潮汐環(huán)境中撐拉一體化模板式矩形鋼套箱施工技術(shù)

王洪江 （中鐵四局集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230022）

1 概 述

甬臺(tái)溫鐵路客運(yùn)專線位于浙江東部沿海地區(qū)，沿線經(jīng)過寧波市、臺(tái)州市、溫州市，線路進(jìn)入溫州市域后即跨越定頭港、清江、楠溪江、甌江等大河流感潮灘涂河段，水位受徑流和潮流雙重影響，臺(tái)風(fēng)遇高潮水位常造成洪澇災(zāi)害。

定頭港特大橋全橋長(zhǎng)1890.32m，橋面寬13m，線間距4.6m,橋位處潮汐為正規(guī)半日潮型，潮流運(yùn)動(dòng)以往復(fù)流為主，落潮流速大于漲潮流速，落潮歷時(shí)短于漲潮歷時(shí),落潮一般歷時(shí)約4h,漲潮一般歷時(shí)近5h,潮水流速一般為0.5m/s～2m/s。十年一遇潮水位4.7m，浪高0.5m；一般高潮水位3.7m。

該橋水下地貌主要包括水下淺灘、潮汐潮流沖刷槽和潮汐汊道。跨海范圍內(nèi)有3條較大沖槽，沖槽內(nèi)河床較低，最深處均在-1.0以下，第一道沖溝分布在3#～7#墩之間；第二道沖溝分布在連續(xù)梁范圍23#～27#墩之間；第三道沖溝分布在45#～50#墩位之間。橋位灘涂區(qū)廣布著流塑質(zhì)淤泥和淤泥質(zhì)土，以及大量圓礫土、凝灰?guī)r等，工程地質(zhì)條件非常復(fù)雜。

2 承臺(tái)設(shè)計(jì)情況

本橋基礎(chǔ)：鉆孔樁、承臺(tái)按D1類環(huán)境作用等級(jí)設(shè)計(jì)，采用C30耐久性混凝土；墩臺(tái)按C2類環(huán)境作用等級(jí)設(shè)計(jì)，采用C40耐久性混凝土+表面涂層。本橋共55個(gè)墩臺(tái)，其中2#～52#墩位于潮汐中。絕大多數(shù)墩位承臺(tái)尺寸為1230×900×350cm，12根Ф125鉆孔樁。

3 水中墩承臺(tái)施工方案的確定

3.1 承臺(tái)施工特點(diǎn)

根據(jù)施工環(huán)境和具體設(shè)計(jì)情況，本橋多數(shù)承臺(tái)具體特點(diǎn)有：①承臺(tái)在漲潮時(shí)位于水中，落潮時(shí)處于裸露灘涂中；②承臺(tái)雖位于水中，但無法采用浮船等水面作業(yè)設(shè)備進(jìn)行施工；③承臺(tái)半埋半露于河床，非高樁承臺(tái)設(shè)計(jì)；④水中承臺(tái)數(shù)量多，形狀設(shè)計(jì)為矩形；⑤地質(zhì)較復(fù)雜，局部含有有較大粒徑礫石。其中第一道沖溝位置范圍內(nèi)5#和6#墩承臺(tái)具有典型性，承臺(tái)標(biāo)高最低、地質(zhì)具有代表性，承臺(tái)底標(biāo)高為-1.5m，潮差通常達(dá)5m以上，承臺(tái)處地質(zhì)局部有較大粒徑礫石（如圖1所示）。

圖1

3.2 承臺(tái)施工方案及基本工序的確定

目前水中基礎(chǔ)的施工常采用的沉井、沉箱、鋼板樁圍堰、雙壁鋼圍堰、鋼吊箱圍堰等施工方法，因?yàn)樾枰笮偷跹b設(shè)備或浮運(yùn)設(shè)備，或無法周轉(zhuǎn)，或成本過高，均無法滿足本工程具體施工的安全性、適用性、經(jīng)濟(jì)性等要求。

針對(duì)本橋承臺(tái)具體特點(diǎn)，最后研究開發(fā)了撐拉一體化模板式矩形鋼套箱施工方法來進(jìn)行多數(shù)承臺(tái)的施工，主要考慮了加工方便、安裝易操作、節(jié)約模板材料、多次重復(fù)使用，以及現(xiàn)有棧橋及施工平臺(tái)能夠承載所需履帶吊荷載需要等因素。

主要施工步驟為：首先，使用長(zhǎng)臂挖掘機(jī)及小型水陸兩用挖泥船挖去承臺(tái)位置淤泥及礫石土等；第二歩，退潮時(shí)安放縱橫向型鋼骨架（鋼套箱底部約束所用），再迅速澆筑30cm厚的第一層底板混凝土；第三歩，退潮時(shí)安裝鋼套箱第一節(jié)，底部與預(yù)埋型鋼骨架約束，上部臨時(shí)約束固定，然后在套箱內(nèi)再次澆筑50cm厚封底混凝土；第四步，安裝第二節(jié)鋼套箱和縱橫向內(nèi)部支撐型鋼或鋼管（退潮澆筑承臺(tái)時(shí)兼做模板拉力構(gòu)件使用）；第五步，安裝第三節(jié)鋼套箱（視承臺(tái)標(biāo)高和潮汐規(guī)律可不安裝第三節(jié)）；第六步，進(jìn)行承臺(tái)有關(guān)工序的施工。

4 撐拉一體化模板式矩形鋼套箱的構(gòu)造及設(shè)計(jì)計(jì)算

4.1 撐拉一體化模板式矩形鋼套箱的構(gòu)造簡(jiǎn)介

鋼套箱漲潮時(shí)作為防水結(jié)構(gòu)起到防水作用，退潮時(shí)作為模板供澆筑承臺(tái)混凝土施工（漲潮時(shí)亦作澆筑模板使用），根據(jù)鋼套箱的使用功能，其結(jié)構(gòu)主要由側(cè)板、撐拉一體化支撐、現(xiàn)澆底板預(yù)埋型鋼骨架、封底等部分組成。側(cè)板為單臂，面板為6mm的鋼板，兼做承臺(tái)模板使用；橫肋為[20a槽鋼,間距50 cm，橫肋與面板焊接，邊框與面板接觸面全焊滿足防水要求；每組豎肋為兩根I50a工字鋼,間距3.3m，豎肋在橫肋外側(cè)，橫肋豎肋接觸面的焊接要滿足在波浪水壓作用下撕拉力的作用；撐拉一體化支撐穿透模板后與豎肋連接傳遞撐力和拉力。撐拉一體化模板式矩形鋼套箱的構(gòu)造模型及承臺(tái)布置如圖2所示。

圖2 鋼套箱及承臺(tái)結(jié)構(gòu)布置圖

4.2 結(jié)構(gòu)檢算

根據(jù)施工不同階段和工況條件下應(yīng)進(jìn)行鋼套箱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算、封底混凝土的抗浮及抗剪檢算、整體穩(wěn)定性檢算等，這里主要介紹以下幾種最不利受力工況，其他工況本文不作介紹。

4.2.1 十年一遇潮水位時(shí)，封底后水抽干后鋼套箱的結(jié)構(gòu)檢算

①荷載確定

a.流水壓力

根據(jù)規(guī)范，作用在套箱上的的流水壓力：P=KAγv2/2g=1.2×5.7×9.5×10×2.02/（2×9.8）=142.6kN。作用在鋼套箱上的單位寬度上的水壓力為q=P/9.5=15.1kN/m，呈倒三角分布。

b.靜水壓力

最大施工水位水深h=6.2時(shí)，靜水壓力q=γh=10×6.2=62kN/m，呈正三角分布。

c.波浪沖擊力

計(jì)算時(shí)浪高取0.5m；水深，5.7m；波長(zhǎng)，14.7m；套箱迎波浪寬度9.5m。

查《海港水文規(guī)范》，D/L=9.5/14.7=0.646，屬大尺度墩柱，波浪沖擊力按大尺度墩柱公式Pmax=（fa/π）γLHcosh〔2π（h-z）/L〕/cosh（2πh/L）進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)采用波浪力專用程序計(jì)算（計(jì)算過程見附圖），套箱側(cè)面承受的波浪沖擊力120.8kN,作用力峰值在水面下1.92m處。作用在鋼套箱上的單位寬度上的最大波浪沖擊壓力為q=120.8/9.5=12.7kN/m，呈三角形分布。

d.最不利工況荷載組合

高潮位時(shí)，鋼板樁圍堰內(nèi)抽水施工承臺(tái)主要荷載有流水壓力、靜水壓力、波浪力組合。由于風(fēng)力經(jīng)計(jì)算小于1kN/m2對(duì)鋼套箱的計(jì)算影響很小，故計(jì)算時(shí)不考慮它。

承臺(tái)波浪力波高 波浪周期 波長(zhǎng) 設(shè)計(jì)水位 床面高程 水深 承臺(tái)底高程 承臺(tái)頂高程 墩坐頂高程H(m) T(s) L(m) (m) (m) d(m) (m) (m) (m)0.5 3.1 14.7 4.7 -1 5.7 -1.5 2 18承臺(tái)迎浪面寬度 D= 9.5 m D/L= 0.6462585 > 0.2 為大尺度樁柱H/D= 0.0877193 ≤ 0.2 D/L= 0.3877551 ≥ 0.35 PDmas= α*CD*V*D*H2K2/2MDmas= β*CD*V*D*H2*L*K3/2π PDmas= vP*CM*V*A*H*K2/2MDmas=VM*CM*V*A*H*L*K4/4π CD V D K1 K3 α PDmas β MDmas 1.2 10.45 9.5 0.0189259 0.0087813 1.06 0.2987395 1.06 0.6485794 CM V A K2 K4 VP PDmas VM MDmas 2 10.45 70.882184 0.3262682 0.2727288 1 120.8365 1 236.31635

圖3 流水、靜水壓力、波浪力及荷載組合布置圖

②建立計(jì)算模型及計(jì)算

將荷載組合轉(zhuǎn)換成均布等效荷載，再作用在圍堰模型橫肋上，采用有限元法整體建模計(jì)算。

圖4 鋼套箱圍堰三維模型

水平肋槽鋼[20a最大彎矩如圖所示。最大彎矩為Mmax=21.9kN·m,Wx=178 cm3,σw=Mmax/Wx=21900/178=123MPa<[σw]=1.3×145MPa(臨時(shí)結(jié)構(gòu),取1.3的容許應(yīng)力增大系數(shù)),符合要求（見圖5）。

圍堰豎肋彎矩I50a的最大彎矩為Mmax=193 kN·m,Wx=1 860 cm3則,σw=Mmax/Wx=193000/（1 860×2）=51.9MPa<[σw]=1.3×145MPa,符合要求（見圖6）。

I50a水平支撐按兩端固結(jié)計(jì)算壓桿穩(wěn)定性，允許最大軸向壓力為Plj=π2EI/(μl)2=24227 kN,而水平支撐經(jīng)計(jì)算軸力為577.5kN，小于允許軸向壓力，符合穩(wěn)定性要求。

4.2.2 封底后水抽干后封底混凝土的抗浮檢算

圖5

圖6

橋位鉆孔樁布置為橫向每排4根樁，縱向每排3根,封底混凝土為80cm厚。根據(jù)十年一遇潮水位時(shí)，封底混凝土底至水面深7.0m，傳遞給鉆孔樁的最大浮力為7750 kN，即每根樁抵抗645.8kN浮力。80cm封底混凝土和樁頭的粘接，接觸面積為3.14m2,則接觸面的剪應(yīng)力為τ=0.21MPa＜〔τ〕=0.8 MPa（C20混凝土）。C20封底混凝土與鉆孔樁的粘結(jié)力能夠滿足止浮要求（另外預(yù)制底板的鋼筋與護(hù)筒焊接提高安全儲(chǔ)備）。

4.2.3 退潮時(shí)澆筑承臺(tái)混凝土鋼套箱的結(jié)構(gòu)檢算

完全退潮期間，澆筑承臺(tái)混凝土,圍堰受到的向外側(cè)壓力。混凝土的澆注速度在6m/h以下時(shí)，新澆注的混凝土對(duì)模板側(cè)面壓力按公式Pmax=Kγh 計(jì)算,根據(jù)公式和規(guī)范計(jì)算出Pmax=1.2×25×(1.53+3.8×(1/3.5))=78.47kPa。將0.5m寬度內(nèi)的混凝土壓力均布荷載作用在圍堰模型橫肋上進(jìn)行運(yùn)算。

①橫肋槽鋼的計(jì)算

此時(shí)的橫肋最大彎矩如圖7所示，最大彎矩為Mmax=27.4kN·m,Wx=178cm3，則 σw=Mmax/Wx=27400/178=153.9MPa<[σw]=1.3×145MPa,符合要求。

②豎肋工字鋼的計(jì)算：豎肋最大彎矩如圖8所示，工45a最大 彎 矩 為 Mmax=238.85kN·m，δg=Mmax/Wx=238850/1860=128.5MPa<[σw]=1.3×145MPa,符合要求。

③一體化支撐拉桿的拉力和底板預(yù)埋型鋼提供的水平約束力經(jīng)計(jì)算滿足要求（具體計(jì)算略）。

5 工序施工周期及施工注意事項(xiàng)

圖7 橫肋最大彎矩圖

圖8

5.1 鋼套箱具體工序消耗時(shí)間（見表1）

5.2 鋼套箱施工注意事項(xiàng)

①鋼套箱在封底混凝土未凝固前以及未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度前，與周邊鋼管樁應(yīng)采取固定措施，底板預(yù)埋型鋼骨架應(yīng)與鋼護(hù)筒焊接固定，樁周鋼護(hù)筒上設(shè)置焊接部分放射筋保證底板及封底混凝土與鋼護(hù)筒的握裹力。

②鋼套箱的加工，面板與邊框的焊接必須滿焊，模板塊間連接雙排螺栓全部按要求連接，夾入遇水膨脹橡膠止水條，以保證密封性。

③鋼套箱就位封底混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求后，方可封堵減壓孔抽水，切除多余鋼護(hù)筒鑿出樁頭漏出新鮮混凝土，然后進(jìn)行承臺(tái)和墩身的施工等。

④鋼套箱吊裝過程中要施加保護(hù)，不同階段的吊裝要分別1制備專用吊具，避免吊裝變形并保護(hù)構(gòu)件表面不受損傷。

⑤施工過程中對(duì)各種工況進(jìn)行變形位移的監(jiān)測(cè)。

⑥承臺(tái)套箱施工期間監(jiān)測(cè)掌握潮汐間隔時(shí)間規(guī)律，充分利用退潮期間進(jìn)行施工操作。

⑦承臺(tái)混凝土分2次澆注，施工組織較為經(jīng)濟(jì)，同時(shí)增加承臺(tái)混凝土的散熱比表面積，降低水化熱溫升，避免溫差裂紋。

⑧臺(tái)風(fēng)等惡劣天氣做好天氣預(yù)報(bào)工作，提前做好應(yīng)對(duì)預(yù)案，防止事故的發(fā)生。

6 結(jié) 語

通過甬臺(tái)溫鐵路客運(yùn)專線定頭港特大橋潮流影響下的承臺(tái)成功施工，驗(yàn)證了潮汐環(huán)境中撐拉一體化模板式矩形鋼套箱施工技術(shù)的成功運(yùn)用。鋼套箱在漲潮時(shí)作為防水結(jié)構(gòu)起到防水作用，抵抗潮汐及波浪力沖擊作用，同時(shí)兼做承臺(tái)混凝土澆筑模板使用，內(nèi)部支撐型鋼或鋼管在漲潮時(shí)作為壓桿承受壓力，退潮澆筑承臺(tái)時(shí)兼做拉桿承受拉力。鋼套箱能多次重復(fù)使用，節(jié)約成本，滿足施工的安全性、適用性、經(jīng)濟(jì)性等要求，為類似工程提供了有益的借鑒。

鋼套箱工序消耗時(shí)間表 表1

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