深水裸露基岩库区长大承台钢套箱分段组合施工技术*

金仁贵

(中铁十六局集团第三工程有限公司，浙江 湖州 313000)

0 引言

钢套箱作为桥梁水中承台施工的常用方法[1-3]，施工工艺多种多样，按钢套箱壁体结构分为单壁钢套箱和双壁钢套箱[4-8]，按套箱安装下放方法分为整体下放和分片拼装，按钢套箱壁体连接形式分为焊接和螺栓连接，根据现场环境和水文地质条件的不同，所采取的方案也有所不同[9-12]。

1 工程概况

本项目石浦大桥4号墩距离东河岸70m，桥墩处水深4～5m，河床有浅层卵石覆盖层1.0～1.2m；5号墩距离西河岸50m，桥墩处水深5m，该处河床为裸露基岩，倾斜状，无法插打钢板桩形成围堰，且承台设计为哑铃形，长度达40.9m，宽7.5m，中部最窄处3.0m，厚度3.5m，设计顶面标高37.5m，如采用整体钢套箱围堰，套箱总重将在130t左右，需要较大吨位起重设备，受工地便桥载重影响，一次性起吊钢套箱的设备无法到达现场，受上下游船闸影响，较大浮吊设备也不能到达，且一次性起吊超长钢套箱需制作特殊的桁架扁担，复杂且不经济。因此采用了大型钢套箱围堰分体组合施工技术，将钢套箱进行分体组合，施工时将钢套箱划分为4个节段吊装，设置2个隔仓板(3个隔仓)，该方法既满足采用一般吊装设备进行钢套箱施工又减轻了封底混凝土施工组织压力，有效解决了深水裸岩及浅层覆盖大型钢套箱围堰施工问题。

桥墩距离河岸较近，水深相对较浅，经过防洪影响评价并征得当地水务部门同意，采取对桥墩处进行筑岛，筑岛完成进行桩基础施工，桩基础采用“先桩后堰法”施工。钻孔桩施工完毕，在承台处反开挖基坑，通过下放钢套箱围堰进行后续施工。

2 钢套箱设计

2.1 钢套箱结构布置

钢套箱尺寸为10m(宽)×43.0m(长)×4.5m(高)。面板采用5mm厚钢板，横肋为[6.3，间距30cm，竖肋采用[18a，设2根围檩为2 [25a，第1道围檩轴线标高为39.000m，第2道围檩轴线标高为41.700m，内支撑采用φ273×6.5螺旋钢管。套箱底部采用C30混凝土，厚度1.0m。具体布置如图1所示。

图1 钢套箱示意(单位：cm)

2.2 箱体结构

为了后期拆卸方便，钢套箱箱体结构采取朝内设计，即面板在围堰外侧面，箱体结构由5mm面板+[6.3水平肋+双拼[20a竖向背楞组成，面板同水平肋之间采用间隔焊接，水平肋沿竖向以30cm间距布置，竖向背楞沿水平方向布置间距为100cm，如图2所示。各单元由竖向板块组拼，竖向又分为两部分，下部 1.2m 高，上部 3.3m高(后期拆除重复使用)，竖向板块上下部分之间采用双拼5mm钢板，通过双排螺栓连接板，连接板内夹密封橡胶条用以止水。

图2 钢套箱构造示意(单位：cm)

3 结构验算

钢套箱位于筑岛平台基坑内，计算时只考虑静水压力的影响。在箱内未抽水前，钢套箱内外水压平衡，当封底混凝土施工达到强度且抽水完毕后，为最大受力工况。

3.1 面板验算

取10mm宽面板条作为计算单元，以封底混凝土顶面处受力最大，计算最高水位38.000m(在历年最高水位的基础上加0.5m)，则单位宽板承受的荷载为0.4kN/m。

偏于安全考虑，不考虑横肋板对面板的加强作用，将面板受力状况简化为以竖向槽钢为支点的三跨连续梁，跨径0.3m。根据《路桥施工计算手册》进行计算，结果均满足要求。

3.2 横肋验算

横向背楞布置间距为30cm，以封底混凝土顶面处受力最大，作用在背楞上的荷载宽度取0.3m，则以竖向背楞作为支点，每块模板宽3.0m，则计算跨径为0.3m(悬臂)+3×0.8m+0.3m(悬臂)，采用Midas civil软件进行计算。

经计算，弯曲应力σ=40.5MPa<[σ]=170MPa，满足要求；剪切应力为τmax=19.5MPa<[τ]=100MPa，满足要求；悬臂段挠度：fmac=0.1mm<300/250=1.2mm，满足要求；跨中挠度：fmac=0.2mm<800/250=3.2mm，满足要求。

3.3 竖肋验算

竖向背楞受力简化为以封底混凝土顶面处作为下支点，顶端横撑作为上支点的简支梁结构。作用在竖向背楞上的荷载宽度0.8m，水压力P0为0，P1max=0.8γH2=32kN/m。受力模型如图3所示。

图3 钢套箱受力模型

经计算，弯曲应力：σ=114.2MPa<[σ]=170MPa，满足要求；剪切应力τmax=19.96MPa<[τ]=100MPa，满足要求；挠度计算：f=10mm<400/250=16mm，满足要求。

3.4 围檩验算

作用在围檩上的力为R=21.3kN，简化为均布荷载为q=21.3/0.8=26.6kN/m。

经计算，弯曲应力：σ=158.2MPa<[σ]=170MPa，满足要求；剪切应力τmax=19.96MPa<[τ]=100MPa，满足要求；支撑钢管轴向应力σ=38.3MPa<[σ]=170MPa，满足要求。

3.5 封底混凝土抗倾覆验算

封底混凝土采用C30混凝土，有效计算厚度1.0m，围堰最大尺寸43.0m×10m，13根桩基，基坑深度取6.0m。钢与混凝土的粘结力取150kN/m2，混凝土容重取24kN/m3。

计算得：水的浮力P=ρvg=16 856kN，封底混凝土自重G=ρv=29 526kN，封底混凝土与桩基黏聚力：N1=11 021.4kN，封底混凝土与套箱黏聚力：N2=15 900kN。

抗倾覆安全系数K=2.2>1.1，抗浮满足要求。

4 钢套箱施工技术

4.1 施工工艺流程

施工工艺流程：施工准备→筑岛施工→桩基施工→开挖基坑→拼装钢套箱→节段安装→钢套箱调至设计位置→箱外稳定箱回填→箱内超挖回填→封底混凝土施工→封闭接头→混凝土养护→抽水→承台施工→围堰拆除。

4.2 钢围堰施工

在承台位置，利用石碴填筑桩基施工场地，满足桩基施工要求。桩基施工完成，用挖掘机等设备开挖基坑，沉放钢套箱。将钢套箱 “化整为零”，钢套箱在平面上根据结构物形状、内部结构等情况进行节段划分，各节段的单元壁板于岸边加工场地进行加工，在基坑附近组拼成节段，各节段内根据封底混凝土施工组织能力设置隔仓板，节段拼装完成，按照预定顺序吊装入水，沉放时通过稳箱支腿和回填石碴临时固定套箱，各节段之间通过接头装置进行组合，组合完成后灌注各仓封底混凝土，最后灌注接头混凝土，待混凝土强度达到要求后，抽水形成围堰。

4.2.1节段预拼与组合安装

钢套箱单元拼装在墩旁筑岛上进行，各节段按照安装顺序进行预拼依次排好，为保持起吊平衡和吊装时定位精度要求，钢套箱吊装采用2台180t汽车式起重机抬吊，套箱起吊入水后，进行测量定位，施放套箱支腿并将支腿同箱壁焊接临时稳定套箱，箱体两侧对称回填石碴，待箱体同石渣之间形成足够摩擦力，吊装设备松钩，后续单元逐次吊装就位。钢套箱安装完毕，测量箱内深度，对超深较多部位回填细粒石料调整高度，直至满足要求。

钢套箱各节段单元端头接头板和壁板之间必须焊接严密，单元上下和左右连接位置，严格放置硅胶质防水材料，内外各1道，钢套箱接头装置钢管纵缝基本宽度为5～8cm，施工时宽度宜宽不宜小，且缝宽要求均匀，上下一致，接头管和纵缝垂直度偏差控制在0.5%之内，钢套箱接头装置钢管纵缝之间距离和对应接头H型钢之间距离在预拼时要进行测量，宽度误差需控制在3cm之内。

4.2.2筑岛反开挖

基坑反开挖前进行场地平整，测量放样开挖轮廓，开挖机械采用CAT320挖掘机和长臂挖掘机配合使用，为了保证钢套箱安装时能够满足要求，开挖深度超出设计围堰底部0.5～0.8m。

基坑开挖时严格按照既定顺序进行，宜采用由一端向另一端的顺序，先采用普通挖机进行深挖，为了保证基本挖掘深度能够达到要求，在挖掘机大臂上标注挖深刻度线，用于控制大致深度，由于基坑内有桩基桩头，桩间空间较小，桩基呈梅花形布置，基坑挖掘时，宜多方向进行挖掘，不能有漏挖，长臂挖掘机用于对初步挖掘后的基坑进行补挖，补挖时需同步进行深度探测。探测时测量人员在小型浮船上用探尺逐点控制一定的超挖深度，以确保钢套箱安装时的高度位置能够到位，控制水下基坑底周边不小于钢套箱轮廓外2.0m宽的开挖宽度，以确保钢套箱安装时的平面位置能够到位。

4.2.3钢套箱下水

首节钢套箱定位是整个钢套箱安装的关键，需按照提前放出的纵横向轴线和高程刻度标线严格定位，平面位置和高程偏差不得超过10cm，钢套箱在接续安装时可以通过接头装置进行纵向距离和方向调整，以弥补前节段钢套箱安装的位置偏差。施工时为确保钢套箱下沉过程中不偏移中线并辅助下沉，在钢套箱外侧接头管附近设置稳定支腿。稳定支腿由φ273×6钢管组成，单个稳箱支腿同套箱壁板之间焊接长度不得小于50cm。套箱定位后，采用振动锤在稳定支腿顶部施打，确保下沉到位，必要时借助长臂挖机辅助下沉。套箱下沉到位后，在箱外回填石碴过程中，起重机不得松钩，回填石碴需两侧对称进行，随时观测套箱位移偏差。

4.2.4钢套箱封底施工

封底时根据现场混凝土供应能力和设备、人员情况，确定组织封底施工次数，可以连续将3个仓灌注完成，组织单仓灌注，间歇性施工，间隔时间无特殊要求。封底采用单导管水下混凝土，灌注过程中设专人采用探杆探测封底厚度，确保无遗漏和厚度达到设计要求的95%以上，封底混凝土养护时间不得少于3d。

5 注意事项

1)变形观测

在钢套箱每个节段设置水平位移和竖向位移观测点，钢套箱封底完成，抽水过程中对钢套箱水平和竖向位移进行观测，出现异常情况立即停止抽水，分析原因制定处理方案后方可进一步施工。

2)堵漏

由于钢套箱封底是在水下灌注而成，存在不可预见性，大面积的水下混凝土施工难免有部分角落灌注遗漏，封底厚度灌注偏差较大、接头板螺栓缺失、壁板焊缝漏水等各种情况发生，漏水点会在抽水过程中逐一显现，施工中采取二次补封、木塞堵孔、抛洒水泥锯末拌合粉等措施进行漏水封堵，施工中取得了良好的效果。

6 结语

由于施工现场处于深水库区，大型吊装设备难以抵达，因此采用分段拆装的思路通将承台钢套箱进行分体组合，施工时将钢套箱划分为4节段吊装，设置2个隔仓板(3个隔仓)，该方法既满足采用一般吊装设备进行钢套箱施工要求又减轻了封底混凝土施工组织压力，且适用于近岸裸岩河床水域不嵌岩承台大型钢围堰施工，大大降低施工对吊装设备、运输条件、场地布置的要求，同时材料重复利用率高，节约成本。