預制混凝土底板鋼吊箱圍堰設計與施工關鍵技術

■張宇琳

（漳州市通順交通建設有限公司，漳州 363000）

橋梁基礎是一座橋梁的關鍵結構，而水中橋梁基礎的施工難度大、施工安全風險高，其圍堰結構的選擇和結構的安全性顯得尤為重要。 近些年，隨著橋梁建造水平的提高和施工技術的不斷革新，預制混凝土底板鋼吊箱圍堰逐漸被廣泛采用。 本文結合漳江灣跨海大橋水中承臺預制混凝土底板鋼吊箱圍堰結構設計及施工實例，對預制混凝土底板鋼吊箱圍堰設計與施工關鍵技術進行了詳細闡述。

1 依托工程簡介

依托工程位于福建省漳江灣入海口， 主橋為（83+150+83）m 預應力混凝土變截面連續箱梁，分幅設計，基礎為分離式承臺基礎，承臺尺寸為（14.2×10.2×3.5）m，單個承臺配6 根大直徑鉆孔灌注樁。橋位處最高潮水位3.27 m（設計觀測最高值），最低潮水位-1.4 m；最大漲潮垂線平均流速為0.62 m/s，最大落潮垂線平均流速為0.56 m/s。 河床標高-6.0 m，承臺底標高-2.5 m。

2 圍堰結構選擇

水下橋梁基礎施工常用的圍堰結構有鋼板樁圍堰、鎖口管柱圍堰、混凝土圍堰、鋼套箱圍堰和鋼吊箱圍堰等，在水中高樁承臺施工時多采用鋼吊箱圍堰。 傳統的鋼吊箱圍堰底板多采用鋼結構，其結構自重較輕、下放難度相對較小，但是抵抗水流力和風浪沖擊的能力相對較弱。 近些年逐漸被廣泛采用的預制混凝土底板鋼吊箱圍堰其底板結構較重，能夠有效提高圍堰抵抗水流力和風浪沖擊的能力，增強鋼吊箱圍堰結構穩定性。 混凝土結構比鋼結構耐久性強，不便拆除的鋼結構底板后期腐蝕會對周邊水域造成一定程度的污染，相較而言混凝土結構更環保，并且混凝土底板造價較低[1]。

依托工程主橋承臺為高樁承臺，且工程位于入海口，漲落潮時水流速度較大，施工周期內承臺圍堰結構需要持續抵抗海上風浪沖擊，根據其結構特點和施工環境特點，承臺圍堰結構選擇預制混凝土底板的鋼吊箱圍堰較為合理。

3 圍堰結構設計

鋼吊箱結構主要包括預制混凝土結構底板、鋼結構壁板、內支撐系統、吊掛系統[2]。 底板結構為20 cm 厚預制鋼筋混凝土；壁板采用單壁結構，高度7.5 m，結構組成為6 mm 鋼板+[10 橫肋@30 cm+雙拼[20a@80 cm 背枋；內支撐系統由雙拼工32a 圍檁和φ351×8 mm 鋼管支撐組成，在承臺底以上2.1 m和4.8 m 位置各設置1 道； 封底采用C20 混凝土，厚度1.2 m。 承臺總高度3.5 m，分2 次澆筑，首次澆筑高度1.5 m。圍堰結構設計如圖1 所示。預制混凝土底板如圖2 所示，分塊預制、拼裝，板塊之間通過預埋的角鋼焊接固定形成整體，再通過加貼連接鋼板進行加固。

圖1 預制混凝土底板鋼吊箱圍堰結構設計立面圖

圖2 預制混凝土底板分塊拼裝示意圖

圍堰結構及承臺施工工藝流程如下：借助鋼護筒制作底板拼裝平臺→分塊拼裝預制混凝土底板→安裝鋼吊箱下放裝置→拼裝第一層鋼吊箱壁板→拆除臨時拼裝平臺→第一階段下放→拼裝第二層吊箱模板→安裝圍檁和內支撐→安裝鋼吊箱限位裝置→第二階段下放至設計位置→底板堵漏→灌注封底混凝土→抽水、澆筑墊層→受力體系轉換→綁扎鋼筋、澆筑第一層混凝土→拆除底層圍檁、支撐→綁扎鋼筋、澆筑第二層混凝土。

按照施工流程，選擇5 個主要工況對圍堰結構進行受力驗算。 鋼吊箱圍堰結構受力驗算采用Midas Civil 進行建模（圖3）對各工況下受力情況進行受力分析驗算， 荷載組合時要綜合考慮靜水壓力、水流力、波浪力、風荷載、潮位等因素在相應工況中對圍堰結構的影響。 對于預制混凝土底板，承受荷載應考慮底板自重、封底混凝土荷載和鋼吊箱結構荷載，應按照鋼筋混凝土結構對底板配筋、混凝土厚度進行驗算。 具體工況設置如下：（1）工況一：封底完成。 對吊桿、分配梁、貝雷梁強度進行受力驗算；（2）工況二：鋼吊箱抽水完成。 驗算高潮位時吊箱抗浮、封底混凝土及吊箱強度；吊箱強度驗算荷載組合值：1.2×自重+1.4×高潮位靜水壓力+1.4×高潮位水流壓力+1.4×高潮位波浪力+1.1×高潮位風荷載；（3）工況三：第一層混凝土澆筑完成。驗算低潮位時底板及吊箱強度；吊箱強度驗算荷載組合值：1.2×自重+1.4×低潮位靜水壓力+1.4×低潮位水流壓力+1.4×低潮位波浪力+1.1×低潮位風荷載+1.4×1.5 m高混凝土側壓力；（4）工況四：拆除第一道內支撐。驗算高潮位時鋼吊箱受力情況；吊箱強度驗算荷載組合值：1.2×自重+1.4×高潮位靜水壓力+1.4×高潮位水流壓力+1.4×高潮位波浪力+1.1×高潮位風荷載；（5）工況五：第二層混凝土澆筑完成。驗算低潮位時鋼吊箱受力情況；吊箱強度驗算荷載組合值：1.2×自重+1.4×低潮位靜水壓力+1.4×低潮位水流壓力+1.4×低潮位波浪力+1.1×低潮位風荷載+1.4×2 m高混凝土側壓力。

對于預制混凝土底板， 承受荷載考慮底板自重、封底混凝土荷載和鋼吊箱結構荷載，按照鋼筋混凝土結構對底板配筋、 混凝土厚度進行驗算，作為臨時結構不考慮底板的撓度和裂縫。 根據驗算結果受拉區按照每米板配置7 根Ф16 鋼筋，分布筋按照每米板寬按4 根Φ12 鋼筋布置。各工況下驗算結果為工況二鋼吊箱整體應力及變形達到最大值，各主要構配件應力及變形情況如表1 所示。

表1 各工況下主要結構最大應力、變形

由表1 可知，各構配件應力及變形滿足規范要求。

4 圍堰施工關鍵技術

4.1 拼裝平臺搭設

拼裝平臺高度以高潮位時不影響施工作業為準， 首先在樁基施工用的鋼護筒上定位出標高線，保證每根護筒上牛腿安裝在同一水平面，然后焊接牛腿支撐；牛腿支撐焊接完成之后，鋼護筒內部對應牛腿的位置焊接十字內撐以減小底板拼裝過程中鋼護筒變形，這樣能夠提高預制混凝土底板拼裝精度、 降低鋼吊箱下放過程中與鋼護筒碰撞的幾率。牛腿、內撐焊接完成驗收合格后，在牛腿上搭設拼裝平臺， 拼裝平臺需預留足夠的人員作業空間，并同步施工作業區臨邊防護欄桿和防墜網。 拼裝平臺搭設完成后應對各節點位置標高進行復測、調整。

4.2 預制混凝土底板拼裝

預制混凝土底板在預制場分塊加工、養護后運輸至現場進行拼裝，吊裝、運輸過程中須采取有效的防護措施確保過程中構件安全，避免碰撞導致棱角受損或是出現裂縫。

底板運輸至現場后利用履帶吊分塊拼裝，拼裝作業前可以在承重梁上按照底板安裝位置提前焊接限位鋼板或型鋼， 提高初步安裝的定位精度；板塊放置在承重梁上之后利用手拉葫蘆進行進一步調整精確定位。 待所有底板分塊吊裝就位后，對板塊之間的對接精度和整體的平面位置進行復測調整，最后通過板塊之間預留的角鋼將各板塊連接成整體。 所有焊縫采用通長滿焊，連接角鋼焊接完成后在頂面按照50 cm 間距加貼連接鋼板對拼接處進一步加固。 底板現場拼裝如圖4 所示。

圖4 底板現場拼裝

4.3 下放裝置安裝

預制混凝土底板拼裝完成后，開始安裝鋼吊箱下放裝置，鋼吊箱采用精軋螺紋鋼筋作為吊桿進行下放，整個鋼吊箱共設置12 個下放吊點，動力裝置為24 臺32 t 千斤頂。 首先參照承重梁實際安裝位置在鋼護筒頂口精確定位出貝雷梁安裝位置，焊接限位鋼板后安裝貝雷梁并加固；然后在貝雷梁上安裝吊桿錨固用分配梁以及下放用的千斤頂和扁擔梁；最后把精軋螺紋鋼筋依次穿過扁擔梁、分配梁、貝雷梁和底板承重梁，安裝扁擔梁上部和底板承重梁下部的錨固螺母完成下放裝置安裝。 吊桿安裝時需要保證其垂直度，安裝完成后需用扳手緊固螺母盡量保證每根吊桿受力均勻，以保證在后續下放過程中每個吊點同步受力[3]。 下放系統安裝示意圖如圖5 所示。

圖5 下放系統安裝示意圖

4.4 壁板及支撐系統安裝

為了便于加工和現場安裝， 鋼吊箱壁板沿豎直方向分兩層設計，下層壁板高度為3 m，上層壁板高度為4.5 m；沿周長方向根據結構尺寸分成16 塊，單塊最大吊重2.6 t，采用50 t 履帶吊逐塊進行拼裝。

鋼吊箱壁板拼裝前先在預制混凝土底板上放出壁板內邊線，并在底板拼裝平臺上相應位置焊接I25 型鋼作為限位塊， 保證每塊壁板對應的限位塊不少于2 塊，每條邊端部的限位塊與壁板安裝位置之間應預留1 cm 左右調節空間。 壁板拼裝時從一側長邊開始，先吊裝軸線處一塊下層壁板，首塊壁板吊裝就位后利用I25 型鋼將壁板與鋼護筒焊接臨時固定，然后對稱向兩邊逐塊拼裝直至下層壁板全部拼裝完成，在單塊壁板吊裝就位并對其平面位置進行復測后及時將鋼吊箱壁板與鋼護筒臨時固定。 壁板拼接處在一面黏貼泡沫止水膠帶進行密封，壁板與底板連接處縫隙填充發泡劑進行封堵[4]。

鋼吊箱拼裝完成后及時安裝內外支撐系統。 支撐系統采用50 t 履帶吊進行吊裝，安裝時在底板上搭設移動式作業平臺，在壁板內外相應位置焊接牛腿支撐， 然后吊裝圍檁、 支撐并按照要求完成焊接。 圍檁與壁板之間、圍檁與鋼管支撐之間的縫隙超過5 mm 時應加墊鋼板填縫， 確保各連接部位貼合嚴密。

為了保證下放過程和承臺施工過程中鋼吊箱整體位置穩定，在每根鋼護筒上焊接[20a 作為限位裝桿， 限位桿端部距離鋼吊箱壁板預留1 cm 左右空間保證下放順暢。

4.5 鋼吊箱下放

鋼吊箱底板、壁板、圍檁支撐及下放系統安裝完成后，12 個吊點位置千斤頂同步頂升使底板承重梁脫離支撐牛腿20 cm 左右， 然后鎖緊吊桿螺母，拆除牛腿支撐，開始進行鋼吊箱下放。

為了便于控制下放過程中各吊點同步，下放時千斤頂油缸伸出長度和回縮長度全部按照滿行程控制，遇到某個吊點位置下放受阻時，需要暫停下放、調整油缸至同步后查明原因，排除障礙后繼續同步下放。 每個行程下放完成后須及時鎖緊吊桿螺母后再調整千斤頂及扁擔梁，進行下一個行程的下放。單個行程15 cm，每下放5 個行程要對鋼吊箱頂面標高進行復測，確保整個下放過程各個吊點下放進度沒有較大偏差。 經測量復測鋼吊箱下放到設計標高后，鎖緊吊桿螺母，拆除千斤頂及扁擔梁，完成鋼吊箱下放。

4.6 底板堵漏

鋼吊箱調整到位并固定后，由潛水員水下安裝封孔板，每個鋼護筒封孔板分為3 塊，封堵鋼護筒與吊箱底板間的間隙后，在封孔板上堆碼一層袋裝砼。 鋼吊箱底板與護筒之間封堵板設計為可推拉的形式，既能夠防止吊箱下放時封堵板上浮，又方便吊箱下放到位之后施工人員移動封堵板。

5 結論

通過對5 種主要施工工況下圍堰結構受力驗算，證實了結構設計的理論可行性。 在依托工程圍堰施工過程中，預制混凝土底板拼接高效、拼縫嚴密，圍堰整體下放平穩，底板與護筒之間的間隙封堵簡便有效， 圍堰一次封底成功未發生漏水現象，后續承臺施工過程中圍堰結構變形、受力均在可控范圍內，證實了該圍堰結構的施工可行性。 預制混凝土底板鋼吊箱圍堰結構安全性、安裝功效相對較高，能夠較好地適應近海水域水中承臺施工，可以為類似工程鋼吊箱圍堰結構設計和施工提供參考。