外封堵式預應力組合鋼套箱施工新技術

嚴小衛，吳立柱

鋼套箱作為橋梁水中承臺實現干施工的常用方法，施工方法及施工工藝多種多樣。按鋼套箱壁體結構分為單壁鋼套箱和雙壁鋼套箱；按套箱安裝下放方法分為整體下放和工位分片拼裝；按鋼套箱壁體連接形式分為焊接和螺栓連接。本文論述的鋼套箱施工，利用鋼絲繩預應力系統將組合鋼套箱4塊壁體連接，保證套箱整體剛度及接縫處密水性，其優勢是裝拆方便、可重復利用、無需潛水作業。同時借助河床表層含有豐富黏土資源的有利條件，利用黏土對套箱進行外圍封堵，達到套箱內部無需大開挖且干施工的目的。

1 項目背景

某大橋已建成30余a，急需改建。拓寬改造后的橋梁采用墻式橋墩，基礎采用鉆孔灌注樁樁基礎，墻式橋墩坐落于強風化礫巖上。其中有24個承臺位于水中，施工總工期12個月。

工程所處河床地層具有二元結構，上部粉質黏土層，平均厚度1 m左右，以黏粒為主；中部土層平均厚度2 m左右，為礫石加砂層，以花崗巖、安山巖為主；下層為不透水的基巖層，巖石為強風化至中風化礫巖，顏色灰白～深灰、灰褐色，中細粒結構，厚層狀構造。土層分布情況見圖1所示。

2 承臺施工方案比選研究

通過對國內類似工程施工的研究，了解到對于淺水承臺施工圍堰主要有筑島圍堰、鋼板樁圍堰及鋼套箱圍堰3種方案。

圖1 橋墩結構示意圖Fig.1 Layout of bridgepier structure

1）筑島圍堰主要應用于近岸結構，需通過防洪評價，本工程不適用。

2）鋼板樁圍堰多應用于易沉樁地質條件，考慮到本工程承臺下為強風化礫巖層，鋼板樁無法直接打入巖層中，若采用植樁機，成本高且無法滿足施工進度要求。

3）鋼套箱圍堰應用范圍廣，工藝成熟。但常規的鋼套箱方案一般需將鋼套箱下沉至承臺以下一定的距離，使其滿足封底混凝土的要求。對于本工程的承臺，則需在鋼套箱下放前將基巖挖除1.5 m以上的深度，水下鑿除巖石成本高，效率低；水下爆破方式開挖基巖，則程序繁瑣，對原橋梁結構安全風險大。

本工程所在河流下游有蓄水壩，河流水位比較穩定，河道平均水深約為2～4 m。該河流不通航，無法采用水上作業船舶。

結合工程實際情況，經綜合分析決定研發一套外封堵預應力組合鋼套箱技術。該技術利用了預應力組合鋼套箱的操作方便性和可周轉性，借助于河床表層具有豐富黏土資源的有利條件，利用黏土對套箱進行外圍封底，達到密封套箱的目的。

3 預應力組合鋼套箱結構

預應力組合鋼套箱由若干片板塊組成，豎向為整塊板結構、設有若干豎向接頭縫，板塊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。用鋼絲繩通過鋼管轉向形成U形兜住2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，通過張拉將套箱組合成整體[1]，鋼絲繩預應力系統見圖2。套箱壁體接頭部位的處理見圖3所示。

圖2 套箱轉角結構圖Fig.2 Structural drawing of the corner of steel cofferdam

圖3 套箱壁體接頭結構圖Fig.3 Structural drawing of steel cofferdam wall joint

由于本結構鋼套箱為長方形，長度太大不利于吊裝，長邊壁板面板間需平行同心連接。為了保證連接的可靠性，在接頭處設置接頭預應力索和內置撐桿，撐桿用鋼管加工，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，見圖4。

預應力組合鋼套箱的最大特點是分片拼裝無需潛水作業，將需要大型設備施工的工作變成只需小型設備即可完成，將整體式結構變成組合式并且可多次周轉使用[2-3]。

圖4 套箱長邊結構圖Fig.4 Structural drawing of the long side of steel cofferdam

4 改為鋼套箱施工關鍵技術

4.1 鋼套箱安裝工藝流程

在樁基工程完成后，先進行基礎（基坑）開挖和整平，然后進行鋼套箱的組裝拼接及安裝，安裝完成后進行穿索、張拉和錨固，鋼套箱張拉完成后，在套箱周邊填筑封堵止水[4-6]。

4.2 基坑開挖、整平

在樁基工程完成后，用長臂挖掘機站位在施工平臺上開挖鋼套箱圍封范圍附近的覆蓋層，開挖尺寸大于套箱的外形尺寸2 m，一次開挖到設計標高。

4.3 套箱水下拼裝

1） 套箱預處理

由于套箱長度較大，安裝前需分節拼裝，整個套箱分為5塊次安裝，兩頭的短壁各為1個吊裝次，長壁按節段分為3節，對面壁板用上下共4個鋼撐固定。

2） 套箱壁板吊裝

鋼套箱的安裝在已搭設的平臺上進行，由履帶式起重機吊重安裝。鋼套箱分成5個安裝塊，由中間向兩端對稱安裝，從安裝第2塊次起，每塊次要與前次安裝的塊進行預應力連接。預應力采用鋼絲繩施加，在套箱節塊入水前將鋼絲繩安放到位并連接好。

3） 穿索與張拉

預應力鋼絲繩在安裝順水側壁板前從張拉位置穿好，掛在壁板兩端頭的上部，在上游側或下游側壁板下落過程中，當到達設計位置時，將掛在壁板端頭的鋼絲繩取下，從上游側或下游側壁板的固定轉向滾動支座上穿出，固定在上下游側的壁板頂部。待全部壁板安裝完成后，用拉桿連接鋼絲繩，將拉桿穿好后，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，張拉到位后將螺母擰緊、固定。

4.4 套箱外黏土封堵止水

鋼套箱張拉完成后，用挖掘機挖掘套箱周圍河床上的黏土，用黏土填滿鋼套箱四周原有基槽。填筑時不能拋撒，應在挖掘機斗靠近泥面時采用反斗法將斗內黏土瀉落在泥面上，到達一定高度后用挖掘機斗壓實。為防止河水沖刷封底黏土，在黏土上部用卵石鎮壓，卵石的厚度控制在500 mm左右。

5 結語

應用“外封堵式預應力組合鋼套箱技術”僅3個月就成功完成了該項目24個水中承臺施工。此施工技術優點如下：

1）鋼套箱的水下分片拼裝速度快。

2）分片拼裝或拆除無需大型起吊設備和潛水作業。

3）預應力系統及“W+V”接頭可保證套箱壁體水密性和套箱整體剛度。

4） 分片壁體可組合并重復利用，施工成本較低。

5） 套箱外圍黏土封堵可減少承臺基礎開挖量，且無需封底混凝土。

綜上所述，該技術對于黏土較豐富的淺水巖基承臺施工具有一定的推廣應用價值。