深水淤泥质装配式钢吊箱围堰设计与应用

2021-04-09蔡进

铁道建筑技术 2021年1期

关键词：钢护筒围堰底板

蔡进

（中铁十一局集团有限公司湖北武汉 430061）

1 引言

从上世纪50年代修建武汉长江大桥开始，我国桥梁深水基础技术在逐步发展精进，越来越多的重难点基础施工技艺实现突破，其中双壁钢围堰施工技术尤为典型，在跨越大江、大河等深水基础施工中得到广泛的应用［1］。

刘云宵等人针对双壁钢围堰在大型桥梁工程中的应用进行了大量的研究［2-6］。本文以广州南沙港铁路西江特大桥跨海州水道主跨116 m连续梁主墩的承台施工为背景，研究了深水淤泥质承台装配式混凝土底板钢吊箱围堰设计与应用。

2 工程概况

2.1 项目简介

新建广州南沙港铁路站前工程NSGZQ-3标西江特大桥里程范围 DK12＋962.405～DK28＋744.260（150＃～565＃墩），正线长15.782 km。其中跨海洲水道主桥里程为DK18＋747.505～DK19＋152.305（289＃～294＃墩），孔跨布置为（60 ＋116 ＋116＋65＋46）m连续梁，连续梁主墩291＃墩承台尺寸为19.7 m×13.2 m×4.5 m。

2.2 水文地质气象条件

海州水道地处佛山市境内，桥梁与河流夹角为56°。桥址区域为亚热带海洋性气候环境，雨量充沛，地表河网、溪流纵横交错。每年4～9月是汛期，全年80%以上的降水出现在这段时间里，7～9月是台风活动的频发期。

连续梁主墩291＃墩设计为低桩承台，常水位＋1.5 m，河床底标高-12.15 m。291＃墩较为靠近河中，河床以细砂、淤泥、细圆砾土为主，厚约24 m。

3 方案比选

根据过往的施工经验，291＃墩可选择的施工方法有钢板桩围堰、钢管桩围堰、无封底双壁钢套箱围堰、混凝土底板的钢吊箱围堰等。针对以上的施工方案进行具体分析：

3.1 普通钢板桩围堰

钢板桩围堰的优点在于施工速度快、成本低。但钢板桩围堰稳定性、刚性较差，更适合于开挖深度10 m以内、基底地质较好的环境。对于291＃墩淤泥质土厚达20 m深的地质环境来说，钢板桩围堰很难维持内外水压平衡，且混凝土封底难度非常大，容易发生渗漏，安全隐患数量居多。

3.2 普通钢管桩围堰

钢管桩围堰的优缺点与钢板桩围堰相似，钢管桩围堰的刚性较钢板桩围堰更好，适合开挖深度可达20 m。但对于291＃墩的地质环境来说，钢管桩围堰同样存在水压平衡难以维持，封底难度大，容易发生渗漏的问题。

3.3 普通双壁钢套箱围堰

双壁钢套箱围堰有效满足了深水环境下围堰侧壁的刚度要求，但较前两者成本投入更高，施工工艺更为复杂，围堰拆除有限，材料难以回收利用，并且混凝土封底问题依旧难以解决。

由以上分析可知，291＃承台施工的围堰需求既能满足侧壁的刚度要求，又能有效解决封底的问题，同时能较好地保证围堰的拆除以及拆除后的材料利用，节省成本。

为此，通过不断地研究商讨，设计优化，最终确定了深水淤泥质承台装配式混凝土底板钢吊箱围堰施工方案。

4 装配式混凝土底板钢吊箱围堰设计

4.1 总体设计（见图1）

图1 西江特大桥291＃钢吊箱围堰

西江特大桥291＃墩承台钢吊箱形式为无封底式双壁钢吊箱；壁体夹壁共分两节，第一节高10.8 m，夹壁厚为1.8 m，为原155＃墩承台钢围堰壁体；第二节高为7.024 m，夹壁厚为1.5 m，第二节壁体为全新加工。夹壁面板为6 mm厚钢板，面板内侧焊接有竖向角钢竖肋，间距为35 cm，壁体间设置有环向钢板以及竖向隔仓板，环向钢板为12 mm和18 mm厚钢板，竖向隔仓板为20 mm厚钢板。共设置3道围檩及内支撑，围檩型号为三拼HW400×408型钢，内支撑为φ800×12 mm圆钢管。钢护筒四周设置三道拉压杆，六道剪力板。吊箱底板厚度为t＝40 cm，采用C50混凝土预制而成，钢护筒四周环向圈梁尺寸为500 mm×1 000 mm，环向主梁尺寸为1 880 mm×1000 mm，底板次梁尺寸为400 mm×400 mm。

4.2 受力检算

围堰结构采用有限元计算分析，共涉及到五种荷载计算，分别是钢吊箱自重、静水压力、混凝土底板浮力、水流力、混凝土浇筑压力。围堰计算工况为整个施工过程中各结构受力最不利情况，各工况具体分析如下：

工况一：钢吊箱起吊下放；

工况二：高水位时钢吊箱内抽水完毕；

工况三：高水位下浇筑首层承台混凝土；

工况四：拆除第三层支撑及围檩后，高水位下浇筑第二层承台混凝土。

计算可得各工况下各构件的最大等效应力值均满足规范要求。

除此之外还需进行以下计算［7-9］：

（1）钢护筒四周握裹力验算

钢护筒所能承受最大握裹力960 kN＜1 900.3 kN，超出部分受力考虑由拉压杆或剪力板承受。

（2）剪力板受力计算

剪力板焊缝受力验算得37.2 MPa＜160 MPa；焊缝承载力安全系数k＝4.3＞2.0，剪力板焊接焊缝受力满足设计要求。

（3）拉压杆受力验算

由于钢吊箱入水较深，为尽量减小拉压杆长度，钢吊箱内钢护筒四周水下封堵混凝土浇筑完成并达到设计强度后，围堰内先进行部分抽水，抽水至一定深度后再安装拉压杆。

钢吊箱围堰内抽水3.0 m后，钢护筒四周最大反力F＝626.8 kN＜960.84 kN，此时钢护筒四周握裹力满足围堰的抗浮要求。

单个钢护筒四周设置三处拉压杆，抽水完成后单根拉压杆承受的最大荷载F＝（1 900.3-960.84）/3＝313.15 kN。拉压杆截面强度验算按毛截面屈服考虑，其计算结果为23.3 MPa＜215 MPa，满足设计规范要求。

拉压杆稳定性安全系数k＝3.11＞2，满足设计规范要求。

（4）拉压杆下支座插销抗剪验算

抗剪承载力计算结果41.5 MPa＜155 MPa，满足设计规范要求。

（5）拉压杆上支座插销抗剪验算

焊缝受力计算结果46.6 MPa＜160 MPa，焊缝承载力安全系数k＝3.43＞2.0，拉压杆上支座焊缝受力满足要求。

（6）下放扁担梁计算

钢吊箱下放时单个吊箱最大反力为745.4 kN，钢绞线吊点于扁担梁跨中位置，按简支梁计算，扁担梁强度及刚度均满足设计规范要求。

（7）扁担梁插销抗剪计算

抗剪承载力计算结果满足设计规范要求。

（8）下放钢绞线强度验算

单根钢绞线的应力534.2 MPa＜1 860 MPa，安全系数3.48＞2.0，钢绞线设计强度满足规范设计要求。

（9）下放挑梁及钢护筒受力验算

挑梁及钢护筒最大等效应力114 MPa＜215 MPa，钢护筒最大横向变形为4.68 mm＜L/200＝49.65，满足设计规范要求。

5 方案实施

291＃墩钻孔桩施工完毕后，拆除钻孔平台，利用抓斗和空气吸泥机清淤至指定位置处，然后在钢护筒上开孔焊接安装挑梁，挑梁安装完成后把提前预制好的混凝士底板吊装到挑梁上，组成围堰拼装平台。

钢吊箱围堰在场内分块制作，经检验、试拼合格后采用驳船运输至291＃墩位处，通过2台120 t履带吊拼装。第一节拼装完成后，安装上下两节围堰的预应力连接精轧螺纹钢和围堰下放系统，往围堰内壁进行注水，边注水边利用千斤顶下放围堰，下放至第一节围堰距离水面以上1 m后锁死下放系统，吊装第二节围堰进行拼装，拼装完成后再次注水利用下放系统下放围堰到设计标高位置。

利用导管水下浇筑C35不分散混凝土对底板进行封堵，同时安装钢护筒上的剪力件和拉压杆系统，完成围堰内受力体系转换，围堰内开始抽水施工承台、墩身。承台、墩身施工完成后，接通连接管往围堰内通水保持围堰内外水位一致，解除围堰与混凝土底板间的联系，抽出围堰内壁的水使围堰上浮，拆除围堰。

5.1 吊箱围堰加工

（1）围堰壁板加工

钢吊箱围堰壁体主要由外壁板单元件、内壁板单元件、隔舱板单元件及支撑角钢组成，各单元件之间为焊接连接。

钢吊箱围堰制造与安装划分为三个阶段：单元件制造、单元块加工、工地拼装焊接。单元件制造、单元块加工在工厂内完成，以便发挥加工设备先进和施工条件好的优势；单元块运至工地现场后完成工地焊接拼装。即钢吊箱围堰制造采用的程序为“单元件制造→单元块加工→单元块运输→桥位拼装”［10］。

291＃钢吊箱围堰纵向划分为三个部分：第一部分为1 m高混凝土底板，第二部分为壁厚1.5 m高为7.034 m的新围堰（第一节），第三部分为壁厚1.8 m高为10.8 m的从155＃墩割除的旧围堰（第二节）。

钢吊箱围堰制作场内利用2台400 t龙门吊完成三个阶段的厂内加工制造。钢吊箱围堰采用1艘400 t驳船运输，每艘驳船放置4块，双层存放，在运输船甲板安放垫木，驳船运输至桥位完成拼装连接。

（2）围堰底板加工

291＃墩双壁钢吊箱围堰底板采用C50混凝土预制板，预制板合计分作4种型号，预制板在场内预制厚度为40 cm，每个分块底板在场内预制并准确安装预埋件，做好养护措施，保障底板的质量。

5.2 吊箱围堰散拼、下放

（1）底节钢吊箱围堰拼装

拼装前拆除钻孔平台，对河床进行清理，搭建拼装平台。

采用吊机吊装搁置梁至钢护筒槽口处安装，搁置梁标高必须保持一致。挑梁安装完成后，围堰底板单元块通过运输驳船运输至平台处采用吊机进行吊装，安装在搁置梁上方。底板各单元块之间设有湿接缝，底板的平面位置及相对高程复核无误后，连接底板各单元块间连接钢筋并进行湿接缝砼浇筑，将底板各单元块连接成整体。

钢吊箱围堰每节分为4个单元块，2台120 t履带吊位于支栈桥上，先拼装上游围堰单元块，沿围堰长边对称拼装钢吊箱围堰，最后至下游主栈桥边合拢。

采用驳船将壁体运输至墩位处后，采用120 t履带吊将壁体吊装至指定位置进行初定位，再对壁体位置进行精确调位并调整壁体垂直度，调整到位后使用临时支撑进行壁体临时固定，临时固定构件采用小型型钢布置于支栈桥上，在壁板安装的4个角点均设置临时固定系统；然后安装与其相连的壁体［11］，采用导向定位装置使得相连壁体安装时CIC型锁扣成功咬合，并进行调位、临时固定，逐步安装完成钢吊箱底节拼装，拼装完成后，进行底节围堰内支撑钢管安装与焊接［12］。

整个钢吊箱共布置双层8个导向架，布置在角点的钢护筒上。通过安装在钢护筒顶部的调位千斤顶进行调位，到位后在导向架上安装橡胶滑动块，通过钢护筒进行导向，避免围堰入水后偏位。定位是在吊箱下沉到位后，为防止水流压力、波浪力及靠船力等动荷载对自由悬挂的钢吊箱发生扰动，影响封底混凝土质量而设置固定装置。定位主要利用钢护筒的稳定性将下沉到位的钢吊箱通过定位器与最外围的钢护筒连成整体达到钢吊箱的定位。

在钢吊箱临时固定完成后，应对钢护筒上的钢吊杆安装焊接。

（2）底节钢吊箱围堰下放

钢吊箱围堰下放支架采用在护筒顶上焊接型钢挑梁作为主要受力构件，钢护筒顶用1 cm钢板搭设，作为下放挑梁的安装平台。

主墩钢吊箱采用10台100 t连续千斤顶下放。在钢护筒上焊接支撑牛腿与双拼HN580×300型钢下放挑梁焊接成整体，吊杆上端与下放挑梁组成的吊挂系统连接，下端与底板的钢混底纵梁连接。

进行钢吊箱下放前，拆除拼装支撑梁，调节每个千斤顶的行程，确保每个千斤顶行程一致后，同步顶升千斤顶抬高钢吊箱，使其底板脱离钢护筒上的搁置梁后，进行搁置梁拆除。搁置梁拆除后，同步进行千斤顶下落，缓慢下放钢吊箱围堰（见图2）。

图2 连续作业千斤顶安装、作业

利用10台千斤顶同步下放第一节吊箱至吊箱顶口到水面以上1 m，下放过程中围堰到达自浮状态后开始配合水泵往围堰壁舱内注水下沉，到达位置后锁定千斤顶，在钢护筒外围焊接锁定装置，防止围堰晃动。

（3）第二节钢吊箱围堰接高和下沉

利用120 t履带吊按照第一节围堰拼装顺序和工艺接高第二节围堰，检查围堰水平接缝和竖向接缝的密闭性，密闭性良好后，解除围堰与护筒间的平面锁定，启动千斤顶继续下放围堰。

（4）吸泥下沉

为防止围堰下方淤泥发生溜塌阻碍围堰的下沉和保证钢吊箱在流塑状淤泥内顺利下沉，在钢吊箱底板预制时预留24个吸泥孔，拼装时同步安装吸泥装置，在下放过程中待底板进入淤泥后，开启吸泥装置进行吸泥下沉，拟定采取吸泥方法为气举反循环吸泥法。

空气吸泥机主要由空压机、吸泥管、供气管、射水管、高压水泵、吸泥器、闸阀组成。

（5）转换拉压杆受力

钢吊箱下放完毕后安装钢护筒和钢管桩上的拉压杆，拉压杆采用双拼 36b槽钢加工而成。

拉压杆底部与钢吊箱底部主梁连接，上部与钢护筒上的上支座焊接，在封堵砼施工中拉压杆辅助受力，拉压杆在抽水过程中主要承受浮力。

钢吊箱下放到位后，根据测量的复核结果对钢吊箱进行微调整姿态，保证钢吊箱空间位置符合设计及规范要求。上下调整采用钢吊杆上的千斤顶进行微调，水平方向调整时采用导向架上的千斤顶进行调整。在调整过程中时刻进行监测，保证钢吊箱的位置偏差符合要求。调整到位后，安装拉压杆，拉压杆上支座顶标高为＋2.5 m。

5.3 围堰水下封堵

封堵混凝土采用C35水下不离析微膨胀混凝土，采用内径150 mm消防软管作导管，插入护筒与预制底板间缝隙进行浇筑，混凝土封堵范围为各钢护筒与围堰预制底板间环向20 cm范围，封堵混凝土厚度为100 cm。由潜水员在水下进行软管位置控制，上方布置小料斗，每个护筒间计算出混凝土使用量，定量控制，浇筑平整度由潜水员在水下脚踩、手摸抚平。