船閘靠船墩加固維修中鋼筋混凝土套箱的應用

◎ 方雄 江西省贛江船閘通航中心

1.工程概況

某船閘建成于2001年，全閘水工建筑物包括上游引航閘、下游引航橋及閘室。其中引航橋設計長度為300m，按20m間隔設置靠船墩，上部通過T梁連接。靠船墩為重力式漿砌塊石結構，墩體底部為設計厚度100cm的素混凝土擴大基礎，坡腳高度比墩體高120cm；墩身采用棱臺漿砌塊石結構；墩體頂部為設計厚度50cm的素混凝土壓頂，同時設置系船柱。

在長期運行過程中，因遭受水流沖刷，墩身漿砌石結構已經表現出結構性破壞，靠船墩底部塊石部分缺失和淘空，局部區域已經坍塌。為此，船閘管理部門必須及時實施靠船墩加固維修，提升墩體結構抗滑、抗剪穩定性能以及防沖刷、防撞能力。

2.施工方案比選

2.1 鋼圍堰

結合水工建筑物加固維修經驗，在使用鋼圍堰擋水結構時，必須結合結構物實際尺寸展開鋼圍堰預制和加工，過程復雜，造價高；同時需要安排潛水人員進行水下堵漏，對于地形、地質條件復雜的深水區，堵漏效果較難保證，發生涌水事故的可能性大。該船閘靠船墩設置在引航道中，水深在8～10m之間，在航道底土層安裝鋼圍堰后，很容易因來往船舶行波及水流沖擊影響而發生失穩。鋼圍堰預制好后還必須展開組裝、抽水、堵漏和支模澆筑，以上施工環節均需在水上完成，必然會對航道運行造成不利影響；最后，鋼圍堰不作為工程實體，待靠船墩加固維修結束后需要拆除，存在較大浪費。

2.2 無底鋼混套箱

根據該船閘靠船墩體底板承載力以及所在航道運行實際，提出靠船墩抗剪、抗滑及抗傾覆要求。考慮到加固維修期間船閘必須保持航運狀態，故鋼筋混凝土套箱應在陸地預制，養護至設計強度后進行吊裝，并澆筑浸水混凝土，以有效縮短水上施工時間。

鋼筋混凝土套箱既能用作船閘靠船墩下部混凝土圍堰及模板，又能作為水下永久性結構，增強靠船墩防撞性能和耐久性，還能有效避免鋼圍堰方案下水下堵漏技術難題[1]。

2.3 靠船墩維修方案確定

綜合以上分析，該船閘靠船墩加固維修最終選擇無底鋼筋混凝土套箱施工方案。具體而言，將船墩上部T梁吊離，并將常水位以上墩體全部拆除。套箱在陸地預制，并在迎水面增設倒角，通過水上浮吊將預制好的套箱轉運后，安裝于靠船墩底板處，安裝高程按22.8m控制。原墩體水下部分必須鑲嵌于套箱中，同時將預制套箱內徑相應放大，以確保原墩體和套箱構成整體性結構。常水位以上結構使用C25混凝土澆筑；為滿足大型船舶停靠對抗滑抗剪等方面的特殊要求，必須將墩體擴大處理；并在迎水面增設鋼板護面，同時在靠船墩兩側增設倒角。

3.鋼筋混凝土套箱施工

該船閘靠船墩加固維修工程中鋼筋混凝土套箱是工藝主體，膠囊止水是核心技術。施工過程主要以灌注樁鋼護筒為支撐，借助吊裝系統進行混凝土套箱安裝；此后展開水下膠囊止水、抽水焊接、反壓臨時系統及吊架拆除；待體系轉換完成后進行上部防浪鋼套箱安裝，抽水后成為承臺施工平臺；待承臺混凝土澆筑結束后進行溫度及混凝土套箱應力、變形等的檢測。

3.1 套箱預制

為確保鋼筋混凝土套箱順利安裝，并將中心偏差控制在±20mm以內，必須在套箱預制前展開現場樁位、鋼護筒橢圓度、樁豎直度等的實測，根據測試結果確定鋼混套箱底板預留樁孔直徑及平面位置。

待確定好鋼混套箱底板預留孔位后展開套箱安裝施工，同時安裝應力片、傳感器及預埋件。無底鋼筋混凝土套箱為大體積薄壁結構，自重大，預制好后需起吊、運輸、水下安裝，并作為擋水性結構，如果采用普通竹膠板和對拉螺栓模板制安工藝，施工質量較難保證。為此，該工程選用內外整體鋼模板，并通過液壓油缸內支撐+外圍檁加固的工藝代替對拉螺栓[2]的使用，提升套箱預制效率，并保證施工質量。鋼混模板包括內模和外模兩部分，模板平面和立面結構見圖1和圖2。套箱底板預留孔模板組裝成型后分片安裝，并按照先外后內的次序支模，完成后進行混凝土澆筑和養護。

圖1 套箱模板平面（單位：mm）

圖2 套箱模板斷面（單位：mm）

3.2 套箱外模驗算

鋼筋混凝土套箱外模板采用6mm厚、Q235材質的L型鋼模板，因模板高度較大，故僅在模板外圍設置3層鋼圍檁橫向加固，鋼圍檁嚴格按要求設置。外模板和鋼圍檁設計抗彎強度均為215N/mm2，通過10#槽鋼支撐。新澆筑混凝土對模板的標準側壓力為48.66kN/m，混凝土傾倒時標準荷載為6.0kN/m，混凝土振搗時的標準荷載為4.0kN/m。

3.2.1 鋼模板驗算

鋼模板屬于受彎結構，在進行其剛度和抗彎強度計算時，應按照鋼圍檁設計間距，按照外模板上所支撐的2層鋼圍檁上的三跨連續梁展開面板強度計算[3]，公式為：

式中：M為面板最大彎矩計算值（kN·m）；l為計算跨度（mm），取300mm；q為模板上所作用的線荷載（kN/m），其中，新澆筑混凝土設計側壓力q1=48.66kN/m，混凝土傾倒時標準荷載q2=6.0kN/m，混凝土振搗時的標準荷載q3=4.0kN/m，則q=1.2q1+1.4（q2+q3）=1.2×48.66+1.4×（6.0+4.0）=72.39kN/m。經過計算，面板最大彎矩為6.52kN·m。面板承受的應力按下式確定：

式中：σ為面板承受的應力（N/mm2），反應面板實際抗彎強度；M為面板彎矩最大值（k N·m）；W為面板截面抵抗矩，根據面板截面厚度和寬度計算得截面抵抗矩為6000mm3。經計算，面板承受的應力為109N/mm2<面板設計抗彎強度215N/mm2，故面板強度符合要求。

3.2.2 鋼圍檁驗算

模板縱向鋼肋以鋼圍檁為支承點，主要承受均布荷載，結合實際受力情況按照連續梁驗算。該船閘靠船墩加固維修工程中鋼圍檁以20a#槽鋼為主材料，故肋截面慣性矩和肋截面抵抗矩分別取1780.4cm4和178cm3；新澆筑混凝土的側壓力為q1=14.60kN/m，混凝土傾倒時標準荷載q2=1.8kN/m，混凝土振搗時的標準荷載q3=1.2kN/m，則肋截面所作用的線荷載q=1.2q1+1.4（q2+q3）=21.72kN/m。最大彎矩取8.795kN，最大變形取0.663mm，最大應力σ取49.41N/m m2<鋼肋設計抗彎強度2 1 5 N/mm2，故鋼圍檁受力符合要求。

3.3 套箱安裝

為避免鋼混套箱安裝過程中，套箱和鋼護筒邊緣發生碰撞，必須在套箱安裝前在各墩臺鋼護筒上焊接井字形支撐與導帽結構。

3.3.1 套箱定位

鋼混套箱安裝必須使用吊架，該吊架結構由上吊索、下吊桿、框架梁等部分組成。連接吊桿和套箱底板吊點后進行吊桿長度微調，以確保能達到安裝高度要求；此后通過起重船起鉤，展開鋼混套箱安裝。安裝期間，為確保中心位置及頂面高程的準確，必須借助套箱抗浮反壓牛腿系統進行套箱臨時固定，為焊接抗浮剪力體系轉換預留時間。

為避免鋼混套箱發生浮動，必須在鋼護筒上安裝4組反壓牛腿抱箍結構。在對套箱實施反壓處理后，在套箱各角反壓牛腿下的連接托架上設置8個5t水平千斤頂，以調整套箱橫向和水平加固位置，將套箱位置偏差控制在±20mm以內。

3.3.2 膠囊止水

在鋼混套箱底板預留孔內的預留槽中安裝止水膠囊，為保證安裝的牢固性，還應在預留槽上下邊緣處焊接1圈φ14mm圓鋼。在套箱底部膠囊止水的過程中，必須配備空壓機、高壓膠管和壓力檢測裝置。其中，高壓膠管應連接膠囊，并借助吊架從鋼混套箱底板處引至河岸；將4個測試能力為4.0kg/cm2的壓力表安裝在壓力檢測裝置上，起到連接高壓膠管和空壓機進氣管的作用；各套箱膠囊同時充氣，期間進行膠囊充氣壓力檢測。

待完成膠囊止水后應在縫隙內灌注砂漿，并將預留槽內積水抽干，此后便展開鋼混套箱焊接和體系轉換，也就是將套箱抗浮反壓系統及吊架拆除，使鋼混套箱自重從鋼護筒間接承擔轉換為直接承擔。

在混凝土套箱頂部安裝鋼套箱，并借助預埋于套箱頂的圓臺螺母將兩者連接成整體，并使內部形成水密性腔體，為鋼筋綁扎和混凝土澆筑提供干燥的施工環境。同時將泡沫橡膠止水帶設置在套箱底部（圖3），確保止水效果。

圖3 鋼套箱底部水平接縫止水（單位：mm）

4.應用經驗總結

通過對施工過程的分析看出，該船閘靠船墩鋼筋混凝土套箱及水下混凝土使地基承載力增大，因技術方面的限制，無法對原基礎實施加固，故必須通過上部結構的合理設計，避免基礎遭受破壞。該靠船墩墩體上部最終采用扶壁式輕型結構，使套箱自重大大減輕。

承重板主要起到連接上下部結構的作用，如果原墩體結構和新澆筑承重板結合不良，必然形成套箱薄壁承受剪應力過于集中現象[4]。為此，在澆筑承重板前，必須將原墩體相應部位鑿毛處理后適當植筋，確保連接牢固。

此外，鋼筋混凝土套箱體積大，質量重，吊裝施工必須選用扒桿高度大、起重力強的船舶，加上工程所在航道通航壓力大，施工期間無法完全斷航。故吊裝船存在較大的定位難度和安裝精度控制難度，鋼混套箱發生偏位的可能性大；此外，在清理不徹底的情況下，基礎存在塊石或高差，同樣會引發安裝偏位。為此，項目組先通過角鋼制備1個與鋼混套箱同尺寸的框架結構展開試吊裝，結果框架放置較為平穩，表明基礎處理較為徹底；就定位方面，在套箱四角預留拉環，并借助纜繩鉤住拉環后微調，并同時展開觀測，確保定位精準。

5.結論

無底鋼筋混凝土套箱在該船閘工程靠船墩等水工結構加固維修中的應用取得了成功，通過加強混凝土套箱預制、起吊、安裝等施工過程控制，使施工效率顯著提升，也使水上施工時間大幅縮短；施工對航道通航的不利影響降至最低。施工結束后，套箱將作為永久性水工結構發揮效用，可進一步提升靠船墩體抗沖刷、防撞性能和耐久性。該船閘靠船墩結構維修加固任務于2020年初結束，墩體加固后即投入使用，在運行期間發揮出顯著的性能優勢。