高潮差深水基础大型双壁钢吊箱设计与施工技术研究*

刘晓敏，石怡安，强伟亮，班 航，张 俊

(中国建筑第六工程局有限公司，天津 300451)

0 引言

近年来，我国跨江深水基础桥梁均大规模地采用双壁钢吊箱围堰，作为一种非着床型的大型围堰，双壁结构可保证钢围堰有足够刚度，逐渐成为水深流急、冲刷严重区域的桥梁复合式基础的外围结构。大型钢吊箱围堰在工厂分片制作运输至墩位处进行拼装后整体下放，是大型桥梁深水基础施工的一个发展方向，可提高钢吊箱的制造精度，加快施工进度。本文以道庆州大桥跨江引桥墩承台为工程背景，系统地论述了大型双壁钢吊箱设计、施工技术，对我国今后桥梁深水基础施工有一定的参考价值。

1 工程概况

福州道庆洲过江通道采用公轨共用桥梁方式过江，大桥分别搭载6车道城市道路和轨道交通6号线。跨江大桥全长2 268.5m，分跨江主桥和8联跨江引桥，均为钢桁结合梁桥。跨江引桥桥墩、承台布设为工字形，最大承台尺寸为41m×14m×4m(图1中引桥第8联右侧边墩)，如图2所示。

图1 引桥立面(单位：m)

图2 承台平面尺寸

根据地表工程地质测绘及钻探揭露，引桥墩所处河床底标高-14.100m，地层主要以中砂、淤泥夹砂、砂混淤泥、淤泥质土为主；最高潮位为6.310m，最低潮位为-0.490m，最大潮差5.28m；受闽江入海口半日潮汐影响，水流变化复杂，本区段水流属往复流，落潮时水流方向为由西向东，涨潮时变为由东向西，最大流速3m/s。

根据引桥深水承台的工程环境及承台设计、施工等特点，确定采用双壁钢吊箱围堰施工工艺，桩基施工完成后，拆除围堰范围的钢平台，进行围堰施工。围堰主要作为承台施工时的挡水和模板结构。围堰包括壁体、内支撑、底板、导向装置等结构。大型钢吊箱围堰结构设计、围堰施工承台、施工墩柱过程中钢围堰内支撑进行体系转换为施工控制重点。

2 设计参数

2.1 结构设计参数

钢吊箱壁体设计：内、外侧壁板采用8mm厚钢板，面板横向加劲肋采用∟200×125×12，面板竖向加劲肋采用∟75×75×8;水平桁架采用∟100×100×10，隔舱板采用12mm钢板并焊接加劲肋∟75×75×8，内支撑采用φ630×10钢管。

钢围堰底板设计：底板采用6mm厚钢板，纵横交错龙骨HM340×250型钢，由龙骨划分的面板采用∟75×75×8作为加强肋，间距300mm。由于围堰结构尺寸较大，底板中部区域为受力薄弱点，为满足受力要求，须在底板中部区域设置加强桁架，桁架上弦杆为HM340×250，腹杆为[20a。底板各型钢之间焊接为整体结构，上述材料均采用Q235A。

2.2 计算分析参数(见表1)

表1 设计参数

3 钢围堰底板受力分析

钢围堰底板通常在吊箱侧板安装前预先拼装，待侧板与侧板、侧板与底板间拼装完成后再进行整体下放，下放到位后，底板受力工况为：①工况1 堵漏封底后吊箱抽水(高水位)，高水位浮力-封底自重；②工况2 堵漏封底后吊箱抽水(低水位)，低水位浮力-封底自重；③工况3 低水位浇筑承台，低水位浮力-封底自重-承台自重；④工况4 高水位浇筑承台，高水位浮力-封底自重-承台自重。

3.1 面板与加劲肋

经过计算，最不利工况为4个工况中受力最大者(工况3)。加强肋作为面板受力支点，面板按3跨连续梁考虑；龙骨作为加劲肋支点，加劲肋按简支梁计算，龙骨间距取为1.5m，与面板组成组合截面，根据最不利工况求解面板和加劲肋强度与变形均满足要求。

3.2 龙骨与加强桁架

考虑封底混凝土浇筑后已达到一定强度，与底板、护筒之间形成整体结构，故底龙骨最不利工况取低水位浇筑封底混凝土阶段，由底龙骨完全承受封底混凝土自重。该工况下，底板四边刚接，拉压杆与底板连接处刚接。如图3，4所示，浇筑封底混凝土阶段，龙骨及加强桁架上弦杆强度为193.8MPa，腹杆强度为169.6MPa，小于强度设计值215MPa，满足要求。

图3 龙骨及加强桁架上弦杆强度云图

图4 加强桁架腹杆强度云图

4 钢围堰结构设计与受力分析

由于围堰结构尺寸较大，内支撑设计时不免对后期墩柱施工造成干扰，考虑避开设计易造成壁体结构浪费，故在后期墩柱施工时增加了内支撑体系转换工况，达到便于设计和施工的目的。

4.1 施工工况

1)工况1 验算围堰下沉到设计位置，浇筑封底混凝土达到强度后，抽水到承台底即封底混凝土顶标高处，取高水位计算(见图5a)。

图5 工况1，2计算模型

2)工况2 承台浇筑完成后顶标高达到强度后，墩柱开始施工，考虑到墩柱施工与部分内支撑冲突，保留中部内支撑，拆除墩柱附近位置内支撑，改为四角斜撑(见图5b)。

4.2 计算分析

通过计算，侧板壁板、竖向角钢、水平桁架角钢、水平环肋、隔仓板最大应力设计值如表2所示，可知在工况1中围堰受力最不利，最大应力出现在侧板水平环肋处，均小于Q235钢板的强度设计值215MPa；围堰整体变形最大值为4.86mm，远小于设计允许变形值，表明该围堰的整体强度和刚度均满足施工要求。

表2 围堰构件变形受力

5 钢围堰整体吊装下放体系转换分析

大型钢吊箱围堰采用浮吊分节拼装后整体下放，4 000t驳船将围堰从加工拼装厂运至施工现场，采用1 000t浮吊起吊就位，吊点布置与起吊如图6所示。

图6 吊点布置与起吊示意

由于高潮差条件下围堰起伏波动大，对围堰吊装下放十分不利。因此，在下放到位后考虑进行挂桩，有利于后期混凝土浇筑过程中围堰稳定。吊箱下放到位后，进行第1次体系转换，利用挂腿搁置于钢护筒上，并将挂腿于钢护筒牛腿焊接。挂腿结构如图7所示，采用2HM588×300，2HM440×300，2HM340×250和部分加劲板焊接而成。围堰下放时由于浮力较大，须不断向隔仓注水助沉，通过计算初步设定隔仓注水至1.500m标高，保证浮吊在高潮位下始终处于受力状态，在低潮位下处于挂腿结构的受力范围。

图7 挂腿结构

钢吊箱整体吊装下放到位浇筑封底混凝土，随后进行抽水堵漏过程中，围堰承受的浮力逐步增大，导致围堰上浮，需设置抗浮构件刚性拉压杆完成第2次体系转换。焊接刚性拉压杆于底板龙骨和钢护筒之间，拉压杆采用2[25a。控制工况：拉压杆承受吊箱自重+封底混凝土自重-高水位浮力，以抗浮为主要控制工况。

待封底混凝土达到强度后，此时封底混凝土与钢护筒之间已产生握裹力，进行第3次体系转换，沿钢护筒周围设置抗剪板，拆除拉压杆、凿桩。控制工况：抗剪板承受吊箱自重+封底混凝土自重+封底混凝土与护筒握裹力-高水位浮力，以抗浮为主要控制工况。

开始浇筑承台混凝土过程中，考虑最不利情况低潮位下抗剪板也要满足抵抗下沉的要求。抗剪板承受吊箱自重+封底混凝土自重+承台混凝土自重-封底混凝土与护筒握裹力-低水位浮力，以下沉为主要控制工况。

分析表明：结合潮水位的变化，围堰在下放挂桩、封底抽水、拆除刚性拉压杆、浇筑承台这4个工况下处于动态受力体系。通过4个控制工况下的验算，才能保证下放过程中结构的安全性(见表3)。

表3 整体下放体系转换工况

6 结语

1)大型双壁钢吊箱底板设计需根据结构布置在薄弱位置处进行桁架加强，才能保证底板在不同工况下满足要求。

2)大型双壁钢吊箱围堰内支撑与墩柱施工需进行协调设计，根据实际相应增加内支撑体系转换工况。

3)钢吊箱围堰整体下放过程中处于动态受力体系，通过计算设置相应的抗浮抗下沉构件满足不同工况要求。