浪及涨退潮影响大的条件下，解决圆柱加固的施工难题，取得显著成效。

　　3)钢筋笼采用承插式双层结构，能有效控制变形，提高水下安装的自动化程度。

　　4)分节模板采用钢筋笼做导向架、圆锥导向对接技术，可提高水下安装的自动化程度;模板结构变形控制、高流动性自密实混凝土对模板侧压力取值及防爆模设计，是水下模板设计的关键。

　　5)该工程首次使用水下不分散混凝土浇筑大直径柱体外包混凝土，检测结果表明混凝土密实、强度稳定、质量可靠。