感潮段公路橋梁鋼吊箱圍堰設計與施工

■顏永德

（泉州市公路事業發展中心直屬分中心，泉州 362000）

隨著公路橋梁工程施工技術日趨成熟，鋼吊箱圍堰結構在深水基礎施工中被廣泛應用，特別是在受水環境等影響較大的區域。 鋼吊箱的設計、制造及安裝，將很大程度上影響橋梁結構的質量和壽命[1-3]。以泉州大橋主跨為344 m 預應力混凝土變截面箱梁的承臺施工為例，通過有限元軟件對鋼吊箱的受力情況進行模擬，研究單壁鋼吊箱圍堰設計和安裝施工的應用[4-5]。

1 工程概況

泉州大橋全橋共設置五聯，第一聯為（4×32）m 預應力混凝土等高箱梁，第二聯為（34.5+5×55+34.5）m預應力混凝土變截面箱梁，第三、四聯為（2×32+2×33.5）m 預應力混凝土等高箱梁，第五聯為（3×32）m預應力混凝土等高箱梁。 下部結構采用雙柱方墩，鉆孔灌注樁基礎；橋臺采用U 型臺，鉆孔灌注樁基礎。

主橋（34.5+5×55+34.5）m 預應力混凝土變截面箱梁，箱梁斷面采用單箱三室結構，箱梁高按照二次拋物線變化由0#塊3.6 m 漸變至跨中2.0 m。 主橋主墩6#～9# 位于晉江干流水中，其中承臺頂標高為+0.700，底標高為-3.300。本工程橋位所處晉江河道，多年平均高潮位+4.21 m，50 年一遇最高潮位+5.040 m，近年最高洪水位+4.620 m；多年平均低潮位-2.120 m。 水中承臺施工需要采用鋼吊箱圍堰施工輔助。

2 鋼吊箱圍堰結構設計

2.1 鋼吊箱設計

2.1.1 鋼吊箱結構形式選擇

鋼吊箱作為承臺施工時的臨時擋水結構設施和模板結構，在對比單壁和雙壁鋼吊箱結構的優缺點（表1）后，本項目決定采用單壁鋼吊箱圍堰。

表1 鋼吊箱單壁和雙壁結構優缺點比較

2.1.2 鋼吊箱設計參數

鋼吊箱的組成部分包括側板、底板、內支撐、圍檁、連通管、懸吊系統等。 鋼吊箱采用單壁式結構，根據承臺的大小進行平面尺寸設計，同時鋼吊箱兼做承臺的模板。 鋼吊箱高8.5 m，分2 層安裝2 道內支撐設計。面板采用8 mm 厚的鋼板，橫向背楞采用∠140×90×10，局部采用H 型鋼加強；上層豎楞采用H450×200×9×14，下層豎楞采用H600×300×12×20。底模采用“底包側”方案，較平面尺寸寬30 cm，便于側模鋪裝（表2）。 封底混凝土為1.0 m 的C35 水下混凝土。

表2 鋼吊箱設計參數

2.2 有限元建模

鋼吊箱采用MIDAS 整體建模計算， 以不同工況驗算鋼吊箱側板、底板、懸吊系統及內支撐等部分，模型見圖1。

圖1 鋼吊箱圍堰結構有限元模型

2.3 計算內容及工況與荷載組合

荷載種類：鋼吊箱結構自重、封底混凝土自重、靜水壓力、水浮力。

2.3.1 工況一鋼吊箱下放吊點為12 個，荷載組合：鋼吊箱結構自重。 驗算懸吊系統和底板系統，結果見表3。

表3 工況一計算結果

2.3.2 工況二

最低水位時，封底澆筑完成后，混凝土未終凝前澆筑封底時吊箱吊點為28 個，荷載組合：鋼吊箱結構自重+封底混凝土自重+水浮力。 驗算：懸吊系統；底板系統；拼裝平臺牛腿，結果見表4。

表4 工況二計算結果

2.3.3 工況三

最高水位時，鋼吊箱內抽水后澆注承臺混凝土前，荷載組合：最高水位靜水壓力。 驗算：側模系統；內支撐，結果見表5。

表5 工況三計算結果

2.3.4 工況四

封底混凝土成型，抽水。 安裝承臺鋼筋，先澆筑承臺第一層混凝土，厚度為1 m。承臺砼澆注完畢還未初凝，潮水退至設計最低潮，承臺完全靠封底砼與鋼護筒間的摩擦力承重。

根據持續的水文觀察， 2021 年8 月最高潮位+3.300，最低潮位為-2.000。 按照最高潮位水位為+4.000 計算主墩鋼吊箱的抗浮情況，結果見表6。經驗算抗浮安全系數為1.168，在規范要求的范圍內。若按照+3.300 潮位驗算，安全系數在1.292，總體偏安全。

表6 工況四計算結果

2.3.5 工況五

第一次混凝土澆筑完成后，待其達到設計強度后，潮水退至設計最低潮位，澆筑二次混凝土。

與工況四相比較，此工況鋼吊箱各構件應力均不是最大應力，故此工況不為鋼吊箱結構的控制工況。 承臺二次澆筑主要考慮第一次澆筑時混凝土沖切臨界截面的最大剪應力τmax， 以及在承臺原設計下網片鋼筋也可增加沖切承載能力。

3 鋼吊箱施工技術

3.1 鋼吊箱拼裝

鋼吊箱在各個構件安裝完成后，在加工場內試拼驗收，確保尺寸符合設計要求后方可進場。 在加工場內按照現場的安裝環節，從底板到側板再到內支撐的拼裝順序演練（圖2、圖3）。 安裝工藝流程見圖4。

圖2 鋼吊箱試拼環節

圖3 鋼吊箱底模安裝

圖4 鋼吊箱安裝流程

3.2 鋼吊箱定位、下放

為確保鋼吊箱下放后的平面位置和垂直度，在吊箱周圍四角的鋼護筒上分別設置上下兩層限位導向裝置，用以保證鋼吊箱下沉過程中的平面位置，如若下放過程中存在偏差，將通過手拉葫蘆來調整平面位置。 鋼吊箱下放到位后，在低水位時，通過焊接吊箱側壁與鋼護筒來固定平面位置（圖5），防止鋼吊箱因汛期水位漲落或水流力影響而移位。

圖5 定位導向裝置示意圖

鋼吊箱有36 個下放吊耳點，其中采用12 個吊耳點下放，且使用60 t 穿心式千斤頂，在千斤頂下面設置35 cm 高的撐腳。千斤頂布置形式見圖6，其余沒有布置千斤頂的底托梁通過精扎螺紋鋼鎖定在貝雷桁架上，將底板與側模連為整體。 鋼吊箱在下放前，同步頂升千斤頂，將鋼吊箱脫離鋼護筒上焊設的牛腿，同時割除拼裝牛腿，按15 cm 調節每個千斤頂的行程，同步下放千斤頂。

圖6 千斤頂布置點位

3.3 鋼吊箱封底

3.3.1 底板堵漏、鋼護筒和底板清理

在鋼吊箱下放到指定位置后，由潛水員采用厚1 cm、寬15 cm、內徑比鋼護筒外徑大2.5 mm 的2 個半圓弧形夾板，潛入水中堵漏，具體大小根據現場實際情況調整。 封堵夾板安裝完成后，為防止漏漿，在封堵板與鋼護筒之間的小縫隙中塞入細袋裝砂或水泥砂漿。 在封底混凝土澆注前，需徹底清除鋼護筒上的粘結物和銹斑，及底板上的沉積物。

3.3.2 封底混凝土澆注

封底混凝土采用為C35 混凝土， 封底高度為1.0 m，鋼吊箱封底混凝土體積144.74 m3。采用剛性導管和泵送混凝土的方法進行澆筑封底混凝土，結合實際情況，考慮到鋼護筒布置的影響，以每個布料點作用半徑3.5 m 的范圍來布置混凝土導管。 水下導管布置點按照不少于18 個點布置（圖7）。采用儲料斗法來灌注混凝土， 多導管分期分批進行灌注，一次澆注至設計標高。

圖7 水下導管布置示意圖

3.4 鋼吊箱抽水

封底砼強度達到設計要求后，利用水泵進行鋼吊箱抽水施工。 在抽水施工過程中，考慮到圍堰的受力狀況將持續不斷地轉變為最不利狀態，因此當抽水達到支撐設置標高時，須維持水頭差檢查吊箱結構，沒有問題時方可繼續抽水。

3.5 鋼吊箱加固措施

為保證整體的穩定性以及平面位置，鋼吊箱落位后，利用樁基平臺剩余的螺旋和棧橋進行定位加固。 鋼吊箱在下放到位后，可采用20a 槽鋼，在附近螺旋管上上下鎖定3 道。

3.6 鋼吊箱質量驗收

鋼吊箱的設計、加工制造及下放嚴格按照GB/T 51295-2018《鋼圍堰工程技術標準》和JTG/T 3650-2020《公路橋涵施工技術規范》等規范標準執行。 力學指標滿足受力要求，所采用的焊接材料、焊接方法、工藝規程、預處理、焊后處理及檢驗指標等，均滿足規范要求。

4 結論

針對感潮河段橋梁施工的特點，為了實現承臺的無水施工，設計并加工制作了鋼吊箱，利用落潮期間水位較低的時機，安裝鋼吊箱底模，并進行封底，鋼吊箱側模可循環利用。 針對不同的工況，利用有限元軟件對鋼吊箱的受力情況進行建模和分析，對鋼吊箱懸吊系統、底模及支撐等進行了設計和計算。 本項目目前已順利完成部分承臺，相關經驗可為項目后續承臺和其他感潮河段鋼吊箱圍堰的施工提供參考。