橋梁承臺吊箱柔性止水技術與改進

張軍樂

(中國土木工程集團有限公司 北京 100038)

1 引言

膠囊柔性止水工藝是通過安裝在吊箱底板與樁基護筒之間的橡膠膠囊膨脹后產生握裹力，實現樁基與承臺吊箱圍堰止水目的。目前，膠囊柔性止水技術有兩種結構:整體式和分離式。雖然其具有施工污染少、施工周期短等特點，但該止水工藝在實施過程中仍然存在較多技術難題。莊紀文[1]、姜言泉等[2]提出過高的充水壓力會使止水膠囊破裂；陳貴田等[3]提出承臺吊箱安放過程中止水膠囊會被鋼護筒擠破或擠出預留安裝槽，造成止水失敗；楊斌財[4]提出整體式止水系統對鋼管樁在平面位置及垂直度要求較高，承臺與鋼管樁間隙相差較大時膠囊充氣后局部出現褶皺，止水效果較差；景強等[5]提出分離式膠囊柔性止水施工步驟繁瑣、止水施工風險大。

本文結合坦桑尼亞馬古富力大橋項目，由于該橋位于維多利亞湖區，施工時環水保要求高，對其水中承臺吊箱施工采用的柔性止水技術進行了研究，并提出了優化、改進措施，可為同類橋梁水中承臺建設提供借鑒。

2 工程概況

馬古富力大橋項目位于坦桑尼亞維多利亞湖區，為三塔雙索面矮塔斜拉橋，全長3 km。兩端引橋2.48 km，采用 ?1.6 m鉆孔樁基720根(樁長11.0～55.5 m)，引橋矩形承臺62個(尺寸25.5 m×7.5 m×3 m)；主橋520 m(100 m＋160 m＋160 m＋100 m)，采用?2.6 m鉆孔樁基84根(樁長46～66 m)，邊跨矩形承臺尺寸27.5 m×20 m×3.5 m，主跨大型矩形承臺35 m×27 m×4 m。

根據水文地質情況及湖區大型水運設備進場受限等因素，選用了鋼砼組合吊箱為水中承臺施工方案，吊箱側板為鋼模板，吊箱底板為無封底混凝土底板。

該項目所在湖區是當地居民的飲用水源，政府對水質保護要求非常高，有嚴格的水資源保護法律。根據水文環境條件及施工工況，考慮到降低施工對水資源環境污染等因素，水中承臺吊箱施工中底板與樁基護筒大孔徑縫隙選用環保、施工周期短的膠囊柔性止水技術。

3 柔性止水結構與計算分析

3.1 整體式柔性止水結構與施工工藝

整體式膠囊柔性止水是將止水膠囊安裝在承臺吊箱底板預留凹槽中，與底板形成一個整體，見圖1。施工工藝:(1)制作預留止水膠囊凹槽的無封底承臺吊箱底板；(2)安裝止水膠囊；(3)給止水膠囊充水膨脹止水；(4)承臺吊箱內抽水；(5)確保吊箱干施工環境[6-7]。

圖1 整體式柔性止水結構

3.2 分離式柔性止水結構與施工工藝

分離式柔性止水工藝由膠囊混凝土環形托盤(見圖2)、止水膠囊、張拉收緊裝置、頂面GINA止水帶等構成[8]，見圖3。施工工藝:(1)預制膠囊混凝土環形托盤，其中預留膠囊安裝槽及膠囊充氣管路；(2)將膠囊安裝在環形托盤預留槽中；(3)止水膠囊環形托盤頂部安裝GINA止水帶；(4)托盤下放至設計標高，托盤頂部距離承臺底板10～20 cm；(5)承臺下放；(6)將托盤吊裝鋼絞線提拉，壓縮GINA止水帶；(7)完成托盤與承臺底部止水；(8)給膠囊充氣膨脹與樁基護筒貼合產生握裹力，完成豎向止水[9-10]。

圖2 分離式膠囊混凝土環形托盤結構

圖3 分離式膠囊柔性止水構造

3.3 兩種柔性止水結構對比分析

整體式膠囊柔性止水工藝具有結構簡單、操作便捷、施工周期短等優點，但膠囊充氣管及底板預埋充氣管道在施工作業時易破壞承臺底板混凝土質量，且承臺底板下放時出現膠囊被擠破等現象，增加止水施工難度。

分離式膠囊柔性止水工藝中的膠囊混凝土環形托盤是在吊箱底板下放前就位，對樁基護筒與吊箱底板預留孔間隙均勻度要求低、下放時無需考慮充氣管道受損難題，但其結構非常復雜、施工工序繁瑣、增加了施工周期。

綜合上述分析并結合項目特點，本項目決定采用結構簡單、工序簡捷的整體式柔性止水結構進行施工。

3.4 理論計算分析

依據馬古富力大橋承臺施工工況，對止水膠囊進行理論計算分析。止水作業最大水深5 m，壓強為0.05 MPa，結合膠囊理想止水效果為水深17 m的特性，安全系數取4.0，內部氣壓按照0.5 MPa計算，止水膠囊張拉力:

膠囊中的復合簾子布主要是加勁作用，彈性不大，膠囊尺寸為高340 mm、寬84 mm，對膠囊最大膨脹率進行有限元仿真分析:當充滿0.5 MPa氣壓后，膠囊橡膠材料膨脹率最大值為7.915，測定出膠囊膨脹極限為166 mm，膠囊與兩側接觸面最大膨脹后能夠滿足該極限充氣壓力(見圖4)，此時正好滿足止水要求。

圖4 充0.5 MPa氣壓時膠囊膨脹狀態及與接觸面壓力變化

4 止水試驗與技術改進

4.1 止水試驗

4.1.1 試驗目的

根據水中承臺吊箱底板與樁基護筒之間止水要求，對整體式結構膠囊的承載力、漂浮力、止水效果及內損值的發展變化情況進行測定，要求膠囊滿足承載4～5 m水深，膠囊壓力達到0.5 MPa持續48 h以上膠囊無損。其次，針對膠囊充氣膨脹極限、膠囊充氣口尺寸及位置、護筒與承臺底板間隙均勻度及充氣管道受損等情況，通過此次試驗解決這些問題。

4.1.2 試驗材料

止水膠囊采用高強度橡膠復合材料和具有一定收縮能力的復合簾子布整體硫化成型，膠囊材料性能指標見表1。

表1 膠囊材料性能指標

4.1.3 試驗試件制作及安裝

試件制作:(1)C35混凝土預制鋼筋砼吊箱底板，尺寸4 m×4 m×0.3 m(長×寬×厚)；(2)底板預埋?2.6 m鋼護筒作為圍堰；(3)安裝?1.6 m鋼護筒，控制傾斜度≤1/200；(4)貝雷梁制作為吊箱底板支架，高度1.5 m，試驗構造見圖5所示。

圖5 試驗構造

試件安裝:(1)插打固定?1.6 m鋼護筒；(2)鋼護筒周圍安裝貝雷梁作為吊箱底板的支架；(3)底板與鋼管樁之間間隙誤差控制在0.15 m；(4)焊接加長5 m ?2.6 m鋼護筒圍水外壁，使其高度與?1.6 m鋼護筒相同；(5)將止水膠囊套放在?1.6 m鋼護筒，安裝到底板凹槽里。

4.1.4 試驗過程

先注水0.5 m，觀察止水膠囊與?1.6 m鋼管樁之間是否有滲水以及止水膠囊與吊箱底板是否有滲水現象發生。

(1)第1次試驗。注水后，止水膠囊與底板有3處滲水情況發生。原因分析:①膠囊充氣口與底板預留充氣孔在0.3 m厚底板中心比較薄的位置，充氣作業時，破壞了底板混凝土層，出現漏水；②膠囊與底板凹槽不密貼發生漏水。

(2)第2次試驗。在修補了底板預留充氣孔以及在充氣作業時加了軟管輔助充氣后，進行第2次試驗。注水后，在充氣口位置仍有少量滲水現象。原因分析:膠囊充氣口直徑粗大；充氣口位置在0.3 m厚的底板中心位置，增加充氣操作難度，破壞了底板混凝土質量。

(3)第3次試驗。在提升了膠囊充氣口位置并對充氣口進行改裝后，進行第3次注水試驗。在注水0.5 m時，無滲水漏水現象發生，繼續注水至4.5 m，經過48 h觀察，無任何滲水漏水。

4.1.5 試驗結果分析

(1)試驗完成后，將取出的試驗膠囊進行充氣，無任何漏氣，外表無損傷，能夠滿足施工所需的承載力，沒有漂浮現象，止水效果好，無明顯內損，符合止水施工各項要求。

(2)膠囊充氣口位于膠囊側面中心位置，充氣口直徑大、粗厚笨拙，底板預留孔較大，破壞底板混凝土質量。

(3)對吊箱底板膠囊凹槽混凝土表面平整度要求較高。

(4)膠囊作業面對底板預留槽位置和角度要求較高，充氣過于猛烈使膠囊膨脹速度加快，易破壞膠囊及底板混凝土表面。

4.2 止水施工技術優化及止水膠囊改進措施

根據對既有兩種柔性止水工藝分析，結合坦桑尼亞馬古富力大橋項目承臺止水有限元分析及止水試驗，對止水施工技術及橡膠膠囊進行了改進及優化，具體措施如下:

(1)膠囊充氣口優化。將膠囊充氣口位置上調至頂部斜上方，直接從吊箱底板與樁基護筒之間間隙內對接充氣軟管，解決了膠囊充氣預留孔對底板混凝土質量損壞難題；將充氣口直徑由原3.0 cm改為1.2 cm，膠囊就位安放和充氣更加便捷；優化后的膠囊充氣口已獲專利[11]，見圖6。

圖6 優化后的膠囊充氣口

(2)吊箱底板由預制改為現場澆筑，可更好地確保吊箱底板與樁基護筒間距均勻度，有效防止膠囊被擠破或擠出。

(3)及時清除鋼護筒表面焊渣等異物，避免吊箱底板下放時刮傷膠囊，對少量作業在護筒豎向及橫向焊接面進行打磨，焊接凹面注膠填平，可增強握裹力。

(4)增加膠囊外層橡膠層厚度，防止被尖銳物質刮傷膠囊外層。將膠囊設計為多層橡膠外層，提高膠囊整體質量。改進后止水工藝結構(見圖7)已獲專利[12]。

圖7 改進后止水工藝結構

5 結語

目前該橋已完成主墩承臺吊箱施工，采用改進的柔性止水專利技術，止水效果良好。實踐表明:

(1)利用有限元對膠囊膨脹極限、充氣壓力及水深壓力等進行仿真分析，確定膠囊膨脹極限，解決了膠囊充氣后易破裂的難題。

(2)吊箱底板現場澆筑確保了吊箱底板與樁基護筒間距均勻度，避免了膠囊被擠壓變形的問題。

(3)膠囊的充氣口位置及尺寸的改進，不但解決了預留充氣孔破壞底板混凝土質量的問題，而且使充氣作業更加簡捷，節省了施工時間。

(4)隨著柔性止水工藝逐漸被認可及廣泛應用，更加簡易的止水結構、可循環使用的止水膠囊都將是今后深入研究的課題。