吊船灣大橋承臺單壁鋼套箱圍堰設計與施工

夏海賓, 楊余青, 沈曉莉

(1.湖杭鐵路有限公司, 浙江杭州 311100; 2.金華市交通規劃設計院有限公司, 浙江金華 321000; 3. 浙江理工大學建筑工程學院, 浙江杭州 310018)

[通信作者]沈曉莉(1998—),女,碩士,從事道路與橋梁研究工作。

0 引言

鋼套箱圍堰是現廣泛應用于橋梁深水基礎施工的臨時擋水結構[1-3]。鋼套箱圍堰主要由壁板和內支撐組成,壁板一般由鋼板制作成,必要時用混凝土封底,阻擋箱外的水和土,形成施工空間[4-5]。根據建筑物的實際情況,可將鋼套箱圍堰設置為長方形、圓形及其他特殊形狀,其構造形式有單壁、雙壁及單雙壁組合式[6]。目前,鋼套箱圍堰在橋梁高樁承臺的施工過程中被廣泛應用,眾多學者研究總結出了多種鋼套箱圍堰施工技術[7-8],但是不同工程實際情況差異較大,需要通過有限元軟件對鋼圍堰結構進行力學分析[9],幫助指導鋼圍堰結構的設計和施工。

1 工程概況

浙江省樂清灣大橋及接線工程起于溫嶺市城南,止于樂清市南塘,全長約38 km,是沈海國家高速公路浙江段(甬臺溫高速公路)的輔助線路。其中吊船灣跨海大橋為本工程01標的控制性工程,該橋位于吊船灣海域,左右幅分離設計,左、右線橋梁各長1 557 m,橋梁孔跨布置均[3×(5×50)+4×(4×50)]m,橋梁位于半徑4 000 m圓曲線上。

吊船灣海域屬強潮海灣,是以涌浪為主的混合浪區,平均潮差4 m以上,施工最高潮位高程為+3 m。大橋承臺均采用分離式矩形承臺,左右幅2#～18#承臺均為高樁承臺,采用φ1.5 m鉆孔灌注樁,橋墩為花瓶墩。承臺尺寸及高程如表1所示。

表1 承臺尺寸和高程 單位:m

2 方案比選及確定

吊船灣海域內承臺為水中承臺,根據以往施工經驗,可采用鋼套箱圍堰及拉森Ⅳ型鋼板樁圍堰2種圍護形式進行承臺施工。充分考慮承臺施工的工程特點和施工環境,對2個方案的優缺點進行詳細比選。

2.1 鋼套箱圍堰

(1)對特殊工種要求較低。

(2)鋼套箱止水效果較拉森鋼板樁好。

(3)在河床以上開展作業,有效避免復雜地層不確定因素的干擾。

(4)鋼套箱加工周期長,加工要求高。

2.2 拉森Ⅳ型鋼板樁圍堰

(1)涉及到水上高空特種作業,安全隱患較大。

(2)吊船灣海域地層復雜,采用拉森鋼板樁插打不可預見的安全因素較多。

(3)封底混凝土凝固時間較長,施工受潮汐及外部環境因素制約多。

(4)設備租賃,打拔以及需要單獨制作承臺模板,費用較高。

(5)工序簡單,打拔順利,周期短。

綜合比較,吊船灣大橋水中承臺鋼套箱施工,技術可行,安全可靠,成本較低,能滿足工期要求,擬選鋼套箱圍堰作為承臺的施工方案,鋼套箱圍堰立面布置如圖1所示。

圖1 鋼套箱圍堰立面布置(單位:mm)

3 鋼套箱設計

吊船灣跨海大橋承臺圍堰結構形式采用單壁鋼套箱,圍堰主體結構由側板、懸吊體系、導向定位系統及防護結構組成。

3.1 套箱側板

側板主要承受水平荷載,采用單壁結構。根據承臺尺寸,將側板分為橫橋向(A板)和縱橋向(B板)2個類型。橫橋向側板平面尺寸為7.536 m×5 m,縱橋向側板平面尺寸為6.7 m×5 m,內凈尺寸與承臺尺寸7.4 m×6.7 m一致。

每塊側板從內至外由面板、橫肋、豎肋、背杠組成。面板采用δ=5 mm鋼板制作,橫肋采用長度為0.5 m的∠100×63×8角鋼,沿高度方向間距30 cm布置。豎肋采用長度為4.988 m的I16a型鋼,沿水平方向按中心間距50 cm布置。水平背杠采用2[25a槽鋼,單根長度分別為:A板7.412 m,B板6.7 m,中心間距從下至上分別為(0.8+2×0.6+0.9) m,沿模板高度方向布置。背杠上設角拉桿座,角拉桿座采用長度為20 cm的∠125×12等邊角鋼,與背杠接觸位置滿焊連接,角鋼上割直徑φ3 cm孔用于穿角拉桿,套箱角拉桿采用φ25 mm精軋螺紋鋼。

3.2 懸吊體系

套箱懸吊系統由鋼護筒、扁擔梁、倒鏈組成。鋼護筒采用既有鉆孔樁鋼護筒,上開凹槽放置扁擔梁,凹槽位置下方采用鋼板或型鋼幫焊加勁。扁擔梁采用2I36a型鋼,沿順橋向布置2道,扁擔梁下掛10t捯鏈(圖2)。

圖2 鋼套箱圍堰懸吊體系(單位:mm)

3.3 導向定位系統

在既有鉆孔樁鋼護筒上焊接上口定位支撐型鋼和臨時承重牛腿,上口定位支撐型鋼和臨時承重牛腿均采用I32a工字鋼,單根牛腿長度75 cm,臨時承重牛腿在鋼套箱拼裝時同上口定位支撐型鋼一同作為定位結構。

3.4 防護結構設計

套箱頂口設置作業平臺,臨邊設置作業防護欄桿,欄桿采用φ48×3.5 mm鋼管,立柱高度1 m,間距1 m布置,設置上、中兩道水平桿,水平桿間距0.6 m,欄桿上掛設密目安全網,底部設置踢腳板,用厚6 mm,寬度10 cm鋼板。

4 鋼套箱有限元分析

根據鋼套箱構造,采用Madas Civil 2015建立有限元模型(圖3),計算分析工況一最高潮水位時套箱內未澆筑混凝土及工況二最低潮水位時套箱內混凝土澆筑完成且未初凝兩種最不利工況下結構的安全性。工況一荷載組合為水壓力+風壓力,合力為28.38 kPa,工況二荷載組合為混凝土側壓力+振搗水平力,合力為32.78 kPa。通過有限元容許應力法計算,套箱鋼面板、圍囹、橫肋、豎肋、背杠撓度均小于[f]=l/500,內部應力均小于許用應力[σ]=145 MPa,鋼套箱結構滿足施工需要,安全可靠[10]。

圖3 鋼套箱有限元模型

5 鋼套箱拼裝及沉放施工

鋼套箱拼裝及施工沉放工藝流程為:套箱底口河床面找平—焊接臨時承重牛腿—套箱懸吊體系安裝—套箱側板定位、組拼—鋼套箱下沉—封底混凝土施工—懸吊體系拆除、鋼護筒割除—樁頭混凝土鑿除、安裝套箱內支撐體系—承臺鋼筋綁扎、墩身鋼筋預埋—承臺混凝土澆筑—承臺鋼套箱拆除。其中套箱組拼安裝以及鋼套箱下沉和內支撐體系的安裝是本工程的關鍵工序。

5.1 鋼套箱側板組拼安裝

鋼套箱試拼檢查完畢以后,將鋼套箱側板分塊運輸至作業平臺上,采用25 t履帶吊、人工配合進行組裝,組裝作業選在每日退潮以后進行。

(1)依據臨時承重牛腿上的承臺輪廓線,在河床面上調整套箱底口平面位置。待套箱底口內壁與承臺邊線對齊后,在臨時承重牛腿上安裝千斤頂頂住套箱底口內壁,套箱模板上口靠住鋼護筒上口支撐,懸吊捯鏈掛住套箱吊耳并拉動捯鏈使捯鏈受力,松開汽車吊吊鉤完成鋼套箱模板的受力轉換。

(2)安裝與之相鄰的套箱側板,分塊側板間采用M18×60 mm螺栓通過豎向法蘭鋼板連接,在側板與側板拼縫間設置橡膠止水帶以防漏水,止水帶采用兩側膨脹橡膠中間夾一層硬橡膠板的形式。

(3)套箱側板組拼完畢后,復測側板軸線、標高及平面尺寸,如平面位置有誤,通過臨時承重牛腿上千斤頂調整側板平面位置。套箱圍堰安裝位置準確無誤后,通過設置在側板上的角拉桿座,采用φ25 mm精軋螺紋鋼相連將套箱加固成整體。

5.2 鋼套箱下沉

鋼套箱組拼完畢且平面位置及標高無誤后,將鋼套箱頂口吊耳與懸吊捯鏈連接,鋼套箱頂口設置4個捯鏈,松開鋼套箱底口千斤頂。作業人員通過捯鏈緩緩向上提升鋼套箱15 cm,觀察鋼套箱受力狀況以及鋼套箱頂口高差,合格后由作業人員割除臨時承重牛腿承臺范圍內多余部分,承重牛腿作為鋼套箱底口導向定位以及臨時支撐設置,承重捯鏈可比承臺尺寸小5 mm,以便于鋼套箱下放。

每個捯鏈處作業點配備2名作業人員,作業人員站在鋼套箱頂口作業平臺上拉動捯鏈完成鋼套箱下沉過程,下放過程同步緩慢進行。下放過程應有專人全程監測,每下放40 cm對鋼套箱頂口高差進行測量,以防止4個作業點下放速度不一致,導致鋼套箱下放過程受力不平衡,下放過程中通過調整單點下放速度達到鋼套箱平穩下沉著床的目的。

5.3 內支撐體系安裝

鋼套箱沉放作業完成后,割除鋼護筒,安裝鋼套箱內支撐體系,以防止水流側壓力導致鋼套箱模板變形。內支撐體系由圍囹、角撐組成,圍囹型鋼之間、圍囹與角撐連接位置處采用法蘭螺栓連接。內支撐體系同用φ25 mm精軋螺紋鋼連接的鋼套箱4個角拉桿座共同形成內撐外拉形式的加固。內撐外拉形式的鋼套箱加固平面如圖4所示。

圖4 鋼套箱圍堰加固(單位:mm)

6 結束語

考慮到潮汐、風浪的影響,浙江樂清吊船灣特大橋高樁承臺采用單壁鋼套箱圍堰方案施工,本文對該方案進行了有限元分析和施工工藝研究。結果表明,鋼套箱圍堰結構合理、受力安全;施工方案可行,結構安全可靠,便于拼裝,操作簡單,對處于類似環境的跨海大橋具有一定的借鑒和參考作用。