大型深水基础单壁钢套箱围堰施工技术

2011-02-02张利

铁道建筑 2011年3期

关键词：钢套围堰吊装

张利

(中铁十八局集团第五工程有限公司，天津 300450)

大型深水基础单壁钢套箱围堰施工技术

张利

(中铁十八局集团第五工程有限公司，天津 300450)

结合上海至武威高速公路沙坡头黄河特大桥11号主墩水中承台施工实例，重点介绍低桩承台深水基础特大型单壁钢套箱围堰的构造、设计技术条件，以及钢套箱的下沉等技术。

深水基础单壁钢套箱围堰施工技术

1 工程概况

沙坡头黄河特大桥位于宁夏回族自治区中卫县常乐镇小湾村西侧，系上海至武威公路中宁至孟家湾段跨越黄河的一座特大桥梁。桥址区属黄河上中游，主河道宽 250 m，施工常水位1 241.20 m，实测水位1 241.00 m，水深6.0～7.0 m，水位涨落高度 1.0 m，水流平均速度3 m/s。沙坡头黄河特大桥全长1 341.5 m，主跨采用65 m+2×120 m+65 m的连续刚构箱梁。水中11号墩位于黄河主河道。墩身高度55.4 m，承台尺寸28.8 m×13.2 m×4.0 m(长 ×宽 ×高)。河床为卵石土，卵石土层8～10 m深，其承载力1 000～1 200 kPa。

2 钢套箱设计

2.1 套箱顶高程的确定

由于本套箱在冬季施工，而设计冬季流冰水位1 241.55 m，所以本套箱顶高程取1 242.00 m。比流冰水位高出0.45 m。

2.2 设计荷载及验算项目

2.2.1 荷载种类

①套箱自重(包括套箱分隔仓、侧板、支撑定位系统);②新浇封底混凝土自重(封底混凝土取1.0 m厚);③新浇结构混凝土自重(包括结构混凝土浇筑时的施工荷载);④按3.0 m/s的流速所产生的动水压力;⑤设计水深的静水压力。

2.2.2 计算工况、荷载组合及计算项目

1)阶段一

工况：整体套箱吊装，荷载组合①，计算内容为套箱侧板、吊装支撑系统受力计算。

2)阶段二

工况：套箱封底抽水前，荷载组合为①+④，计算内容为套箱侧板、定位系统及加固措施的受力计算。

3)阶段三

工况：套箱封底抽水后，荷载组合为①+②+③+④+⑤，计算内容为套箱整体稳定性验算;封底混凝土厚度、套箱支撑体系分析。

3 单壁钢套箱围堰施工

3.1 钢套箱的结构形式

套箱由侧板、吊装支撑系统、导向定位系统及分隔仓组成。

3.1.1 套箱侧板

钢套箱周边尺寸比承台设计尺寸每边加宽10 cm，钢套箱底比承台底低1.5 m，顶面高出实测水位1.0 m，按设计水深计算，钢套箱的高度为8.5 m;因此钢套箱内部尺寸为：长29.0 m，宽13.4 m，高8.5 m，钢套箱作为承台模板。钢套箱加工成3节，即最下节高度2.5 m，相邻节高度3 m，最上节高度3.0 m。桥梁下部结构施工完成后，拆除最上节钢套箱，其下2节不再拆除。钢套箱构造详见图1。

3.1.2 吊装支撑系统

由于钢套箱尺寸大、水又深，为防止水的侧压力对钢套箱产生较大变形，故钢套箱内设水平支撑2层，支撑骨架横桥向为 φ500×10 mm钢管，顺桥向为 φ300×10 mm钢管，每层支撑横桥向2道，顺桥向5道，支撑相交处采用焊接，并用10 mm厚的钢板进行加固。吊装支架安设在钢护筒上，采用高3.0 m，悬臂长度为1.6 m的支架，支架主撑用 φ220 mm钢管，附着斜撑用φ100 mm钢管，主撑顶端安设导向定滑轮。单壁钢套箱围堰吊点支架详见图2。

图1 单壁钢套箱围堰结构示意(单位：cm)

图2 钢套箱吊点支架系统(单位：cm)

3.1.3 导向定位系统

在每节钢套箱的内侧以中心为对称点，焊接长度为2.5 m的定位钢支撑，钢支撑用 φ220 mm钢管、I20a、及∠75×75×10组合焊接而成。施工过程中，应千万注意支撑外侧角钢的垂直和水平位置的精确性。为防止钢套箱在下沉过程中因流水过急受到阻碍，可配备2个20 t的手拉葫芦进行钢套箱牵引。

3.1.4 套箱分隔仓

由于钢套箱尺寸较大，当灌注封底混凝土时，为避免导管下部的混凝土形成锥体状，扩散不均匀，封底不严密，所以在套箱底部设混凝土分隔仓。分隔仓内部平面布设标准尺寸为2.5 m×2.5 m，高1 m。边缘空隙大于2.5 m时应增设分隔仓。分隔仓设此尺寸一则满足施工需要，二则避免与桩基础发生冲突。分隔仓采用10 mm厚的钢板焊制而成。

3.2 钢套箱施工

3.2.1 钢套箱加工与试拼装

钢套箱在专用加工场地由专业人员进行加工。加工完成后，首先在加工场地内试拼装，检验产品加工质量，如刚度、平整度、接缝错台、接缝严密性、螺栓孔等是否满足要求。

3.2.2 箱的定位及加固

由于钢套箱整体质量约145 t，考虑到施工方便易控，在钢套箱每节距上端50 cm处共布设14个主起吊点。吊装支撑架沿承台四周14个桩基全部布置，14个主起吊点均设在吊装支撑架上。吊装支撑架与加劲钢管斜支撑均采用活动铰连接，铰只考虑承受竖向拉力，吊装时吊索所产生的水平力由吊装支撑架平衡，并且每个支撑杆顶部安装定滑轮。

3.2.3 钢套箱拼装与下沉

作业平台二次加固与补强完毕，将钢套箱板分块运输至作业平台上，按编号组装，分块分节在平台上拼装。拼装时采用汽车吊吊模，人工配合组装。

1)依据设计图，首先安装底节套箱模板，分块用螺栓连接紧密。底节形成封闭的环，上下左右节与节之间的接缝采用橡胶垫连接，保证密封不渗水。之后焊接混凝土分隔仓，分隔仓可事先加工，在现场组合焊接成整体。在拼接过程中，可利用钢护筒的牛腿作为临时支撑平台。

2)钢套箱下沉前，在每节钢套箱的内侧以中心为对称点，焊接长度为2.5 m的定位钢支撑，钢护筒最外侧按与钢套箱内侧间距设置导向工字钢，防止钢套箱整体下沉时偏位。然后采用14个手拉葫芦通过定滑轮导向吊装系统将钢套箱吊起，使之离开钻孔平台，拆除防碍其下沉的搭设平台用的木板、工字钢等，然后用手拉葫芦逐渐下沉钢套箱。在整个下沉过程中，采用14个10 t手拉葫芦同步作业，下沉第一节时应对钢套箱四脚点进行精确抄平和定位，从而保证钢套箱垂直下沉。

3)依据底节的拼装方法，拼接第二节，之后安装第一层内圈梁，内圈梁采用2根I20b型工字钢直接焊接在钢套箱内侧壁上，其作用是将内钢支撑与套箱侧壁联结在一起，避免单根钢管顶在面板上产生应力集中，该工字钢在水平上形成封闭的环状。依第一节的方法，下沉钢套箱。

4)依照第二节的方法，拼接第三节钢套箱与第二层内圈梁，下沉钢套箱。钢套箱着床后，缓慢下放，使之切入覆盖层中，稳定于河床上。若钢套箱有偏移倾向，在钢套箱顶上加配重使之平衡下沉。

钢套箱稳定后，再在四周钢护筒的外侧壁准确加以固定，拆除钢套内侧所有平台(钢护筒吊点支架系统不拆除)和采用汽车吊吊振动锤振动拔除钻孔平台钢管桩，再用长臂挖掘机将河床内的大卵石清除;当下沉至离设计底面高程还有50 cm时，用长挖机进行四周清底，待钢套箱缓慢下沉到设计高程后，对钢套箱切入土层的情况进行检查，保证切入土层充分。必要时，需要派潜水员下水检查。经检查合格后，方可进行水下混凝土封底。

3.3 分隔仓与钢管内支撑的安装

为缩短工期，加快施工进度，分隔仓与钢管内支撑均在钢套箱整体侧模下沉到位后将中间施工平台及钢管桩全部拆除后再进行安装。具体做法是在钢套箱整体侧模下沉到位后，将河床初步平整(可在钢套箱内外侧抛填小片石或卵石进行填平)，然后再搭设临时轻型分隔仓拼装平台。由于整体分隔仓较轻，质量不到2 t，所以将吊点转移至套箱侧模上，通过扁担梁整体吊起，拆除临时平台后再下沉分隔仓。分隔仓下沉到位后，再进行混凝土的封底。当封底混凝土强度达到设计强度后，边抽水边在已焊接好的内圈梁上焊钢管内支撑。

3.4 混凝土封底

3.4.1 用分隔仓法布置导管

导管的平面布置以每个分隔仓为单位，能使各导管有效半径互相衔接。导管的立面布置是在围堰顶搭设灌注支架，以悬挂漏斗及导管。支架顶部设置灌注平台，平台上搭设有储存混凝土的料槽。灌注从一端开始，分仓逐个进行，拔出导管向后周转使用。

3.4.2 灌注封底混凝土

封底采用C30早强混凝土，在灌注过程中，须严格控制混凝土的分布厚度，确保封底混凝土的质量。为了避免水位压力差破坏尚未达到强度的封底混凝土，在河水面以上5～10 cm处的套箱壁割除直径为20 cm孔洞，从而保证套箱内水位与黄河水位一致，并要求2 d后及时将其孔洞进行堵焊;或用一台水泵根据水位差值进行跟班抽水。