双壁钢吊箱围堰制造并下水工艺探讨

陈国刚

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063）

双壁钢吊箱围堰制造并下水工艺探讨

陈国刚

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063）

深水环境下桥梁基础的施工有多种形式，最主要的是钢围堰法。以武汉二七长江大桥的施工为依据，详细介绍了双壁钢吊箱围堰的制造工艺以及制造完成后下水浮运的具体方案。围堰制造采用分块制造，依次组拼的原则，下料、拼装、焊接每一步都经过严格检查验收，确保工程质量。钢吊箱围堰制造及下水工艺复杂，精度要求高，难度大。

钢吊箱;围堰;制造;下水;工艺

随着交通的繁忙，在长江、黄河等深水环境下建造大型桥梁已经成为常态。如何在深水中更快更好的进行桥梁基础施工，是摆在所有桥梁建设者面前的重大课题。1997年建成通车的九江长江大桥，创造性的使用了双壁钢围堰进行基础施工，并取得了成功。2003年完成的重庆长寿长江大桥，进一步的使用了平台围堰一体化的双壁钢吊箱围堰。经过十多年的完善，双壁钢围堰在国内多座桥梁施工中使用，已日趋成熟。双壁钢吊箱围堰具有结构刚度大，适应性强，施工简便，低造价等优点。目前在建的武汉二七长江大桥（后文简称二七桥）基础施工时亦采用了双壁钢吊箱围堰。笔者以二七桥为引线介绍双壁钢吊箱围堰技术［1］。

1 工程概况

二七桥上游距武汉长江二桥3.2 km，下游距天兴洲大桥6.8 km，主跨布置为:90 m+160 m+616 m+616 m+160 m+90 m=173 2 m的三塔结合梁斜拉桥。

4号主塔墩基础为18根桩径3.4 m的90 m长钻孔桩，行列式布置，横桥向6排，纵桥向3排。基础施工采用双壁钢吊箱围堰。围堰既是基础施工的挡水结构，又可兼作施工平台的承重结构。

由于桥址处场地有限，钢吊箱选择在桥位下游约15 km的武湖加工制造拼装，分两节制造安装。底节采用气囊法下河，浮运到墩位，并精确定位。第二节则是制作成单元块，船运至桥址组拼成整体。

2 围堰制造

2.1 围堰结构

钢吊箱长度为56.7 m，宽度为35.55 m，壁厚为2.0 m，钢吊箱分2节制造安装，底节高度16.681 m，重约1 800 t（不包括托板），底节钢吊箱由龙骨底板、外侧板、隔舱、吊杆、内支撑桁架及上下导环组成。底板龙骨为格构式结构，顶面布置肋板，吊箱外壁板和主隔仓板采用双壁结构，顶层内支撑兼起钢护筒导向架和钻孔平台的作用，底节钢吊箱在桥位下游约15 km的武湖兴发船厂空地加工制造拼装，气囊法下河，浮运到墩位，并通过前后定位船+锚碇系统精确定位。围堰结构图如图1。

图1 围堰结构Fig.1 Cofferdam structure

2.2 分片加工

围堰制造采用分块制造，依次组拼的原则。即采用分节制作成单元块，然后组拼成整体［2］。经过各种因素综合考虑，底节钢吊箱在高度方向不分块，沿周长方向分成若干小单元块，分段宽度为3～4 m，单块重量20 t左右。

2.2.1 准备工作

1）检验。开始加工前应核实场地的工作台尺寸、平整度等均要满足要求，施工人员应熟悉并校核全部图纸，绘制工艺分解图等，采用适当的焊接工艺和焊接参数。施工前，必须按有关标准规定对原材料的性能和各项技术指标进行抽样复检，合格后方可进行生产［3］。

2）下料。壁板采用自动切割机下料，型钢用气割下料，下料时要考虑焊接收缩余量。需对边缘加工的零件，单边预留3～5 mm的加工余量。氧割的零件边缘应去处割渣，表面粗糙度不低于，切割表面不允许有崩坑，塌角半径R≤0.5 mm。型钢下料端部应齐整，倾斜度≤1%，毛刺飞边打磨光顺［4］。

由于钢围堰外形尺寸较大，各构件大部分需要接长，为保证结构轮廓，钢围堰内、外壁板对接边边缘加工光洁度及尺寸要求应达到规范要求的标准［5］。

3）钢材校正。吊箱使用的钢板和型钢，由于在轧制时压延不均，轧制后冷却收缩不均，以及运输、储存过程中各种因素的影响，常常产生波浪变形，局部凹凸和各种扭曲变形。这些变形将影响切割及其它加工工序的正常进行，降低加工精度;而且在焊接时还产生附加应力，使构件失稳而影响构件的强度。因此，在号料前需对变形的钢板、型钢进行矫正处理，消除这些变形。钢板用平板机校平，型钢进行调直［6］。

2.2.2 加工制作

1）龙骨底板的制作:加工车间制造主要是按照图纸单元件尺寸进行配料，并对单元件进行编号，根据单元件编号拼装现场直接组拼。底板按图纸的分块制作，共分为10种，103小块，编号后直接在龙骨上组拼焊接。

2）吊杆的制作:围堰共需吊杆15套，每套吊杆分为一个单元块，吊杆应在专用平台上组装，专用平台应保持平整，且设有限位板的设施，以保证吊杆架几何尺寸。

3）壁板的制作:壁板单元件由内、外壁板、隔仓板及水平桁架及竖肋等部件组焊成型。胎架的精度应力求一致，以保证不同胎架组焊出来的产品其尺寸具有一致性。壁板的制造采用分块制造的方法，以面板的尺寸为分块线。

4）内支撑的制作:考虑运输和吊装能力，把内支撑分片，根据壁板拼装后的实际尺寸下料，制造过程中不焊接注脚板。为保证外型尺寸的准确性及控制焊接质量和变形，借助胎架组拼及施焊，胎架应具有足够刚度，以防止单元构件在组焊过程中变形。

5）底隔仓的制作

底隔仓在制造车间按图纸分块制造完成后，直接与底板和吊架进行焊接。

2.3 吊箱拼装

单元件组装顺序为:胎架平台制作→拼板及框架制作→铺设外围壁板→安装外围壁纵骨→安装水平结构→安装内隔舱板→安装内围壁纵骨及结构→铺设内围壁板→焊接内部构件

2.3.1 拼装准备

1）拼装场地坡度调整。钢吊箱拼装场至水中陡坎间的坡道距离约40 m，根据气囊的承载特性及受力情况，要保证通过气囊的最大工作高度不小于0.2 m，坡度调节必须分段进行，坡度由1∶35逐渐调整为1∶20。对不符合地基要求的部分要进行回填压实，并进行检查验收。

2）摆放钢凳。钢凳是由型钢焊接而成的框架结构，底面贴一钢板。钢凳的作用在于支撑钢吊箱以布置气囊，并且增加与地面的接触面积，保证地面在承压时不会因为地面的承载力太低而导致下沉。在围堰的底部按坡度铺设钢凳，给气囊留有一定的空间布放。钢凳排放时要有测量人员定位。

3）布置托板。由于底板下面是龙骨，为避免割伤气囊，铺放气囊位置在钢凳的顶面铺设一层20 mm厚的钢板作为托板。为防止托板边缘割伤气囊，在托板外侧边缘焊接钢管保护（只焊接在围堰托板外侧部分）。托板的宽度尺寸为13 m，在围堰宽度方向的布置为两侧滑道位置布置，每侧出底板50 mm布置，两端出底板600 mm布置，托板与龙骨采用临时卡马固定。

2.3.2 正式拼装

1）龙骨的拼装。滑道位置龙骨直接在钢凳上方20 mm的钢板上按编号拼装，滑道外的在钢凳上垫放钢板抄平后按编号拼装。首先要由测量人员准确定出龙骨的定位线，然后直接拼装焊接，要确保龙骨的相对尺寸，以防影响桩位。

2）底板的拼装。将制作好的底板单元块按编号在已拼装好的龙骨上边拼装，根据图纸底板的分块和相对位置依次铺放底板。底板与龙骨间按图纸要求焊接。为增强下水时底板的强度，根据情况在滑道区位置的底板孔沿顺气囊滚动的方向加一道型钢。

3）吊杆的拼装。底板安装好后，由测量人员在龙骨底板上放出吊杆的注脚位置，开始安装吊杆单元块，用注脚板将龙骨底板与吊杆焊牢。吊杆安装到位后，每个吊杆单元块水平方向必须用角钢进行连接成整体，以保证稳定。吊杆的拼装过程中必须由测量人员严格控制吊杆的顶面坡度与龙骨底板坡度保持一致。

4）底隔仓的拼装。吊架安装完成后开始安装底隔仓，将制造好的底隔仓单元块按图纸位置直接在底板和吊架间焊接。

5）内支架的拼装。为保证围堰的相对尺寸，内支架由中间往两侧拼装，先将中间单元块就位到吊架上，经测量人员定位好后，将内支架与吊杆焊接连成整体，然后将纵向连接拼装到位，使内支架连接成整体。待壁板拼装完毕后，根据实际尺寸再拼装两端单元块。为方便后期调整，内支架注脚先点焊。

6）侧板的拼装。由测量人员定出围堰侧板的外边线和平面尺寸控制点（主要包括4个拐角点、直线段与圆弧段的分界点、4边的中点和单元块接缝点）位置，根据侧板的位置线，先拼装靠长度方向的侧板，最后拼装宽度方向侧板，控制侧板接缝位置平顺和拐角段的相对位置。

2.4 焊接工艺

2.4.1 焊接准备工作

1）人员。参与焊接工作的操作人员，必须持有电焊工操作资格证书。焊接人员所从事的焊接位置，不得高于资格证书中所规定的位置。

2）铺设焊接平台。围堰的侧壁基本为直线段，为保证在拼装时的尺寸误差控制在标准范围之内，需铺设焊接平台。在平台上焊接侧板，能够保证焊接时的变形和平整度。焊接时的平面必须是一个刚性的固定结构来减少尺寸的误差。

3）焊接程序:① 焊接外壁板的拼板对接缝;②焊接纵、横舱壁与水平板的角接缝;③ 纵、横构架的十字焊缝;④纵、横构架与外壁板的角接缝。

2.4.2 焊接工艺

1）壁板对接焊。焊接方法为手工电弧焊和自动埋弧焊。平板结构，如内外壁板、隔舱板等采用自动埋弧焊。

手弧焊采用E4303焊条，BX3-300交流电焊机。薄板对接采用手工电弧焊，焊接电流160～200 A，组拼间隙0～1 mm，对接错边允许偏差1.0 mm，焊接速度 330 mm/min［7］。

埋弧焊采用H 08 A焊丝，HJ 431焊剂，MZ-1000埋弧焊机，配MZ-1000型自动小车，采用直流反极性。

2）水平桁架焊接。焊接方法采用手工电弧焊（工艺参数同上）。

焊接工艺要点:水平桁架组拼合格后，置放于一定刚性的焊接平台内，平台平面设固内、外环挡板，并根据试制水平桁架焊接变形情况设置反形。焊接时安排双倍数的电焊工，采用相同的焊接工艺参数，分别在内、外环板处施水平斜撑与环板的角焊缝，其顺序由中间往两端进行。

3）单元块焊接。焊接方法为手工电弧焊和药芯焊丝CO2气体保护焊。手弧焊工艺参数同上。CO2气体保护焊采用 E71T-1Φ1.2 mm焊条，NBC-500CO2气体保护焊电焊机。焊接电流160～220 A，电压22～24 V，焊接速度450～550 mm/min，气体流速15 L/min。

4）装配焊接。分别吊装单元块在底节围堰上就位，并按拼装线在底部焊定位挡块，上部铅垂到位后，在临时吊点处设缆风进行调整并固定。在单元间内、外壁板内侧加装钢垫板，并采用手工焊定位。

外壁板分块铺设在钢性胎架上，分块之间采用手工定位焊。在胎架中组拼水平桁架、竖肋及内壁板，并采取刚性固定措施。在胎架上分别采用手工焊、CO2气体保护焊先施焊外壁板与竖肋的立、平角焊缝、外壁板与内壁板的双面角焊缝。将单元块整体翻身，置放于弧形焊接胎架上，并采取刚性固定措施。分别采用CO2气体保护焊、手工焊施内壁板、竖肋与内壁板的平、立角焊缝。内、外壁板、竖肋与壁板焊接时，均安排双倍数电焊工采用相同的焊接规范由中间往两端进行。插入隔舱板，用用手工焊、CO2焊分别施隔舱板与壁板立角焊缝、隔舱板与壁板的平角焊缝。采用CO2焊隔舱肋板立角焊缝。组拼隔舱边水平撑并施手工立焊。

工地焊接应满足风力小于5级，温度大于或等于5oC，湿度小于或等于80%，雨天不能工地焊接。超出以上环境要求者，应采取措施，确保能保证焊缝质量时方可进行施焊。当围堰单元内采用CO2焊接时，一定要有通风防护安全设施，操作者要佩戴通氧气的防护面罩。

2.4.3 焊接注意要点

1）焊圆弧外壁板、直线外壁板的对接焊缝，当板缝错开时，应先焊横向缝（端接），后焊纵向缝（边接缝）当采用平列对接时，先焊纵向缝，后焊横向缝。

2）错开板缝对接缝，其焊接方法大多采用气体保护焊，其具体工艺措施如下:① 拼板要求平整，板装配间隙要小，焊缝表面无锈蚀、油渍，以防止焊缝气孔产生;②表面处理方法:钢丝刷清刷;角磨机配圆盘钢丝刷打磨;③平焊对接一般采用左向焊法，箱板平焊一般不作横向摆动;④当进行厚板焊接其焊缝较宽时，可采用多道焊法，亦可作适当横向摆动。

3）构件中同时存在对接与角接焊缝时。应先焊对接缝，后焊角接缝。

4）纵横构架间的十字接头，必须待构架安装完毕后方可施焊。

5）横焊为保证施工进度，调节焊接工作量，在吊箱未整体成型前，构架与壳板的焊接，一定要待壁板安装完毕后，方可焊接。

6）根据分爿制作整体安装工艺的要求，其分爿部分构架与板的焊接，其边缘应留300～400 mm暂不焊，待整体装配后再行焊接。

7）所有骨架的十字焊，构件的角焊缝采取逐格焊接法，遵循由中往左、右，由中往前、后，由下至上，由里及外的施焊程序。长焊缝采取退焊法及分中逐步退焊法，具有对称轴的工作，应尽量采取双人对称焊，以控制焊件变形量。

8）对接焊缝，手工焊时，材料厚度小于等于4 mm，半自动焊时材料厚度小于等于6 mm，可不开坡口，超过上述规定，应根据不同焊接方法，结合实际，采取碳弧气刨刨槽封底，其刨槽尺寸符合 GB/T985—88《气焊、手工电弧焊及气体保护焊坡口的基本形式与尺寸》要求。

9）吊箱的各部位的焊接，其电流大、小应严格控制，不得使用同一种电流进行全位置焊接。

2.5 结构验收

钢吊箱分片制成1件后，应测量单元产品全部尺寸，经检查无误，再制作第2件。两件单元产品经试拼装合格后，方可批量生产。

施工人员应对胎架定期进行检查，丈量主要尺寸，以确保产品质量。

钢吊箱分片出厂前应严格保证吊箱各部焊缝的焊接质量，对关键受力焊缝应做探伤检验，并对钢吊箱外壳焊缝作煤油渗透性试验。观察内外壁板焊接部位是否致密，以确保钢吊箱在浮运、定位、及下沉各阶段具有自浮能力。

2.5.1 焊接外观检验

焊缝尺寸及表面检验根据JB 3223—83《焊缝质量管理规程》焊缝表面质量检验标准执行。检验前，焊缝表面及两侧10 mm内必须清除所有熔渣、飞溅及其它污物。检验主要根据肉眼及KL型焊缝检验尺进行，焊缝外形光顺均匀，焊道与焊道、焊道与基本金属之间应平缓过度，不得有截面突变。焊接外观质量检查验收按表1进行。

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2.5.2 水密性试验

1）焊缝外部检查后方可进行水密性试验。环境气温应高于5℃，否则必须采取措施。

2）试验前应在各试验水舱下适当增加墩位，保证吊箱在试水时不变形。对未作水压水密性试验的焊缝，考虑到现场的条件和工期的要求，采用煤油渗透试验方式检查焊缝抗渗性。

3）试验前，检验部分不允许油漆和搪水泥，需要试验的箱体表面和焊缝必须打扫清洁，并且对进行检视的一面除要求打扫清洁，对采用煤油渗透试验的，尚需对检视面刷一层石灰浆（凉干），以便观察。

4）试验中，如发现有水流或渗水（渗油）现象时，需进行修补。修补后必须重新试验。

2.5.3 结构尺寸验收

钢吊箱组拼完成后，必须进行结构尺寸检验。结构尺寸检查验收按表2进行［8］。尤其是对底节护筒定位结构尺寸验收，以确保水上护筒插打准确性。验收结果必须详记录，作为钢吊箱接高、护筒上口定位架安装参考资料。

表2 钢围堰结构尺寸允许偏差Tab.2 Permissible dimension variation of cofferdams

3 底节钢吊箱下水

3.1 下水总体方案

吊箱制作场及附近场地均为滩地，地基承载力较低，无现成的下水坡道，考虑结构本身的安全性，采用铺设t=20 mm钢板来作为钢围堰与气囊间的衬垫，采用气囊支承、滚动前移整体纵向下水，即利用气囊托起吊箱，依靠钢吊箱自重分力下滑的方法使钢吊箱前行，至水边松掉后面控制拉缆加速下滑冲入水，整体自浮，最后用拖轮及临时锚碇控制钢吊箱。钢吊箱下水工艺流程图见图2。

图2 钢吊箱下水工艺流程Fig.2 Process of launching

3.2 下水前的准备工作

3.2.1 吃水深度计算

底节钢吊箱全高16 m，双壁及隔舱可提供浮力面积约为835m2，下水自浮稳定后，此时吃水深度为3.35 m左右，加上底龙骨高度0.681 m，入水深度为4.0 m 左右。

3.2.2 下水设备

设备主要有高压气囊50～70条，充气设备与之配套;10 t卷扬机2台，80 t滑轮组2对，20 t单门滑车3～5台，其它钢丝绳、卸扣配套。

为保证吊箱在滑道能够向前移动，并能控制吊箱下滑的速度和大致方向，需要在吊箱上设置前后拉缆，后面控制拉缆下滑速度的拉缆设计拉力为2×80 t，大于吊箱自重的最大下滑分力（不考虑摩擦阻力）T=2 800÷20=140 t。当吊箱入水浮起后，吊箱下的16 mm钢垫板需由地锚配卷扬机用气囊法拉起回收。

后拉缆控制采用地锚，地锚布置于钢吊箱后侧，距钢吊箱后端30 m。地锚为埋置式钢筋混凝土锚，共设2个，每个地锚设计水平拉力为80 t，尺寸为:长4.5 m，宽 4.5 m，深 3 m，顶与地面平齐，预埋钢板锚环。拉缆通过80 t滑车组（10 t卷扬机、四门走八滑车组）与地锚相连。钢吊箱底龙骨上设置牵引固定点。

3.2.3 气囊安装布置

1）气囊的受力计算

单个气囊承载力技术参数见表3。

表3 单个气囊承载力技术参数Tab.3 Parameters of bearing capacity on single airbag

2）气囊用量的计算

气囊的工作高度H取为0.6 m，下水的整体重量G=2 800 t，取气囊个数n=46，则:气囊的安全系数K为:

由此可见，气囊有2.10倍的富裕量，主要是考虑到箱体底部结构局部强度的不均衡，通过更多的气囊来分配箱体的重量，使局部的受力减小。

由以上计算可知，选用46个气囊是安全可靠的。气囊按间距2.5 m布置。

3）气囊布置及充气

吊箱拼装完后，在吊箱下的支承点间布置气囊，在直线段及部分圆弧段按每2.5 m间距布置一个气囊，对于与临时支点位置冲突的气囊，待临时支点拆除后布置，吊箱下两侧气囊对称布置［8］。

气囊在充气前，必须先布置好地锚及卷扬机等装置，将吊箱锚固牢靠，使其在被顶起后不向前滚动。气囊充气的顺序应尽量对称、分散，相邻的气囊分成两批次充气，当吊箱下的气囊充气至吊箱被抬起至0.8 m高左右后，此时，吊箱脱离支承点约20 cm，拆除钢垫板下的钢凳支承。一个吊箱下共有179个钢凳。支承点需清理干净，并作地面平整，以不影响后序的气囊滚动。

3.3 吊箱下水

钢围堰底节制作拼装完成后，经检查合格并签证后，对围堰滑移范围内的场地进行清理，保证无杂物（尤其是可能戳破气囊的尖锐物），挂好地锚钢丝绳后，开始围堰下水。

3.3.1 起 滑

气囊下河的所有准备工作就绪，具体下河日期要综合考虑当时的天气、风力及水位情况，应在风力较小、无雨水的天气下进行，并尽量选择高潮位时段。

当气囊完全托起钢吊箱，下滑道清理完成后，慢慢放松后拉缆，必要时在前端不断补充气囊，直至前面气囊到达水边。

3.3.2 下滑入水

钢吊箱控制下滑至水边，切断后拉缆，让钢吊箱自由加速下滑，利用其惯性入水并向江中滑行一段距离，使钢吊箱后端水深满足自浮吃水深度要求。

3.3.3 稳定漂浮

钢吊箱整体入水后，会在惯性、风力、水流作用下继续漂浮，同时底板内进水，钢吊箱入水深度增大，达到稳定入水深度，为控制钢吊箱不至继续漂浮，待命的拖轮及时靠近并拴绑，控制钢吊箱使其稳定。

3.3.4 托板回收

托板一端预留起吊钢丝绳和浮漂，在托板沉到河床后将其与地锚及卷扬机相连，托至近岸后，利用气囊法拖拉上岸。

3.3.5 应急预案

本项目钢吊箱自重大，结构不同于船只，气囊法下河会存在许多不确定因素，就可能出现的一些问题及应急措施计划如下:

1）钢吊箱开始不滑移

钢吊箱在1∶35的拼装坡度若开始不能下滑，可通过调节气囊压力，来调整气囊的工作高度，从而改变钢吊箱的下倾坡度，必要时，则准备采用装载机或拖轮挂钢丝绳牵引，直至钢吊箱开始下滑。

当钢吊箱被气囊抬起后清理支承墩时，应必须完全清理，不得有遗漏，地表之上的杂物等全部清退，专人检查，同时不能有尖锐物遗留，以免戳穿气囊。在边坡换填及平整时，亦应注意类似情况。

2）钢吊箱下水速度过快，冲滑太远

在钢吊箱下水前，设置柔性保险长缆绳，系结在水边准备的铁锚上，保险缆绳长度按照钢吊箱安全距离确定，蛇行盘在水边空地上，利用铁锚控制钢吊箱。并配备大马力拖轮附近待命。

3）钢吊箱侧板漏水

钢吊箱侧板密封焊接质量不合格，或者钢吊箱在移动、下水过程中结构局部受力过大，造成局部焊缝裂开，导致侧板进水，应备用水泵及时抽水，并补焊小隔舱或采用专用堵漏材料进行堵水。

4 结语

底节围堰安全的下水后，就可以通过拖轮浮运至桥址进行定位。顶节围堰制造后采用分块浮运至桥址再进行拼装接高的方法。

（References）:

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Process Discussion of the Manufacture and Launching of Double-wall Steel Suspension Cofferdams

CHEN Guo-gang
（China Railway SIYUAN Survey and Design Group Co.，Ltd.，Wuhan 430063，Hubei，China）

In deepwater，the construction of bridge foundation has various methods and the steel cofferdams is the most important.On the basis of Wuhan Erqi Yangtze River Bridge，the process of the manufacture of the double-wall steel suspension cofferdams and the specific discussion of launching after manufacture were introduced in detail.Based on block manufacture，cofferdams manufacture was followed by assembly.To ensuring project quality，cutting，splicing and welding were inspected strictly.The process of manufacture and launching was complicated and highly required accuracy.

steel suspension cofferdam;manufacture;launching;process

U445.55+6

A

1674-0696（2011）05-0925-06

10.3969/j.issn.1674-0696.2011.05.009

2011-04-11;

2011-05-13

陈国刚（1981-），男，河北隆化人，工程师，主要从事土木工程施工管理方面的工作。E-mail:tsycgg@163.com。