无底钢套箱围堰在山区桥梁水下承台施工中的应用

甘新涛，安 航，骆江红

贵州省公路工程集团有限公司，贵州 贵阳 550000

1 工程概况

1.1 工程情况

乌江三桥设计为单塔不对称斜拉桥，设计主跨径为145m+160m，主跨按三级航道设计规划设计；3号主塔承台位于乌江河道的浅滩处，承台设计为分离式，间距9.7m，尺寸为23.2m×12.8m×6m，承台底标高为289.328m，承台顶标高为295.328m。桥塔桩基为群桩，采用C30混凝土，单个承台设计为8根（Φ2.8m）桩基，主塔桩基共计16根。

1.2 水文情况

桥位的主航道河槽为U形，承台与主航河底高差约为20m。3号主塔承台位置的水位受上游沙陀电站泄洪及下游重庆彭水电站蓄水影响，承台施工正遇冬季，通过对上游沙坨电站及下游重庆彭水电站的调查可知，历年桥位区最高水位标高为293.00m。桥位区冬期水位调查统计结果如图1所示。桥位区枯水期及深水位现场如图2、图3所示。

图1 2016年11月14日—12月4日桥位区冬期水位调查统计折线图

图2 桥位区枯水期现场

图3 桥位区深水位现场

2 钢套箱围设计

上游沙坨电站及下游重庆彭水电站的历年桥位区最高水位标高为293m，因此钢套箱最高施工水位按293m进行设计。河床为裸露基岩，钢套箱设计采用无刃脚无底套箱。

2.1 结构受力分析

无底钢套箱围堰作为临时结构为承台施工提供无水的施工环境，同时是承台施工模板，施工中要承受静水压力、新浇混凝土侧压力、上游泄洪和下游蓄水时流水压力，竖向承受水的浮力和混凝土重力。为了确保钢套箱施工安全，对以下两种最不利工况进行受力分析。

（1）工况一：封底混凝土强度满足要求后，高水位（293m）抽水时钢套箱因承受外侧水压力而产生的受力和变形。

（2）工况二：低水位（低于承台底标高）浇筑承台混凝土时，钢套箱仅承受内侧混凝土压力而产生的受力和变形。

2.2 无底钢套箱构造设计

无底钢套箱围堰由壁板、内支撑系统、桁架系统等组成，其中壁板结构由壁板、面板加劲肋、水平桁架和钢箱组成。套箱内设置两排组合支撑结构体系，该套箱结构设计主要考虑外部水压力和内部混凝土测压力产生的荷载。钢套箱结构示意如图4所示。

图4 套箱结构示意图

（1）面板结构。面板结构包括面板和加劲肋，两者之间通过焊接连接。面板采用10mm厚钢板，加劲肋采用L100×6.5mm角钢，间距为35cm。考虑套箱下沉需要，在壁板上焊接吊装扣耳，扣耳采用1cm钢板组合焊接而成。

（2）水平桁架。壁板上设置8道水平檩条，间距为0.5m+5×1m+1.3m。水平桁架由横向、纵向斜杆组成，檩条为L100×6.5mm角钢，纵向斜杆采用2L100×6.5mm等边角钢，横向斜杆采用2L100×6.5mm角钢，焊缝均按薄板母材厚度控制。

（3）内支撑系统。设置两层内支撑系统。系统杆件由支撑和围檩组成，支撑为Φ630mm钢管，围檩为3片I36组合工字钢。下层内支撑不参与受力，主要是辅助套箱下沉，将套箱连接成一个整体，防止套箱下沉时不均匀对套箱各构件造成损伤。套箱下沉到位后及时封堵和封底。

3 钢套箱施工

3.1 搭建套箱拼装平台

主塔桩基施工完成后，拆除既有钢平台，在钢护筒与钢栈桥钢管桩间搭建套箱拼装平台。

3.2 基础处理

河床为裸露基岩，河床面凹凸不平，要确保钢套箱能够平稳下放至河床底，并能成功封堵套箱底与岩石之间的空隙，需对承台基底进行爆破调平处理。钢套箱拼装平台搭建完成后，将爆破钻孔设备吊装在钢套箱拼装平台上，对承台基底钻孔爆破调平，爆破的渣石采用长臂挖机进行清理。基底爆破处理现场如图5所示。

图5 基底爆破处理现场图

3.3 钢套箱加工

（1）钢套箱加工要求。进行钢套箱焊接施工前，对各构件的焊接部位应除锈、清污。为了减少和控制焊接应力及焊接变形，对长焊缝采用分段反向跳焊法，每段施焊长度以20～40cm为宜，最后将焊缝填满。在钢套箱加工、运输过程中应防止发生碰撞，避免造成构件的过大变形而影响安装。

钢套箱焊接工艺要求：加劲肋与面板之间采用间断焊接，每段焊接长度为5cm，总的焊缝长度不小于两者接触长度的40%；加劲板与面板之间采用间断焊缝，每段焊缝长度为8cm，总的焊缝长度不小于两者接触长度的50%；环板与斜杆、面板加劲肋之间必须满焊；钢套箱构件之间必须满焊。

（2）现场运输及吊运。钢套箱材料加工并试拼完成后，采用拖车运输到现场主栈桥上，采用25t吊车在支栈桥上卸车、现场组装。各构件在加工和运输过程中应加强防护，不得损伤和撞击，在起吊和下放过程中注意轻提轻放，同时注意人员和设备安全，严格遵守安全操作规程的相关要求。

（3）钢套箱安装。套箱每块设计高度为6.6m，设计有A、B、C三类，共计22块，宽度分别为3.3m、2.9m、3.4m。套箱采用高强螺栓连接，拼装接缝设置厚1cm的橡胶垫。采用25t吊车将钢套箱逐块起吊就位，临时定位固定。采用焊接连接，依次施工完成拼装，为了避免套箱不均匀下沉，拼装时需对称进行。吊装钢套箱时，先对钢套箱进行临时固定。安装包含内支撑系统及外侧套箱系统，安装后应详细检查，确保无松动。钢套箱安装完成后，在桩基钢护筒套箱内侧安装导向架，导向架采用I25型钢加工而成。

3.4 悬吊系统安装

套箱总重量为120t，采用12个吊点，吊点分别为长面侧（23.2m）两侧各4个点，短面侧（12.8m）各设2个点，长面吊点主要由钢护筒与钢便桥支撑受力，短面是设置通长的I36工字钢组合梁悬挑提升。

悬吊系统主要由支撑架、Φ32mm精轧螺纹钢、液压千斤顶组成，设计单个吊点的最大受力不超过200kN。安装精轧螺纹钢时，上下吊点应保持垂直，切忌吊杆倾斜，影响正常受力。

3.5 套箱下沉

套箱采用32t千斤顶分多次行程下放，共设12个吊点。下沉现场设12名操作手、1名总指挥、1名技术指导。下放前应进行技术交底，对下放操作人员进行演练示范，每次下放由总指挥统一指挥，确保每次下放行程误差控制在3mm以下。在钢套箱下沉过程中，对其顶面、纵、横桥向的轴线和垂直度进行跟踪观测，并做好相关的观测记录。钢套箱下沉至设计标高后，对基底面进行整平，保证水下封底混凝土在基脚处的最小厚度满足设计要求。钢套箱下沉至设计标高后，对封底混凝土范围内的套箱内壁和护筒外壁上的泥污进行清除，以保证封底混凝土与两者之间的黏结质量。为了防止基底冲刷造成箱体偏斜，下放到设计标高后在套箱外侧由潜水员用沙袋码放封堵。

3.6 封底混凝土

封底混凝土设计厚度为80cm，单个承台封底混凝土192m3，设计为水下不离析自流平混凝土。设计配合比为水泥∶粉煤灰∶机制砂∶碎石∶水∶外加剂∶絮凝剂=349∶87∶899∶899∶196∶6.10∶13.08。

待套箱安装完成后，对套箱底封底，由于封底混凝土厚度较薄，为了使混凝土厚度均匀，共设置10处下料点。在浇筑过程中严格控制混凝土的拌和和浇筑质量，保证混凝土的流动性，并在浇筑过程中做好标高记录。

3.7 抽水及割除钢护筒

封底混凝土强度达到90%后开始抽水，抽水速度不宜过快，抽水过程中需仔细观察套箱围堰变形情况，抽水到底部后仔细检查封底混凝土质量，发现问题应及时处理。

每个承台有8个钢护筒，待箱内水抽完成后，开始割除钢护筒，割除后采用吊车起吊，提升时应控制速度，以防碰撞内支撑系统。待钢护筒割除后，对箱内封底混凝土表面清扫干净，做好承台施工的准备工作。

3.8 钢筋及冷却管的安装

（1）钢筋安装。承台设计高度为6m，分2次浇筑，每次浇筑3m。第一次安装钢筋量900t，在钢筋安装前，拆除钢套箱下层内支撑。为了保证钢筋接头错开距离不少于1m，侧面钢筋竖向长度分别加工为3.2m和4.2m，上层内支撑设计在4.2m以上，不影响下层钢筋施工。钢筋安装完成后布设冷却水管，经过检验合格后方可浇筑第一次混凝土。待第一次混凝土强度满足要求后，拆除钢套箱上层内支撑。第二次安装钢筋678.9t，钢筋下料应根据下层高度补接达到设计尺寸。冷却水管接到承台顶部，并预埋主塔钢筋，经检验合格后，浇筑承台第二次混凝土。

（2）冷却管安装及加工。冷却管采用外径为40mm、壁厚2.5mm的钢管。承台每层冷却管设计为“一进两出”，冷却管应固定牢固，并在混凝土浇筑前进行灌水检查。施工振捣时注意保护好冷却管，避免混凝土漏浆堵塞。

3.9 混凝土浇筑及养护

（1）混凝土浇筑。为了降低混凝土内部温度，混凝土配合比应进行优化设计，宜采用低热微膨胀水泥或水化热较低的矿渣硅酸盐水泥，且掺入适量Ⅰ级磨细粉煤灰。粉煤灰的掺入量需根据试验确定，但掺入比例不宜超过水泥用量的20%。浇筑时分4处下料，分层振捣，每层厚度控制在50cm以下。浇筑完成使其获得一定强度后凿毛处理表面浮浆，第二层浇筑前应洒水湿润底层混凝土，混凝土初凝后开始进行养护及循环水。

（2）混凝土养护及水化热控制。承台四周被水淹没，养生自然条件较好，顶面均由循环水养护，养护时间不少于7d。冷却管进水口应保证有足够的水压力，开始循环水后每天24h不间断地测试水温，确保内外温差控制在25℃以下。

3.10 钢套箱拆除

承台强度达到75%后，可以拆除钢套箱，拆除时松开两侧连接螺栓。为了防止钢套箱变形过大，禁止使用重锤敲打，套箱拆除后可以转移到另一幅安装使用。

4 结束语

文章以沿河县乌江三桥山区水下基础承台施工为例，对前期水文资料调查及近期水位变化情况统计进行了分析，结合现场地质实际情况拟定无刃脚无底钢套箱围堰施工方案。无底钢套箱围堰施工技术在该桥水下承台施工中的成功应用，取得了施工安全可控、施工精度高的良好效果，为项目节约了一定的施工工期和施工成本，获得了业主及各上级单位的一致认可，为类似的桥梁基础施工提供了一定的参考。