高潮差深水基礎大型雙壁鋼吊箱設計與施工技術研究*

劉曉敏，石怡安，強偉亮，班 航，張 俊

(中國建筑第六工程局有限公司，天津 300451)

0 引言

近年來，我國跨江深水基礎橋梁均大規模地采用雙壁鋼吊箱圍堰，作為一種非著床型的大型圍堰，雙壁結構可保證鋼圍堰有足夠剛度，逐漸成為水深流急、沖刷嚴重區域的橋梁復合式基礎的外圍結構。大型鋼吊箱圍堰在工廠分片制作運輸至墩位處進行拼裝后整體下放，是大型橋梁深水基礎施工的一個發展方向，可提高鋼吊箱的制造精度，加快施工進度。本文以道慶州大橋跨江引橋墩承臺為工程背景，系統地論述了大型雙壁鋼吊箱設計、施工技術，對我國今后橋梁深水基礎施工有一定的參考價值。

1 工程概況

福州道慶洲過江通道采用公軌共用橋梁方式過江，大橋分別搭載6車道城市道路和軌道交通6號線。跨江大橋全長2 268.5m，分跨江主橋和8聯跨江引橋，均為鋼桁結合梁橋。跨江引橋橋墩、承臺布設為工字形，最大承臺尺寸為41m×14m×4m(圖1中引橋第8聯右側邊墩)，如圖2所示。

圖1 引橋立面(單位：m)

圖2 承臺平面尺寸

根據地表工程地質測繪及鉆探揭露，引橋墩所處河床底標高-14.100m，地層主要以中砂、淤泥夾砂、砂混淤泥、淤泥質土為主；最高潮位為6.310m，最低潮位為-0.490m，最大潮差5.28m；受閩江入海口半日潮汐影響，水流變化復雜，本區段水流屬往復流，落潮時水流方向為由西向東，漲潮時變為由東向西，最大流速3m/s。

根據引橋深水承臺的工程環境及承臺設計、施工等特點，確定采用雙壁鋼吊箱圍堰施工工藝，樁基施工完成后，拆除圍堰范圍的鋼平臺，進行圍堰施工。圍堰主要作為承臺施工時的擋水和模板結構。圍堰包括壁體、內支撐、底板、導向裝置等結構。大型鋼吊箱圍堰結構設計、圍堰施工承臺、施工墩柱過程中鋼圍堰內支撐進行體系轉換為施工控制重點。

2 設計參數

2.1 結構設計參數

鋼吊箱壁體設計：內、外側壁板采用8mm厚鋼板，面板橫向加勁肋采用∟200×125×12，面板豎向加勁肋采用∟75×75×8;水平桁架采用∟100×100×10，隔艙板采用12mm鋼板并焊接加勁肋∟75×75×8，內支撐采用φ630×10鋼管。

鋼圍堰底板設計：底板采用6mm厚鋼板，縱橫交錯龍骨HM340×250型鋼，由龍骨劃分的面板采用∟75×75×8作為加強肋，間距300mm。由于圍堰結構尺寸較大，底板中部區域為受力薄弱點，為滿足受力要求，須在底板中部區域設置加強桁架，桁架上弦桿為HM340×250，腹桿為[20a。底板各型鋼之間焊接為整體結構，上述材料均采用Q235A。

2.2 計算分析參數(見表1)

表1 設計參數

3 鋼圍堰底板受力分析

鋼圍堰底板通常在吊箱側板安裝前預先拼裝，待側板與側板、側板與底板間拼裝完成后再進行整體下放，下放到位后，底板受力工況為：①工況1 堵漏封底后吊箱抽水(高水位)，高水位浮力-封底自重；②工況2 堵漏封底后吊箱抽水(低水位)，低水位浮力-封底自重；③工況3 低水位澆筑承臺，低水位浮力-封底自重-承臺自重；④工況4 高水位澆筑承臺，高水位浮力-封底自重-承臺自重。

3.1 面板與加勁肋

經過計算，最不利工況為4個工況中受力最大者(工況3)。加強肋作為面板受力支點，面板按3跨連續梁考慮；龍骨作為加勁肋支點，加勁肋按簡支梁計算，龍骨間距取為1.5m，與面板組成組合截面，根據最不利工況求解面板和加勁肋強度與變形均滿足要求。

3.2 龍骨與加強桁架

考慮封底混凝土澆筑后已達到一定強度，與底板、護筒之間形成整體結構，故底龍骨最不利工況取低水位澆筑封底混凝土階段，由底龍骨完全承受封底混凝土自重。該工況下，底板四邊剛接，拉壓桿與底板連接處剛接。如圖3，4所示，澆筑封底混凝土階段，龍骨及加強桁架上弦桿強度為193.8MPa，腹桿強度為169.6MPa，小于強度設計值215MPa，滿足要求。

圖3 龍骨及加強桁架上弦桿強度云圖

圖4 加強桁架腹桿強度云圖

4 鋼圍堰結構設計與受力分析

由于圍堰結構尺寸較大，內支撐設計時不免對后期墩柱施工造成干擾，考慮避開設計易造成壁體結構浪費，故在后期墩柱施工時增加了內支撐體系轉換工況，達到便于設計和施工的目的。

4.1 施工工況

1)工況1 驗算圍堰下沉到設計位置，澆筑封底混凝土達到強度后，抽水到承臺底即封底混凝土頂標高處，取高水位計算(見圖5a)。

圖5 工況1，2計算模型

2)工況2 承臺澆筑完成后頂標高達到強度后，墩柱開始施工，考慮到墩柱施工與部分內支撐沖突，保留中部內支撐，拆除墩柱附近位置內支撐，改為四角斜撐(見圖5b)。

4.2 計算分析

通過計算，側板壁板、豎向角鋼、水平桁架角鋼、水平環肋、隔倉板最大應力設計值如表2所示，可知在工況1中圍堰受力最不利，最大應力出現在側板水平環肋處，均小于Q235鋼板的強度設計值215MPa；圍堰整體變形最大值為4.86mm，遠小于設計允許變形值，表明該圍堰的整體強度和剛度均滿足施工要求。

表2 圍堰構件變形受力

5 鋼圍堰整體吊裝下放體系轉換分析

大型鋼吊箱圍堰采用浮吊分節拼裝后整體下放，4 000t駁船將圍堰從加工拼裝廠運至施工現場，采用1 000t浮吊起吊就位，吊點布置與起吊如圖6所示。

圖6 吊點布置與起吊示意

由于高潮差條件下圍堰起伏波動大，對圍堰吊裝下放十分不利。因此，在下放到位后考慮進行掛樁，有利于后期混凝土澆筑過程中圍堰穩定。吊箱下放到位后，進行第1次體系轉換，利用掛腿擱置于鋼護筒上，并將掛腿于鋼護筒牛腿焊接。掛腿結構如圖7所示，采用2HM588×300，2HM440×300，2HM340×250和部分加勁板焊接而成。圍堰下放時由于浮力較大，須不斷向隔倉注水助沉，通過計算初步設定隔倉注水至1.500m標高，保證浮吊在高潮位下始終處于受力狀態，在低潮位下處于掛腿結構的受力范圍。

圖7 掛腿結構

鋼吊箱整體吊裝下放到位澆筑封底混凝土，隨后進行抽水堵漏過程中，圍堰承受的浮力逐步增大，導致圍堰上浮，需設置抗浮構件剛性拉壓桿完成第2次體系轉換。焊接剛性拉壓桿于底板龍骨和鋼護筒之間，拉壓桿采用2[25a。控制工況：拉壓桿承受吊箱自重+封底混凝土自重-高水位浮力，以抗浮為主要控制工況。

待封底混凝土達到強度后，此時封底混凝土與鋼護筒之間已產生握裹力，進行第3次體系轉換，沿鋼護筒周圍設置抗剪板，拆除拉壓桿、鑿樁。控制工況：抗剪板承受吊箱自重+封底混凝土自重+封底混凝土與護筒握裹力-高水位浮力，以抗浮為主要控制工況。

開始澆筑承臺混凝土過程中，考慮最不利情況低潮位下抗剪板也要滿足抵抗下沉的要求。抗剪板承受吊箱自重+封底混凝土自重+承臺混凝土自重-封底混凝土與護筒握裹力-低水位浮力，以下沉為主要控制工況。

分析表明：結合潮水位的變化，圍堰在下放掛樁、封底抽水、拆除剛性拉壓桿、澆筑承臺這4個工況下處于動態受力體系。通過4個控制工況下的驗算，才能保證下放過程中結構的安全性(見表3)。

表3 整體下放體系轉換工況

6 結語

1)大型雙壁鋼吊箱底板設計需根據結構布置在薄弱位置處進行桁架加強，才能保證底板在不同工況下滿足要求。

2)大型雙壁鋼吊箱圍堰內支撐與墩柱施工需進行協調設計，根據實際相應增加內支撐體系轉換工況。

3)鋼吊箱圍堰整體下放過程中處于動態受力體系，通過計算設置相應的抗浮抗下沉構件滿足不同工況要求。