钢吊箱围堰在桥梁深水基础施工中的应用

罗晓军

摘要：本文以陕西包茂高速公路任河大桥深水承台施工为例，介绍了钢吊箱围堰的施工要点，可供类似工程借鉴。

关键词：深水基础 钢吊箱 施工 应用

中图分类号：U445 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）3（b）-0067-02

在桥梁基础施工中，围堰的主要作用是在有水基础中为承台和墩身的施工创造干作业环境。钢吊箱是钢套箱的一种特殊形式，俗称有底钢套箱，被广泛应用于深水桥梁高桩承台的施工。其原理是在水中通过钢平台或其他设施悬吊钢箱，在钢箱内灌注水下混凝土封底，然后抽水形成干作业环境。

1 工程概况

毛川高速公路任河大桥为67+110+67 m预应力混凝土连续刚构桥，跨越任河水库。桥全长256 m，基础为2.5 m钻孔灌注桩，主墩承台尺寸：9.5 m×9.5 m×4.0 m。水库常水位410.98 m，低水位409.00 m。常水位下最大水深19.0 m，设计承台底标高为406.5 m。

单壁钢吊箱参数确定。

根据任河水库水文及该工程特点，拟采用钢吊箱工艺进行该桥的高桩承台施工，施工水位按412.0 m考虑。以钢吊箱做为承台施工模板，吊箱底比承台底低1.9 m，顶口高于施工水位0.5 m。单壁钢吊箱设计为矩形，内部净尺寸为9.8 m×9.8 m×8.2 m。顶标高为412.5 m、底标高404.6 m，高度7.9 m，分节拼装，下节4.0 m，上节3.9 m。

侧板和底板按钢结构要求设计，底板、侧板均采用6 mm钢板，竖向加劲肋板均采用L100×50×8 mm型号角钢，横向加劲肋板采用-100×8 mm型号扁钢，间距35 cm。在侧板上的背面布置由[20b槽钢拼焊的横纵向连接加劲肋。底板布置由I25b工字钢拼焊的纵、横向加劲骨架。吊箱内部支撑采用Φ325 mm、壁厚6 mm钢管。吊带采用16根[]14槽钢，即每个钢护筒分布4个吊点，对称布置，每根吊带长不少于9 m。吊带穿过底板后，兜底吊在底板I32b吊梁上，吊带与吊梁采用高强螺栓联接并施焊加固。吊带上部在露出水面部分与钢护筒焊接。

2 钢吊箱验算

2.1 结构稳定性验算

承台尺寸9.5 m×9.5 m×4 m，套箱内平面尺寸9.6 m×9.6 m，钢护筒外径2.8 m，壁厚10 mm。拟定封底混凝土厚1.6 m，找平层0.3 m。共计1.9 m。吊箱自重及施工荷载按650 kN计算。

承台钢筋混凝土重9.5×9.5×4×26=9386 kN；封底砼重9.6×9.6×1.6×24=3539 kN。混凝土找平层自重9.6×9.6×0.3×24=664 kN。

2.2 封底混凝土与钢护筒之间的粘结力

F粘=fnπDh=4×3.14×2.8×1.6×1.6 kg/cm2=9003 kN

（注：摩擦系数f，根据孙英学等在《大型钢吊箱封底混凝土与钢护筒共同作用研究》，在线性阶段，C35号封底混凝土与钢护筒接触面的平均单位摩阻力可取0.28 MPa。本吊箱封底混凝土标号为C20，按比例折算摩擦P系数f取0.16 MPa。）

A净=9.6×9.6-4π×（D/2）2=9.6×9.6-4π×1.42=67.54 m2

F浮=A净×（7.9-0.5）×1T/m3=67.54×7.4×10=4998 kN（F上）

封底混凝土达到强度、抽水完成后：

F下=650+353.9+664+9003=13856 kN

系数=13856/4998=2.8（不会上浮）

封底混凝土浇筑后、形成强度前：

F下=65+353.9+（7.4-1.6）×A净×10 =418.9T+391.7=8106 kN

F上=F浮+F吊带=4998+（1400 kg/cm2×42.62 cm2×16）/1.3=12342 kN

系数=12342/8106=1.52（不会下滑）

低水位状态下一次浇筑4 m厚承台：

F浮=A净×4.4×1=67.2×4.4×10=2957 kN

F下=F自重+F封底+F找平+6F承台=650+3539+664+9386=14239 kN

F上=F浮+F摩阻+F吊带=2957+9003+6528 =18488 kN

F上÷F下=18488÷14239=1.3（不会下滑）

2.3 封底砼强度验算

在施工水位条件下，工况1。

封底砼强度达到后，抽完水时：

P= h砼r砼-h水r水=7.4×10-1.6×24=-35.6 kN/m2（向上）

工况2：低水位状态下浇筑第一层承台（厚2 m）：

P=h砼r砼-h水r水=（1.9×24+2.0×26）-4.4×10=45.6+52-44=53.6 kN/m2

按工况2状态下验算，将封底混凝土看

作四点支承的简支板，取半幅按外伸梁计算。如图1。

F下=53.6×9.6×9.6/2=2470 kN

q=2470/9.6=257.3 kN/m

RA=RB=ql/2=257.3×9.6/2=1235 kN

M支=257.3×2.12÷2=567.3 kN·m

Q支=-257.3×2.1=-540.3 kN

b=（9.6-2×2.8）/2=2 m

H=1.6 m

A=b×h=3.6 m2

W=bh2/6=2×1.62÷6=0.85 m3

σ=M/W=567.3÷0.85=667.4 kPa<[σ]=750 kPa

τ=3Q/2A=3×540.3÷（2×3.6）=225.1 kPa<[τ]=850 kPa，可行。

M中=（1/8）×257.3×5.4×5.4=937.9 kN.m

b=4.8，h=1.6

A=4.8×1.6=7.68

W=bh2÷6=4.8×1.62÷6=2.05

σ=M/W=937.9÷2.05=457.5 kPa<[σ]=750 kPa，可行。

Q中=-257.3×（2.7+2.1）+1235=0 kN

τ=0 kPa<[τ]=850 kPa，可行。

2.4 底板验算

面板采用6 mm厚钢板，主加劲梁采用I25b工字钢，间距2.3 m，纵横布置。I25b主要参数：A=53.51 cm2，Ix=5278 cm4，Wx=422.2 cm3，G=42.01 kg/m，容许应力[σ]=140 MPa，荷载按最不利情况，即浇筑封底砼阶段验算。不计底板自重，封底混凝土荷载强度：q1=1.6×24-10=22.4 kN/m2

q=22.4×2.3=51.5 kN/m

M=1/8ql2=（51.52×2.32）/8=34.1 kN·m

σ=M/W=（34.1×106）/（422.2×103）=80.7 MPa<[σ]=140 MPa

3 钢吊箱制造和安装

3.1 制造

钢吊箱在钢结构厂配料、下料及制作。根据结构尺寸、运输、水上浮吊起重能力等情况，将底板骨架分成4个单元体。底板在穿过桩基钢护筒的位置设4个φ310 cm预留孔。侧板按设计分节加工。吊箱纵横平面连接系统按单杆件制造。

3.2 吊装及下沉

吊箱经厂家试拼并验收合格后运至施工现场。采用两台25T浮吊将吊箱底板整体吊至墩位。安装前，先做好如下准备工作：（1）拆除钻孔桩水中钢作业平台。（2）准备16根单根长度为8 m的[]14槽钢，用做吊杆。（3）准备16台5 t（最大行程10 m）手拉葫芦。

底板安装调平后，在钢护筒顶上设置I32b工字钢，用作吊箱下放时的支撑吊梁，每个吊梁的两边距钢套箱内侧距离为30 cm。

为方便套箱侧板拼装，利用钢护筒上的支撑吊梁搭设临时简易操作平台。作业人员将手拉葫芦固定在钢护筒上的支撑吊梁上，并将其勾挂住底板上的吊梁，使底板悬挂在已成桩的4根钢护筒上，底板顶面高出水位0.3 m以上。

调平底板后，先将16根[]14吊杆顺着钢护筒下穿过底板与底板吊梁用高强螺栓联结牢固，并焊接到底板吊梁上，每个钢护筒旁设置4根吊杆。侧板用浮吊分块吊装就位，分块侧板之间采用M20螺栓联结，各分块与底板骨架之间采用焊接。下节侧板与底板骨架现场拼装好后，操作手拉葫芦使之均匀下沉。当下节顶面下沉到水面以上约50 cm时，重复上述吊装方法进行上节的拼装及下沉。节与节间通过M20螺栓联结，缝间填10 mm厚的硬橡胶止水垫。当将整个吊箱下沉到位后，整体调平，锁定手拉葫芦（如图2）。

将每根吊杆露出水面的部分与钢护筒外壁焊接牢固，焊接时严格按照规范操作，每根吊带与钢护筒的双面贴角焊缝不少于三道，每道长度不少于50 cm。同时在钢护筒与吊带焊接结合部的钢护筒内部用20槽钢作十字撑加固。此项工作完成后，松开并取出手拉葫芦。此时的钢吊箱即是通过16根钢吊杆进行悬挂（如图3）。

3.3 封底混凝土

采用C20混凝土封底，搅拌站集中拌合，坍落度控制在18～22 cm，并添加缓凝减水剂，初凝时间不少于4 h。根据以往施工经验，考虑钢护筒对砼扩散有一定的影响，导管作用半径按3.0 m取值。导管内径350 mm，底口距吊箱基底顶面20～30 cm。采用泵送混凝土法多点快速灌注，2根导管交替移动，从一端向另一端浇注。灌注过程中用垂球随时测量控制混凝土顶面高度，边浇注边观测，以判别各浇注点是否达到浇注标高。

封底混凝土总厚190 cm，水下灌注完成160 cm。待水下混凝土强度达到设计要求后，边抽水边加设套箱内部钢管支撑。套箱内抽完水后，将吊杆露出混凝土面以上30 cm高范围内再次与钢护筒外壁焊接在一起。凿毛清楚表面浮渣后，浇注完余下的30 cm高封底混凝土找平层，要确保找平层混凝土顶面与承台底设计标高一致。割除混凝土面以上部分钢护筒及吊杆，并对桩头进行凿除和清理。待桩基检测合格后，即可进行承台施工。

4 结语

钢吊箱围堰因其施工方便、实用性强、经济科学等优点，在桥梁深水高桩承台中有广泛应用，本例钢吊箱通过型钢吊带附着于钢护筒上进行悬挂，不仅节省了精轧螺纹吊杆等材料，加快了桩基钢平台的周转，使操作也变得简便快捷，值得借鉴。吊箱安装下放就位后，吊带与钢护筒的焊接以及连接部位钢护筒内口的加固尤为关键。需要严格按规范操作并加强质量监测。

参考文献

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