深水淤泥質(zhì)裝配式鋼吊箱圍堰設(shè)計(jì)與應(yīng)用

蔡 進(jìn)

（中鐵十一局集團(tuán)有限公司 湖北武漢 430061）

1 引言

從上世紀(jì)50年代修建武漢長江大橋開始，我國橋梁深水基礎(chǔ)技術(shù)在逐步發(fā)展精進(jìn)，越來越多的重難點(diǎn)基礎(chǔ)施工技藝實(shí)現(xiàn)突破，其中雙壁鋼圍堰施工技術(shù)尤為典型，在跨越大江、大河等深水基礎(chǔ)施工中得到廣泛的應(yīng)用［1］。

劉云宵等人針對(duì)雙壁鋼圍堰在大型橋梁工程中的應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究［2-6］。本文以廣州南沙港鐵路西江特大橋跨海州水道主跨116 m連續(xù)梁主墩的承臺(tái)施工為背景，研究了深水淤泥質(zhì)承臺(tái)裝配式混凝土底板鋼吊箱圍堰設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

2 工程概況

2.1 項(xiàng)目簡介

新建廣州南沙港鐵路站前工程N(yùn)SGZQ-3標(biāo)西江特大橋里程范圍 DK12＋962.405～DK28＋744.260（150＃～565＃墩），正線長15.782 km。其中跨海洲水道主橋里程為DK18＋747.505～DK19＋152.305（289＃～294＃墩），孔跨布置為（60 ＋116 ＋116＋65＋46）m連續(xù)梁，連續(xù)梁主墩291＃墩承臺(tái)尺寸為19.7 m×13.2 m×4.5 m。

2.2 水文地質(zhì)氣象條件

海州水道地處佛山市境內(nèi)，橋梁與河流夾角為56°。橋址區(qū)域?yàn)閬啛釒ШＱ笮詺夂颦h(huán)境，雨量充沛，地表河網(wǎng)、溪流縱橫交錯(cuò)。每年4～9月是汛期，全年80%以上的降水出現(xiàn)在這段時(shí)間里，7～9月是臺(tái)風(fēng)活動(dòng)的頻發(fā)期。

連續(xù)梁主墩291＃墩設(shè)計(jì)為低樁承臺(tái)，常水位＋1.5 m，河床底標(biāo)高-12.15 m。291＃墩較為靠近河中，河床以細(xì)砂、淤泥、細(xì)圓礫土為主，厚約24 m。

3 方案比選

根據(jù)過往的施工經(jīng)驗(yàn)，291＃墩可選擇的施工方法有鋼板樁圍堰、鋼管樁圍堰、無封底雙壁鋼套箱圍堰、混凝土底板的鋼吊箱圍堰等。針對(duì)以上的施工方案進(jìn)行具體分析：

3.1 普通鋼板樁圍堰

鋼板樁圍堰的優(yōu)點(diǎn)在于施工速度快、成本低。但鋼板樁圍堰穩(wěn)定性、剛性較差，更適合于開挖深度10 m以內(nèi)、基底地質(zhì)較好的環(huán)境。對(duì)于291＃墩淤泥質(zhì)土厚達(dá)20 m深的地質(zhì)環(huán)境來說，鋼板樁圍堰很難維持內(nèi)外水壓平衡，且混凝土封底難度非常大，容易發(fā)生滲漏，安全隱患數(shù)量居多。

3.2 普通鋼管樁圍堰

鋼管樁圍堰的優(yōu)缺點(diǎn)與鋼板樁圍堰相似，鋼管樁圍堰的剛性較鋼板樁圍堰更好，適合開挖深度可達(dá)20 m。但對(duì)于291＃墩的地質(zhì)環(huán)境來說，鋼管樁圍堰同樣存在水壓平衡難以維持，封底難度大，容易發(fā)生滲漏的問題。

3.3 普通雙壁鋼套箱圍堰

雙壁鋼套箱圍堰有效滿足了深水環(huán)境下圍堰側(cè)壁的剛度要求，但較前兩者成本投入更高，施工工藝更為復(fù)雜，圍堰拆除有限，材料難以回收利用，并且混凝土封底問題依舊難以解決。

由以上分析可知，291＃承臺(tái)施工的圍堰需求既能滿足側(cè)壁的剛度要求，又能有效解決封底的問題，同時(shí)能較好地保證圍堰的拆除以及拆除后的材料利用，節(jié)省成本。

為此，通過不斷地研究商討，設(shè)計(jì)優(yōu)化，最終確定了深水淤泥質(zhì)承臺(tái)裝配式混凝土底板鋼吊箱圍堰施工方案。

4 裝配式混凝土底板鋼吊箱圍堰設(shè)計(jì)

4.1 總體設(shè)計(jì)（見圖1）

圖1 西江特大橋291＃鋼吊箱圍堰

西江特大橋291＃墩承臺(tái)鋼吊箱形式為無封底式雙壁鋼吊箱；壁體夾壁共分兩節(jié)，第一節(jié)高10.8 m，夾壁厚為1.8 m，為原155＃墩承臺(tái)鋼圍堰壁體；第二節(jié)高為7.024 m，夾壁厚為1.5 m，第二節(jié)壁體為全新加工。夾壁面板為6 mm厚鋼板，面板內(nèi)側(cè)焊接有豎向角鋼豎肋，間距為35 cm，壁體間設(shè)置有環(huán)向鋼板以及豎向隔倉板，環(huán)向鋼板為12 mm和18 mm厚鋼板，豎向隔倉板為20 mm厚鋼板。共設(shè)置3道圍檁及內(nèi)支撐，圍檁型號(hào)為三拼HW400×408型鋼，內(nèi)支撐為φ800×12 mm圓鋼管。鋼護(hù)筒四周設(shè)置三道拉壓桿，六道剪力板。吊箱底板厚度為t＝40 cm，采用C50混凝土預(yù)制而成，鋼護(hù)筒四周環(huán)向圈梁尺寸為500 mm×1 000 mm，環(huán)向主梁尺寸為1 880 mm×1000 mm，底板次梁尺寸為400 mm×400 mm。

4.2 受力檢算

圍堰結(jié)構(gòu)采用有限元計(jì)算分析，共涉及到五種荷載計(jì)算，分別是鋼吊箱自重、靜水壓力、混凝土底板浮力、水流力、混凝土澆筑壓力。圍堰計(jì)算工況為整個(gè)施工過程中各結(jié)構(gòu)受力最不利情況，各工況具體分析如下：

工況一：鋼吊箱起吊下放；

工況二：高水位時(shí)鋼吊箱內(nèi)抽水完畢；

工況三：高水位下澆筑首層承臺(tái)混凝土；

工況四：拆除第三層支撐及圍檁后，高水位下澆筑第二層承臺(tái)混凝土。

計(jì)算可得各工況下各構(gòu)件的最大等效應(yīng)力值均滿足規(guī)范要求。

除此之外還需進(jìn)行以下計(jì)算［7-9］：

（1）鋼護(hù)筒四周握裹力驗(yàn)算

鋼護(hù)筒所能承受最大握裹力960 kN＜1 900.3 kN，超出部分受力考慮由拉壓桿或剪力板承受。

（2）剪力板受力計(jì)算

剪力板焊縫受力驗(yàn)算得37.2 MPa＜160 MPa；焊縫承載力安全系數(shù)k＝4.3＞2.0，剪力板焊接焊縫受力滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）拉壓桿受力驗(yàn)算

由于鋼吊箱入水較深，為盡量減小拉壓桿長度，鋼吊箱內(nèi)鋼護(hù)筒四周水下封堵混凝土澆筑完成并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，圍堰內(nèi)先進(jìn)行部分抽水，抽水至一定深度后再安裝拉壓桿。

鋼吊箱圍堰內(nèi)抽水3.0 m后，鋼護(hù)筒四周最大反力F＝626.8 kN＜960.84 kN，此時(shí)鋼護(hù)筒四周握裹力滿足圍堰的抗浮要求。

單個(gè)鋼護(hù)筒四周設(shè)置三處拉壓桿，抽水完成后單根拉壓桿承受的最大荷載F＝（1 900.3-960.84）/3＝313.15 kN。拉壓桿截面強(qiáng)度驗(yàn)算按毛截面屈服考慮，其計(jì)算結(jié)果為23.3 MPa＜215 MPa，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

拉壓桿穩(wěn)定性安全系數(shù)k＝3.11＞2，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

（4）拉壓桿下支座插銷抗剪驗(yàn)算

抗剪承載力計(jì)算結(jié)果41.5 MPa＜155 MPa，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

（5）拉壓桿上支座插銷抗剪驗(yàn)算

焊縫受力計(jì)算結(jié)果46.6 MPa＜160 MPa，焊縫承載力安全系數(shù)k＝3.43＞2.0，拉壓桿上支座焊縫受力滿足要求。

（6）下放扁擔(dān)梁計(jì)算

鋼吊箱下放時(shí)單個(gè)吊箱最大反力為745.4 kN，鋼絞線吊點(diǎn)于扁擔(dān)梁跨中位置，按簡支梁計(jì)算，扁擔(dān)梁強(qiáng)度及剛度均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

（7）扁擔(dān)梁插銷抗剪計(jì)算

抗剪承載力計(jì)算結(jié)果滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

（8）下放鋼絞線強(qiáng)度驗(yàn)算

單根鋼絞線的應(yīng)力534.2 MPa＜1 860 MPa，安全系數(shù)3.48＞2.0，鋼絞線設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

（9）下放挑梁及鋼護(hù)筒受力驗(yàn)算

挑梁及鋼護(hù)筒最大等效應(yīng)力114 MPa＜215 MPa，鋼護(hù)筒最大橫向變形為4.68 mm＜L/200＝49.65，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

5 方案實(shí)施

291＃墩鉆孔樁施工完畢后，拆除鉆孔平臺(tái)，利用抓斗和空氣吸泥機(jī)清淤至指定位置處，然后在鋼護(hù)筒上開孔焊接安裝挑梁，挑梁安裝完成后把提前預(yù)制好的混凝士底板吊裝到挑梁上，組成圍堰拼裝平臺(tái)。

鋼吊箱圍堰在場內(nèi)分塊制作，經(jīng)檢驗(yàn)、試拼合格后采用駁船運(yùn)輸至291＃墩位處，通過2臺(tái)120 t履帶吊拼裝。第一節(jié)拼裝完成后，安裝上下兩節(jié)圍堰的預(yù)應(yīng)力連接精軋螺紋鋼和圍堰下放系統(tǒng)，往圍堰內(nèi)壁進(jìn)行注水，邊注水邊利用千斤頂下放圍堰，下放至第一節(jié)圍堰距離水面以上1 m后鎖死下放系統(tǒng)，吊裝第二節(jié)圍堰進(jìn)行拼裝，拼裝完成后再次注水利用下放系統(tǒng)下放圍堰到設(shè)計(jì)標(biāo)高位置。

利用導(dǎo)管水下澆筑C35不分散混凝土對(duì)底板進(jìn)行封堵，同時(shí)安裝鋼護(hù)筒上的剪力件和拉壓桿系統(tǒng)，完成圍堰內(nèi)受力體系轉(zhuǎn)換，圍堰內(nèi)開始抽水施工承臺(tái)、墩身。承臺(tái)、墩身施工完成后，接通連接管往圍堰內(nèi)通水保持圍堰內(nèi)外水位一致，解除圍堰與混凝土底板間的聯(lián)系，抽出圍堰內(nèi)壁的水使圍堰上浮，拆除圍堰。

5.1 吊箱圍堰加工

（1）圍堰壁板加工

鋼吊箱圍堰壁體主要由外壁板單元件、內(nèi)壁板單元件、隔艙板單元件及支撐角鋼組成，各單元件之間為焊接連接。

鋼吊箱圍堰制造與安裝劃分為三個(gè)階段：單元件制造、單元塊加工、工地拼裝焊接。單元件制造、單元塊加工在工廠內(nèi)完成，以便發(fā)揮加工設(shè)備先進(jìn)和施工條件好的優(yōu)勢(shì)；單元塊運(yùn)至工地現(xiàn)場后完成工地焊接拼裝。即鋼吊箱圍堰制造采用的程序?yàn)椤皢卧圃臁鷨卧獕K加工→單元塊運(yùn)輸→橋位拼裝”［10］。

291＃鋼吊箱圍堰縱向劃分為三個(gè)部分：第一部分為1 m高混凝土底板，第二部分為壁厚1.5 m高為7.034 m的新圍堰（第一節(jié)），第三部分為壁厚1.8 m高為10.8 m的從155＃墩割除的舊圍堰（第二節(jié)）。

鋼吊箱圍堰制作場內(nèi)利用2臺(tái)400 t龍門吊完成三個(gè)階段的廠內(nèi)加工制造。鋼吊箱圍堰采用1艘400 t駁船運(yùn)輸，每艘駁船放置4塊，雙層存放，在運(yùn)輸船甲板安放墊木，駁船運(yùn)輸至橋位完成拼裝連接。

（2）圍堰底板加工

291＃墩雙壁鋼吊箱圍堰底板采用C50混凝土預(yù)制板，預(yù)制板合計(jì)分作4種型號(hào)，預(yù)制板在場內(nèi)預(yù)制厚度為40 cm，每個(gè)分塊底板在場內(nèi)預(yù)制并準(zhǔn)確安裝預(yù)埋件，做好養(yǎng)護(hù)措施，保障底板的質(zhì)量。

5.2 吊箱圍堰散拼、下放

（1）底節(jié)鋼吊箱圍堰拼裝

拼裝前拆除鉆孔平臺(tái)，對(duì)河床進(jìn)行清理，搭建拼裝平臺(tái)。

采用吊機(jī)吊裝擱置梁至鋼護(hù)筒槽口處安裝，擱置梁標(biāo)高必須保持一致。挑梁安裝完成后，圍堰底板單元塊通過運(yùn)輸駁船運(yùn)輸至平臺(tái)處采用吊機(jī)進(jìn)行吊裝，安裝在擱置梁上方。底板各單元塊之間設(shè)有濕接縫，底板的平面位置及相對(duì)高程復(fù)核無誤后，連接底板各單元塊間連接鋼筋并進(jìn)行濕接縫砼澆筑，將底板各單元塊連接成整體。

鋼吊箱圍堰每節(jié)分為4個(gè)單元塊，2臺(tái)120 t履帶吊位于支棧橋上，先拼裝上游圍堰單元塊，沿圍堰長邊對(duì)稱拼裝鋼吊箱圍堰，最后至下游主棧橋邊合攏。

采用駁船將壁體運(yùn)輸至墩位處后，采用120 t履帶吊將壁體吊裝至指定位置進(jìn)行初定位，再對(duì)壁體位置進(jìn)行精確調(diào)位并調(diào)整壁體垂直度，調(diào)整到位后使用臨時(shí)支撐進(jìn)行壁體臨時(shí)固定，臨時(shí)固定構(gòu)件采用小型型鋼布置于支棧橋上，在壁板安裝的4個(gè)角點(diǎn)均設(shè)置臨時(shí)固定系統(tǒng)；然后安裝與其相連的壁體［11］，采用導(dǎo)向定位裝置使得相連壁體安裝時(shí)CIC型鎖扣成功咬合，并進(jìn)行調(diào)位、臨時(shí)固定，逐步安裝完成鋼吊箱底節(jié)拼裝，拼裝完成后，進(jìn)行底節(jié)圍堰內(nèi)支撐鋼管安裝與焊接［12］。

整個(gè)鋼吊箱共布置雙層8個(gè)導(dǎo)向架，布置在角點(diǎn)的鋼護(hù)筒上。通過安裝在鋼護(hù)筒頂部的調(diào)位千斤頂進(jìn)行調(diào)位，到位后在導(dǎo)向架上安裝橡膠滑動(dòng)塊，通過鋼護(hù)筒進(jìn)行導(dǎo)向，避免圍堰入水后偏位。定位是在吊箱下沉到位后，為防止水流壓力、波浪力及靠船力等動(dòng)荷載對(duì)自由懸掛的鋼吊箱發(fā)生擾動(dòng)，影響封底混凝土質(zhì)量而設(shè)置固定裝置。定位主要利用鋼護(hù)筒的穩(wěn)定性將下沉到位的鋼吊箱通過定位器與最外圍的鋼護(hù)筒連成整體達(dá)到鋼吊箱的定位。

在鋼吊箱臨時(shí)固定完成后，應(yīng)對(duì)鋼護(hù)筒上的鋼吊桿安裝焊接。

（2）底節(jié)鋼吊箱圍堰下放

鋼吊箱圍堰下放支架采用在護(hù)筒頂上焊接型鋼挑梁作為主要受力構(gòu)件，鋼護(hù)筒頂用1 cm鋼板搭設(shè)，作為下放挑梁的安裝平臺(tái)。

主墩鋼吊箱采用10臺(tái)100 t連續(xù)千斤頂下放。在鋼護(hù)筒上焊接支撐牛腿與雙拼HN580×300型鋼下放挑梁焊接成整體，吊桿上端與下放挑梁組成的吊掛系統(tǒng)連接，下端與底板的鋼混底縱梁連接。

進(jìn)行鋼吊箱下放前，拆除拼裝支撐梁，調(diào)節(jié)每個(gè)千斤頂?shù)男谐蹋_保每個(gè)千斤頂行程一致后，同步頂升千斤頂抬高鋼吊箱，使其底板脫離鋼護(hù)筒上的擱置梁后，進(jìn)行擱置梁拆除。擱置梁拆除后，同步進(jìn)行千斤頂下落，緩慢下放鋼吊箱圍堰（見圖2）。

圖2 連續(xù)作業(yè)千斤頂安裝、作業(yè)

利用10臺(tái)千斤頂同步下放第一節(jié)吊箱至吊箱頂口到水面以上1 m，下放過程中圍堰到達(dá)自浮狀態(tài)后開始配合水泵往圍堰壁艙內(nèi)注水下沉，到達(dá)位置后鎖定千斤頂，在鋼護(hù)筒外圍焊接鎖定裝置，防止圍堰晃動(dòng)。

（3）第二節(jié)鋼吊箱圍堰接高和下沉

利用120 t履帶吊按照第一節(jié)圍堰拼裝順序和工藝接高第二節(jié)圍堰，檢查圍堰水平接縫和豎向接縫的密閉性，密閉性良好后，解除圍堰與護(hù)筒間的平面鎖定，啟動(dòng)千斤頂繼續(xù)下放圍堰。

（4）吸泥下沉

為防止圍堰下方淤泥發(fā)生溜塌阻礙圍堰的下沉和保證鋼吊箱在流塑狀淤泥內(nèi)順利下沉，在鋼吊箱底板預(yù)制時(shí)預(yù)留24個(gè)吸泥孔，拼裝時(shí)同步安裝吸泥裝置，在下放過程中待底板進(jìn)入淤泥后，開啟吸泥裝置進(jìn)行吸泥下沉，擬定采取吸泥方法為氣舉反循環(huán)吸泥法。

空氣吸泥機(jī)主要由空壓機(jī)、吸泥管、供氣管、射水管、高壓水泵、吸泥器、閘閥組成。

（5）轉(zhuǎn)換拉壓桿受力

鋼吊箱下放完畢后安裝鋼護(hù)筒和鋼管樁上的拉壓桿，拉壓桿采用雙拼 36b槽鋼加工而成。

拉壓桿底部與鋼吊箱底部主梁連接，上部與鋼護(hù)筒上的上支座焊接，在封堵砼施工中拉壓桿輔助受力，拉壓桿在抽水過程中主要承受浮力。

鋼吊箱下放到位后，根據(jù)測(cè)量的復(fù)核結(jié)果對(duì)鋼吊箱進(jìn)行微調(diào)整姿態(tài)，保證鋼吊箱空間位置符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。上下調(diào)整采用鋼吊桿上的千斤頂進(jìn)行微調(diào)，水平方向調(diào)整時(shí)采用導(dǎo)向架上的千斤頂進(jìn)行調(diào)整。在調(diào)整過程中時(shí)刻進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保證鋼吊箱的位置偏差符合要求。調(diào)整到位后，安裝拉壓桿，拉壓桿上支座頂標(biāo)高為＋2.5 m。

5.3 圍堰水下封堵

封堵混凝土采用C35水下不離析微膨脹混凝土，采用內(nèi)徑150 mm消防軟管作導(dǎo)管，插入護(hù)筒與預(yù)制底板間縫隙進(jìn)行澆筑，混凝土封堵范圍為各鋼護(hù)筒與圍堰預(yù)制底板間環(huán)向20 cm范圍，封堵混凝土厚度為100 cm。由潛水員在水下進(jìn)行軟管位置控制，上方布置小料斗，每個(gè)護(hù)筒間計(jì)算出混凝土使用量，定量控制，澆筑平整度由潛水員在水下腳踩、手摸撫平。

5.4 吊箱圍堰抽水

封堵混凝土強(qiáng)度達(dá)標(biāo)后，采用3臺(tái)3 kW水泵進(jìn)行圍堰抽水。在抽水過程中，檢查鋼吊箱側(cè)壁的漏水情況以及拉壓桿的受力情況，發(fā)現(xiàn)拉壓桿異常時(shí)應(yīng)立即停止抽水，進(jìn)行拉壓桿修補(bǔ)檢查沒有問題時(shí)方可繼續(xù)抽水，抽水過程中發(fā)現(xiàn)側(cè)壁漏水時(shí)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行封堵，確保鋼吊箱抽水效果，保證圍堰施工質(zhì)量。

5.5 圍堰體系轉(zhuǎn)換

鋼吊箱內(nèi)抽水完成后，在各護(hù)筒與預(yù)制底板上預(yù)埋件之間焊接剪力板，剪力板高度為15 mm，每個(gè)鋼護(hù)筒處分別焊接6個(gè)剪力板，待剪力板焊接完成、焊縫質(zhì)量達(dá)標(biāo)后，依次拆除各拉壓桿，拆除完成后在底板澆筑10 cm厚混凝土墊層，完成圍堰體系轉(zhuǎn)換，即可進(jìn)行后續(xù)承臺(tái)施工。

5.6 圍堰質(zhì)量驗(yàn)收

各單元加工完成后進(jìn)行焊縫和結(jié)構(gòu)驗(yàn)收，出具驗(yàn)收?qǐng)?bào)告，針對(duì)不規(guī)范的地方進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)；圍堰組拼完成后進(jìn)行總體驗(yàn)收。

6 結(jié)束語

西江特大橋291＃墩裝配式混凝土底板鋼吊箱圍堰的成功應(yīng)用，節(jié)省了大量鋼材和混凝土用量，并實(shí)現(xiàn)了材料的循環(huán)利用，節(jié)約成本，提高工效；并且圍堰的拆除方便，內(nèi)支撐拆除完畢后，根據(jù)側(cè)壁拆除的順序拆除側(cè)板與側(cè)板之間相應(yīng)的連接鎖扣，最后拆除底板與側(cè)板的精軋螺紋鋼即可，拆除出來的材料可進(jìn)行回收利用。

該吊箱圍堰的設(shè)計(jì)為今后類似工程提供了較好的借鑒與引導(dǎo)作用。