潮汐环境中撑拉一体化模板式矩形钢套箱施工技术

2015-11-27王洪江中铁四局集团有限公司安徽合肥230022

安徽建筑 2015年5期

王洪江（中铁四局集团有限公司，安徽合肥 230022）

1 概述

甬台温铁路客运专线位于浙江东部沿海地区，沿线经过宁波市、台州市、温州市，线路进入温州市域后即跨越定头港、清江、楠溪江、瓯江等大河流感潮滩涂河段，水位受径流和潮流双重影响，台风遇高潮水位常造成洪涝灾害。

定头港特大桥全桥长1890.32m，桥面宽13m，线间距4.6m,桥位处潮汐为正规半日潮型，潮流运动以往复流为主，落潮流速大于涨潮流速，落潮历时短于涨潮历时,落潮一般历时约4h,涨潮一般历时近5h,潮水流速一般为0.5m/s～2m/s。十年一遇潮水位4.7m，浪高0.5m；一般高潮水位3.7m。

该桥水下地貌主要包括水下浅滩、潮汐潮流冲刷槽和潮汐汊道。跨海范围内有3条较大冲槽，冲槽内河床较低，最深处均在-1.0以下，第一道冲沟分布在3#～7#墩之间；第二道冲沟分布在连续梁范围23#～27#墩之间；第三道冲沟分布在45#～50#墩位之间。桥位滩涂区广布着流塑质淤泥和淤泥质土，以及大量圆砾土、凝灰岩等，工程地质条件非常复杂。

2 承台设计情况

本桥基础：钻孔桩、承台按D1类环境作用等级设计，采用C30耐久性混凝土；墩台按C2类环境作用等级设计，采用C40耐久性混凝土+表面涂层。本桥共55个墩台，其中2#～52#墩位于潮汐中。绝大多数墩位承台尺寸为1230×900×350cm，12根Ф125钻孔桩。

3 水中墩承台施工方案的确定

3.1 承台施工特点

根据施工环境和具体设计情况，本桥多数承台具体特点有：①承台在涨潮时位于水中，落潮时处于裸露滩涂中；②承台虽位于水中，但无法采用浮船等水面作业设备进行施工；③承台半埋半露于河床，非高桩承台设计；④水中承台数量多，形状设计为矩形；⑤地质较复杂，局部含有有较大粒径砾石。其中第一道冲沟位置范围内5#和6#墩承台具有典型性，承台标高最低、地质具有代表性，承台底标高为-1.5m，潮差通常达5m以上，承台处地质局部有较大粒径砾石（如图1所示）。

图1

3.2 承台施工方案及基本工序的确定

目前水中基础的施工常采用的沉井、沉箱、钢板桩围堰、双壁钢围堰、钢吊箱围堰等施工方法，因为需要大型吊装设备或浮运设备，或无法周转，或成本过高，均无法满足本工程具体施工的安全性、适用性、经济性等要求。

针对本桥承台具体特点，最后研究开发了撑拉一体化模板式矩形钢套箱施工方法来进行多数承台的施工，主要考虑了加工方便、安装易操作、节约模板材料、多次重复使用，以及现有栈桥及施工平台能够承载所需履带吊荷载需要等因素。

主要施工步骤为：首先，使用长臂挖掘机及小型水陆两用挖泥船挖去承台位置淤泥及砾石土等；第二歩，退潮时安放纵横向型钢骨架（钢套箱底部约束所用），再迅速浇筑30cm厚的第一层底板混凝土；第三歩，退潮时安装钢套箱第一节，底部与预埋型钢骨架约束，上部临时约束固定，然后在套箱内再次浇筑50cm厚封底混凝土；第四步，安装第二节钢套箱和纵横向内部支撑型钢或钢管（退潮浇筑承台时兼做模板拉力构件使用）；第五步，安装第三节钢套箱（视承台标高和潮汐规律可不安装第三节）；第六步，进行承台有关工序的施工。

4 撑拉一体化模板式矩形钢套箱的构造及设计计算

4.1 撑拉一体化模板式矩形钢套箱的构造简介

钢套箱涨潮时作为防水结构起到防水作用，退潮时作为模板供浇筑承台混凝土施工（涨潮时亦作浇筑模板使用），根据钢套箱的使用功能，其结构主要由侧板、撑拉一体化支撑、现浇底板预埋型钢骨架、封底等部分组成。侧板为单臂，面板为6mm的钢板，兼做承台模板使用；横肋为[20a槽钢,间距50 cm，横肋与面板焊接，边框与面板接触面全焊满足防水要求；每组竖肋为两根I50a工字钢,间距3.3m，竖肋在横肋外侧，横肋竖肋接触面的焊接要满足在波浪水压作用下撕拉力的作用；撑拉一体化支撑穿透模板后与竖肋连接传递撑力和拉力。撑拉一体化模板式矩形钢套箱的构造模型及承台布置如图2所示。

图2 钢套箱及承台结构布置图

4.2 结构检算

根据施工不同阶段和工况条件下应进行钢套箱结构的设计计算、封底混凝土的抗浮及抗剪检算、整体稳定性检算等，这里主要介绍以下几种最不利受力工况，其他工况本文不作介绍。

4.2.1 十年一遇潮水位时，封底后水抽干后钢套箱的结构检算

①荷载确定

a.流水压力

根据规范，作用在套箱上的的流水压力：P=KAγv2/2g=1.2×5.7×9.5×10×2.02/（2×9.8）=142.6kN。作用在钢套箱上的单位宽度上的水压力为q=P/9.5=15.1kN/m，呈倒三角分布。

b.静水压力

最大施工水位水深h=6.2时，静水压力q=γh=10×6.2=62kN/m，呈正三角分布。

c.波浪冲击力

计算时浪高取0.5m；水深，5.7m；波长，14.7m；套箱迎波浪宽度9.5m。

查《海港水文规范》，D/L=9.5/14.7=0.646，属大尺度墩柱，波浪冲击力按大尺度墩柱公式Pmax=（fa/π）γLHcosh〔2π（h-z）/L〕/cosh（2πh/L）进行计算。经采用波浪力专用程序计算（计算过程见附图），套箱侧面承受的波浪冲击力120.8kN,作用力峰值在水面下1.92m处。作用在钢套箱上的单位宽度上的最大波浪冲击压力为q=120.8/9.5=12.7kN/m，呈三角形分布。

d.最不利工况荷载组合

高潮位时，钢板桩围堰内抽水施工承台主要荷载有流水压力、静水压力、波浪力组合。由于风力经计算小于1kN/m2对钢套箱的计算影响很小，故计算时不考虑它。

承台波浪力波高波浪周期波长设计水位床面高程水深承台底高程承台顶高程墩坐顶高程H(m) T(s) L(m) (m) (m) d(m) (m) (m) (m)0.5 3.1 14.7 4.7 -1 5.7 -1.5 2 18承台迎浪面宽度 D= 9.5 m D/L= 0.6462585 > 0.2 为大尺度桩柱H/D= 0.0877193 ≤ 0.2 D/L= 0.3877551 ≥ 0.35 PDmas= α*CD*V*D*H2K2/2MDmas= β*CD*V*D*H2*L*K3/2π PDmas= vP*CM*V*A*H*K2/2MDmas=VM*CM*V*A*H*L*K4/4π CD V D K1 K3 α PDmas β MDmas 1.2 10.45 9.5 0.0189259 0.0087813 1.06 0.2987395 1.06 0.6485794 CM V A K2 K4 VP PDmas VM MDmas 2 10.45 70.882184 0.3262682 0.2727288 1 120.8365 1 236.31635

图3 流水、静水压力、波浪力及荷载组合布置图

②建立计算模型及计算

将荷载组合转换成均布等效荷载，再作用在围堰模型横肋上，采用有限元法整体建模计算。

图4 钢套箱围堰三维模型

水平肋槽钢[20a最大弯矩如图所示。最大弯矩为Mmax=21.9kN·m,Wx=178 cm3,σw=Mmax/Wx=21900/178=123MPa<[σw]=1.3×145MPa(临时结构,取1.3的容许应力增大系数),符合要求（见图5）。

围堰竖肋弯矩I50a的最大弯矩为Mmax=193 kN·m,Wx=1 860 cm3则,σw=Mmax/Wx=193000/（1 860×2）=51.9MPa<[σw]=1.3×145MPa,符合要求（见图6）。

I50a水平支撑按两端固结计算压杆稳定性，允许最大轴向压力为Plj=π2EI/(μl)2=24227 kN,而水平支撑经计算轴力为577.5kN，小于允许轴向压力，符合稳定性要求。

4.2.2 封底后水抽干后封底混凝土的抗浮检算

图5

图6

桥位钻孔桩布置为横向每排4根桩，纵向每排3根,封底混凝土为80cm厚。根据十年一遇潮水位时，封底混凝土底至水面深7.0m，传递给钻孔桩的最大浮力为7750 kN，即每根桩抵抗645.8kN浮力。80cm封底混凝土和桩头的粘接，接触面积为3.14m2,则接触面的剪应力为τ=0.21MPa＜〔τ〕=0.8 MPa（C20混凝土）。C20封底混凝土与钻孔桩的粘结力能够满足止浮要求（另外预制底板的钢筋与护筒焊接提高安全储备）。

4.2.3 退潮时浇筑承台混凝土钢套箱的结构检算

完全退潮期间，浇筑承台混凝土,围堰受到的向外侧压力。混凝土的浇注速度在6m/h以下时，新浇注的混凝土对模板侧面压力按公式Pmax=Kγh 计算,根据公式和规范计算出Pmax=1.2×25×(1.53+3.8×(1/3.5))=78.47kPa。将0.5m宽度内的混凝土压力均布荷载作用在围堰模型横肋上进行运算。

①横肋槽钢的计算

此时的横肋最大弯矩如图7所示，最大弯矩为Mmax=27.4kN·m,Wx=178cm3，则 σw=Mmax/Wx=27400/178=153.9MPa<[σw]=1.3×145MPa,符合要求。

②竖肋工字钢的计算：竖肋最大弯矩如图8所示，工45a最大弯矩为 Mmax=238.85kN·m，δg=Mmax/Wx=238850/1860=128.5MPa<[σw]=1.3×145MPa,符合要求。

③一体化支撑拉杆的拉力和底板预埋型钢提供的水平约束力经计算满足要求（具体计算略）。

5 工序施工周期及施工注意事项

图7 横肋最大弯矩图

图8

5.1 钢套箱具体工序消耗时间（见表1）

5.2 钢套箱施工注意事项

①钢套箱在封底混凝土未凝固前以及未达到设计强度前，与周边钢管桩应采取固定措施，底板预埋型钢骨架应与钢护筒焊接固定，桩周钢护筒上设置焊接部分放射筋保证底板及封底混凝土与钢护筒的握裹力。

②钢套箱的加工，面板与边框的焊接必须满焊，模板块间连接双排螺栓全部按要求连接，夹入遇水膨胀橡胶止水条，以保证密封性。

③钢套箱就位封底混凝土强度达到要求后，方可封堵减压孔抽水，切除多余钢护筒凿出桩头漏出新鲜混凝土，然后进行承台和墩身的施工等。

④钢套箱吊装过程中要施加保护，不同阶段的吊装要分别1制备专用吊具，避免吊装变形并保护构件表面不受损伤。

⑤施工过程中对各种工况进行变形位移的监测。

⑥承台套箱施工期间监测掌握潮汐间隔时间规律，充分利用退潮期间进行施工操作。

⑦承台混凝土分2次浇注，施工组织较为经济，同时增加承台混凝土的散热比表面积，降低水化热温升，避免温差裂纹。

⑧台风等恶劣天气做好天气预报工作，提前做好应对预案，防止事故的发生。

6 结语

通过甬台温铁路客运专线定头港特大桥潮流影响下的承台成功施工，验证了潮汐环境中撑拉一体化模板式矩形钢套箱施工技术的成功运用。钢套箱在涨潮时作为防水结构起到防水作用，抵抗潮汐及波浪力冲击作用，同时兼做承台混凝土浇筑模板使用，内部支撑型钢或钢管在涨潮时作为压杆承受压力，退潮浇筑承台时兼做拉杆承受拉力。钢套箱能多次重复使用，节约成本，满足施工的安全性、适用性、经济性等要求，为类似工程提供了有益的借鉴。