跨海大橋鋼吊箱圍堰設計與施工

付書鋒（中鐵六局集團石家莊鐵路建設有限公司，河北石家莊050010）

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跨海大橋鋼吊箱圍堰設計與施工

付書鋒
（中鐵六局集團石家莊鐵路建設有限公司，河北石家莊050010）

摘 要：針對一座跨海大橋的承臺施工，基于地質條件和海洋環境，設計了帶有鋼筋混凝土底板的鋼吊箱圍堰，而且鋼吊箱的箱壁和鋼筋混凝土底板分別加工制作。針對不同的工況，對鋼吊箱的箱壁和預制底板以及封底混凝土進行了設計和計算，計算結果均滿足要求。針對分體式鋼吊箱圍堰，制定了切實可行的施工方案，并且通過安裝細節的設計，確保方案可行。該鋼吊箱圍堰富有創意的設計和安全施工取得了良好的經濟效益，可以為類似海上橋梁承臺圍堰的設計和施工提供有益的參考。

關鍵詞：深水承臺；鋼吊箱圍堰；分體式鋼筋混凝土底板

1　工程概況

寧波海域的一座跨海大橋，采用高樁承臺樁基礎，由于海底的土層為35m厚度的淤泥質的亞黏土層，土質承載力很差，無論采用鋼板樁還是傳統的雙壁鋼圍堰均需要深入海底平面深度15m以上，而且需要剛度很大的內部支撐體系才能保證圍堰的安全；此外，由于淤泥質土層深度超過了35m，土質極其軟弱，在這樣的土層上進行水下混凝土封底作業是極其困難的。如果采用傳統的鋼吊箱圍堰施工，由于水深較大，需要一定厚度的封底混凝土，那么就需要為鋼吊箱設計剛度很大的鋼結構的底板系統才能承受封底混凝土的重量，而鋼結構的底板系統水下拆除作業難度也很大，無形中增加了成本，會造成比較大的浪費。

針對該跨海橋的具體情況，采用了帶有分體式鋼筋混凝土底板的鋼吊箱圍堰，鋼筋混凝土底板和鋼吊箱的箱壁鋼板進行了可靠、方便的連接，這樣的改進不僅大大降低了施工難度，而且也在很大程度上節約了施工成本。

2　鋼吊箱圍堰的設計

2．1鋼吊箱的基本參數

漲潮時海平面的標高為＋4．5m，落潮時海平面標高為－1．3m，承臺底面的標高為－1．0m，封底混凝土的厚度為0．35m，并考慮海平面以上0．5m的預留高度，所以鋼吊箱的總高度為：h＝0．5m＋4．5m＋1．0m＋0．35m＝6．35m。由于承臺為直徑8．5m的圓形結構，所以單壁鋼吊箱截面也是圓形，且內徑為8．5m。鋼吊箱分為底節和上層兩節，底節高度3．35m，上節高度為3．0m，鋼吊箱的面板采用8mm厚的Q235鋼板。

由于這是一個單壁鋼吊箱，為了鋼吊箱能夠保持穩定，需要在鋼吊箱外側面板上焊接加勁的橫肋（水平環板）和豎肋。根據設計的吊箱尺寸，將其沿豎向均勻分為16份，沿圓周方向均勻分為60份，這樣橫豎肋板就構成了一個大致為50mm×40mm的長方形，加勁的肋板采用6mm厚的鋼板，寬度均為0．2m。如圖1所示。

圖1 鋼吊箱面板和肋板

鋼筋混凝土底板的厚度為0．25m，直徑為8．5 m＋2×0．2m＝8．9m，分為4塊預制。

2．2鋼吊箱圍堰設計計算

2．2．1鋼吊箱的設計計算

鋼吊箱應該針對施工的不同工況進行檢算，經過分析，鋼吊箱圍堰內抽完水，是受力最大的情況，此時吊箱面板受到靜水壓力、流水壓力、波浪力的作用。靜水壓力垂直于吊箱外表面，呈正三角形分布：海平面處為0，海平面以下5．5m處為48．14kPa。流水壓力與流水方向平行，垂直于圍堰斷面，自海平面到海底呈倒三角形分布：海平面處為5．0kPa，海平面以下5．5m處為2．7kPa。

波浪力也與流水方向平行，垂直于圍堰斷面，呈拋物線形分布。

波浪力計算公式：

式中：fa為安全系數，查表取1．1；γ為水的重度（kN／m3）；H為波高（m）；L為波長（m）；h為水深，取12m；d為圍堰的直徑（m）；z為距離水面的高度（m）。

波浪力分布為一拋物線，分別取z＝0，z＝1．5 m，z＝3m，z＝5．85m進行計算。計算結果依次為10．5kN／m，7．2kN／m，5．0kN／m和2．5kN／m，但在實際計算加載時為方便加載，近似取直線，即成梯形分布：海平面處為10．5kPa，海平面以下5．5m處為2．5kPa。

鋼吊箱和肋板采用板單元建立有限元模型，為了保證計算精度，總共細化分割出18 480個單元。吊箱的邊界條件全部施加在鋼吊箱的底部節點上并按鉸接進行模擬。通過有限元軟件MIDAS的流體壓力的加載模塊（通過等效流體密度、賦初始值的方式施加流水壓力和波浪力），將以上三種荷載施加到鋼吊箱的箱壁板單元上。靜水壓力全部施加在鋼吊箱的整個圓周的面板上，流動水壓力和波浪力施加在迎水一側的半圓區域的面板上。

用MIDAS檢算的組合應力圖如圖2所示，根據圖2，結構的最大組合應力為43．5 MPa≤145 MPa，符合要求。變形圖如圖3所示，最大變形為1．19mm≤50mm，符合要求。

圖2吊箱應力圖（單位：MPa）

由MIDAS計算也可知：面板上最大應力為43．5 MPa，橫向肋板上最大應力為34．9 MPa，豎向肋板上最大應力為43．5MPa，均符合要求。

2．2．2鋼吊箱底板計算

鋼吊箱底板安裝并且澆筑濕接縫混凝土后，由于混凝土剛剛初凝，其抗浮主要靠自重，此時底板底面位于海平面以下5．0m處，經過計算底板所受自重與浮力之比為305kN／127kN＝2．4＞2，顯然抗浮滿足要求。底板濕接縫強度達標后有兩種工況需要計算：

第1種工況為先吊放底節吊箱，然后灌注封底混凝土，這時安裝后的底板承受自重、封底混凝土的重量和底節吊箱的重量（落潮時最不利不計算浮力），換算成均布荷載施加。采用MIDAS建模計算。模型的邊界條件施加在底板的圓周區域的節點上，由于底板與護筒之間焊接了鋼筋并澆筑了混凝土，二者之間的約束條件可以簡化成固定端或者鉸接，這里偏于安全按照鉸接約束的邊界條件進行計算。在選擇單元類型時，底板有一定厚度但是厚度不大只有0．25m，因此底板既可作為板單元，也可作為實體單元，為了安全按照兩種單元模式均進行了仿真分析，然后取其中大者。

當作為板單元考慮時，應力圖如圖4（a）所示。由圖可知：最大拉應力σmax＝3．25MPa＞ft＝1．43 MPa。當作為實體單元考慮時，應力圖如圖4（b）所示。由圖可知：最大拉應力σmax＝2．7MPa＞ft＝1．43MPa。由此可知，兩種情況下，拉應力都不滿足要求，所以需要計算配置鋼筋。

第2種工況為封底混凝土灌注完后，吊放上層吊箱，并進行承臺施工。這時，底板和封底混凝土結合為一體，厚度為0．6m，承受的荷載包括自重、承臺重量和吊箱重量（落潮時最不利不計算浮力）并換算成均布荷載施加。由于厚度為0．6m，故采用實體單元建模計算更加符合實際情況，邊界條件與第

1種工況相同。應力圖如圖4（c）所示，由圖可知：最大拉應力σmax＝2．4MPa＞ft＝1．43MPa。

圖4底板應力圖

拉應力不滿足要求，需要按計算配置鋼筋。對整個底板計算配置鋼筋比較復雜，在實際中選擇一個梁單元考慮。該梁單元的長度為兩個鋼護筒之間的最遠距離，取單位寬度，厚度為0．25m。經過配筋計算最終的配筋如圖5所示。

圖5　底板單寬鋼筋布置

圖5中為每米單寬的鋼筋布置圖，實際中是一圓形板結構。所以實際中的鋼筋布置圖為：上層受壓鋼筋間距為0．25m，下層受拉鋼筋間距為0．125 m，上下兩層鋼筋分別距上下截面0．035m，并且均布置垂直交叉的兩層，形成網狀結構。為了使上層鋼筋固定住，可將下層鋼筋一些部位凸起，借以承受上層鋼筋。

由底板的受力圖也可看出，較大的應力大部分都出現在鋼護筒的周圍，所以在配置鋼筋時在鋼護筒周圍適當加密，可將鋼筋間距縮小為0．10m，這樣可使底板的整體受力情況較好。

3　分體鋼吊箱施工技術

3．1鋼吊箱加工

吊箱采用單壁鋼吊箱的結構，加工場地應選在橋址附近。整個吊箱主要由面板和肋板組成，所以吊箱的加工以面板和肋板的加工為主。吊箱主體分上下兩層加工，在每層吊箱上焊接鋼吊梁，用于鋼吊箱的起吊，如圖6所示。此外，每層吊箱按圓周長等分三部分制作，并用螺栓連接。肋板等全部焊接完成后要嚴格檢查焊縫是否合格。

圖6　鋼吊箱吊梁位置

3．2牛腿的安裝

安裝底板之前需要在鋼護筒上設置牛腿，護筒上的牛腿用長30cm、寬均為20cm，厚度δ＝1cm的鋼板將鋼板焊接在護筒上（豎向30cm，護筒徑向20cm）。沿?1．9m的護筒圓周方向均勻布置12片，為了減小施工難度和施工成本，牛腿的安裝作業在退潮的時候進行，且牛腿焊接一定要控制在同一水平面上，以防止底板放置不平而造成吊箱的傾斜。

3．3底板預制與安裝

底板分為4部分預制，按照要求配置鋼筋，并根據護筒圓心坐標和尺寸預留護筒孔位。每塊底板上根據重量預先設置3個吊環，方便起吊。4塊底板連接處預留20cm空隙用于澆筑濕接縫。

安裝底板也需要在退潮的時候進行。在安裝4塊鋼筋混凝土底板之前，應該先認真清理鋼護筒外壁，不能留有焊接物等各種毛刺，保證外壁光滑。首先在鋼護筒的牛腿上吊放和底板尺寸、形狀一樣的竹膠板（厚37mm），作為底板灌注濕接縫的模板。然后將4塊混凝土底板吊放到位，吊放時由于鋼護筒可以作為導向系統，可以根據鋼護筒的位置來確定混凝土底板是否處于中心位置，如果不在中心位置的話就應該及時調整。當4塊混凝土底板都安裝完畢后，將4塊底板之間的濕接縫鋼筋采用搭接焊連接，同時按照設計要求安裝、連接護筒周圍的接縫鋼筋（鋼筋焊接到護筒上）。鋼筋焊接完成并且檢查合格后開始灌注4塊底板之間和護筒周圍的濕接縫混凝土，由于數小時后就會漲潮，所以澆筑的混凝土中需要加入早強劑和減水劑，保證濕接縫混凝土在漲潮淹沒之前達到初凝。

3．4下沉底層吊箱

當底板接縫處混凝土達到設計強度的90%時，用退潮的時間吊裝底層吊箱。將底層吊箱（3部分）在岸上用螺栓拼接成圓形整體同時焊接鋼吊梁，將底層吊箱浮運至橋位，利用浮吊吊裝下沉到預定位置，下吊至設計位置后要檢查吊箱的圓心是否與承臺的圓心重合，如果不重合應立即調整。調整完畢后，隨后用U型卡將底層鋼吊箱的水平環板和底板牢牢固定。如圖7所示U型卡的上部卡住鋼吊箱的最底層水平環板的上表面，下部卡住鋼筋混凝土的底板下表面。這樣鋼護筒、底板和底層吊箱成為一體，會更加穩定。并將原來預埋在底板四周的鋼筋彎起，通過這些彎起鋼筋卡住吊箱底節法蘭盤，使吊箱底節與混凝土底模牢固的連接在一起，這樣就完成了吊箱的安置。

圖7　底板與底層吊箱的連接

3．5灌注封底混凝土［1－3］

先拆除底節吊箱上的鋼吊梁，再安裝灌注設備，灌注封底混凝土。

封底混凝土的作用：一是作平衡重，二是防止水滲漏，三是抵抗水浮力在吊箱底部形成彎曲應力，四是作為承臺混凝土的承重底模。因為封底混凝土灌注是吊箱圍堰施工成敗關鍵之一，應針對水深、灌注面積大等特點采取如下措施：使用泵送混凝土法多點快速灌注，灌注應從下游端開始依次移向上游端灌注；為提高混凝土坍落度及強度級別，在將坍落度控制在18～20cm的前提下，另摻加粉煤灰和高效緩凝減水劑，以提高混凝土的流動性和延長混凝土的初凝時間。灌注過程中，應保證吊箱內外水壓力平衡，可通過潛水泵調節。

3．6安裝上層吊箱

將上層吊箱拼接成圓形整體，吊放就位，用螺栓連接上層和底層吊箱，使兩部分形成一個整體，保證其穩定性，并堵漏。堵漏時先用止水橡膠條止水，再用舊棉絮堵縫，止水效果更好。

3．7灌注承臺混凝土

封底混凝土完成5d后，抽出吊箱內積水，拆除吊桿梁，割除多余的鋼護筒，鑿除高出的樁頭，清除封底混凝土上的浮漿。最后按常規方法綁扎承臺鋼筋，預埋墩身鋼筋及其他預埋件，澆筑承臺混凝土。

3．8拆除鋼吊箱

待承臺混凝土澆筑完畢并達到設計強度，開始進行鋼吊箱的拆除工作。

首先拆除上層吊箱之間的連接螺栓，再分別拆除上層吊箱和底層吊箱的連接螺栓，邊拆除邊收回吊箱。上層拆除完畢，拆除底層吊箱分塊之間的連接螺栓，再分別拆除底層吊箱和底板之間的連接U型卡，分別回收。

4　結束語

針對跨海橋梁漲落潮的特點，為了實現深水高樁承臺的無水施工，創造性的設計并采用了分塊預制的鋼筋混凝土作為鋼吊箱的底板，然后利用落潮期間水位較低的時機借助鋼護筒作為導向裝置安放到樁基護筒的牛腿上，并澆筑濕接縫混凝土。并利用落潮期間水位低于吊箱底板的條件，借助護筒導向安裝底節吊箱并用U型卡與底板連接牢靠。這種方法避免了設計剛度很大的吊箱底板，也降低了吊箱的重量，使得吊箱的下放更加容易、便捷。混凝土底板雖然不能重復利用，但是混凝土底板本身造價低，符合經濟效益。這樣的設計使得拆除U型卡后整個吊箱均可以回收再利用。

此外，針對不同的施工工況，采用midas軟件對鋼吊箱和底板進行了整體建模和計算，尤其是對底板根據厚度不同分別采用了板單元和實體單元進行了建模設計和計算，并對鋼筋混凝土底板進行了配筋設計。目前該橋圍堰已經施工完畢，承臺施工順利。這可為以后海上高樁承臺基礎的支護施工提供有益的借鑒。

參考文獻

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On the Design and Construction Techniques for the Steel Boxed Cofferdam for a Sea－Crossing Bridge

Fu Shufeng
（Shijiazhuang Railway Construction Co．Ltd．of the 6th Bureau Group of China Railway，Shijiazhuang 050010，China）

Abstract：Aiming at the construction of a sea－crossing bridge，and in the light of the geological conditions and the situation of the marine environment，a steel box cofferdam with the reinforced concrete floor is designed in the paper，the wall and the reinforced concrete floor of which are made separately．With different construction and working conditions taken into account，the wall of the steel boxed cofferdam，the reinforced concrete floor and the bottoming concrete are designed and calculated．It is found that all the calculation results are up to the requirements．In addition，apractical construction program is also designed for the split steel boxed cofferdam．With all the fixing details carefully designed，the feasibility of the program is safely ensured．The creative design and the safe construction of the steel boxed cofferdam help achieve good economic benefits，which can serve as a useful reference for the design and construction of other similar cofferdams for other marine bridges．

Key words：deep－water platform；steel boxed cofferdam；split reinforced concrete floor

作者簡介：付書鋒（1975—），男，高級工程師，主要從事土木工程施工現場技術管理工作

收稿日期：2015－10－31

中圖分類號：U443．162

文獻標識碼：B

文章編號：1672－3953（2016）01－0045－05

DOI：10．13219／j．gjgyat．2016．01．012