高潮差深水基礎(chǔ)大型雙壁鋼吊箱設(shè)計與施工技術(shù)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(chǔ)橋梁均大規(guī)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(jié)構(gòu)可保證鋼圍堰有足夠剛度，逐漸成為水深流急、沖刷嚴(yán)重區(qū)域的橋梁復(fù)合式基礎(chǔ)的外圍結(jié)構(gòu)。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(chǔ)施工的一個發(fā)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(tǒng)地論述了大型雙壁鋼吊箱設(shè)計、施工技術(shù)，對我國今后橋梁深水基礎(chǔ)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(lián)跨江引橋，均為鋼桁結(jié)合梁橋。跨江引橋橋墩、承臺布設(shè)為工字形，最大承臺尺寸為41m×14m×4m(圖1中引橋第8聯(lián)右側(cè)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(jù)地表工程地質(zhì)測繪及鉆探揭露，引橋墩所處河床底標(biāo)高-14.100m，地層主要以中砂、淤泥夾砂、砂混淤泥、淤泥質(zhì)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(fù)雜，本區(qū)段水流屬往復(fù)流，落潮時水流方向為由西向東，漲潮時變?yōu)橛蓶|向西，最大流速3m/s。

根據(jù)引橋深水承臺的工程環(huán)境及承臺設(shè)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(jié)構(gòu)。圍堰包括壁體、內(nèi)支撐、底板、導(dǎo)向裝置等結(jié)構(gòu)。大型鋼吊箱圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計、圍堰施工承臺、施工墩柱過程中鋼圍堰內(nèi)支撐進行體系轉(zhuǎn)換為施工控制重點。

2 設(shè)計參數(shù)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)

鋼吊箱壁體設(shè)計：內(nèi)、外側(cè)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(nèi)支撐采用φ630×10鋼管。

鋼圍堰底板設(shè)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(jié)構(gòu)尺寸較大，底板中部區(qū)域為受力薄弱點，為滿足受力要求，須在底板中部區(qū)域設(shè)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(jié)構(gòu)，上述材料均采用Q235A。

2.2 計算分析參數(shù)(見表1)

表1 設(shè)計參數(shù)

3 鋼圍堰底板受力分析

鋼圍堰底板通常在吊箱側(cè)板安裝前預(yù)先拼裝，待側(cè)板與側(cè)板、側(cè)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(jīng)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(xù)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(jù)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(dá)到一定強度，與底板、護筒之間形成整體結(jié)構(gòu)，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(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計與受力分析

由于圍堰結(jié)構(gòu)尺寸較大，內(nèi)支撐設(shè)計時不免對后期墩柱施工造成干擾，考慮避開設(shè)計易造成壁體結(jié)構(gòu)浪費，故在后期墩柱施工時增加了內(nèi)支撐體系轉(zhuǎn)換工況，達(dá)到便于設(shè)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(shè)計位置，澆筑封底混凝土達(dá)到強度后，抽水到承臺底即封底混凝土頂標(biāo)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(biāo)高達(dá)到強度后，墩柱開始施工，考慮到墩柱施工與部分內(nèi)支撐沖突，保留中部內(nèi)支撐，拆除墩柱附近位置內(nèi)支撐，改為四角斜撐(見圖5b)。

4.2 計算分析

通過計算，側(cè)板壁板、豎向角鋼、水平桁架角鋼、水平環(huán)肋、隔倉板最大應(yīng)力設(shè)計值如表2所示，可知在工況1中圍堰受力最不利，最大應(yīng)力出現(xiàn)在側(cè)板水平環(huán)肋處，均小于Q235鋼板的強度設(shè)計值215MPa；圍堰整體變形最大值為4.86mm，遠(yuǎn)小于設(shè)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(gòu)件變形受力

5 鋼圍堰整體吊裝下放體系轉(zhuǎn)換分析

大型鋼吊箱圍堰采用浮吊分節(jié)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(xiàn)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(wěn)定。吊箱下放到位后，進行第1次體系轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(shè)定隔倉注水至1.500m標(biāo)高，保證浮吊在高潮位下始終處于受力狀態(tài)，在低潮位下處于掛腿結(jié)構(gòu)的受力范圍。

圖7 掛腿結(jié)構(gòu)

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(dǎo)致圍堰上浮，需設(shè)置抗浮構(gòu)件剛性拉壓桿完成第2次體系轉(zhuǎn)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(dá)到強度后，此時封底混凝土與鋼護筒之間已產(chǎn)生握裹力，進行第3次體系轉(zhuǎn)換，沿鋼護筒周圍設(shè)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(jié)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(tài)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(jié)構(gòu)的安全性(見表3)。

表3 整體下放體系轉(zhuǎn)換工況

6 結(jié)語

1)大型雙壁鋼吊箱底板設(shè)計需根據(jù)結(jié)構(gòu)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(nèi)支撐與墩柱施工需進行協(xié)調(diào)設(shè)計，根據(jù)實際相應(yīng)增加內(nèi)支撐體系轉(zhuǎn)換工況。

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