潮州外環大橋主墩承臺單壁鋼套箱圍堰設計與施工

陳錦輝

（潮州市交通運輸工程質量監督站，廣東潮州521000）

1 引言

潮州外環大橋主墩9#承臺，采用單壁有底鋼套箱圍堰施工技術，圍堰主要是由底板、側板、圍囹、內支撐和導向架構成的箱形結構，能夠有效地縮短工期，提高質量，安全保障。

2 工程概況

潮州外環大橋位于廣東潮州市韓江河上，河谷斷面呈U字形，河道寬500 m，橋址下游5 km建有供水樞紐，水深6～12 m，潮差0.2～0.5 m，每天漲落潮1次。外環大橋左幅長1 022.6 m，右幅長997.6 m。按一級公路等級兼城市主干路設計，雙向6車道，主橋標準寬度36 m，設計行車速度60 km/h。主橋為85 m+150 m+85 m預應力混凝土連續箱梁，主墩8#、9#均采用水下鉆孔灌注樁接鋼筋混凝土承臺基礎，采用整體式承臺，橫橋向38.25 m，順橋向10.75 m，高4.5 m，采用C35混凝土。承臺底設1.3 m厚的C25水下封底混凝土分2次封底，第1次封底厚1.1 m，第2次0.2 m。

3 主要設計參數

3.1 結構總體尺寸

平面尺寸40 m×12 m,承臺頂標高+11.5 m，承臺底標高+7 m，封底混凝土底標高+5.7 m（封底厚度1.3 m），單壁有底套箱高7.0 m，套箱頂標高+12.7 m，套箱底標高+5.7 m，鋼護筒直徑2.8 m，拼裝平臺設計頂標高+16.5 m。

3.2 氣象水文條件

設計最高水位+11.5 m，設計最低水位+9.1 m，水流流速按1.5 m/s計算，設計風速正常期按25 m/s，臺風期按40 m/s。

3.3 材料性能

主要材料采用Q235鋼、PSB930級精軋鋼、Q235鋼、角焊縫及鋼護筒。Q235鋼彈性模量206 GPa，拉壓彎強度215 MPa，剪切強度125 MPa；PSB930級精軋鋼彈性模量200 GPa，拉壓彎強度770 MPa；角焊縫拉應力、剪應力均為160 MPa，鋼護筒與混凝土的黏結強度150 kPa。

4 單壁鋼套箱圍堰設計

4.1 單壁鋼套箱結構設計

主墩9#承臺鋼套箱圍堰由4個部分組成：底板系統，側板系統，提吊及下放系統，圍囹、內支撐及導向架系統。

4.1.1 底板系統

底板由承重梁、分配梁、面板組成。其中承重梁采用4組2I45a工字鋼，長39.7 m，間距為3.35 m+2.75 m+3.35 m。底板分配梁采用I20a工字鋼，面板采用6 mm厚鋼板，面板開槽采用φ20 mm圓鋼錨筋與分配梁焊接，依次安裝承重梁、分配梁、分塊底板程序拼裝套箱底板。

4.1.2 側板系統

側板由主龍骨、邊龍骨、橫肋及面板組成，側板與側板之間采用螺栓連接。主龍骨采用2[28a槽鋼，長7.0 m，間距1.0 m，邊龍骨采用[28a槽鋼，橫肋采用[10槽鋼，間距0.4 m，面板采用8 mm厚鋼板。側板分為直線段和弧線段，弧線段分為A、B、C的3種類型，直線段分塊寬度3 m，單塊重3 t。

4.1.3 提吊及下放系統

提吊系統由轉換梁、扁擔梁、吊桿、導向架組成，轉換梁及扁擔梁均采用2I36a工字鋼，吊桿采用φ32 mm精軋螺紋鋼。套箱底板通過提吊系統錨固于護筒頂端，每個護筒設置2個錨固吊桿，吊桿采用φ32 mm精扎螺紋鋼。套箱提吊下放時，共設置8個千斤頂下放點。

4.1.4 圍囹、內支撐及導向架系統

套箱側板內側上部設置1道圍囹和1道直線輔助圍囹，套箱內部設置5道內支撐。內支撐采用φ630 mm×8 mm鋼管，長9.85 m，共設置5根。導向架由導向頭、導向槽和連接桿組成，導向頭和導向槽分別采用2[20的槽鋼和I20a工字鋼，連接桿采用2[10槽鋼與護筒相連。

4.2 單壁鋼套箱結構驗算

采用極限應力法，利用Autodesk Robot Structure有限元軟件分析計算，主要驗算鋼套箱結構強度、剛度及穩定性，確保結構受力安全。模型見圖1。

圖1 單壁鋼套箱結構模型示意圖

4.2.1 工況情況

鋼套箱下放，主要驗算提吊系統及套箱底板。水下澆筑封底混凝土，主要驗算提吊系統及套箱底板。

臺風期高水位抽水，主要驗算套箱側板及圍囹以及封底混凝土。第1次澆筑主要用于封底混凝土驗算，承臺混凝土側壓力與套箱外部水壓力相抵消，套箱側板更安全。承臺第2次澆筑無須驗算。

4.2.2 封底板抗彎強度驗算

驗算封底板抗彎強度主要包括以下內容：（1）高水位套箱抽水工況；（2）低水位第1次澆筑承臺工況。

經驗算，封底板混凝土拉應力最大值0.79 MPa，小于C25抗拉強度設計值1.3 MPa，滿足規范要求[1]。

4.2.3 封底板抗浮穩定性驗算

驗算封底板抗浮穩定性主要包括以下內容：

1）高水位套箱抽水工況。封底混凝土與護筒的黏結力計算結果為17 407 kN，護筒數量為12個，護筒直徑為2.8 m，板厚為1.1 m，鋼混黏結強度為150 kPa；套箱底板凈面積321 m2，計算效力荷載為12 454 kN；安全系數1.40＞1.2，滿足要求。

2）低水位第1次澆筑承臺工況。封底混凝土與護筒的黏結力為20 086 kN，護筒數量為12個，護筒直徑為2.8 m，板厚為1.3 m，鋼混黏結強度為150 kPa；套箱底板凈面積為321 m2，計算效力荷載為16 050 kN；安全系數1.25＞1.2，滿足要求。

5 單壁鋼套箱圍堰施工

5.1 鋼套箱加工制作、運輸

鋼套箱由專業廠家嚴格按照規范和設計圖紙尺寸分塊加工制作。加工過程中嚴格控制焊接工藝，并采用3檢1驗制度，加強檢查和監督，及時驗收，確保焊接質量得到保證。運輸采用吊車配合平板車轉運至承臺處就位。

5.2 鋼套箱拼裝及下放

5.2.1 搭設拼裝平臺

拆除承臺區域鉆孔平臺，拔除鋼管樁，利用原鉆孔平臺改造為拼裝平臺。

5.2.2鋼套箱底板安裝

依次安裝承重梁、分配梁、分塊底板，安裝時先將通長承重梁按順序擺放在拼裝平臺上，分配梁依次放置在承重梁上，必要時承重梁和分配梁采用定位裝置，逐塊鋪設鋼套箱底板，分界線須與主龍骨對應。底板分為A、B、C的3種類型，B區加工12塊，C區6塊。底板與護筒間縫隙采用環形止水板+環形砂袋填塞方法進行堵漏，環縫封堵隨套箱一起下放，套箱內外卡板設置在側板龍骨上，內卡板通過槽鋼扣住封底混凝土，防止套箱下滑，外卡板是套箱抽水后防止側板外翹導致的漏水。

5.2.3 鋼套箱側板安裝

側板拼裝順序為從中間向兩邊，側板接縫處填塞橡膠條，底部限位卡板與套箱底板焊接，接縫位置設置1 cm厚止水橡膠板，在輪廓線外側設置三角擋板限制套箱外移。利用吊車配合人工按照先中間后兩邊、兩邊對稱同時安裝的原則逐塊安裝套箱側板并編號。在套箱內側安裝內支架，高度低于側板，利用內支架做工作平臺，側板立模在內支架上臨時加固，起整體性作用。套箱側板與底板連接采用型鋼加筋板錨固，安裝側板螺栓時利用鋼筋提前加工好的包圍式掛梯，側板拼縫處需填充1 cm厚的橡膠條，拼裝時要保證拼縫嚴密，防止拼縫滲水、漏水。安裝套箱側板時，應及時連續記錄近期最低水位，在套箱側板上設置連通孔，保證套箱在封底時內外水頭一致。

5.2.4 安裝提吊及下放系統

依次安裝轉換梁、扁擔梁、吊桿。吊桿穿過轉換梁和承重梁的位置需提前開孔，型鋼側面設置加勁肋。所有轉換梁必須設置在統一標高上，保證所有吊桿均勻受力，應保證轉換梁的焊接質量，并在應力集中的地方做加筋補強。

吊桿在鋼套箱底板安裝后進行安裝，其下端采用墊板和雙螺母，上端通過扁擔梁與轉換梁連接，每根吊桿長度及時記錄并做相應標記，將吊桿下端均旋入下雙螺母，保證吊桿下端伸出螺母15 cm。吊桿布置在所有承重梁和扁擔梁的交叉位置，每根吊桿套1根PVC管，防止吊桿嵌固在封底混凝土之內；PVC套管上端與吊桿固定，塞海綿、纏膠帶及涂滿玻璃膠封堵，抽水過程中逐步拆除吊桿并用木楔子將其封堵防止漏水。吊桿下端螺帽需固定在承重梁上，套箱下放采用液壓同步千斤頂整體下放，千斤頂規格≥50 t。

扁擔梁在護筒支承處設置肋筋。套箱底板通過提吊系統錨固于護筒頂端，每個護筒設置2個錨固吊桿，吊桿采用φ32 mm精扎螺紋鋼。套箱提吊下放時，共設置8個千斤頂下放點。

5.2.5 安裝圍囹、內支撐及下放導向架

套箱側板內側上部設置1道圍囹，距離底板100 cm處設置1道直線輔助圍囹，套箱內部設置5道內支撐，圍囹與側板間采用焊接固定，內支撐與套箱側板進行焊接。

圍囹分為直線圍囹和弧線圍囹，圍囹與側板間每隔3 m設置1道焊縫，防止側板外擴。嚴格控制弧線段的圍囹和側板加工尺寸，并保證焊接質量。

導向架由導向頭、導向槽和連接桿組成，導向頭和導向槽分別采用2[20的槽鋼和I20a工字鋼，連接桿采用2[10槽鋼與護筒相連。鋼護筒上部焊接4個導向架，架體由連接桿和導向頭組成，在導向架對應的側板位置焊接導向槽。

5.2.6 套箱下放

利用液壓千斤頂，將兩側的精軋螺紋管吊住底板下的承重梁把套箱提起，拆除下面臨時拼裝平臺，從護筒內部割斷平臺梁，向兩側抽出，將套箱轉為吊桿受力。下放時，在8個吊桿臨時吊點處設立標高觀測點，同步緩慢整體下放，確保下放時各吊點受力均勻。若觀測發現不同步時，應立即停止下放，并對局部下放點調整一致后方可再次下放，直至將套箱同步下放到位。每下放100 cm檢測套箱側板四角標高及外側板傾斜度，保證套箱側板四角標高一致，外側板不得傾斜。下放安裝到位復測標高、平面位置合格后，將套箱側板頂部固定在主護筒口，避免套箱晃動。

6 結語

對潮州外環大橋主墩鋼套箱圍堰進行模塊化設計，采用了極限應力法有限元軟件分析計算，可簡化現場安裝作業，提高構件的周轉率，確保鋼套箱圍堰結構可靠。目前，大橋主墩鋼圍堰已成功下放并順利完成了封底、抽水和澆筑等工作，取得了良好效果。