水位變動(dòng)區(qū)樁-墩結(jié)構(gòu)反吊底模技術(shù)應(yīng)用研究

覃俊鋒，林云，許建武

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引言

由于使用需求或成本的考量，墩臺(tái)被設(shè)計(jì)到需在水位變動(dòng)區(qū)進(jìn)行現(xiàn)澆施工的情況愈發(fā)常見。為保持施工可行和成果質(zhì)量，創(chuàng)造干地條件以滿足施工需要就成了必需。創(chuàng)造干地條件的方法主要有圍堰[1-2]、鋼套箱[3]，也有采用逆向支撐法[4]趁潮施工的情況。對(duì)于工程量不大的墩臺(tái)，圍堰效費(fèi)比低且工序復(fù)雜，成本與進(jìn)度都難以滿足要求；對(duì)于臨近海底管線的墩臺(tái)，圍堰施工影響范圍大，應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)較高。鋼套箱適合標(biāo)準(zhǔn)化單墩施工，水密性好且質(zhì)量易控，但在墩臺(tái)尺寸、形狀變化時(shí)通用性較差，進(jìn)而經(jīng)濟(jì)性不佳。逆向支撐法通用性好，但需整體吊裝入水。當(dāng)模板及鋼筋等重量較大時(shí)，需大噸位的水上起重船機(jī)進(jìn)行吊裝。同時(shí)，模板在吊裝過程中也極易發(fā)生變形。因此，圍堰、鋼套箱和逆向支撐法在易用性、適用性、經(jīng)濟(jì)性上難以兼容各種墩臺(tái)施工所需。

1 工程概況

項(xiàng)目位于大亞灣石化區(qū)，為某化工綜合體的配套重件碼頭。根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)文件，墩臺(tái)TD1-2為樁-墩結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)底標(biāo)高+0.804 m，長(zhǎng)、寬、高分別為20.0 m、8.3 m、2.0 m。墩臺(tái)樁基為8 根?1.4 m、頂標(biāo)高+0.904 m 的灌注樁。即使是采用抱箍作為底模支撐構(gòu)件，TD1-2 墩臺(tái)的施工水位也需低于+0.30 m。但根據(jù)中科院南海所的數(shù)據(jù)[5]，項(xiàng)目所處海域平均水位+1.17 m。因此，墩臺(tái)實(shí)際施工水位較高，施工存在一定困難。為此，在施工方案設(shè)計(jì)時(shí)參考既往經(jīng)驗(yàn)并根據(jù)實(shí)際情況，創(chuàng)造性地提出新的反吊底模施工方法，克服了施工中的眾多不利因素帶來的困難，有效保障了項(xiàng)目成功實(shí)施。

2 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)潮位情況和規(guī)范[6]要求并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)供應(yīng)能力，方案中采取分層澆筑，首次澆筑厚度50 cm，澆筑方量80 m3。墩臺(tái)模板采用鋼側(cè)模+疊合板底模的形式，平面尺寸為24 m×10.7 m。反吊底模體系平面圖如圖1 所示、反吊底模體系斷面圖如圖2所示。

圖1 反吊底模體系平面圖（mm）Fig.1 Plan of reverse lifting base mould system（mm）

反吊體系的結(jié)構(gòu)組成及受力模式如下：

1） 反吊體系頂部：8 根I36b 工字鋼埋入灌注樁作為立柱，立柱上部2 層共計(jì)8 根I36b 雙拼工字鋼作為上部承重主梁，16 根?36 mmPSB930 的高強(qiáng)精軋螺紋鋼（螺紋鋼外側(cè)設(shè)置套管）作為吊桿。

2） 反吊體系底部：下部承重大梁為4 根24 m 長(zhǎng)的I45b 雙拼工字鋼；21 根10.7 m 長(zhǎng)的I36b工字鋼均勻鋪設(shè)于大梁上方作為次梁。

3） 反吊體系受力模式：通過預(yù)埋立柱支承固定有吊桿的上部主梁，并由吊桿將體系自重及體系所受荷載拉住。灌注樁作為反吊體系自重及荷載的最終承受構(gòu)件。

3 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

經(jīng)分析，首層混凝土澆筑對(duì)應(yīng)反吊體系結(jié)構(gòu)自身強(qiáng)度的最不利工況，第2 層混凝土澆筑對(duì)應(yīng)首層混凝土樁周部分抗沖剪能力的最不利工況。施工中反吊體系下放過程緩慢且荷載較小，故也無需考慮動(dòng)力效應(yīng)。因此，施工前僅需對(duì)上述2種最不利工況進(jìn)行驗(yàn)算。

3.1 荷載取值

結(jié)合規(guī)范[7]，反吊體系及模板自重、墩臺(tái)混凝土重量、施工荷載等取值如下：

1） 混凝土重量：新澆C40 混凝土重度取24 kN/m3，首層總重1 920 kN，二層總重3 072 kN；鋼筋、預(yù)埋件荷載重量按設(shè)計(jì)圖紙確定，首層總重294 kN；二層總重184 kN。

2） 反吊體系及模板自重：反吊體系自重398.4 kN；模板重度取0.5 kN/m2，共256.8 m2，總計(jì)128.4 kN；木方重度取水的0.8 倍，總重57.6 kN；三者共重584.4 kN。

3） 施工荷載：人員及設(shè)備自重2.5 kN/m2、振搗荷載2.0 kN/m2。澆筑方式采用地泵輸送澆筑，動(dòng)力荷載參照規(guī)范取值2.0 kN/m2。施工區(qū)域?yàn)槎张_(tái)面積即200 m2，三者總計(jì)1 040 kN。

3.2 荷載分類

荷載分項(xiàng)系數(shù)根據(jù)規(guī)范取值，見表1。

表1 荷載分項(xiàng)系數(shù)表Table 1 Table of partial load coefficients

3.3 反吊體系結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

反吊體系主要承力構(gòu)件有吊桿、立柱、頂部梁系、底部梁。按照材料力學(xué)及規(guī)范的要求分別對(duì)各構(gòu)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，以驗(yàn)算是否滿足安全使用的要求。

1） 吊桿驗(yàn)算

經(jīng)計(jì)算，反吊體系最大荷載4 814.08 kN，單根吊桿所受荷載為300.88 kN。若吊桿的抗拉能力和最大伸長(zhǎng)率滿足要求，則吊桿滿足使用要求。

拉應(yīng)力和伸長(zhǎng)量計(jì)算公式[8]如下：

式中：σ1為拉應(yīng)力；F為拉力；A為截面面積；ΔL為伸長(zhǎng)量；L為桿件長(zhǎng)度；E為桿件材料對(duì)應(yīng)彈性模量。

2） 立柱驗(yàn)算

單根立柱荷載為601.76 kN，I36b 工字鋼截面積為8 364 mm2。壓應(yīng)力計(jì)算公式如下：

式中：σ2為壓應(yīng)力；P為壓力；A為截面面積。

立柱計(jì)算柔度λ=43.5＜λ235=123，屬于小柔度桿，故壓穩(wěn)應(yīng)力公式如下：

式中：λ 為計(jì)算柔度；λ235為分界柔度；σcr為壓桿穩(wěn)定臨界壓應(yīng)力；a=235，b=0.006 68 均為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

3） 頂部大梁驗(yàn)算

反吊體系頂部大梁分為上層頂部大梁和下層頂部大梁。當(dāng)反吊體系下降時(shí)，2 層頂部大梁均存在單層受力情況。分析可知上層頂部大梁峰值彎矩必然小于下層頂部大梁，故僅需對(duì)下層頂部大梁進(jìn)行驗(yàn)算。

下層頂部大梁固定于立柱頂部，沿軸線有由吊桿施加的對(duì)稱于樁中心的荷載，總計(jì)1 203.52 kN，等效每延米荷載150.44 kN/m。采用清華大學(xué)的結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器計(jì)算可得下層頂部大梁峰值彎矩為281.62 kN·m。

下層頂部大梁彎曲應(yīng)力與撓度計(jì)算公式分別如下，容許撓度按規(guī)范[9]取值：

式中：σb為彎曲應(yīng)力；M為構(gòu)件彎矩；W為截面抗彎系數(shù)；γ 為計(jì)算撓度；q為均布荷載；I為截面慣性矩。

4） 底部大梁驗(yàn)算

4 道24 m 長(zhǎng)的底部主梁共同承擔(dān)荷載，等效為主梁每延米荷載50.15 kN/m，經(jīng)計(jì)算可得，底部主梁彎矩為324.97 kN·m。

底部主梁彎曲應(yīng)力、撓度計(jì)算公式及容許撓度取值與頂部大梁一致。

5） 驗(yàn)算結(jié)果

各構(gòu)件驗(yàn)算結(jié)果見表2。根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可知，反吊體系各構(gòu)件均能夠滿足施工安全需求。

表2 驗(yàn)算結(jié)果Table 2 Verification results

3.4 樁周部分抗沖剪分析

墩臺(tái)首層澆筑后，其即與樁基形成樁承臺(tái)，樁周區(qū)域在第2 層混凝土澆筑時(shí)會(huì)明顯處于沖剪狀態(tài)。考慮到首層澆筑厚度較小，沖剪錐體的高度自然也小，樁周部分的抗沖剪能力是否滿足就值得關(guān)注。同時(shí)，混凝土沖剪破壞的發(fā)生往往是無預(yù)兆且迅速的[10]。因此，該工況下的樁周部分沖剪承載能力驗(yàn)算十分必要。

反吊體系自重由立柱傳遞給灌注樁，故樁周部分的沖剪承載力驗(yàn)算只需考慮第2 層混凝土自重及施工荷載。考慮荷載系數(shù)，該工況下樁周部分所承受的總荷載為5 363.20 kN。

根據(jù)混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，C40 混凝土3 d 時(shí)的強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值的80%，抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值即為1.37 MPa。根據(jù)規(guī)范[11]，樁承臺(tái)的沖剪承載需滿足如下要求：

式中：Fl為荷載對(duì)應(yīng)沖切力；βhp為截面高度影響系數(shù)；β0為柱沖切系數(shù)；um為沖切錐體一半有效高度處的邊長(zhǎng)；ft為沖切錐體材料抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；h0為沖切錐體有效高度。

經(jīng)計(jì)算，樁周部分沖剪承載力為7 288.4 kN，大于5 363.20 kN，首層澆筑50 cm 滿足要求。

4 施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 施工流程

施工流程總體可以分為以下4 個(gè)部分：

1） 立柱預(yù)埋：灌注樁澆筑時(shí)埋入立柱→灌注樁檢測(cè)→拆除鋼平臺(tái)→鑿除樁頭。

2） 反吊體系搭建：反吊體系下層頂部大梁定位焊接→吊桿安裝→安裝底部主梁及次梁→鋪設(shè)墩臺(tái)底模→放置液壓千斤頂→反吊體系上層頂部大梁安裝。

3） 鋼筋模板布置：根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙布置首次澆筑所需鋼筋→安裝側(cè)模并設(shè)置止水。

4） 后續(xù)施工：反吊體系下降至施工標(biāo)高→檢查模板間止水情況→首層混凝土澆筑→墩臺(tái)澆筑完成→拆除反吊體系。

4.2 底模下降

底模下降是本方法能夠?qū)崿F(xiàn)的重要環(huán)節(jié)，方案采用16 臺(tái)行程為150 mm 的100 t 液壓千斤頂，每個(gè)千斤頂荷載僅約30 t，每次下降約100 mm，荷載和行程均遠(yuǎn)小于允許限值，滿足安全要求。千斤頂泵站選用4 臺(tái)統(tǒng)一型號(hào)電動(dòng)泵站，并配合加強(qiáng)油路密封、中心布置、一人一站、作業(yè)前試頂升等措施以保證反吊底模可控下降。

為充分利用潮位窗口期，底模下降作業(yè)可在落潮時(shí)即同步開展，利用吊桿的螺母配合千斤頂將底模下降到施工標(biāo)高。底模下降過程步驟如下：

1） 如圖3（a）所示，首先保持C 組、B 組螺母鎖緊。當(dāng)千斤頂頂升時(shí)，頂部上層大梁上升，并松開A 組螺母，使得吊桿頂端自由長(zhǎng)度減少為底模下降提供行程。

圖3 反吊底模作業(yè)示意圖Fig.3 Diagram of reverse lifting base mould operation

2） 如圖3（b）所示，當(dāng)千斤頂頂升至接近活塞行程70%時(shí)，鎖緊A 組、C 組螺母，松開B 組螺母，回油千斤頂，底模即隨千斤頂一起下降，直至A 組螺母鎖死吊桿。

3） 如圖3（c）所示，千斤頂回油完畢后，重復(fù)1），直至反吊體系下降至施工標(biāo)高。

經(jīng)復(fù)核底模標(biāo)高滿足施工要求后，保持B 組、C 組螺母鎖緊并移除千斤頂，完成底模下降。

4.3 模板止水施工

模板止水分為兩部分，一方面是底模與側(cè)模間的止水，另一方面是底模與灌注樁間的止水。對(duì)于底模與側(cè)模間的止水，可在底模下降前將其與側(cè)模接縫設(shè)置等腰直角三角形截面的橡膠條，并在橡膠條兩直角邊貼上雙面膠用以固定于模板上。底模與灌注樁間的止水通過預(yù)先準(zhǔn)備的與底模等厚的橡膠條配合聚氨酯泡沫膠實(shí)現(xiàn)。經(jīng)試驗(yàn)，2 種措施止水效果良好。

由于千斤頂個(gè)體存在細(xì)微差異且泵站由人為控制，底模下降過程中可能出現(xiàn)輕微變形并導(dǎo)致止水出現(xiàn)錯(cuò)縫、漏水。因此，底模下降完成后需對(duì)模板止水進(jìn)行檢查并對(duì)有縫隙處采取措施。例如，采用聚氨酯泡沫膠對(duì)錯(cuò)縫、漏水處進(jìn)行填充、抹平，并依據(jù)模板內(nèi)進(jìn)水情況采用抽水泵結(jié)合油氈的方式除水。以上工序完成后即可進(jìn)行墩臺(tái)首層澆筑。

首層混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值80%后，即可進(jìn)行第2 層施工。由于側(cè)模采用鋼模，具有較好的隔水性。第2 層施工受水位影響較小，仍能具有較高工效。第2 層澆筑完成后，后續(xù)施工受水位影響將會(huì)更小。通過采取反吊底模施工方法，整個(gè)墩臺(tái)施工過程均能有效避免水位過高的影響，從而具有較高的工效并滿足質(zhì)量要求。

4.4 反吊體系拆除

墩臺(tái)澆筑完成后，即可拆除反吊體系。首先，拆除側(cè)模固定件并逐片拆除側(cè)模。側(cè)模拆除后，將千斤頂及上層頂部大梁裝回并按照前文中反吊底模下降的方法進(jìn)一步下降反吊底模，使得底部主梁、次梁及模板、木方等與墩臺(tái)脫離。疊合板、木方等輕質(zhì)材料漂出可直接回收。然后，按照先底部次梁、主梁、上層頂部大梁、千斤頂、吊桿、下層頂部大梁的順序依次拆除反吊體系各部分。

5 應(yīng)用效果

由于技術(shù)人員缺少反吊底模施工方法應(yīng)用層面的經(jīng)驗(yàn)，為避免施工中出現(xiàn)意外情況影響總體進(jìn)度，對(duì)項(xiàng)目另一離海底管線較遠(yuǎn)的墩臺(tái)采用圍堰進(jìn)行施工。同一項(xiàng)目相似墩臺(tái)上應(yīng)用不同施工方法也為分析反吊底模施工方法的應(yīng)用效果提供了實(shí)證。

1） 實(shí)施難度上，海上圍堰作業(yè)對(duì)船機(jī)設(shè)備要求較高，對(duì)所處海域的風(fēng)浪、地質(zhì)、埋藏等條件也有一定的要求。同時(shí)，圍堰還必須在堰內(nèi)水深和水上施工做取舍。堰內(nèi)水面高，堰內(nèi)作業(yè)仍需水上作業(yè)，工效較低。堰內(nèi)水面低，對(duì)于圍堰入土深度和止水能力就有更高的要求。作為對(duì)比，反吊底模施工方法安裝及拆除時(shí)均可分部進(jìn)行，對(duì)水上吊裝能力要求較低，方法實(shí)施門檻低。此外，該方法還可充分利用灌注樁，避免了諸如牛腿焊接、抱箍安裝等低效水上工序。

2） 經(jīng)濟(jì)效果方面，2 種方法在模板搭設(shè)、墩臺(tái)澆筑方面的成本是相近的，主要區(qū)別在于措施成本方面。根據(jù)成本數(shù)據(jù)，僅單個(gè)圍堰本身的措施成本就超過35 萬元。若不考慮模板搭設(shè)的費(fèi)用，反吊底模施工方法的成本就僅由立柱、吊桿、頂部梁系、千斤頂及人工等組成，總花費(fèi)不到10萬元。若考慮到所用材料還可以在后續(xù)施工中重復(fù)利用，反吊底模施工方法的凈成本就更具優(yōu)勢(shì)。

3） 進(jìn)度工期方面，即使圍堰尺寸僅與底模一致為24 m×11 m（實(shí)際上圍堰尺寸一定會(huì)更大），兩者在進(jìn)度上也存在較大差異。不考慮圍堰前期調(diào)遣及后期拆除，僅考慮至澆筑工序前，圍堰各工序所花時(shí)間：鋼板樁打入（3 d）+內(nèi)撐安裝（1 d）+鋼板樁止水（2 d）+抽水至施工標(biāo)高（1 d）+底模施工+鋼筋綁扎+側(cè)模安裝。從底模施工開始，反吊底模法與圍堰耗時(shí)基本可視為一致。反吊底模法前置工序如入埋設(shè)立柱及底模下降并不會(huì)顯著增加時(shí)間（兩者累計(jì)只需1 d）。因此，圍堰用時(shí)比反吊底模法要多6～7 d。若墩臺(tái)面積增大、圍堰內(nèi)外水位差增大，圍堰前置工序用時(shí)將更長(zhǎng)，反吊底模法在進(jìn)度上的優(yōu)勢(shì)將更明顯。

6 結(jié)語

反吊底模施工方法經(jīng)驗(yàn)算在理論上可行，并助力墩臺(tái)如期高質(zhì)完成，證明了該方法在實(shí)施上的可行性。該方法較傳統(tǒng)的圍堰對(duì)客觀條件要求更低，理論上也比其他方法更廣泛適用。綜合實(shí)施難度、經(jīng)濟(jì)、進(jìn)度等方面的對(duì)比結(jié)果，反吊底模施工方法比圍堰實(shí)施門檻更低，且可有效節(jié)約成本、加快進(jìn)度，在所涉墩臺(tái)的施工中相較于圍堰有明顯的優(yōu)勢(shì)。綜上所述，反吊底模施工方法對(duì)同類項(xiàng)目的實(shí)施具有參考意義，可廣泛適用于以灌注樁為基礎(chǔ)的樁-墩結(jié)構(gòu)的施工之中。