深水裸露基巖庫區長大承臺鋼套箱分段組合施工技術*

金仁貴

(中鐵十六局集團第三工程有限公司，浙江 湖州 313000)

0 引言

鋼套箱作為橋梁水中承臺施工的常用方法[1-3]，施工工藝多種多樣，按鋼套箱壁體結構分為單壁鋼套箱和雙壁鋼套箱[4-8]，按套箱安裝下放方法分為整體下放和分片拼裝，按鋼套箱壁體連接形式分為焊接和螺栓連接，根據現場環境和水文地質條件的不同，所采取的方案也有所不同[9-12]。

1 工程概況

本項目石浦大橋4號墩距離東河岸70m，橋墩處水深4～5m，河床有淺層卵石覆蓋層1.0～1.2m；5號墩距離西河岸50m，橋墩處水深5m，該處河床為裸露基巖，傾斜狀，無法插打鋼板樁形成圍堰，且承臺設計為啞鈴形，長度達40.9m，寬7.5m，中部最窄處3.0m，厚度3.5m，設計頂面標高37.5m，如采用整體鋼套箱圍堰，套箱總重將在130t左右，需要較大噸位起重設備，受工地便橋載重影響，一次性起吊鋼套箱的設備無法到達現場，受上下游船閘影響，較大浮吊設備也不能到達，且一次性起吊超長鋼套箱需制作特殊的桁架扁擔，復雜且不經濟。因此采用了大型鋼套箱圍堰分體組合施工技術，將鋼套箱進行分體組合，施工時將鋼套箱劃分為4個節段吊裝，設置2個隔倉板(3個隔倉)，該方法既滿足采用一般吊裝設備進行鋼套箱施工又減輕了封底混凝土施工組織壓力，有效解決了深水裸巖及淺層覆蓋大型鋼套箱圍堰施工問題。

橋墩距離河岸較近，水深相對較淺，經過防洪影響評價并征得當地水務部門同意，采取對橋墩處進行筑島，筑島完成進行樁基礎施工，樁基礎采用“先樁后堰法”施工。鉆孔樁施工完畢，在承臺處反開挖基坑，通過下放鋼套箱圍堰進行后續施工。

2 鋼套箱設計

2.1 鋼套箱結構布置

鋼套箱尺寸為10m(寬)×43.0m(長)×4.5m(高)。面板采用5mm厚鋼板，橫肋為[6.3，間距30cm，豎肋采用[18a，設2根圍檁為2 [25a，第1道圍檁軸線標高為39.000m，第2道圍檁軸線標高為41.700m，內支撐采用φ273×6.5螺旋鋼管。套箱底部采用C30混凝土，厚度1.0m。具體布置如圖1所示。

圖1 鋼套箱示意(單位：cm)

2.2 箱體結構

為了后期拆卸方便，鋼套箱箱體結構采取朝內設計，即面板在圍堰外側面，箱體結構由5mm面板+[6.3水平肋+雙拼[20a豎向背楞組成，面板同水平肋之間采用間隔焊接，水平肋沿豎向以30cm間距布置，豎向背楞沿水平方向布置間距為100cm，如圖2所示。各單元由豎向板塊組拼，豎向又分為兩部分，下部 1.2m 高，上部 3.3m高(后期拆除重復使用)，豎向板塊上下部分之間采用雙拼5mm鋼板，通過雙排螺栓連接板，連接板內夾密封橡膠條用以止水。

圖2 鋼套箱構造示意(單位：cm)

3 結構驗算

鋼套箱位于筑島平臺基坑內，計算時只考慮靜水壓力的影響。在箱內未抽水前，鋼套箱內外水壓平衡，當封底混凝土施工達到強度且抽水完畢后，為最大受力工況。

3.1 面板驗算

取10mm寬面板條作為計算單元，以封底混凝土頂面處受力最大，計算最高水位38.000m(在歷年最高水位的基礎上加0.5m)，則單位寬板承受的荷載為0.4kN/m。

偏于安全考慮，不考慮橫肋板對面板的加強作用，將面板受力狀況簡化為以豎向槽鋼為支點的三跨連續梁，跨徑0.3m。根據《路橋施工計算手冊》進行計算，結果均滿足要求。

3.2 橫肋驗算

橫向背楞布置間距為30cm，以封底混凝土頂面處受力最大，作用在背楞上的荷載寬度取0.3m，則以豎向背楞作為支點，每塊模板寬3.0m，則計算跨徑為0.3m(懸臂)+3×0.8m+0.3m(懸臂)，采用Midas civil軟件進行計算。

經計算，彎曲應力σ=40.5MPa<[σ]=170MPa，滿足要求；剪切應力為τmax=19.5MPa<[τ]=100MPa，滿足要求；懸臂段撓度：fmac=0.1mm<300/250=1.2mm，滿足要求；跨中撓度：fmac=0.2mm<800/250=3.2mm，滿足要求。

3.3 豎肋驗算

豎向背楞受力簡化為以封底混凝土頂面處作為下支點，頂端橫撐作為上支點的簡支梁結構。作用在豎向背楞上的荷載寬度0.8m，水壓力P0為0，P1max=0.8γH2=32kN/m。受力模型如圖3所示。

圖3 鋼套箱受力模型

經計算，彎曲應力：σ=114.2MPa<[σ]=170MPa，滿足要求；剪切應力τmax=19.96MPa<[τ]=100MPa，滿足要求；撓度計算：f=10mm<400/250=16mm，滿足要求。

3.4 圍檁驗算

作用在圍檁上的力為R=21.3kN，簡化為均布荷載為q=21.3/0.8=26.6kN/m。

經計算，彎曲應力：σ=158.2MPa<[σ]=170MPa，滿足要求；剪切應力τmax=19.96MPa<[τ]=100MPa，滿足要求；支撐鋼管軸向應力σ=38.3MPa<[σ]=170MPa，滿足要求。

3.5 封底混凝土抗傾覆驗算

封底混凝土采用C30混凝土，有效計算厚度1.0m，圍堰最大尺寸43.0m×10m，13根樁基，基坑深度取6.0m。鋼與混凝土的粘結力取150kN/m2，混凝土容重取24kN/m3。

計算得：水的浮力P=ρvg=16 856kN，封底混凝土自重G=ρv=29 526kN，封底混凝土與樁基黏聚力：N1=11 021.4kN，封底混凝土與套箱黏聚力：N2=15 900kN。

抗傾覆安全系數K=2.2>1.1，抗浮滿足要求。

4 鋼套箱施工技術

4.1 施工工藝流程

施工工藝流程：施工準備→筑島施工→樁基施工→開挖基坑→拼裝鋼套箱→節段安裝→鋼套箱調至設計位置→箱外穩定箱回填→箱內超挖回填→封底混凝土施工→封閉接頭→混凝土養護→抽水→承臺施工→圍堰拆除。

4.2 鋼圍堰施工

在承臺位置，利用石碴填筑樁基施工場地，滿足樁基施工要求。樁基施工完成，用挖掘機等設備開挖基坑，沉放鋼套箱。將鋼套箱 “化整為零”，鋼套箱在平面上根據結構物形狀、內部結構等情況進行節段劃分，各節段的單元壁板于岸邊加工場地進行加工，在基坑附近組拼成節段，各節段內根據封底混凝土施工組織能力設置隔倉板，節段拼裝完成，按照預定順序吊裝入水，沉放時通過穩箱支腿和回填石碴臨時固定套箱，各節段之間通過接頭裝置進行組合，組合完成后灌注各倉封底混凝土，最后灌注接頭混凝土，待混凝土強度達到要求后，抽水形成圍堰。

4.2.1節段預拼與組合安裝

鋼套箱單元拼裝在墩旁筑島上進行，各節段按照安裝順序進行預拼依次排好，為保持起吊平衡和吊裝時定位精度要求，鋼套箱吊裝采用2臺180t汽車式起重機抬吊，套箱起吊入水后，進行測量定位，施放套箱支腿并將支腿同箱壁焊接臨時穩定套箱，箱體兩側對稱回填石碴，待箱體同石渣之間形成足夠摩擦力，吊裝設備松鉤，后續單元逐次吊裝就位。鋼套箱安裝完畢，測量箱內深度，對超深較多部位回填細粒石料調整高度，直至滿足要求。

鋼套箱各節段單元端頭接頭板和壁板之間必須焊接嚴密，單元上下和左右連接位置，嚴格放置硅膠質防水材料，內外各1道，鋼套箱接頭裝置鋼管縱縫基本寬度為5～8cm，施工時寬度宜寬不宜小，且縫寬要求均勻，上下一致，接頭管和縱縫垂直度偏差控制在0.5%之內，鋼套箱接頭裝置鋼管縱縫之間距離和對應接頭H型鋼之間距離在預拼時要進行測量，寬度誤差需控制在3cm之內。

4.2.2筑島反開挖

基坑反開挖前進行場地平整，測量放樣開挖輪廓，開挖機械采用CAT320挖掘機和長臂挖掘機配合使用，為了保證鋼套箱安裝時能夠滿足要求，開挖深度超出設計圍堰底部0.5～0.8m。

基坑開挖時嚴格按照既定順序進行，宜采用由一端向另一端的順序，先采用普通挖機進行深挖，為了保證基本挖掘深度能夠達到要求，在挖掘機大臂上標注挖深刻度線，用于控制大致深度，由于基坑內有樁基樁頭，樁間空間較小，樁基呈梅花形布置，基坑挖掘時，宜多方向進行挖掘，不能有漏挖，長臂挖掘機用于對初步挖掘后的基坑進行補挖，補挖時需同步進行深度探測。探測時測量人員在小型浮船上用探尺逐點控制一定的超挖深度，以確保鋼套箱安裝時的高度位置能夠到位，控制水下基坑底周邊不小于鋼套箱輪廓外2.0m寬的開挖寬度，以確保鋼套箱安裝時的平面位置能夠到位。

4.2.3鋼套箱下水

首節鋼套箱定位是整個鋼套箱安裝的關鍵，需按照提前放出的縱橫向軸線和高程刻度標線嚴格定位，平面位置和高程偏差不得超過10cm，鋼套箱在接續安裝時可以通過接頭裝置進行縱向距離和方向調整，以彌補前節段鋼套箱安裝的位置偏差。施工時為確保鋼套箱下沉過程中不偏移中線并輔助下沉，在鋼套箱外側接頭管附近設置穩定支腿。穩定支腿由φ273×6鋼管組成，單個穩箱支腿同套箱壁板之間焊接長度不得小于50cm。套箱定位后，采用振動錘在穩定支腿頂部施打，確保下沉到位，必要時借助長臂挖機輔助下沉。套箱下沉到位后，在箱外回填石碴過程中，起重機不得松鉤，回填石碴需兩側對稱進行，隨時觀測套箱位移偏差。

4.2.4鋼套箱封底施工

封底時根據現場混凝土供應能力和設備、人員情況，確定組織封底施工次數，可以連續將3個倉灌注完成，組織單倉灌注，間歇性施工，間隔時間無特殊要求。封底采用單導管水下混凝土，灌注過程中設專人采用探桿探測封底厚度，確保無遺漏和厚度達到設計要求的95%以上，封底混凝土養護時間不得少于3d。

5 注意事項

1)變形觀測

在鋼套箱每個節段設置水平位移和豎向位移觀測點，鋼套箱封底完成，抽水過程中對鋼套箱水平和豎向位移進行觀測，出現異常情況立即停止抽水，分析原因制定處理方案后方可進一步施工。

2)堵漏

由于鋼套箱封底是在水下灌注而成，存在不可預見性，大面積的水下混凝土施工難免有部分角落灌注遺漏，封底厚度灌注偏差較大、接頭板螺栓缺失、壁板焊縫漏水等各種情況發生，漏水點會在抽水過程中逐一顯現，施工中采取二次補封、木塞堵孔、拋灑水泥鋸末拌合粉等措施進行漏水封堵，施工中取得了良好的效果。

6 結語

由于施工現場處于深水庫區，大型吊裝設備難以抵達，因此采用分段拆裝的思路通將承臺鋼套箱進行分體組合，施工時將鋼套箱劃分為4節段吊裝，設置2個隔倉板(3個隔倉)，該方法既滿足采用一般吊裝設備進行鋼套箱施工要求又減輕了封底混凝土施工組織壓力，且適用于近岸裸巖河床水域不嵌巖承臺大型鋼圍堰施工，大大降低施工對吊裝設備、運輸條件、場地布置的要求，同時材料重復利用率高，節約成本。