淺談永靖黃河大橋鋼套箱圍堰的設計、施工及成本分析

李寶東，董正武

（中交一公局第一工程有限公司，北京 102205）

1 工程概況

永靖黃河大橋位于甘肅省永靖縣內(nèi)，大橋11#～12#為主橋橋墩，位于黃河主河道中，下部結(jié)構為混凝土灌注樁群樁基礎，樁長17 m，鋼筋混凝土承臺，承臺尺寸為7.5×8.5 m。河床表面1～3 m是砂卵石，粒徑在5～60 cm不等，水深7～10 m，河床表面不平，自岸邊逐漸往河中間漸深，樁位兩側(cè)相差80 cm，鋼板樁只能打入土中1～2 m，根據(jù)地質(zhì)情況，采用先沉放雙壁鋼套箱，在套箱上搭設平臺，水上鉆孔、承臺、薄壁墩施工。

2 鋼套箱設計

2.1 套箱幾何尺寸的確定

首先，根據(jù)承臺的尺寸確定套箱的平面幾何尺寸，永靖黃河大橋承臺尺寸為7.5×8.5×2 m，根據(jù)承臺尺寸確定套箱做成圓形，內(nèi)徑12 m，承臺的四角到圍堰的邊為53 cm；承臺標高在河床面上1.75～2.0 m，套箱下沉到河床面即可，封底混凝土按照2 m考慮；根據(jù)水深在7～9 m，考慮套箱前雍水，確定套箱高度為10 m；由于制作安裝在冬季進行，考慮施工人員在套箱雙臂內(nèi)的操作空間，套箱內(nèi)外臂之間的距離確定為90 cm；最后套箱尺寸為：內(nèi)徑12 m，外徑13.8 m，壁厚90 cm，高10 m；套箱內(nèi)壁采用6 mm的鋼板做面板，外壁采用8 mm鋼板做面板，環(huán)肋及縱肋采用δ10×160 mm鋼板，∠63*63*6角鋼作為水平支撐及斜支撐，根據(jù)板材的尺寸1.25 m×6 m，分為3節(jié)加工，第一層、二層為每層3.75 m高，第三層2.5 m，底層套箱設計125 cm高刃角，方便套箱下沉；其中第一節(jié)重33.2 t，第二節(jié)重37.3 t，第三節(jié)重21.7 t，共計重82.2 t。每層分設多個4個橫向互不通水的隔水倉。最終套箱設計尺寸見圖1。

圖1

2.2 套箱的強度驗算

由于套箱是雙薄壁，支撐在中間，屬空間立體結(jié)構，手工計算工程量較大，且計算不準，人們采用大型計算軟件madis進行的計算，計算時由于入土不深，沒有考慮主動土壓力，水流速按照1.0 m/s計算，計算結(jié)果見圖2，共計建模144 402個，環(huán)肋、豎肋、支撐等進行了分別計算，最大的應力出現(xiàn)在內(nèi)側(cè)壁底面處，鋼板采用的是A3鋼[δ]=145 MPa>129 MPa，可以滿足設計及規(guī)范要求。

圖2

3 鋼套箱的施工

3.1 套箱的加工

由于加工好的套箱體積比較大，不便于運輸，所以采用現(xiàn)場分節(jié)加工，然后拼裝工藝；首先在現(xiàn)場制作內(nèi)外胎架，胎架采用槽鋼或工字鋼制作，加工好的胎架要反復檢測，保證圍堰的加工精度控制在5 mm之內(nèi)；在胎架上進行內(nèi)外套箱壁的制作，為防止因焊接產(chǎn)生的熱量使圍堰鋼板變形，焊接時要先連接再跳焊，最后逐段完成滿焊，跳焊的間距控制在30～40 cm，焊縫長度一次控制在3～4 cm，滿焊完成后要敲掉焊渣，檢查有無漏焊的地方，每節(jié)套箱完成后要進行密封試驗，由于現(xiàn)場缺少探傷檢測設備，可以用涂柴油或柴油內(nèi)加滑石粉的方法進行檢測。

圖3 工人正在外胎架焊接

圖4 外胎架上正在焊接的一節(jié)套箱

圖5 制作好的一節(jié)套箱

3.2 鋼套箱的拼裝

3.2.1 拼裝平臺的搭設

由于樁位在河道中間，水流較深，流速較急，為施工方便，在距河邊20 m的水面位置進行現(xiàn)場拼裝焊接后，然后采取浮運到樁位的辦法進行，拼裝水面水深的要求必須滿足以下2節(jié)套箱的要求，即水深不得小于5 m，還要保證可以搭設螺旋管，并保證螺旋管穩(wěn)定的要求。首先按照60度均分圓，內(nèi)圈直徑10 m，外圈直徑14.8 m，打設10根14 m高的螺旋管，要求露出水面的高度不小于6 m，頂面要齊平，螺旋管之間用25工字鋼進行連接，見圖6。

圖6

工字鋼在距水面1 m的地方進行，作為第一層圍堰拼設的平臺及承重梁，連接時要焊接結(jié)實，要水平，自圓心以13.8 m為直徑在工字鋼頂面做好標記，作為拼裝套箱的放樣標記，要求誤差控制在5 mm范圍之內(nèi)，要反復進行校對。

拼裝流程如下：安裝起吊梁及20 t手拉葫蘆6臺套→手拉葫蘆起吊套箱，吊離承重梁，拆除承重梁→利用手拉葫蘆循環(huán)操作下沉套箱入水→套箱自浮，拆除起吊梁，固定套箱在鋼管樁牛腿上→拼裝第二層套箱→下沉第二節(jié)套箱，下沉力不足時，向箱式內(nèi)注水，增加套箱下沉自重→下沉到預定位置，套箱自浮，拼裝第三層套箱。

3.2.2 具體操作流程

第一節(jié)拼裝：首先安放第一節(jié)第1塊圍堰，按照放好的樣進行拼設，為保證忍腳處不移動，必要時可以在標記處焊接擋板，防止圍堰的滑動，利用靠尺等工具一要保證圍堰的垂直度，拼設好后一定要固定好，然后依次拼裝焊接第2、3、4塊，拼裝時只要求簡單的連接，等4塊全部就位后，校對無誤再進行焊接，由于是立焊，要選擇技術程度高且有操作證的電焊工操作，防止漏水。

第一節(jié)拼裝好后，在螺旋管頂面兩兩對應用40工字鋼連接，每道工字鋼懸掛1個20 t的手拉葫蘆，用這6個手拉葫蘆把第一節(jié)焊接好的圍堰拉起來，然后割除掉下面的支撐平臺，6個葫蘆同時下方，下方時要相互照顧，統(tǒng)一指揮，保證圍堰下放過程中的平穩(wěn)，第一節(jié)圍堰下沉到水下1.23 m時可以自浮，等到圍堰達到可以自浮的狀態(tài)下，解除葫蘆，固定圍堰，固定時要保持圍堰的垂直，然后在第一層圍堰上焊接第二層圍堰，如果下放后第二層圍堰過高，造成不穩(wěn)，可以在隔艙內(nèi)加水，使第一層圍堰下沉到只露出1～1.5 m的位置，第二節(jié)焊接要求等同于第一節(jié)。

第二節(jié)拼設完成后，往隔艙內(nèi)注水，下沉第一、二節(jié)套箱，當套箱下沉到露出水面1～2 m時，即可以拼設第三節(jié)套箱。

3.2.3 注意事項

每節(jié)套箱在拼設完成后都要對現(xiàn)場焊接的焊縫進行檢測，防止漏水及圍堰出現(xiàn)強度薄弱面，安裝上一節(jié)時要保持下一節(jié)套箱的垂直。

套箱上下的連接可以采用法蘭螺栓連接或直接焊接的方式，這兩種方式各有優(yōu)缺點，螺栓連接便于拆除，但是加工精度要求高，螺栓如果連接不好，還可能漏水，且費用較高，直接焊接費用較低，對加工精度相對要求較低，但拆除比較費時，經(jīng)過比選，我們采用的是直接對焊連接的方式進行。

圖7 第一節(jié)套箱安裝

圖8 套箱拼裝下沉

4 套箱的浮運就位

套箱拼裝完畢后，拆除臨時拼裝平臺，抽去套箱內(nèi)的水，使套箱上浮，為保證套箱的穩(wěn)定，抽水量使套箱僅僅可以浮在水面上即可；浮運時應盡量選擇在河流流速較小的下午進行，采用卷揚機配合拖輪進行，浮運到位后要先用地錨將套箱錨固住、固定好，防止被沖走。

5 套箱的沉放

在墩位處、圍堰外打設4～6根鋼管樁，用4～6個葫蘆拉住圍堰，在套箱上鋪設1～2根40工字鋼，找出套箱的中心，然后往圍堰隔艙內(nèi)注水下沉，在下沉過程中，利用手拉葫蘆及灌水量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)隨時調(diào)整下沉位置，保證下沉位置的準確。安置位置全部需由測量班精確定位，保證套箱下沉精度。

注意事項：在流水中施工，鋼套箱下沉時會受到水平力的作用，在下沉過程中套箱傾斜度及平臺位置要求不超過規(guī)范允許值，采用有效的導向、定位設施是必須的。本橋套箱定位系統(tǒng)是利用鋼管樁作為定位樁，安裝導向橫撐和滾動軸承，布置在前、后、左、右4個方向，既控制了套箱平面位置，又能控制其傾斜度。套箱定位系統(tǒng)是在露出水面的鋼管樁上對稱焊接兩層導向橫撐，控制套箱斜度。導向橫撐前端安裝滾動軸承，以利下沉滑動。

6 套箱的調(diào)整

套箱的調(diào)整包括水平的調(diào)整、標高、位置的調(diào)整。

由于河床面不平整，下沉時很可能造成圍堰的傾斜，如果發(fā)生傾斜，可以用長臂挖掘機或抓斗將高出的河床的砂石挖出，使圍堰水平，在清理砂石時，如果圍堰發(fā)生偏位，可以把隔艙內(nèi)的水抽出，使圍堰重新浮起來重新就位，直至圍堰水平，位置滿足精度要求。套箱下沉到位經(jīng)檢測精度滿足求后進行固定。

7 水下堵漏

套箱下沉到位固定好后，為防止出現(xiàn)忍腳處懸空的事情發(fā)生，必須使?jié)撍畣T進行水下探摸，如果有懸空的情況出現(xiàn)，必須進行堵漏，堵漏用編織袋裝水泥和砂的比例為1∶2的混合料進行圍堵，圍堵的厚度不宜小于60 cm，堵漏完畢后必須反復進行探摸，確保沒有懸空及缺口。

8 套箱的封底

封底采用2.0 m厚C20混凝土，是承臺施工的墊層，同時也是保證套箱內(nèi)能夠干燥施工的主要途徑，因此，封底混凝土必須澆注成功，從而有效地阻止套箱外側(cè)水流涌入套箱。

8.1 封底厚度的驗算

（1）封底砼厚度設計計算：根據(jù)施工方案，在圍堰上搭設平臺進行鉆孔樁的施工，樁基施工完畢后進行抽水然后再進行承臺施工，所以混凝土封底厚度的驗算可由水的浮力控制及樁的錨固力對厚度進行，由于樁基與封底2有護筒隔開，所以只對2 m范圍內(nèi)的封底混凝土的抗上浮力考慮，這樣偏于安全。

K=2 m×π×2（護筒直徑）×6（6根樁）×50 kPa（摩擦系數(shù)）=1 200 t。

水的浮力 F=ρgv=1 t/m3×0.1 t×π×6.92（圍堰外半徑）×7=1 046 t

封底混凝土重量為565 t，抗上浮系數(shù)為（565+1 200）÷1 046=1.68

（2）由砼抗拉強度控制：

H×[σ]×π（R2-6×r2）=rw×9

[σ]為砼拉應力，一般取0.1～0.2 MPa考慮到水下封底，局部的混凝土質(zhì)量不好采用0.1 MPa，計算為h=0.95 m。實際采用2 m，滿足混凝土抗拉強度要求。

8.2 水下混凝土施工

（1）采用水下混凝土方法澆注，為使水下砼灌注質(zhì)量達到封底要求，其和易性及流動性必須達到要求。套箱內(nèi)面積為扣除6根2 m護筒，共計244 m3，按30 m3/h澆注速度計算，需澆注8 h，必須在混凝土中摻加緩凝劑，防止混凝土凝固過早，影響混凝土的流動，保證砼澆注的連續(xù)性。

（2）為保證混凝土的流動面積（每根導管最大流動范圍為5～6 m）及封底質(zhì)量，考慮到護筒對混凝土流動的影響，采用1根導管循環(huán)灌注水下封底砼，封底時首灌方量為3 m3，導管距底不大于15 cm，采用輸送泵泵送砼，導管固定在施工平臺上。灌注混凝土時，應控制混凝土下落速度，以免速度過快對導管口的混凝土造成沖擊，影響質(zhì)量。

（3）用測繩隨時測量各點位的混凝土澆注高度及流動面積，必要時調(diào)整導管位置，移動導管位置時，必須慢速挪移，不可脫離砼面，造成砼被水沖刷離析，或直接拔除導管換到其他位置重新封底澆注。為保證澆注封底混凝土的防水效果，在澆注混凝土前，先在側(cè)板上開一洞口或澆注時安放水泵抽水，保證箱內(nèi)外的水位一致，減少套箱內(nèi)的水壓力，以免影響混凝土質(zhì)量。

（4）封底完畢后，立即搭設鉆孔平臺，連接護筒，互做泥漿循環(huán)池使用，在封底完畢后3～4天，即可以進行水上鉆孔樁施工。

9 鋼套箱施工與鋼板樁的成本對比

由于地區(qū)差異，此成本對比是按照甘肅地區(qū)進行的計算：

9.1 鋼板樁費用

水中墩數(shù)量為2個，每個圍堰面積為10 m×8.4 m，每片鋼板樁寬度40 cm，需租賃鋼板樁184片每片長18 m，重1.370 t，共需租賃252.08 t，鋼板樁租期預計為4個月。

鋼板樁調(diào)遣費共計：252.08×1 300×2元=655 408元；

保養(yǎng)費共計：252.08×300元=75 624元；

鋼板樁打拔費用合計：252.08×1 500=504 160元；

鋼板樁租賃費用合計：252.08×13.5元/天×120天=408 370元；

內(nèi)支撐材料費合計：22.18 t×（4 100-2 200）=42 142 元；

內(nèi)支撐安裝拆除費用合計：22.118×1 500元=33 177元；

鋼板樁合計費用為：171.8萬元。

9.2 鋼套箱費用

鋼套箱材料費：82.2×2×4 100=674 040元；

加工下沉費用：82.2×2×4 500=739 800元；

可回收價值：82.2×2×0.5×1 000=82 200元（0.5為回收系數(shù)，回收按照200元，回收人工費按照1 000元計）；

鋼套箱合計費用：133.2萬元。

10 結(jié)束語

鋼套箱作為橋基施工的臨時設施，易裝易拆，可重復使用，適用性強，整體性好，無需大型起吊設備即可施工，與鋼板樁的圍堰相比，在深水施工中，更能體現(xiàn)優(yōu)勢，同時，又可作為鉆機施工的操作平臺，對橋梁基礎工程施工是一種值得推廣的有效方法。