預應力鋼套箱在湘江長沙綜合樞紐工程中的應用

楊桂根，夏 芳

（中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430040）

湘江長沙綜合樞紐船閘及左汊橋梁工程的引航道工程有水上墩臺112個，墩臺底標高長期位于施工水位以下，經過方案比較，決定采用鋼套箱施工工藝。目前已經采用過的鋼套箱一般分為不可拆卸的及螺栓連接的可拆卸套箱，不可拆卸的鋼套箱材料浪費量巨大，成本太高；采用螺栓連接的可拆卸鋼套箱在拆卸鋼套箱時需要潛水作業，施工成本高、效率低，而且連接螺栓極易生銹，影響到套箱的拆卸。

開發、應用的預應力鋼套箱采用鋼絲繩預加應力連接，全部工作都在水面以上完成，不用潛水作業，工作效率大大提高，節省大量的施工措施材料。預應力鋼套箱操作簡便可靠，不需要特殊的作業工種。由于預加應力鋼絲繩數量少，而且全部操作在水面以上完成，用時極短。

1 工程特點

湘江長沙綜合樞紐工程位于湖南長沙市望城區，距市中心僅20～30 km。樞紐工程船閘為2 000噸級的雙線船閘，設計代表船型為1頂2艘2 000噸級船隊。雙線船閘共用設計寬度146 m的引航道，靠船墩及隔水墻墩臺采用鉆孔灌注樁基礎、現澆承臺、墩身結構。墩臺合計156個，其中112個需水上施工，下游大隔水墩承臺頂高程22.8 m，承臺高度2.5 m，封底混凝土高度為1.0 m，承臺長度與寬度都為6.5 m，小隔水墩長寬為2.9 m。

湘江為雨水補給型河流，每年4—9月為汛期，10月至次年2月為枯水期。壩址多年平均流量為2 237 m3/s。承臺均在湘江枯水期施工，高水位為26.0 m，低水位為22.0 m。根據水上承臺數量多、工期緊的特點，開發并應用了一種新型的易拆卸式預應力鋼套箱，在水下承臺施工中應用，節約了措施鋼材用量和工期，圓滿地完成了水下承臺施工任務。

2 施工工藝原理及工藝流程

2.1 工藝原理

鋼套箱由四片（整體吊裝） 或若干片（分體式吊裝）模板組成，模板端頭使用型鋼焊接成M形和V形，V形插入M形槽，中間墊橡膠片止水。采用鋼絲繩，通過鋼管轉向形成U形兜住兩塊M槽模板。鋼絲繩兩端采用接頭套筒與φ25 mm精軋螺紋鋼連接將水平力轉換為豎向力，傳出水面，進行張拉將套箱組合成整體后進行吊裝。

套箱下放、封底后進行承臺和墩身的施工，施工完后鋼套箱拆除，循環使用。拆除鋼套箱的過程為：先放張，然后解索，最后使用浮吊分塊拆卸下來后，放置機駁上，清理套箱內壁，以便循環使用。

2.2 工藝流程

工藝流程見圖1。

圖1 預應力鋼套箱施工工藝流程

3 鋼套箱加工與制作

3.1 板面結構加工

預應力鋼套箱由多個組合片組成，組合片又要起到模板的作用，因此鋼套箱組合片的質量就決定了鋼套箱的質量。加工套箱的板面結構時要注意以下要點[1]：

1） 要制作專門的加工平臺，平臺應采用型鋼加工而成，牢固而平整；

2） 加工時先固定邊框位置，然后以邊框確定分配梁的位置；

3）面板大小應比設計規格小5 mm；

4） 要做好焊接變形的預控工作，防止過大的焊接變形影響套箱的質量；

5）鋼板之間的縫隙必須滿焊，并達到母材的強度；

6）相鄰兩塊板的連接槽應套入后焊接。

3.2 套箱接縫加工處理

鋼套箱接縫既要滿足套箱側壁止水的目的，又要滿足板塊之間有效齒合、傳遞應力的能力，因此接縫必須平直、凹凸對應，齒合密切，縫間設有具有一定壓縮性而又不透水的軟橡膠墊。

接縫加工時要注意下列幾點：

1） 齒合縫必須上下順直、緊貼，為此加工時齒合部分應合成加工，齒合部分單獨加工成型，然后與壁板（面板）焊接在一起，焊接時先間斷焊。

2） 齒合槽內不允許有焊縫，焊縫應設置在齒合槽的外側，對于齒合槽內的任何凸起，都要打磨平整。

3） 止水橡膠墊板應預先用膠水粘貼在齒合縫的一側齒合板上，為防止膠板掉落，齒合板面應適當打磨。

4） 齒合部分與面板焊接時應采用防止齒合板變形的措施。

5） 止水橡膠板的厚度應在7~10 mm，正條膠帶最好沒有接頭，如無法避免，應采用斜接頭；膠板的硬度以手捏微微變形為宜。

接縫設計詳見圖2。

3.3 鋼套箱預應力系統加工與制作

預應力系統包括：預應力索、拉桿、轉向系統、轉換接頭、張拉臺座等。

1） 預應力索。預應力索采用鋼絲繩，根據拉力的大小選擇，在長沙樞紐工程項目施工中選用了直徑φ28 mm的鋼絲繩[2]。根據套箱擋水水頭差的大小及套箱受力情況，確定預應力索高度方向的分層布置，本工程設上下兩層預應力索。

2） 拉桿。拉桿主要是方便預應力的施加與卸載，多采用精軋螺紋鋼做拉桿，其直徑應根據應力確定，拉應力值不能超過允許應力的72%，拉桿的長度要保證接頭處于預應力索槽內。

3）轉向系統。由于鋼套箱需要的是水平的預加應力，但為了施工方便，必須將其轉換為豎向，為此必須設置預應力索轉向桿。轉向桿可采用無縫鋼管或者圓鋼，為了轉動的需要，可在無縫鋼管或圓鋼的外面加設鋼套，鋼套的外徑應不小于鋼絲繩轉動最小半徑的要求。轉向桿應與承力梁焊接牢固，使預應力索與其呈垂直狀態。見圖3所示。

4）轉換接頭。預應力索部分由鋼絲繩和精軋螺紋鋼構成，其間通過轉換接頭連接。轉換接頭為獨立體系，可采用工廠化的加工件。見圖3所示。

5）張拉臺座。張拉臺座主要用于承受張拉時的壓力，臺座位于傳力鋼梁的最上端，與傳力鋼梁焊接成整體。張拉臺座要能滿足承受全部張拉荷載的能力，其鋼板厚度應根據應力計算確定。

6）壁板連接接頭。對于斷面尺寸較大的鋼套箱，面板間需平行同心連接，為了保證連接的可靠性，在接頭處設計有接頭預應力索和內置撐桿，撐桿采用鋼管加工，其與面板采用承插式，因此撐桿的規格應與面板上的開孔嚴格對應，同時撐桿與面板接觸處應墊設橡膠止水環。詳見圖4。

4 鋼套箱施工要點

4.1 鋼套箱組裝

1）根據流水線施工要求，選用2艘或多艘300 t自航平板駁，在平板駁艙面上使用型鋼焊接制作鋼套箱拼裝平臺，然后在平臺上拼裝鋼套箱，如浮吊甲板面積較大，可直接在浮吊甲板上焊接拼裝平臺進行拼裝。在陸上選一平地進行拼裝平臺骨架的制作，整體吊裝上船進行固定。

2）制作4根螺旋撐桿，4根連接桿件兩兩連接于帶有“V”形槽的壁板上。連接桿件的作用一是用于支撐壁板，使套箱壁板在套箱拼裝時不傾覆；二是在拼裝時可以利用螺旋撐桿來調整壁板的垂直度，保證套箱壁板在拼裝時垂直。螺旋撐桿由φ102×6鋼管、左右旋螺母及左右旋螺桿等材料制作，鋼管為Q235材質，螺桿及螺母材質為45號鋼。

3）橡膠止水的粘貼。橡膠止水條采用普通硅膠條，硅膠條寬度100 mm，采用萬能膠水粘貼在套箱的止水槽上。橡膠止水粘貼注意事項：①止水條應盡量取整根完整無接頭的硅膠條；②如分縫較長，止水條宜采用萬能膠水斜接；③為保證粘貼效果，可對板面進行打磨后粘貼；④每次套箱使用前應對止水條進行檢查，如發現損壞，立即更換或修補。

4）側板吊放。使用浮吊或履帶吊將鋼套箱壁板吊起，立放在平板駁艙面上的拼裝平臺上，然后將加工好的螺旋撐桿連接于壁板背面。使用三角板控制，調整螺旋撐桿來保證壁板垂直度。當兩塊帶有“V”形槽的壁板按照定好的尺寸放好后，再吊放帶有“M”形槽的壁板。側板吊放操作要點及注意事項：①為保證側板安裝的準確性，根據套箱的外形尺寸在拼裝平臺上使用圓鋼焊接定位及限位裝置；②船舶上拼裝套箱應預制混凝土塊配重，保證套箱壁板分塊安放時船舶甲板大致水平；③6級及以上大風天氣不得進行板壁拼裝。見圖5。

5） 套箱組裝。板壁安放到位后使用鋼套箱上口的連接螺桿將4片套箱板壁連接起來，臨時固定。

6）穿索。4片板壁連接好后，將鋼絲繩從預留孔道中穿過，然后將索頭用鋼絲繩卡固定在轉換盤上，并將帶有精軋螺紋鋼的轉換盤安置在承力平臺上。施工過程中應注意以下兩點：①不得使用編結接長的鋼絲繩；②穿索之前應對鋼絲繩進行檢查，檢查內容包括：鋼絲繩磨損程度、斷絲情況、腐蝕程度、潤滑情況、變形情況、鋼絲繩轉向及轉換盤位置以及其他異常現象等。視檢查情況，若有不合適的，必須立即更換；③兩股鋼絲繩重疊部位不得發生纏繞現象。

7） 張拉與錨固。拉桿穿好后，用2臺穿心千斤頂同時張拉同一高度的鋼絲繩至設計的預應力值，張拉時需設置承力架。承力架采用20 mm厚的鋼板焊接而成，千斤頂放置在承力架上，邊張拉邊緊固精軋螺紋鋼上的螺母，當張拉到位后將螺母擰緊、固定。

拼裝平臺制作質量要求如表1。

表1 鋼套箱拼裝平臺制作允許偏差、檢驗數量和方法[3]

4.2 鋼套箱下放

1） 基床整平。基床的整平采用水上整平船進行，使用一艘350 t的自航平板駁改造成整平船，整平船上放置有18 m長臂挖機，長臂挖機底座應使用型鋼進行有效的固定，防止挖機滑移?；驳捻敇烁邞^設計標高低20~30 cm?；舱角皯葘驳臉烁哌M行水下測量，高點挖除，低點補拋砂卵石，使基床標高大致水平后在長臂挖機斗體上安裝刮平器進行精平。待套箱安裝完成后在其內部填充砂卵石至設計標高，基床整平過程中使用測深砣檢測標高。

2） 焊接限位導向裝置?；舱酵瓿珊螅扔蓽y量人員測放鋼護筒中心線，根據鋼護筒中心線制作限位導向裝置。在制作限位導向裝置時要預留富余量，故限位導向裝置的結構尺寸比鋼套箱每個方向往內收1 cm?？紤]鋼套箱高度方向較高，故采用雙層限位。限位裝置采用φ50 mm彎曲鋼管，因為鋼管剛度比鋼筋好，而且鋼管表面光滑，有利于鋼套箱的下滑安裝。

3） 鋼套箱下放?；舱酵瓿桑尬粚蜓b置焊接準確后，使用50 t、80 t浮吊進行套箱的起吊，吊裝鋼套箱時采用四點吊，整體吊裝。起吊鋼套箱時，鋼套箱吊耳全部起吊受力后，浮吊將整個套箱起吊10 cm，觀察其穩定性。然后用浮吊下放鋼套箱，要始終保持整個套箱的穩定性，并事前在套箱的內壁上做好水尺進行觀察。要求操作人員全部攜帶對講機，并使用統一頻道作為工作頻道，待套箱下放到設計標高后，浮吊進行再次下放10 cm，觀察套箱的穩定性。待下放完成后檢查鋼套箱的垂直度以及平面位置是否準確，然后再進行鋼套箱內的平整工作以及鋼套箱內的回填工作。見圖6。

4.3 封底

套箱安裝好后，套箱內用砂卵石回填至設計封底混凝土底標高，施工時可用長臂挖機配合。

封底采用“帶有底封口的混凝土導管技術”，導管可采用鉆孔樁澆筑用導管，也可用直徑300 mm的鋼管加工；漏斗的容積應能滿足封底的需要。

操作平臺采用移動式平臺，平臺采用小型型鋼焊接成寬度1 m、長約8 m的鋼桁架結構，可以在套箱上移動。

澆筑混凝土要加強對澆筑面的監測控制，防止混凝土超澆，對于局部有超澆的地方，應采用振搗棒振搗趕平；對于局部澆筑高度不足的地方可拖動導管到該處補澆混凝土。

4.4 套箱拆除

封底后進行承臺和墩身的施工，施工完后鋼套箱拆除，循環使用。拆除鋼套箱的過程為：先放張，然后解索，最后使用50 t、80 t浮吊分塊拆卸下來后，放置機駁上，清理套箱內壁，以便循環使用。

5 結語

湘江長沙綜合樞紐船閘工程通過使用預應力鋼套箱，圓滿完成了引航道水下112個墩臺的施工任務，保證了承臺的施工質量，節約了施工成本，縮短了施工周期。

1）節約工期。對于由4塊壁板構成的預應力鋼套箱，在平臺上拼裝的時間約需2.5 h，拆除時間大約1 h，如果是邊拆、邊拼裝大約需要3.5 h。施工時只需要50~80 t的浮吊即可滿足施工強度要求。由于全部的工作都是在陸上或者船上進行，不需要潛水作業，功效高，費用省。對于外形尺寸較大的導流墩鋼套箱，采用分節下放，水下組拼的方案，全部采用預應力鋼索連接，避免了潛水作業，解決了套箱重量大的問題，大大提高了工效，節約了工期。

2） 經濟效益。若按傳統的不可拆卸的雙壁鋼套箱施工，共需制作大小套箱各56個，大套箱單個重約80 t[4]，小套箱單個重約36 t，112個需加工鋼套箱6 500 t，加工單價按7 100元/t計，需要資金4 615萬元；采取預應力組合套箱，拆卸方便，大小套箱各制作了12套，大套箱單個重約36 t，小套箱單個重約20 t，前期僅需要投入鋼套箱672 t，由于設計加工簡單，制作單價降低為6 200元/t?？傮w節省投資約4 200萬元。

3） 社會效益。經查新，目前國內外尚未有同類型的鋼套箱出現以及相關的文獻，該類型的鋼套箱是最新設計方案。該設計方案已申報國家專利，目前國家專利局已經受理，專利號為：ZL2011110246420.4。

由于現在橋梁以及其他水中構筑物中鋼套箱的使用非常普遍，因而可以降低施工成本、加快施工進度的預應力易拆式鋼套箱將有非常廣闊的運用前景。對于需要進行鋼圍堰施工的水中構筑物，采用預應力易拆式鋼套箱是明智的選擇，在橋梁、碼頭、船塢等交通工程的施工中將大有可為。

[1]GB 50205—2001，鋼結構工程施工質量驗收規范[S].

[2] 建筑施工計算手冊[M].2版.北京：中國建筑工業出版社，2007.

[3]JTS257—2008，水運工程質量檢驗標準[S].

[4] 韓偉奇.潮汐河深水承臺施工技術[J].鐵道標準設計，2010（4）：55-56.