山區(qū)河道基礎(chǔ)工程施工中的套箱超薄混凝土封底技術(shù)研究

摘要 該研究針對山區(qū)河道基礎(chǔ)工程中特殊的施工環(huán)境，以貴州省沿河縣烏江三橋工程項目為依托，對套箱超薄型混凝土進行封底技術(shù)的研究與應(yīng)用。鋼套箱設(shè)計時考慮水位變化對施工的影響，采用鋼套箱拼裝平臺和河床爆破鉆機作業(yè)平臺，通過爆破將河床巖層進行平移，使鋼套箱安裝下沉。在建設(shè)過程中，鋼套箱受力及撓度驗算通過詳細的技術(shù)路線規(guī)劃，合理分配了各項建設(shè)任務(wù)，并對建設(shè)方案的可行性進行了三維空間建設(shè)模式的驗證。最終通過對水下封底混凝土進行鋼套箱圍堰的抗浮穩(wěn)定性和厚度測試，確保了項目建設(shè)的安全穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞 套箱超薄混凝土；施工技術(shù)；山區(qū)河道工程；鋼套箱安裝；水下封底

中圖分類號 U617 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）23-0058-03

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的飛躍發(fā)展，各級公路橋梁呈現(xiàn)星羅棋布的景象，大部分跨江跨河的橋墩處于水中，水中承臺施工技術(shù)也日益增多。目前，我國常見的水中承臺施工方法有單（雙）壁鋼圍堰、鋼套箱圍堰、筑島明挖、沉井、混凝土圍堰、鋼板樁圍堰等各具特點的施工方法，實際中，需根據(jù)實際情況優(yōu)選經(jīng)濟、實用的承臺施工方法。根據(jù)橋梁自身特點，就目前采用較多的鋼套箱方案而言，可選擇有底及無底鋼套箱兩種方法，有底鋼套箱適用于高樁水中承臺，無底鋼套箱適用于承臺埋入河床中的情況，一般用于低樁承臺施工。無底鋼套箱結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡單，下沉著床后施工干擾小，封底混凝土直接與河床接觸，套箱豎向受力小，壁板重復(fù)利用率高。因此，在國內(nèi)橋梁建設(shè)中，無底鋼套箱施工工藝被廣泛應(yīng)用。

1 項目概況

貴州省沿河縣烏江三橋主塔分離式承臺位于烏江航道中，主航道按三級航道進行規(guī)劃設(shè)計。烏江三橋位于貴州省銅仁市沿河縣壩坨村，全長1.299 km，橋梁結(jié)構(gòu)形式為2×30 m單塔斜拉橋+4×30 m預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁+（145+160）m預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁。3#主墩承臺為長方形承臺，尺寸為23.2 m×12.8 m×12.6 m，承臺混凝土采用C30型。采用單壁無底鋼套箱施工工藝，0.8 m厚的C30型鋼套箱封底。承臺澆筑分兩次進行，每次澆筑厚度為3 m。

2 套箱超薄混凝土封底技術(shù)研究與設(shè)計

2.1 河道基礎(chǔ)工程特殊施工環(huán)境分析

烏江作為典型的西南地區(qū)河流，地勢險峻，水流湍急，季節(jié)性水位變化較大。這種特殊的河流環(huán)境給基礎(chǔ)工程施工帶來了一定的挑戰(zhàn)，要求施工方必須具備應(yīng)對復(fù)雜水流條件的能力，以確保施工的順利進行。烏江河谷地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，河床表面覆蓋著大量的巖石和泥沙，地質(zhì)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。這種地質(zhì)條件給基礎(chǔ)工程的施工帶來了一定的難度，需要施工方采取相應(yīng)的地質(zhì)勘測和處理措施，確保基礎(chǔ)工程的安全可靠。

2.2 套箱設(shè)計與水位變化考慮

鋼套箱結(jié)構(gòu)必須具備一定的抗水流沖擊能力，用以作為烏江三橋工程中水中承臺的主要建設(shè)方式之一。由于烏江水流湍急，在水流沖擊下，套箱結(jié)構(gòu)易受影響，所以必須采取加固措施，提高結(jié)構(gòu)抗水流沖擊的能力，同時還要兼顧水流對結(jié)構(gòu)在設(shè)計過程中的沖擊力。烏江河谷地區(qū)季節(jié)性水位波動較大，因此在不同水位條件下，套箱結(jié)構(gòu)的設(shè)計必須采取相應(yīng)的設(shè)計措施，確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時還要考慮水位變化對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性的影響[1]。

2.3 鋼套箱拼裝平臺及河床爆破鉆機操作平臺設(shè)計

在橋位處水情與地貌特點的基礎(chǔ)上，該工程選擇了I32型鋼作為套箱拼裝平臺的主要結(jié)構(gòu)材料，這種鋼材具有良好的強度和穩(wěn)定性，能夠滿足施工的需要。在鋼棧橋鋼管樁與樁基鋼護筒之間搭建套箱拼裝平臺，這樣的設(shè)計能夠最大限度地減少施工對水流的干擾，提高施工的安全性和效率[2]。在平臺搭建完成后，采用分塊拼裝套箱的方式進行施工。首先在平臺上進行套箱的分塊拼裝，然后安裝內(nèi)支撐架，確保套箱在下放過程中的穩(wěn)定性。在套箱的四壁設(shè)置12個吊掛點，采用千斤頂均勻下沉法，將套箱平穩(wěn)下放至河床底部。這種施工方式能夠有效地控制套箱的下放速度，減少結(jié)構(gòu)受力不均帶來的風險，保證套箱下放的安全可靠[3]。

3 施工技術(shù)路線規(guī)劃與驗證

3.1 施工參數(shù)驗算

Q235b鋼材的允許應(yīng)力：σ＝145 MPa

Q235b鋼材的允許剪應(yīng)力：τ＝85 MPa

允許撓度是指鋼套箱結(jié)構(gòu)在施工荷載作用下，允許產(chǎn)生的最大變形量。撓度的計算公式為L/400，其中L為結(jié)構(gòu)的跨度，400是規(guī)范規(guī)定的撓度限值分母。

允許撓度：長邊L長=23.2×1000/400=58 mm，短邊L短=12.8×1000/400=32 mm

Q235b鋼材的彈性模量：E＝2.1×105 MPa

C30混凝土軸心抗拉強度標準值：ftk=1.43 MPa

C30混凝土軸心抗壓強標準值：fck=14.3 MPa

3.2 鋼套箱受力及撓度三維空間建模驗算

3.2.1 工況一：高水位抽水時的受力分析

（1）施工荷載計算

鋼套箱內(nèi)外水位差為4.5 m。施工荷載包括套箱側(cè)板自重和流水壓力。

（2）應(yīng)力分析

項目使用midas程序建立鋼套箱的三維空間模型，得到該工況下整體最大應(yīng)力值為140.6 MPa＜σ =

145 MPa，滿足設(shè)計及規(guī)范要求。

（3）剪應(yīng)力分析

項目使用midas程序進行剪應(yīng)力分析，鋼套箱模型剪應(yīng)力如圖1。

該工況下整體最大剪應(yīng)力值為33.28MPa＜τ＝85 MPa，滿足設(shè)計及規(guī)范要求。

（4）撓度分析

項目進行了鋼套箱整體撓度分析，找出了短邊的最大撓度。該工況下套箱側(cè)板的最大撓度發(fā)生在短邊，為2.79 mm＜L短=32 mm，滿足設(shè)計及規(guī)范要求。

3.2.2 工況二：低水位澆筑承臺混凝土時的受力分析

（1）施工荷載計算

鋼套箱封底完成后，套箱外無水時進行混凝土澆筑。施工荷載包括套箱模板自重和混凝土澆筑對套箱側(cè)壓力。

（2）應(yīng)力分析

項目使用midas程序建立鋼套箱的三維空間模型，對套箱整體進行應(yīng)力分析，得到該工況下整體最大應(yīng)力值為112.9 MPa＜σ =145 MPa，滿足設(shè)計及規(guī)范要求。

（3）剪應(yīng)力分析

項目使用midas程序進行剪應(yīng)力分析，得出該工況下整體最大剪應(yīng)力值為78.7 MPa＜τ＝85 MPa，滿足設(shè)計及規(guī)范要求。

（4）撓度分析

項目進行了鋼套箱整體撓度分析，該工況下套箱側(cè)板的最大撓度發(fā)生在短邊，為1.57 mm＜L短=32 mm，滿足設(shè)計及規(guī)范要求。

4 施工過程及安全穩(wěn)定性保障

4.1 鋼套箱安裝與下沉過程描述

4.1.1 鋼套箱下沉過程

在套箱下沉過程中，采用32 t千斤頂分多次行程下放，共設(shè)12個吊點。下沉現(xiàn)場設(shè)有1名總指揮、1名技術(shù)指導(dǎo)和12名操作手。在下放前，進行了技術(shù)交底，并對下放操作人員進行了演練示范。每次下放由總指揮統(tǒng)一調(diào)度指揮，確保每次下放行程誤差控制在3 mm內(nèi)。

4.1.2 封底混凝土施工

封底混凝土設(shè)計厚度為80 cm，采用水下不離析自流平混凝土，其配合比為水泥∶粉煤灰∶機制砂∶碎石∶水∶外加劑：絮凝劑=349∶87∶899∶899 ∶196∶6.10∶13.08。在澆筑過程中，共設(shè)置了10處下料點，嚴格控制混凝土的拌和和澆筑質(zhì)量，保證混凝土的流動性[4]。同時，隨時做好標高記錄，以確保混凝土的厚度均勻。

在封底混凝土強度達到設(shè)計強度的90%以上后開始抽水，抽水速度不宜過快。抽水過程中，仔細觀察套箱圍堰的變形情況，并在抽水到底部后仔細檢查封底混凝土的質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。每個承臺共有8個鋼護筒，待箱內(nèi)水抽完后，開始割除鋼護筒，并在割除后采用吊車起吊，控制速度以防碰撞內(nèi)支撐系統(tǒng)。最后，鑿除樁頭并將箱內(nèi)封底混凝土表面清掃干凈，做好下步鋼筋安裝的準備工作。

4.2 套箱圍堰抗浮穩(wěn)定性驗算

在對鋼套箱圍堰的抗浮穩(wěn)定性進行驗算前，首先考慮鋼套箱自重及其與封底混凝土之間的黏結(jié)力。根據(jù)文獻研究，鋼板與混凝土之間的黏結(jié)力通常為100～150 kPa，這里鋼護筒、鋼套箱與封底混凝土之間的黏結(jié)力均按100 kPa進行考慮[5]。而鋼套箱與封底混凝土之間的黏結(jié)力取值，取“鋼套箱自重”及“鋼套箱與封底混凝土的黏結(jié)力”兩者中間較小值。

具體計算過程如下：

（1）計算總浮力：根據(jù)給定的套箱尺寸和水深，可以計算出總浮力。套箱平面尺寸為23.2 m×12.8 m，即其長和寬分別為23.2 m和12.8 m，代表套箱的投影面積。水深為4.472 m，是鋼套箱周圍的平均水深，表示套箱受到水的浮力作用的高度。鋼套箱四周設(shè)有8根直徑為1.52 m的鋼護筒，其投影面積需從總平面面積中扣除。根據(jù)阿基米德原理，總浮力為（23.2×12.8-3.14×1.52×8）×4.472×10=10752 kN。

（2）計算封底混凝土重量：套箱平面尺寸已知，混凝土厚度為0.8 m，因此封底混凝土的重量為（23.2×12.8-3.14×1.52×8）×0.8×24=4616 kN。

（3）計算鋼護筒與封底混凝土的黏結(jié)力：鋼護筒的直徑為3 m，高度為0.8 m，因此黏結(jié)力為3.14×3.0 ×0.8×8×100=6 029 kN。

（4）計算鋼套箱與封底混凝土的黏結(jié)力：同樣，根據(jù)給定的鋼套箱尺寸和黏結(jié)力，可以計算出鋼套箱與封底混凝土之間的黏結(jié)力。鋼套箱的尺寸為23.2m×12.8 m，厚度為0.8 m，因此黏結(jié)力為2×（23.2+12.8）×0.8×100=5 760 kN。

（5）計算鋼套箱自重：給定了鋼套箱的自重為120.6 t，即鋼套箱自重折算為1 206 kN。該重量是鋼套箱抗浮力的關(guān)鍵組成部分，因為它直接對抗由水浮力產(chǎn)生的上升作用。

綜合以上計算結(jié)果，可以得到抗浮穩(wěn)定系數(shù)K的值。將封底混凝土的重量、鋼護筒與封底混凝土的黏結(jié)力以及鋼套箱自重相加，再除以總浮力，即可得到抗浮穩(wěn)定系數(shù)K。

抗浮穩(wěn)定系數(shù)K的計算公式為：K=（4 616+6 029 +1 206）/10 752=1.10。封底混凝土的重量為4 616 kN，是根據(jù)封底混凝土的厚度、面積及密度計算得出的。鋼護筒與封底混凝土的黏結(jié)力為6 029 kN。鋼護筒與混凝土之間的黏結(jié)力提供了額外的抗浮穩(wěn)定性，是基于黏結(jié)力標準值（100 kPa）與護筒接觸面積計算得出的。由于抗浮力大于總浮力，因此可得出結(jié)論：鋼套箱圍堰的抗浮穩(wěn)定性能夠滿足要求。

4.3 水下封底混凝土厚度驗算

封底混凝土以鋼護筒作為支點，可以取1.0 m寬的封底混凝土計算兩相鄰護筒之間混凝土梁的彎應(yīng)力。根據(jù)給定數(shù)據(jù)，計算得到封底混凝土抽水后承受的向上水壓力線荷載為：q=2.552×10×1.0=25.52 kN/m。其中，2.552 m是水柱高度，表示抽水狀態(tài)下混凝土梁上表面與水面之間的高度差，10 kN/m3為水的重度，1.0 m為梁的寬度，用于計算單位寬度上的線性荷載。然后，通過計算最大彎矩和最大拉應(yīng)力，可以得出封底混凝土在抽水狀態(tài)下的受力情況。具體計算過程如下：

（1）計算最大彎矩：最大彎矩的計算公式為：Mmax=。式中：l——相鄰對角護筒之間的凈距（m），本項目為6.22 m。代入數(shù)據(jù)計算得到最大彎矩為123.4 kN·m。

（2）計算最大拉應(yīng)力：將最大彎矩代入混凝土梁的彎曲公式，可以得到跨中最大拉應(yīng)力的計算公式為：σmax=。式中 ：b——混凝土寬度（m），本項目為1.0 m ；h——混凝土厚度（m），本項目為0.8 m。代入數(shù)據(jù)計算得到最大拉應(yīng)力為1157 kPa。

由于最大拉應(yīng)力小于封底混凝土設(shè)計強度的90%時的容許抗拉應(yīng)力，因此封底混凝土受力是安全的，不會出現(xiàn)裂縫。綜上所述，經(jīng)過計算，封底混凝土厚度0.8 m可滿足受力要求，保證圍堰在抽水時的穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

該文詳細介紹了鋼套箱圍堰在工程建設(shè)中的重要性以及相關(guān)驗算過程，通過對鋼套箱圍堰抗浮穩(wěn)定性和水下封底混凝土厚度的計算和分析，得出了以下結(jié)論：鋼套箱圍堰具有良好的抗浮穩(wěn)定性能，其抗浮穩(wěn)定系數(shù)可滿足工程要求，保證了圍堰在水下工作時的安全性；封底混凝土的厚度為0.8 m，經(jīng)過詳細的抗拉強度驗算，確保了封底混凝土在水下抽干時的穩(wěn)定性和安全性。該文提出的鋼套箱圍堰施工方案可行，研究成果可為相關(guān)工程建設(shè)提供了重要的理論支持和技術(shù)指導(dǎo)。

參考文獻

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