某國輕軌跨海橋深海高樁承臺鋼吊箱圍堰設計與施工技術研究

王偉明

（中國土木工程集團有限公司，北京 100038）

1 工程概況

某國輕軌項目地處該國最大城市，項目線路全長28 km，其中，高架橋長8.1 km，設11座車站。跨海橋橫跨Lagoon湖入海口位置，橋跨結構為30 m×3+40 m×1+60 m×5+40 m×1+30 m×2簡支連續梁橋，全長530 m，墩號為104號～114號，樁基總數為130根，設計樁長為52～80 m。其中，深水區380 m，設計為連續剛構形式，其余為簡支梁形式。地下有淤泥質黏土、粉質黏土、粉土、中砂、細砂，樁基為摩擦樁，樁底通常到達的持力層為中砂。設計樁徑1.5 m，樁間距3.5～4.5 m，梅花形排布，承臺頂標高+3.465 m，承臺底標高-1.035 m，高樁承臺采用海上鋼吊箱圍堰施工。本文主要闡述108號承臺鋼吊箱設計及施工。

2 鋼吊箱圍堰設計及計算

2.1 鋼吊箱圍堰設計參數

鋼吊箱頂標高+3.500 m，鋼吊箱底標高-3.006 m，承臺頂標高+3.465 m，承臺底標高-1.035 m，最大流速2 m/s，平均風速28 m/s，瞬時風速33 m/s，低潮位水面標高+0.55 m，高潮位水位標高+1.5 m，最大潮差1.5 m，最大浪高：建筑物所在處波高H＝1 m，波長L＝15 m，周期T=3 s，護筒與封底混凝土間的黏結力f=120 kN/m2，封底混凝土C30。

2.2 荷載及主要工況

2.2.1 計算荷載

1）風荷載。根據JTS 144-1—2010《港口工程荷載規范》：

式中，ωk為風荷載標準值，kPa；μs為風荷載體型系數，取1.4；μz為風壓高度變化系數，按距水面15 m，吊裝時取1.52；ω0為基本風壓，根據JTS 144-1—2010《港口工程荷載規范》11.0.2條規定，當風速為28 m/s時，取0.49 kPa。計算得ωk為1.043 kPa。

2）流水壓力。根據式（2）計算：

式中，Fw為流水壓力標準值，kN；K為水流阻力系數，取1.33；A為計算構件在與流向垂直平面上的投影面積，取1 m2；γ為水的重力密度，取10.25 kN/m3；V為水流設計流速，取2 m/s；g為重力加速度，取9.8 m/s2。代入數據得Fw=2.8 kPa。

3）波浪壓力。根據JTS 145—2015《港口與航道水文規范》進行計算：

（1）高水位時，水深d按4.506 m考慮。H/L=1/15，＞1/30；且d/L=4.506/15=0.3，0.2＜d/L＜0.5。

靜水面以上高度H=1 m處的波浪壓力強度為零，靜水面處的波浪壓力Ps=γH=10.3 kPa，靜水面以上破浪壓力強度按照直線分布，靜水面以下深度z=4.506 m處的波浪壓力為3.0 kPa，另外考慮波峰浮托力和波谷波吸力影響。

（2）低水位時，水深d按3.556 m考慮。H/L=1/15，＞1/30，且d/L=3.556/15=0.24，0.2＜d/L＜0.5。

靜水面以上高度H=1 m處的波浪壓力強度為零，靜水面處的波浪壓力Ps=γH=10.3 kPa，靜水面以上破浪壓力強度按照直線分布，靜水面以下深度z=3.556 m處的波浪壓力為4.4 kPa，另外考慮波峰浮托力和波谷波吸力影響。

4）靜水壓力。

（1）高水位時，水深h取4.506 m：

（2）低水位，水深h取3.556 m：

2.2.2 計算工況

鋼吊箱施工時，受力體系會經過兩次轉換。計算工況有：

1）鋼吊箱起吊及下放過程。考慮吊箱剛吊起及下放過程工況，荷載主要為自重。驗算吊點及結構整體強度。

2）澆筑封底混凝土。按低潮位澆筑封底混凝土工況，驗算底板、吊桿受力。

3）抽水澆筑第一層承臺混凝土。考慮低潮位澆筑第一層承臺混凝土，驗算防落吊桿受力。

4）澆筑第二層承臺混凝土。第一層承臺混凝土達到設計強度后考慮低潮位澆筑第二層封底混凝土，驗算吊箱受力。

2.3 鋼吊箱結構概述

鋼吊箱圍堰采用提前預制，現場拼裝的形式進行組裝，鋼材采用Q235 B，螺栓采用4.8級普通螺栓。

1）底板。鋼吊箱底板采用厚度δ=6 mm鋼板，底板加勁肋采用Ⅰ12.6型鋼。主梁采用H400 mm×200 mm×8 mm×13 mm型鋼。

2）壁體。鋼吊箱壁板采用厚度δ=6 mm鋼板。豎向支撐加勁肋采用H400 mm×200 mm×8 mm×13 mm型鋼，布置位置與內支撐鋼管相對應。同時，水平加勁肋采用Ⅰ12.6型鋼，位于壁板分塊焊縫處采用2-[12.6拼接，螺栓連接。此外，在圍堰內外側水平方向上布置1道雙圍檁，均采用2-H400 mm×200 mm×8 mm×13 mm，內支撐也采用相同截面。

3）懸掛系統。鋼吊箱吊掛系統由十字吊架、千斤頂、錨墊板、精軋螺紋鋼筋、螺帽組成；十字梁吊架采用2-H450 mm×125 mm×12 mm×16 mm型鋼，吊孔處設置12mm厚加勁肋，錨墊板厚度為12 mm，吊桿采用φ32 mm精軋螺紋鋼，承載力允許值為[R]=500 kN。

鋼吊箱下放到設計標高后，每根鋼護筒上設置4根[14b槽鋼組焊件拉壓桿。鋼吊箱結構如圖1所示。

圖1 鋼吊箱結構圖（單位：mm）

2.4 鋼吊箱結構受力驗算

2.4.1 鋼吊箱吊裝

鋼吊箱重量G=1 276.51 kN，分布在四壁周邊，周長L′=2×（15.7+13.2）=57.8 m。因此，均布荷載為q=G/L′=22.0 kN/m，取動力系數k=1.2。除中間2根護筒外，在其余12根護筒頂部安裝十字吊架，每根護筒4個吊點，共48個吊點。最大吊點反力R=193.6 kN，吊桿采用φ32 mm精軋螺紋鋼，承載力允許值為[R]=500 kN，吊桿滿足要求。

底板主梁最大組合應力為σ=74.9 MPa＜[σ]=140 MPa，滿足要求。

護筒頂十字梁檢算：最大彎應力為27.7 MPa＜140 MPa，滿足要求；最大剪應力為31.5 MPa＜85 MPa，滿足要求。

2.4.2 澆筑封底混凝土

考慮低潮位澆筑封底混凝土，封底混凝土荷載為36 kN/m2，波吸力最大值為4.4k N/m2，圍堰自重線荷載為22.1 kN/m。

1）吊點反力最大值為280.8 kN。

2）鋼護筒承擔的最大反力為730.1 kN，滿足要求。底板主梁最大組合應力為123.4 MPa＜140 MPa，滿足要求。

3）底板主梁最大剪應力為31.8 MPa＜85 MPa，滿足要求。

2.4.3 澆筑承臺第一層混凝土

考慮低潮位澆筑承臺第一層混凝土時的工況。

1）單根鋼管黏結力1 017 kN，總黏結力為14 238 kN，混凝土自重為封底混凝土+第一層承臺混凝土，即16 126 kN。

2）波峰作用時，向上浮托力456 kN，向上浮力7 929 kN，向上力合計8 385 kN，向下合力為混凝土重量+圍堰自重，即17 402 kN，向上合力為浮托力+浮力+黏結力，即22 623 kN。22 623/17 402=1.3，抗浮≥1.3，滿足要求。

3）波谷作用時，向下波吸力456 kN，向上浮力7 929 kN，鋼管總黏結力14 238 kN，向上力合計為21 711 kN，向下力合計：混凝土及結構自重17 402 kN，21 711/17 402=1.25，抗浮＜1.3，不滿足要求。

以上計算表明：在澆筑承臺混凝土時，抗浮系數不滿足要求，必須設置抗落措施，因此，采用2×[14 b作為防落吊桿，每根護筒設置4根，共設置56根，可以滿足使用要求。

4）護筒頂十字梁。組合應力為99.8 MPa＜140 MPa，滿足要求。剪應力為27.8 MPa＜85 MPa，滿足要求。

5）側模豎肋受力檢算。彎曲應力為74.2 MPa＜140 MPa，滿足要求。剪應力為39.2 MPa＜85 MPa，滿足要求。

6）圍檁及支撐。彎曲應力為19.3 MPa＜140 MPa，滿足要求。剪應力為4.5 MPa＜85 MPa，滿足要求。

通過驗算得知，鋼吊箱圍堰的受力符合要求。

3 鋼吊箱圍堰施工技術

1）底模板安裝。模板分塊預制好后，實施試拼裝，并根據安裝順序編號，再運到現場。鋼護筒接長后，開孔位放置挑梁，底模依靠護筒穿出的挑梁進行支撐，完成拼接。然后護筒頂部安裝十字梁，吊筋采用φ32 mm特制的螺紋鋼筋，吊筋與吊筋之間采用鋼套筒進行連接。

2）側模及拉壓桿安裝。鋼吊箱的側模分為兩層，底層側模和底模為一次性模板，由于承臺混凝土澆筑完成以后，底模和第一層側模模板位于海平面以下，無法取出。側模頂層為循環模板，待混凝土凝固以后，可以拆除，循環利用。模板接縫處用橡膠墊進行壓實，防止鋼吊箱漏水。鋼吊箱拼裝完成之后，安裝鋼吊箱內外圍檁及支撐，安裝鋼吊箱水平定位導向構件，定位導向構件固定端焊接在內圍檁和支撐上，定位構件活動端臨近護筒外側，在每個護筒周圍設置4個斜撐桿。

3）鋼吊箱下放到位。利用十字梁頂部千斤頂將鋼吊箱進行下放，每次下放10 cm，直至達到承臺標高位置，精確調平后將護筒周圍的4個斜撐桿與護筒焊接。靠近鋼護筒的鋼吊箱邊模利用工字鋼梁與鋼護筒進行加固，防止由于海水沖擊造成鋼吊箱的晃動[1]。澆筑封底混凝土前，需要潛水員進行人工檢查，并在護筒周圍放置沙袋，以保證鋼吊箱與護筒密封完好。

4）封底混凝土澆筑。封底混凝土流動性必須滿足設計要求，采用水下混凝土澆筑，混凝土憑借自重及自身流動性水平均勻分攤開，達到封底的目的[2]。封底混凝土厚度為1.5 m。

5）綁扎鋼筋澆筑承臺混凝土。封底混凝土達到設計強度后，進行找平，將拉壓桿和鋼護筒底部焊接，拆除鋼吊箱吊筋，完成第一次受力體系轉換。

切除混凝土面以上鋼護筒，承臺鋼筋綁扎時，承臺內部預埋鋼管，防止大體積混凝土凝固過程中產生大量的水化熱，混凝土凝結過程中，通過鋼管循環通水來降低承臺內外溫差。承臺第一層混凝土達到設計強度后，完成第二次受力體系轉換，接著澆筑第二層混凝土。

4 結語

鋼吊箱圍堰用于橋梁水中承臺施工，在國內應用比較廣泛，技術也相對成熟，但在建筑市場資源匱乏的某國首次進行運用。某國輕軌跨海橋鋼吊箱圍堰施工基于施工現場實際情況，對鋼吊箱結構進行設計、建模計算，對施工工藝進行研究，最后成功實施，為國內外鋼吊箱圍堰施工提供了參考。