鋼套箱下沉施工控制技術

徐小祥

(鐵道戰備舟橋處，山東齊河251100)

鋼套箱下沉施工控制技術

徐小祥

(鐵道戰備舟橋處，山東齊河251100)

在橋梁深水基礎鋼套箱施工過程中，鋼套箱下沉施工是關鍵環節。針對不同的工程特點和水文、地質條件，需靈活應用多種設備和施工方法。結合廈深客運專線韓江雙線特大橋雙壁圓形鋼套箱下沉施工實例(以345#墩為例)，簡要介紹利用鐵路舟橋水上高架浮吊等設備快速拼裝鋼套箱的施工方法，重點闡述利用渣漿泵吸泥和10 t高架浮吊配合0.8 m3液壓抓斗和1.5 m3六瓣蓮花抓斗抓泥下沉鋼套箱的施工方法，以及采取安裝管樁導向裝置和焊接反牛腿等控制下沉偏位和標高的質量控制技術。圍堰施工實際偏位為15～20 cm，標高控制在－20 cm以內，符合承臺施工要求。

鋼套箱 下沉 浮吊 控制技術

1 工程概況

該橋地處廣東潮州市，跨韓江西溪，大橋總長3.4 km，韓江西溪水中部分為344#—354#墩，共11個墩，橋跨布置為(2×80+48+40+2×64+40+48+3× 80)m。水中墩承臺均埋在河床以下很深，其中345#墩承臺埋深最深，其河床標高為+0.93 m，承臺底標高為－11.046 m，封底3 m，開挖深度達15 m，且該墩位處地質情況復雜，開挖施工難度較大。其中354#墩設計直徑最大，內徑28 m，外徑31 m;345#和346#墩內徑23 m，外徑25.4 m，壁厚1.2 m，內外壁板均使用6 mm厚鋼板，刃腳起以上10 m高度為混凝土澆注高度。套箱鋼材總重量為309 t，套箱總高度為20.0 m，封底混凝土厚為3.0 m。345#墩鋼套箱設計結構圖見圖1。

韓江西溪常水位水面標高+4.1 m左右，水深3～5 m。百年一遇洪水流量Q100=7 660 m3/s，水位標高H100=9.75 m，流速V100=1.424 m/s;墩位處地層自上而下依次為2.6 m細砂層(基本承載力σ0=110 kPa)、6.3 m淤泥層(σ0=55 kPa)和2.2 m淤泥質黏土砂層(σ0=90 kPa)，再往下基本為淤泥層、淤泥砂層。

2 總體施工方案

該工程水中墩達11個，根據承臺埋深情況，6個采用圓形雙壁鋼套箱、5個采用18 m長拉森Ⅳ型鋼板樁圍堰來進行基礎承臺墩身施工。水上設備采用4臺水上高架浮吊，4臺200 t運輸船，2臺300千瓦994型機動舟。為確保工期，4個鋼套箱施工選用先樁后堰法(先鉆孔樁施工后鋼套箱施工)，2個采用先堰后樁法施工。橋墩上游側設計一座長715 m，寬6 m臨時鋼棧橋。由于韓江大壩護堤比較陡且不允許破壞，采用岸上拼裝滑道入水方法難度很大，結合現場實際情況和水上20 t高架浮吊設備吊裝能力，采用在岸上加工場利用汽車吊預拼、水上利用浮吊原墩位處拼接，并利用50 t千斤頂和φ32精軋螺紋鋼等組成的懸吊系統來下沉底節套箱［1］。根據河床不同地質情況采取相應的開挖方法，砂層采用渣漿泵吸砂，淤泥黏土層采用抓斗抓泥，并采取安裝管樁導向裝置和焊接反牛腿等方法解決下沉偏位和下沉深度等一系列技術難題。

3 鋼套箱拼裝下沉控制技術要點

鋼套箱從拼裝到下沉到位主要分為4道工序:分節預拼(含岸上加工和胎架制作)、水中拼裝焊接，開挖下沉(含糾偏)及封底。

3.1 分節預拼

3.1.1 分節

套箱分節需要根據加工運輸、拼裝、吊裝方案和現場實際情況等綜合確定，綜合考慮到吊裝能力、套箱自重吃水深度、套箱浮力、底節套箱配重混凝土和第二節套箱的重量、節省焊接工作量、加快進度等因素，整個套箱分為4節加工［2］。

3.1.2 底節鋼套箱預拼

為確保套箱加工精度，需要利用胎架來進行加工。胎架是利用套箱外壁作為模具，不同直徑的鋼套箱胎架尺寸不一樣，一般胎架長度為套箱1/8弦長，寬度為6 m左右，高度隨套箱外徑不同而不同，345#墩外徑25.4 m，其胎架長度為9.72 m(見圖2)。使用過程中要經常復核胎架尺寸。套箱底節8片全部加工完后，對套箱底節進行編號并預拼，檢查套箱加工精度，特別是弧度。

圖1 345#墩鋼套箱結構設計(高程單位:m;其余單位:mm)

圖2 345#墩鋼套箱1/8胎架結構示意(單位:mm)

3.2 水中拼裝焊接

3.2.1 搭設底節鋼套箱拼裝下沉平臺

由于底節套箱在墩位處拼裝，需在水中設置支撐點和搭設拼裝下沉施工平臺。根據該套箱直徑大小，考慮到下沉的安全及方便，拼裝下沉平臺對稱設置4個吊點。吊點主要組成部分為φ32精軋螺紋鋼升降桿、50 t千斤頂、承重梁、扁擔梁等［3］。工作原理是利用千斤頂頂推扁擔梁，并通過調節扁擔梁上下六角螺帽使扁擔梁上下移動，從而讓扁擔梁帶動φ32精軋螺紋鋼升降桿上下移動而實現套箱下沉。底節鋼套箱拼裝下沉平臺施工圖見圖3。

3.2.2 底節鋼套箱入水

底節鋼套箱拼裝焊接完成后，及時安裝千斤頂、精軋螺紋鋼等懸吊系統，調試合格后，開始統一指揮進行下沉施工。主要步驟為:①首先將千斤頂放在扁擔梁下，同時將千斤頂下承重梁上表面螺帽擰緊，然后4個吊點同時起頂12 cm，套箱底部脫離承重橫梁，此時將螺帽擰緊，然后開始割除套箱底部承重橫梁，讓套箱底部全部懸空;②將千斤頂全部放松歸零回到原位，并將扁擔梁上螺帽擰緊，然后聽統一指揮同時將千斤頂起頂13 cm(用尺量，一般50 t千斤頂宜為12～13 cm)，接著將扁擔梁下螺帽往上擰12 cm(用尺量)，之后同時松開千斤頂，千斤頂回落到零位后，此時套箱下沉12 cm;③重復步驟②，直至將套箱底節緩慢下沉至水中處于自然漂浮狀態［4］。

圖3 底節鋼套箱拼裝下沉平臺施工圖(單位:mm)

3.2.3 水中套箱接高焊接

水中接高采用20 t高架浮吊逐塊對稱拼裝，拼裝時需灌水配重來調整平衡。同時焊接完后在下水前一定要做水密性試驗。水密性試驗可采用在鋼圍堰外側涂抹白石灰，內側相應位置涂抹混合油(煤油∶柴油= 3∶7)，觀測是否變黑來判斷。

3.3 開挖下沉及偏位控制

下沉是整個施工過程最困難的環節，因為開挖土層太深，且大部分為淤泥黏土層，不易開挖。開挖過程要保證套箱的位置正確和傾斜度符合要求。套箱底節下沉入水后，套箱漂浮在水上，要對套箱位置進行測量控制，采取插打鋼管樁焊接型鋼限位裝置將套箱限位(I25型鋼焊接2～3道)，防止套箱拼裝及下沉過程中移位。隨著套箱逐塊逐層接高，套箱刃腳開始著床，此時套箱開挖下沉需要結合實際地質情況分析套箱受力情形，然后采取相應方法才能確保套箱精確安全下沉。3.3.1開挖下沉過程幾種受力情形分析

鋼套箱內土層開挖下沉過程中，由于刃腳下土層不斷變化，先遇到砂層，然后是淤泥層、黏土層，且軟硬程度不一樣，套箱下沉就會出現以下4種情形:

第1種:在透水砂土層下沉過程中，采取渣漿泵帶水吸砂方法。此時套箱內外均有水，且水面等高。此時套箱下沉需要克服套箱浮力F浮和土層側摩阻力f土之和，以及刃角下土的支撐力。當排砂到刃角以下，套箱重量大于F浮+f土時，套箱即可下沉。

第2種:當排砂至刃角以下進入黏土層時，刃角以下沒有水，不產生浮力，若采取干挖作業施工，此時套箱內部無水，內外不貫通。此時套箱下沉需要克服土層側摩阻力f土，套箱需要靠自重來克服阻力下沉。

第3種:套箱刃腳下部黏土層已掏空，套箱外側土層側摩阻力大于等于整個套箱重量，此時套箱不下沉，當不斷往套箱隔艙內注水配重時，或者圍堰內土層出現透水管涌等異常情況時，土層側摩阻力小于等于整個套箱重量，套箱受力平衡狀態被破壞，開始下沉，靜摩擦變成動摩擦，土提供的摩擦力大大減小，套箱則會利用其慣性大幅度下沉，在摩擦力與對刃角的支撐力之和達到一定值時，與套箱重量重新達到平衡而停止下沉。此種情況不宜控制，因為土層側摩阻力不好精確計算，地質勘查時提供側摩阻力為8 kPa，但實際施工中發現側摩阻力在15～20 kPa，必須采取可靠的下沉施工控制措施。

第4種:在套箱下沉到位并封底完成后，此時可能出現最不利情況，即封底混凝土面以下為透水層，內外水貫通，套箱外壁與封底混凝土形成一個“杯子”，浮力是整個“杯子”所受的浮力，且達到最大值，這就要求確保封底混凝土的厚度和施工質量［5］。

3.3.2 開挖下沉施工方法

由于該橋套箱下沉深度達15.5 m，各個工序都有注水抽水的過程，圍堰內的水頭差及相鄰隔艙的水頭差、空腹鋼圍堰的水頭差等必須滿足設計規定。

套箱著床后首先進入砂層，由于砂層的透水性，套箱內水抽不干，此層合適的排砂方法是使用汽車吊或浮吊配合大功率渣漿泵直接抽吸砂，砂層中含泥時可在渣漿泵的底部側面安裝高壓射水槍輔助排砂。

套箱進入淤泥層開挖，通常選用干排法，但考慮到淤泥層較深，淤泥的穩定性較差，極易發生管涌，為安全起見，先采用10 t浮吊配合吊裝1.5 m3蓮花抓斗帶水開挖。即首先均勻開挖至刃角以下，然后向套箱隔倉里澆注混凝土，當混凝土澆入量達到設計量，再改用排水法。此法是減輕對刃角以下土的壓力而使土松動失穩和浮力降低而下沉。排水法要注意套箱內水位變化，出現管涌時，及時停止排水，并向套箱內注水以免管涌進一步擴大。套箱在幾次下沉之后，進入深水開挖階段，此時套箱外圍土深度達到干挖的條件，干挖可以觀察到淤泥的位置，使得開挖更加有效，但是開挖到刃角以下時，套箱在側摩阻力的影響下，往往不會下沉，此時需要向套箱隔艙內注水配重，破壞已形成的平衡來達到下沉目的。

3.3.3 下沉過程中偏位、標高控制措施

該橋鋼圍堰吸泥深度大，偏位控制要求高，而套箱在淤泥、砂層中進行下沉施工更易發生偏位和傾斜，特別是底節套箱著床后，河床的高低直接影響套箱的傾斜度，要嚴格控制排砂方法，加強測量，在套箱周圍均勻對稱排砂，不能在個別位置抽砂太深。在淤泥層開挖下沉過程中，采取對稱均勻分層開挖，特別要控制好開挖深度。套箱基本不會發生偏位，但是套箱在淤泥層的開挖下沉主要克服摩阻力，當靜摩擦變成動摩擦時，阻力急劇減小，套箱會依靠本身慣性，下沉量很大，并且不好精確計算確定，很難控制標高。在實際施工過程中發現，套箱每次下沉量為1～3.5 m，范圍較大。因此，為避免在套箱施工的最后階段出現套箱下沉低于設計標高，利用外圍限位管樁作支撐樁(接長至30 m)［6］，在套箱頂部對應支撐樁頂部中心位置焊接反牛腿，通過反牛腿作用于支撐樁提供向上作用力以達到控制套箱的過量下沉。由于反牛腿受力大，且一般受力不均勻，個別受力較大，設計數量、設計安全系數要合理考慮，且焊接質量要符合設計規范要求，同時焊接牛腿處套箱要做加強處理。下沉過程中，需對套箱頂位移進行觀測，確保反牛腿位置與支撐樁在同一豎向垂直面上［7］。應用此方法效果明顯，標高基本控制在－20 cm以內，符合施工要求。

3.3.4 套箱內鉆孔樁鋼護筒處理

先樁后堰法套箱開挖下沉過程中，要根據護筒長度和埋入深度合理選擇開挖順序和方法。若護筒埋入淺，其底部標高在樁頂標高以上許多，護筒在開挖到一定深度后會出現倒塌現象，必須先處理好鉆孔樁護筒然后再開挖，必要時進行水下切割。在345#墩開挖過程中，護筒底部在樁頂以上不足2 m，若直接開挖護筒必然會傾倒砸壞套箱，為此開挖至距護筒底部2 m左右時，用泥漿泵或空壓機抽掉護筒內泥漿砂層然后將護筒拔出，確保后續開挖過程中人員設備安全。

3.4 水下混凝土封底施工

封底是關鍵的一步，要保證封底厚度和封底質量。套箱開挖到設計標高后，基底出現部分管涌跡象，需采取水下封底。因淤泥層較厚，為減少基底浮土上涌量，可采取超挖約30～50 cm后向套箱內拋片石使基底穩定密實后再封底，以確保混凝土封底質量。封底導管必須做水密性試驗，導管插入點間距按3～3.5 m布置，混凝土坍落度宜控制在20～22 cm，可根據現場實際情況適當調整［8］。封底混凝土達到90%設計強度后方可抽水。抽水過程中要觀察套箱骨架有無異常響聲，堰內水位有沒有異常變化等，發現異常立即采取停止抽水或回灌水等措施，以確保圍堰安全［9］。

4 施工質量關鍵控制點

1)鋼套箱焊接要保證質量，特別是水平豎向接頭焊接要牢固，環形板接頭處要加強處理。底節套箱吊點要焊接牢固，焊接在面板表面上的吊點要在里側對面板做加強處理。起頂時50 t液壓千斤頂每次起頂下落高度不大于12 cm，且要聽從統一指揮，確保吊點均勻受力。

2)鋼套箱開挖過程中，根據現場實際情況，采取適當的棄土方案，開挖出來的淤泥黏土應用泥砂船運走遠離套箱周圍，防止其堆積在套箱周圍，額外增加套箱外側阻力，導致套箱下沉難度加大。同時還可利用開挖吸泥設備將套箱外側周圍一定深度和寬度范圍土層挖出運走遠離套箱外壁，以減少套箱外側土層摩阻力，有利于套箱順利下沉。因為套箱在淤泥黏土地層下沉15 m多，阻力很大，計算不好控制，容易超下。在設計這種著床很深的套箱時，將頂節改為單壁，總高度加高1 m，封底基底標高高于刃腳底部50 cm以上時下沉施工才容易控制。

3)開挖需采取帶水開挖方式，盡量減少圍堰內外水頭差，這樣套箱外壁摩擦力將會適當減小，套箱下沉相對容易［10］。

4)套箱下沉高度要控制好，在均勻開挖到比刃腳底部低50 cm時要停止開挖，抽水或減少配重，由于土質較軟，套箱即可下沉1～3 m。為防止套箱超下，一定要采取適當的預防措施，如在周圍插打鋼管樁并在樁頂焊接10個左右反牛腿。在套箱標高差1 m左右到位時，要特別小心，最后潛水員配合射水沖洗刃腳才比較安全。

5)為加快施工進度，可采取汽車吊或10 t高架浮吊配合液壓抓斗進行抓泥，特別是采用先樁后堰法進行鋼套箱圍堰施工時，套箱圍堰內4個拐角宜采取液壓抓斗進行清理，確保此處封底厚度達到設計要求。封底混凝土施工可在套箱上鋪貝雷梁搭設作業平臺進行，也可利用浮箱拼裝浮平臺作為作業平臺進行封底施工。但后者不能同時布幾根導管進行混凝土澆注，同時要密切測量水位變化。

5 結語

該橋鋼圍堰工程數量多，開挖深度較深，工期緊。利用鐵路舟橋機動舟、運輸船運輸，水上20 t浮吊拼裝，渣漿泵吸泥(淤泥層、細砂層)和10 t高架浮吊配合0.8 m3液壓抓斗和1.5 m3六瓣蓮花抓斗抓泥(淤泥質黏土砂層)下沉鋼套箱。施工快速、安全、高效。采取安裝管樁導向裝置和焊接反牛退等方法控制下沉偏位和標高。圍堰施工實際偏位為15～20 cm(設計允許偏差50 cm)，標高控制在－20 cm以內，符合承臺施工要求。該橋鋼套箱下沉施工控制技術可為類似地質條件下鋼套箱施工提供借鑒。

［1］傅瓊閣．深水基礎鋼圍堰施工技術［J］．中外公路，2005 (4):128-130．

［2］王貴春，皇甫昱．橋梁深水基礎雙壁鋼圍堰施工技術分析［J］．鐵道建筑，2007(8):22-24．

［3］趙順濤，潘軍．南京大勝關長江大橋6號主墩超大型鋼套箱圍堰下沉控制技術［J］．世界橋梁，2008(3):22-24．

［4］李陸平，尤繼勤，王吉連．蔡家灣漢江特大橋深水基礎鋼套箱圍堰施工技術［J］．世界橋梁，2010(1):59-62．

［5］徐建中．石良角潯江特大橋雙壁鋼圍堰設計與施工［J］．鐵道標準設計，2006(7):50-52．

［6］張利．大型深水基礎單壁鋼套箱圍堰施工技術［J］．鐵道建筑，2011(3):13-15．

［7］王紅偉．欽防鐵路茅嶺江特大橋主墩雙壁鋼圍堰施工技術［J］．鐵道建筑，2013(5):35-37．

［8］任亞科．深水基礎鋼套箱圍堰施工技術［J］．科技創新與應用，2011(22):158．

［9］袁翀，傅勇．雙壁鋼圍堰吸泥下沉、清基及水下封底過程中有關問題的處理辦法［J］．黃岡師范學院學報，2001(5): 83-85．

［10］倪婷．鋼套箱圍堰施工工藝的研究和應用［J］．城市道橋與防洪，2010(9):252-255．

Control technology of sinking construction for steel case

XU Xiaoxiang
(Railway Combat Readiness Boat Bridge Department，Qihe Shandong 251100，China)

Steel cofferdam sinking is the key during the deep water foundation construction of bridge engineering．Numerous instruments and different construction methods are used according to the specific engineering and its hydrogeological conditions．In this paper，a case study on the construction of Hanjiang Double-line Bridge in Xiameng-Shenzhen passenger transport line was introduced．T ake the construction of 345#pier as an example．T he overhead crane barge was applied to assemble the steel cofferdam rapidly．Slurry pump，10 t overhead crane barge，0.8 m3hydraulic grab and 1.5 m3lotus-shaped grab were used．Pipe pile guide was installed and bracket was welded to control sinking deviation and elevation．During the steel cofferdam construction，the actual deviation was 15 to 20 cm，and the elevation was within－20 cm，both of which meet the requirement of bearing platform construction．

Steel cofferdam;Sink;Floating crane;Control technology

U443.16+2;U445.4

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．07

1003-1995(2015)04-0022-05

(責任審編葛全紅)

2014-04-27;

2015-01-30

徐小祥(1977—)，男，安徽馬鞍山人，工程師。