強涌潮水域鋼吊箱圍堰設計與施工

蔣春暉

摘 要：本文以嘉紹大橋南岸引橋鋼吊箱施工為背景，介紹了強涌潮條件下承臺鋼吊箱的設計與施工經驗。對強涌潮水文條件下雙壁鋼吊箱的設計參數的取值探討與確定，并對涌潮條件下進行大型鋼吊箱施工工藝進行了闡述，尤其對下放時機選擇、沉放工藝、體系轉換工藝等關鍵技術進行了重點介紹，為后續惡劣水位條件下進行大型鋼吊箱施工提供借鑒。

關鍵詞：強涌潮水域；鋼吊箱圍堰；設計與施工

中圖分類號：U655 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2017）07-0050-03

鋼吊箱作為橋梁施工的輔助措施目前已經被廣泛應用。鋼吊箱需要經歷安裝、下沉和封底等多個工序。在常規河流中，流速不大，鋼吊箱施工的各個工序風險較小。但是在強涌潮條件下，受劇烈的漲落潮水文影響，各個工序存在較大的偏位和結構失穩風險。如何在強涌潮和大流速條件下進行鋼吊箱結構的設計和施工存在較大困難。本文結構嘉紹大橋的施工管理經歷，以嘉紹大橋鋼吊箱的成功經驗供借鑒。

1 工程背景

嘉紹大橋位于舉世聞名的錢塘江大橋起潮點附近，橋位區河床寬淺、潮強流急、涌潮洶涌，橋區水域漲落潮流路分歧，河床變化劇烈。根據橋址斷面短期觀測資料，歷時，平均漲潮歷時3h34min，平均落潮歷時8h51min；測點最大漲潮流速為6.65m/s，測點最大落潮流速為4.40m/s。100年一遇設計涌潮高度為3.0m，5年一遇設計涌潮高度為2.5m。涌潮試驗得到橋位附近涌潮流速可達9.0～10.0m/s。涌潮產生的水動力對橋墩建筑物的作用主要集中在低水位以上1倍涌潮高度范圍內。

南岸跨規劃大堤引橋樁基礎采用群樁基礎，承臺采用對水流適應性較強的圓形承臺。承臺直徑13.2m，頂面標高設計為-2m，承臺混凝土厚4m，封底混凝土厚2m。承臺混凝土厚4m。

2 鋼吊箱設計及驗算

2.1 鋼吊箱設計

考慮錢塘江涌潮及水深的影響，承臺采用雙壁鋼吊箱結構；根據前期的水文勘測資料和過程的觀測資料，鋼吊箱按下列條件進行取值設計。

2.1.1 設計條件

A.水位

施工期最高水位： +7.36m（20年一遇） 施工期最低水位： -2.91m（20年一遇）

B.設計高程

鋼護筒頂標高：+10.0m 吊箱頂標高：+8.0m

吊箱底標高： -8.0m 泥面標高：-9.0m

2.1.2 鋼吊箱結構

鋼吊箱總高均為16m，壁厚1.2m，一次性下放重量最大，約170t。鋼吊箱為全焊水密結構，由雙壁結構和1.3m單壁防浪板組成，鋼吊箱雙壁結構的高度均為17.3m。

鋼吊箱沿高度方向不分節。單節最大重量不超過30t重量。根據現有80t履帶吊的性能參數和現場鋼平臺的結構布置形式，現場鋼吊箱拼裝配置80t履帶吊滿足拼裝要求。

各個鋼吊箱結構布置如下圖：

2.2 鋼吊箱結構驗算

2.2.1 設計工況

將鋼吊箱從起吊下放施工開始到鋼吊箱的使用分為以下四個狀態：起吊下放、澆注封底混凝土、抽水以及澆筑承臺。本次計算將壁體與底板分開計算，計算內容以及各對應的控制工況如下表所示：

2.2.2 結構計算

A.澆注水下封底混凝土

建立有限元模型如下圖所示：

經計算，底板構件均滿足受力要求。其中以底板面板受力最不利，其綜合應力經計算可達145Mpa，主梁和次梁綜合應力較小。拉壓桿作為封底混凝土澆注時最主要受力構件，經驗算其低潮時最大拉力達200KN，滿足結構受力要求。

B.鋼吊箱抽水計算：

建立鋼吊箱及封底混凝土有限元模型。經計算，查得各構件綜合應力及位移如下表所示：

C.拉壓桿計算：

采用2[8作為拉壓桿主材， ，拉壓桿抽水時其計算長度按一端固定，一端鉸支計算。計算長度：

拉壓桿的穩定性滿足要求。

通過結構計算可知，鋼吊箱在吊箱和承臺施工的過程滿足各個控制工況的受力要求，結構安全可靠。

3 鋼吊箱安裝施工

3.1 安裝總體工藝

鋼吊箱總高度16m，單個鋼吊箱最大重量約170t。受橋位水域水流流速、流向、水深和潮位的影響，大型起重船無法進駐現場，無法采用常規起重船整體下放工藝。綜合考慮鋼吊箱重量、水文及波浪等條件，均采用分片加工，用現場布置的80t履帶吊在鋼牛腿（安裝在鋼護筒上）上安裝，然后用千斤頂整體起吊，割除牛腿，下放入水；然后注水下沉的施工工藝。安裝工藝流程如下：

吸泥進行泥面預處理→鋼平臺拆除→鋼吊箱支撐鋼牛腿安裝→分片吊裝、焊接鋼吊箱（吊箱下放導向裝置安裝）→安裝懸掛承重架→安裝吊裝千斤頂及吊掛裝置（吊箱密封性能檢查驗收）→整體吊起鋼吊箱并割除鋼牛腿→鋼吊箱整體下放入水→吊箱內注水→鋼吊箱繼續下沉就位→安裝拉壓桿→澆注封底混凝土。

3.2 關鍵施工技術

3.2.1 吊箱安裝準備

（1）泥面處理：根據承臺泥面標高監測情況，受強涌潮影響，泥面在鋼吊箱下放前出現波動，自-8m抬升至-6m。因此，施工前采用攪吸式挖泥機進行吸泥強排，降低泥面標高。

（2）強涌潮區的導向裝置安裝：導向裝置是鋼吊箱能否順利下沉到位的關鍵。尤其是強涌潮條件下，導向裝置是鋼吊箱能否滿足下沉精度的前提。為了保證鋼吊箱準確定位安裝，在鋼護筒外側+2m～+8m區間設置導向限位裝置，較常規導向長度提高一倍，確保鋼吊箱下沉的傾斜度和平面位置。護筒上的導向采用Φ426×6鋼管制作；導向鋼管內灌注C30自密實混凝土，提高導向剛度。同時，鋼護筒導向與鋼吊箱整體起吊下放的掛腿有機結合成一體，掛腿在鋼吊箱下沉后不割除，由于設置在封底混凝土標高以上，可在封底抽水以后割除。掛腿和護筒導向平面布置見下圖：

（3）承重架安裝和沉放設備配置：①沉放設備安裝前安裝吊掛裝置即承重架，焊設承重架的鋼護筒和焊設導向的鋼護筒錯開設置。同時焊設在鋼吊箱內壁的掛腿兼做鋼吊箱下沉的下層導向。為確保承重架底口掛腿（封底完成后拆除）在鋼吊箱封底時不埋入封底混凝土內，掛腿標高為+7.806m，下放到位后掛腿仍處于封底混凝土頂面以上。因此，承重架直接放置于鋼護筒頂口，標高為+10m。鋼護筒無需接高。鋼吊箱4個承重架，單個承重架承受的荷載（含動載）超過100t以上，因此承重架即接高的鋼護筒頂口需要做加強處理。具體做法是在護筒的頂口設置承重樁帽，樁帽外側設置加勁板內側設置加勁肋，然后在樁帽上布置由鋼板加工的箱型構造的承重梁。同時，對鋼吊箱掛腿處須進行壁體加強，確保吊箱整體受力。②采用4個吊掛點每點1臺，共4臺350t的液壓千斤頂進行沉放作業。選用1套主從隨動控制液壓提升系統，該系統主要由提升千斤頂，液壓系統和同步控制系統構成，它具有激光精密測距和計算機準確控制的功能。適用于超大、超重、超高結構的整體吊裝，其同步精度達毫米級。

3.2.2 雙壁鋼吊箱現場拼裝

（1）鋼吊箱壁體分塊運輸：鋼吊箱在后場加工基地加工廠分塊加工制作（分塊重量均小于30t），平板車運抵拼裝現場。

（2）測量控制及吊裝設備準備：①為減小豎向拼縫的錯臺，在拼裝之前需對焊設在鋼護筒上的所有鋼牛腿的高程進行二次精確復測調控；并在鋼牛腿上測設出壁體的理論外廓線（刃腳部位）和裝配定位線。并用油漆標記每個塊件安裝線，注明分塊編號，拼裝時嚴格按安裝線進行塊件就位。②壁板采用1臺80t履帶吊對稱拼裝。即拼裝時應按上下游或南北方向對稱的次序依次吊裝，對稱焊接。

3.2.3 鋼吊箱下放

（1）整體下放：①鋼吊箱均采用千斤頂下放。下放時采用4點吊，鋼圍堰整體拼裝到位后，開始安裝千斤頂和下放鋼絞線束。②首先在4個承重架上分別安裝1只350t穿心千斤頂并安裝好撐腳和工具錨。然后開始穿下放鋼絞線束。鋼吊箱下放最不利工況為吊箱內注水后經歷低潮位。偏安全按吊箱內注水9m而吊箱無浮力。吊箱自重加注水總重以580t計。③Φ15.24mm鋼絞線公稱抗拉強度1860Mpa，單根受力控制在15t 左右。一個牛腿需布設鋼絞線按20根計。校核時，按單點失效，三點受力驗算。則鋼絞線的安全系數為K=15t×20/（580/3）=1.55，受力滿足要求。④下放過程中用1臺油泵控制2臺千斤頂，盡可能保證下放同步，確保各頂受力均勻。發現個別頂受力過大時，需停止排查出故障后繼續下沉，切忌盲目快速下沉。

（2）下放時機的選擇：①在強涌潮條件下，合理選擇下放時機可有效規避不利的水文條件，對鋼吊箱下放能否成功至關重要。鋼吊箱下放千斤頂單個頂行程按30cm控制，12.5m下放高度需經歷42個下放行程，單個行程平均按3min控制，則整個圍堰下沉入水到位，可控制在2小時左右完成。②綜合考慮吊箱受力和錢塘江潮水情況。考慮吊箱下放時千斤頂始終受力。避免出現吊箱浮力大于吊箱自重工況的出現。故采取高潮位時下放。整個下放過程在一個潮水內（下一個漲潮開始前）完成。有效規避了錢塘江大橋漲落潮對下沉過程的影響。

（3）注水下沉。鋼吊箱拼裝完畢后，采用千斤頂整體提升至拼裝平臺以上20cm處。割除拼裝平臺，整體下放至自由狀態。根據設計計算，整體下放自浮入水4.63m。鋼吊箱入水自浮后，鋼吊箱夾壁內注水約4.28m（施工水位+1.0m），即可下沉至設計標高。

（4）安裝拉壓桿及臨時固定：①鋼吊箱下沉就位后，及時對鋼吊箱進行有效固定，防止受錢塘江潮水過快上漲，圍堰因浮力過大而出現上浮。單個迎潮面采用6根HM588臨時固定在鋼護筒和鋼吊箱之間。臨時固定完成，迅速安裝拉壓桿。拉壓桿安裝時，宜選擇潮位較低時進行。拉桿安裝應遵循對稱均衡的原則進行。②拉壓桿采用雙拼[8槽鋼制作。經計算，單個拉桿受拉為40t。按吊箱最不利情況，即鋼吊箱注水后經歷低潮位時，需裝配14根拉桿即可進行千斤頂卸載。③拉壓桿裝配完畢后，開始進行鋼護筒表面泥皮處理，確保后續混凝土澆注后與鋼護筒有良好的握裹力。泥皮清理完畢，通過封邊板對鋼護筒與吊箱空隙處進行封邊固定。

4 結語

嘉紹大橋南岸跨規劃大堤引橋主墩承臺橋址處于錢塘江強涌潮區，水位環境惡劣，且受橋位水域水流流速、流向、水深和潮位的影響，大型起重船無法進駐現場。結合實際情況和施工經驗，采用雙壁鋼吊箱圍堰，現場分節組拼，千斤頂整體下放的形式進行設計與施工，施工質量、安全可控。且相比較常規鋼吊箱下放，強涌潮條件下進行鋼吊箱下放需關注導向設置和下放時機的選擇。嘉紹大橋引橋進行鋼吊箱下放時，采用加長導向，導向鋼管內灌注混凝土提高剛度等措施，提高了鋼吊箱下放位置的準確性，使吊箱一次下沉就位；且有效地適應了錢塘江高水頭和大潮差以及橋位區強涌潮的影響。上述措施可為后續惡劣水位條件下類似工程施工提供寶貴經驗。

參考文獻：

[1] 范恒秀，李宏濤，郝良秋.南昌生米大橋主墩單壁鋼吊箱施工 [J].鐵道標準設計。2005（6）：5859.

[2] 鄒文清，陳水生.南昌生米大橋32#墩有底單壁鋼吊箱施工 [J].工程設計與建設，2005，37（5）：56-58.

[3] 蘇杰，李凡.馬鞍山長江公路大橋鋼吊箱施工工藝[J].工程與建設，2010（5）：677-679，682.