预制混凝土底板钢吊箱围堰设计与施工关键技术

■张宇琳

（漳州市通顺交通建设有限公司，漳州 363000）

桥梁基础是一座桥梁的关键结构，而水中桥梁基础的施工难度大、施工安全风险高，其围堰结构的选择和结构的安全性显得尤为重要。 近些年，随着桥梁建造水平的提高和施工技术的不断革新，预制混凝土底板钢吊箱围堰逐渐被广泛采用。 本文结合漳江湾跨海大桥水中承台预制混凝土底板钢吊箱围堰结构设计及施工实例，对预制混凝土底板钢吊箱围堰设计与施工关键技术进行了详细阐述。

1 依托工程简介

依托工程位于福建省漳江湾入海口， 主桥为（83+150+83）m 预应力混凝土变截面连续箱梁，分幅设计，基础为分离式承台基础，承台尺寸为（14.2×10.2×3.5）m，单个承台配6 根大直径钻孔灌注桩。桥位处最高潮水位3.27 m（设计观测最高值），最低潮水位-1.4 m；最大涨潮垂线平均流速为0.62 m/s，最大落潮垂线平均流速为0.56 m/s。 河床标高-6.0 m，承台底标高-2.5 m。

2 围堰结构选择

水下桥梁基础施工常用的围堰结构有钢板桩围堰、锁口管柱围堰、混凝土围堰、钢套箱围堰和钢吊箱围堰等，在水中高桩承台施工时多采用钢吊箱围堰。 传统的钢吊箱围堰底板多采用钢结构，其结构自重较轻、下放难度相对较小，但是抵抗水流力和风浪冲击的能力相对较弱。 近些年逐渐被广泛采用的预制混凝土底板钢吊箱围堰其底板结构较重，能够有效提高围堰抵抗水流力和风浪冲击的能力，增强钢吊箱围堰结构稳定性。 混凝土结构比钢结构耐久性强，不便拆除的钢结构底板后期腐蚀会对周边水域造成一定程度的污染，相较而言混凝土结构更环保，并且混凝土底板造价较低[1]。

依托工程主桥承台为高桩承台，且工程位于入海口，涨落潮时水流速度较大，施工周期内承台围堰结构需要持续抵抗海上风浪冲击，根据其结构特点和施工环境特点，承台围堰结构选择预制混凝土底板的钢吊箱围堰较为合理。

3 围堰结构设计

钢吊箱结构主要包括预制混凝土结构底板、钢结构壁板、内支撑系统、吊挂系统[2]。 底板结构为20 cm 厚预制钢筋混凝土；壁板采用单壁结构，高度7.5 m，结构组成为6 mm 钢板+[10 横肋@30 cm+双拼[20a@80 cm 背枋；内支撑系统由双拼工32a 围檩和φ351×8 mm 钢管支撑组成，在承台底以上2.1 m和4.8 m 位置各设置1 道； 封底采用C20 混凝土，厚度1.2 m。 承台总高度3.5 m，分2 次浇筑，首次浇筑高度1.5 m。围堰结构设计如图1 所示。预制混凝土底板如图2 所示，分块预制、拼装，板块之间通过预埋的角钢焊接固定形成整体，再通过加贴连接钢板进行加固。

图1 预制混凝土底板钢吊箱围堰结构设计立面图

图2 预制混凝土底板分块拼装示意图

围堰结构及承台施工工艺流程如下：借助钢护筒制作底板拼装平台→分块拼装预制混凝土底板→安装钢吊箱下放装置→拼装第一层钢吊箱壁板→拆除临时拼装平台→第一阶段下放→拼装第二层吊箱模板→安装围檩和内支撑→安装钢吊箱限位装置→第二阶段下放至设计位置→底板堵漏→灌注封底混凝土→抽水、浇筑垫层→受力体系转换→绑扎钢筋、浇筑第一层混凝土→拆除底层围檩、支撑→绑扎钢筋、浇筑第二层混凝土。

按照施工流程，选择5 个主要工况对围堰结构进行受力验算。 钢吊箱围堰结构受力验算采用Midas Civil 进行建模（图3）对各工况下受力情况进行受力分析验算， 荷载组合时要综合考虑静水压力、水流力、波浪力、风荷载、潮位等因素在相应工况中对围堰结构的影响。 对于预制混凝土底板，承受荷载应考虑底板自重、封底混凝土荷载和钢吊箱结构荷载，应按照钢筋混凝土结构对底板配筋、混凝土厚度进行验算。 具体工况设置如下：（1）工况一：封底完成。 对吊杆、分配梁、贝雷梁强度进行受力验算；（2）工况二：钢吊箱抽水完成。 验算高潮位时吊箱抗浮、封底混凝土及吊箱强度；吊箱强度验算荷载组合值：1.2×自重+1.4×高潮位静水压力+1.4×高潮位水流压力+1.4×高潮位波浪力+1.1×高潮位风荷载；（3）工况三：第一层混凝土浇筑完成。验算低潮位时底板及吊箱强度；吊箱强度验算荷载组合值：1.2×自重+1.4×低潮位静水压力+1.4×低潮位水流压力+1.4×低潮位波浪力+1.1×低潮位风荷载+1.4×1.5 m高混凝土侧压力；（4）工况四：拆除第一道内支撑。验算高潮位时钢吊箱受力情况；吊箱强度验算荷载组合值：1.2×自重+1.4×高潮位静水压力+1.4×高潮位水流压力+1.4×高潮位波浪力+1.1×高潮位风荷载；（5）工况五：第二层混凝土浇筑完成。验算低潮位时钢吊箱受力情况；吊箱强度验算荷载组合值：1.2×自重+1.4×低潮位静水压力+1.4×低潮位水流压力+1.4×低潮位波浪力+1.1×低潮位风荷载+1.4×2 m高混凝土侧压力。

对于预制混凝土底板， 承受荷载考虑底板自重、封底混凝土荷载和钢吊箱结构荷载，按照钢筋混凝土结构对底板配筋、 混凝土厚度进行验算，作为临时结构不考虑底板的挠度和裂缝。 根据验算结果受拉区按照每米板配置7 根Ф16 钢筋，分布筋按照每米板宽按4 根Φ12 钢筋布置。各工况下验算结果为工况二钢吊箱整体应力及变形达到最大值，各主要构配件应力及变形情况如表1 所示。

表1 各工况下主要结构最大应力、变形

由表1 可知，各构配件应力及变形满足规范要求。

4 围堰施工关键技术

4.1 拼装平台搭设

拼装平台高度以高潮位时不影响施工作业为准， 首先在桩基施工用的钢护筒上定位出标高线，保证每根护筒上牛腿安装在同一水平面，然后焊接牛腿支撑；牛腿支撑焊接完成之后，钢护筒内部对应牛腿的位置焊接十字内撑以减小底板拼装过程中钢护筒变形，这样能够提高预制混凝土底板拼装精度、 降低钢吊箱下放过程中与钢护筒碰撞的几率。牛腿、内撑焊接完成验收合格后，在牛腿上搭设拼装平台， 拼装平台需预留足够的人员作业空间，并同步施工作业区临边防护栏杆和防坠网。 拼装平台搭设完成后应对各节点位置标高进行复测、调整。

4.2 预制混凝土底板拼装

预制混凝土底板在预制场分块加工、养护后运输至现场进行拼装，吊装、运输过程中须采取有效的防护措施确保过程中构件安全，避免碰撞导致棱角受损或是出现裂缝。

底板运输至现场后利用履带吊分块拼装，拼装作业前可以在承重梁上按照底板安装位置提前焊接限位钢板或型钢， 提高初步安装的定位精度；板块放置在承重梁上之后利用手拉葫芦进行进一步调整精确定位。 待所有底板分块吊装就位后，对板块之间的对接精度和整体的平面位置进行复测调整，最后通过板块之间预留的角钢将各板块连接成整体。 所有焊缝采用通长满焊，连接角钢焊接完成后在顶面按照50 cm 间距加贴连接钢板对拼接处进一步加固。 底板现场拼装如图4 所示。

图4 底板现场拼装

4.3 下放装置安装

预制混凝土底板拼装完成后，开始安装钢吊箱下放装置，钢吊箱采用精轧螺纹钢筋作为吊杆进行下放，整个钢吊箱共设置12 个下放吊点，动力装置为24 台32 t 千斤顶。 首先参照承重梁实际安装位置在钢护筒顶口精确定位出贝雷梁安装位置，焊接限位钢板后安装贝雷梁并加固；然后在贝雷梁上安装吊杆锚固用分配梁以及下放用的千斤顶和扁担梁；最后把精轧螺纹钢筋依次穿过扁担梁、分配梁、贝雷梁和底板承重梁，安装扁担梁上部和底板承重梁下部的锚固螺母完成下放装置安装。 吊杆安装时需要保证其垂直度，安装完成后需用扳手紧固螺母尽量保证每根吊杆受力均匀，以保证在后续下放过程中每个吊点同步受力[3]。 下放系统安装示意图如图5 所示。

图5 下放系统安装示意图

4.4 壁板及支撑系统安装

为了便于加工和现场安装， 钢吊箱壁板沿竖直方向分两层设计，下层壁板高度为3 m，上层壁板高度为4.5 m；沿周长方向根据结构尺寸分成16 块，单块最大吊重2.6 t，采用50 t 履带吊逐块进行拼装。

钢吊箱壁板拼装前先在预制混凝土底板上放出壁板内边线，并在底板拼装平台上相应位置焊接I25 型钢作为限位块， 保证每块壁板对应的限位块不少于2 块，每条边端部的限位块与壁板安装位置之间应预留1 cm 左右调节空间。 壁板拼装时从一侧长边开始，先吊装轴线处一块下层壁板，首块壁板吊装就位后利用I25 型钢将壁板与钢护筒焊接临时固定，然后对称向两边逐块拼装直至下层壁板全部拼装完成，在单块壁板吊装就位并对其平面位置进行复测后及时将钢吊箱壁板与钢护筒临时固定。 壁板拼接处在一面黏贴泡沫止水胶带进行密封，壁板与底板连接处缝隙填充发泡剂进行封堵[4]。

钢吊箱拼装完成后及时安装内外支撑系统。 支撑系统采用50 t 履带吊进行吊装，安装时在底板上搭设移动式作业平台，在壁板内外相应位置焊接牛腿支撑， 然后吊装围檩、 支撑并按照要求完成焊接。 围檩与壁板之间、围檩与钢管支撑之间的缝隙超过5 mm 时应加垫钢板填缝， 确保各连接部位贴合严密。

为了保证下放过程和承台施工过程中钢吊箱整体位置稳定，在每根钢护筒上焊接[20a 作为限位装杆， 限位杆端部距离钢吊箱壁板预留1 cm 左右空间保证下放顺畅。

4.5 钢吊箱下放

钢吊箱底板、壁板、围檩支撑及下放系统安装完成后，12 个吊点位置千斤顶同步顶升使底板承重梁脱离支撑牛腿20 cm 左右， 然后锁紧吊杆螺母，拆除牛腿支撑，开始进行钢吊箱下放。

为了便于控制下放过程中各吊点同步，下放时千斤顶油缸伸出长度和回缩长度全部按照满行程控制，遇到某个吊点位置下放受阻时，需要暂停下放、调整油缸至同步后查明原因，排除障碍后继续同步下放。 每个行程下放完成后须及时锁紧吊杆螺母后再调整千斤顶及扁担梁，进行下一个行程的下放。单个行程15 cm，每下放5 个行程要对钢吊箱顶面标高进行复测，确保整个下放过程各个吊点下放进度没有较大偏差。 经测量复测钢吊箱下放到设计标高后，锁紧吊杆螺母，拆除千斤顶及扁担梁，完成钢吊箱下放。

4.6 底板堵漏

钢吊箱调整到位并固定后，由潜水员水下安装封孔板，每个钢护筒封孔板分为3 块，封堵钢护筒与吊箱底板间的间隙后，在封孔板上堆码一层袋装砼。 钢吊箱底板与护筒之间封堵板设计为可推拉的形式，既能够防止吊箱下放时封堵板上浮，又方便吊箱下放到位之后施工人员移动封堵板。

5 结论

通过对5 种主要施工工况下围堰结构受力验算，证实了结构设计的理论可行性。 在依托工程围堰施工过程中，预制混凝土底板拼接高效、拼缝严密，围堰整体下放平稳，底板与护筒之间的间隙封堵简便有效， 围堰一次封底成功未发生漏水现象，后续承台施工过程中围堰结构变形、受力均在可控范围内，证实了该围堰结构的施工可行性。 预制混凝土底板钢吊箱围堰结构安全性、安装功效相对较高，能够较好地适应近海水域水中承台施工，可以为类似工程钢吊箱围堰结构设计和施工提供参考。