海域條件下新型裝配式水下無封底鋼混組合吊箱圍堰施工技術

孫剛

摘要：本文依托廣州明珠灣大橋29#墩承臺施工，對采用的新型裝配式水下無封底鋼混組合吊箱圍堰從總體設計、受力檢算、加工裝配、圍堰下放受力體系轉換等方面作了介紹，以期能為類似工程提供參考和借鑒。

關鍵詞：新型裝配式;水下無封底;設計與檢算;加工;裝配;驗收;下放

1 工程概況

1.1 項目簡介

明珠灣大橋位于廣州市南沙區，主橋為三主桁鋼桁拱雙層橋梁，最大跨度達436m，居世界首位。橋寬43.2m，上層為雙向八車道城市主干道，下層兩側為預留輕軌車道，中間為管線走廊。29#墩為主橋邊墩，單個承臺尺寸8.5×8.5×3.5m，基礎由4根φ1.8m直徑端承樁構成，單個承臺C40混凝土設計方量252.87m?，單個承臺鋼筋29.56t。承臺頂設置高2.5m，寬2.7m系梁，系梁C50混凝土174.8m?，鋼筋56.65t。

1.2 水文地質氣象條件

明珠灣大橋跨越龍穴南水道，水域寬度1300m，水道呈NW向流經場區，29#墩位處水深約7.5米。橋位附近流線較順直，流速縱向沿程變化不大。主流表面最大流速為1.2m/s，龍穴南水道南沙站最大漲潮潮差為2.90m，最大落潮潮差為3.15m。河床以淤泥細砂、淤泥（流塑）、砂質粘性土為主，厚17～20m，底部有9～12m的全風化巖。南沙區為臺風影響區，根據歷史數據顯示，臺風一般發生在7月～9月，平均2.85次/年，最多為5次/年。

2 施工技術方案研究與比選

根據以往施工經驗，對于29#墩常規施工方法有普通鋼板樁圍堰和鋼吊箱圍堰施工，但通過對本項目實際情況認真調查與分析發現，以上兩種方案均不適用于該工程施工，具體分析如下：

2.1 普通鋼板樁圍堰分析

普通鋼板樁圍堰施工速度快并且成本較低，但是由于河床存在較厚流塑狀淤泥層，圍堰剛性較差很難保證內外土壓平衡，容易造成圍堰“包餃子”。在流塑狀淤泥河床上進行混凝土封底難度極大，容易造成淤泥與混凝土包裹，形成薄弱層，并且淤泥容易形成泥皮粘附于圍堰內壁及護筒外壁，澆筑封底混凝土后，易在以上兩個位置發生滲漏，并且難以處理，給后續施工帶來安全隱患。

2.2 普通鋼吊箱圍堰分析

鋼吊箱圍堰雖然解決了側壁剛度要求及混凝土封底問題，但施工工藝復雜，需要搭設精度要求較高的加工平臺及胎具，施工完成后，僅承臺標高以上位置圍堰側壁可拆除，拆除后的側壁很難回收再利用，并且需要水下作業，成本投入大，安全風險較高。由于橋址位于臺風影響區，工期控制尤為重要，鋼吊箱圍堰施工工期長，無法保證在臺風期前完成承臺施工。

根據以上分析可知，本工程需要一套既能滿足圍堰側壁剛度要求、解決封底問題、節省工期和成本，又安全可靠的施工技術。最終，通過不斷創新探索、設計與優化，確定了采用新型裝配式水下無封底鋼混組合吊箱圍堰施工技術。

3 新型裝配式水下無封底鋼混組合吊箱圍堰設計與檢算

3.1 總體設計

明珠灣大橋29#墩鋼混組合吊箱圍堰總體平面尺寸46.092×9.892×9.423m，壁體采用拉森 IV 型鋼板樁+鋼板組合而成，樁長為 L=9.0m，設計頂標高為+8.083m，設計高水位為+6.500m。

鋼混組合吊箱圍堰底板結構采用 C50 混凝土預制而成，厚度為25cm，底板環向主梁尺寸為700×500mm，鋼護筒四周環向圈梁尺寸350×500mm，底板次梁尺寸為350×500mm。壁體面板選用δ6mm厚鋼板兼做承臺側模板。壁體內圍檁型號為 3×I36b型的工字鋼，外圍檁為雙拼I25b型工字鋼。底板共設置四根輔助樁，輔助樁為φ820×10mm 圓鋼管。共十六組扁擔梁，每組扁擔梁設置兩個下放吊點預埋件。內支撐選用Φ426×8mm以及3×I36b型工字鋼。每個鋼護筒四周設3道拉壓桿和6組剪力板。

3.2 受力檢算

考慮吊箱結構自重、壁體承受的靜水壓力、工作狀態風荷載、水流壓力、設計高水位下抽水時底板所承受的浮力、底板主梁上承受的壁體自重。吊箱在最不利荷載作用下，通過有限元分析，各工況下鋼混組合吊箱圍堰各構件的最不利受力情況如下所示：

由以上計算可知，鋼混組合吊箱圍堰各構件受力均滿足設計及規范要求。

4 施工方案

29#墩鉆孔樁施工完成后，拆除鉆孔平臺，施工圍堰輔助樁，承臺圍堰采用裝配式水下無封底鋼混組合吊箱圍堰，圍堰內壁作為承臺施工側模板，圍堰底板、壁板及其它構件在岸上硬化場地內分塊、分件加工，利用履帶吊在支棧橋上裝配圍堰，千斤頂及下放裝置下放圍堰，施工圍堰底板與護筒四周止水膠囊及封堵混凝土，焊接拉壓桿轉換圍堰受力體系，圍堰內抽水后焊接剪力板進行二次受力體系轉換，干法分二層同步施工3個獨立承臺，承臺施工完成后整體施工系梁，待墩柱施工完成后拆除吊箱圍堰。

5 吊箱圍堰加工

5.1 底板預制

由于一次性將底板加工成一個整體吊裝難度較大，現將底板按照結構形式分4種類型（底板A/B/C/D）共計16塊。如下圖所示：

為了保證預制底板安裝及下放過程中不與鋼護筒發生干擾，在底板預制之前，首先根據事先對鋼護筒位置及垂直度的測量結果，精確確定吊箱底板開孔位置，保證開孔富余量為25cm。如果樁位偏差較大，影響到梁位，則應對梁位進行調整。每塊預制好的底板需進行編號，方便后期吊裝。

5.2 側壁加工

壁體采用拉森IV型鋼板樁+δ6mm鋼板（Q235-b）組合而成。由于壁板兼做承臺側模，因此加工質量要求較高。壁板的加工在直線段臺座上進行，由于每一塊壁板的尺寸較小，因此采取不開坡口雙面焊接，加工成一個整體。

5.3 鎖扣、扁擔梁、拉壓桿加工

兩塊相鄰壁板連接采用鎖扣連接，鎖扣通過圓鋼管開口，插入工字鋼的方式進行連接，中間部分填充棉絮及黏土混合物進行止水。此種鎖扣安裝及拆除方便，工字鋼頂端焊接吊耳，通過吊車可輕松實現插入及拔除。施工中需注意鋼管開口位置的準確性及平滑度，開口完成后應將鋼管兩個斷面打磨光滑。

扁擔梁采用2I45b，中間設有加勁板，上下為15mm蓋板，利用蓋板與下放吊點支座、吊耳連接，嚴格控制各焊縫強度及吊耳間距。

拉壓桿采用2[20，總長度5.5m，保證后期安裝時頂端露出常水位。雙面共14塊加勁板，下支座與底板吊點通過銷軸連接，頂部通過腹板、翼板與護筒加強板連接，所有焊縫均按Ⅲ級焊縫質量要求施工。

6 吊箱圍堰裝配施工

6.1 吊箱底板安裝

6.1.1 底板吊裝定位

在常水位以上標高進行鋼護筒開孔，每根護筒穿插2根I45b工字鋼支撐梁，通過牛腿焊接在護筒上作為臨時承重結構，輔助樁則在護筒兩側焊接支撐梁。通過85t履帶吊將底板按照對應編號進行吊裝，安裝順序從一端開始逐塊安裝。待所有底板均吊裝完成后，測量人員進行定位放線，對有偏差的底板進行調整，經反復測量調整最終精定位完成。

6.1.2 濕接縫施工

將底板間濕接縫鋼筋調整焊接，進行剩余主筋及箍筋的焊接綁扎工作，后通過料斗進行濕接縫C40混凝土澆筑，及時養生，使底板分塊連接成一個整體。

6.1.3 環型鋼板安裝

護筒環向圈梁內放置三塊環形封堵鋼板，板寬20cm，角度為150°，內徑與護筒外徑相同。保證三塊鋼板能完全覆蓋底板與護筒間縫隙。

6.2 吊箱側壁組拼

側壁組拼前在底板環向主梁上進行標高測量，設置5cm砂漿找平層并鋪設防水膠條。側壁利用85t履帶吊吊裝就位，從頂端至底吊垂線觀測垂直度。第一塊側板水平位置根據測量放樣確定，其后組拼側板時相對前一側板定位，測量復核。待所有側壁吊裝完成后，向鎖扣內填入黏土及水泥混合物并用振搗棒搗實，以起到止水效果。

6.3 導向設施安裝

整個鋼吊箱共布置16個導向架，布置在最外圍的鋼護筒上。定位導向架由I20b型鋼+鋼板焊接而成;調位時用調位千斤頂進行，調整完畢后安裝導向架上的橡膠滑動塊，保證導向架傳力給鋼護筒。

6.4 拉壓桿、下放裝置安裝

在吊箱下放前按照圖紙位置安裝拉壓桿，安裝下放平臺，千斤頂進場檢驗，依次安裝下放千斤頂。

7 吊箱圍堰下放

下放系統由連續千斤頂、液壓泵站、控制系統三大部分組成。16臺千斤頂采用統一的液壓系統，千斤頂采用200t的連續千斤頂，最大行程為25cm。

鋼吊箱在下放前，要同時頂升千斤頂，使鋼吊箱脫離鋼護筒上的牛腿，拆除裝配牛腿，完成后同時同步下放千斤頂。下放過程中通過調整對應部位的千斤頂組，保證吊箱處于水平狀態。

8 封堵砼施工

封堵混凝土采用微膨脹水下不離析混凝土封堵法，封堵范圍為鋼筋混凝土預制底板與各鋼護筒之間環向25cm范圍包裹混凝土、封堵厚度為60cm。封堵前向止水膠囊內壓漿止水，然后采用豎向導管法自上下游對稱澆筑封底混凝土。封堵混凝土施工是及時、有效形成承臺干施工環境的關鍵工序，要確保封堵施工的成功，必須嚴控施工工藝流程。

待水下不離析混凝土達到設計強度后，選擇低水位期間吊箱內抽水至標高+4.07m，在護筒上安裝拉壓桿支座，并將拉壓桿與上支座焊接固定，拆除挑梁、千斤頂和鋼絞線，將受力體系轉化為拉壓桿受力。

9 吊箱圍堰受力體系轉換

9.1 第一次轉換

將拉壓桿焊接在護筒上，關閉連通器，吊箱抽水，吊箱受力體系由千斤頂受拉轉為拉壓桿受壓。

9.2 第二次轉換

待水抽干后焊接剪力板、拆除拉壓桿，每焊接完成兩個剪力板可拆除一個拉壓桿，最終將吊箱受力體系轉換為剪力板受力。

10 吊箱圍堰質量驗收標準

各分塊加工完成后應對分塊的結構尺寸和焊縫進行檢查驗收，不足處補強或返工;吊箱圍堰組拼完成后進行總體的質量驗收。

11 結語

明珠灣大橋29#墩采用的新型裝配式水下無封底鋼混組合吊箱圍堰，將常規鋼吊箱鋼結構底板和封底混凝土改為格構式預制鋼筋混凝土底板，大幅度節省了鋼材和混凝土用量，提高了工效，保證了施工質量與安全;吊箱側板采用鋼板樁+鋼板組合結構，可周轉使用，大大節約成本;吊箱側板與底板采用精軋螺紋鋼連接，較常規的螺栓連接方法，避免了水下拆除作業。該施工技術在明珠灣項目得到了成功應用，希望今后能夠為類似條件下的施工提供借鑒和參考。

參考文獻：

[1] 《鋼結構設計規范》（GB50017-2017）

[2] 《簡明施工計算手冊》（第四版）

[3] 《鋼結構工程施工質量驗收規范》（GB50205-2001）

[4] 《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015》

[5] 《城市橋梁工程施工與質量驗收規范》（CJJ2-2008）