内河深水大型双壁无底钢套箱设计及施工技术

2022-06-17李业勋左小永朱奕帆

港工技术 2022年3期

李业勋，左小永，朱奕帆

（中交第三航务工程局有限公司，上海 200032）

引言

清水塘大桥全长2.175 km，主桥采用跨度为100+408+100 m 的双层钢桁架拱桥，上层桥面宽32 m，双向6 车道，车行道净宽24.5 m；下层布置慢行人非道，净宽10.0 m。主桥墩身采用哑铃型薄壁空心墩；为减少阻水断面承台顶面低于河床面，设计为矩形承台，结构尺寸为41.1×13.6×4.0 m，基础采用20 根直径为2.2 m 嵌岩钻孔灌注桩。拟建桥位处河床面较平坦，河床纵坡降为0.5 ‰左右，无谷底堆积物，岩层为白垩纪系（K）红砂岩，拟建主墩处为强风化砂岩和中风化砂岩。大桥主桥断面如图1。

图1 清水塘大桥主桥示意

考虑到双壁无底钢套箱内承台、墩柱等结构施工需要，钢套箱设计尺寸比承台宽1.0 m，结构尺寸设计为46.1×18.6 m；主墩承台位于河床面以下，基坑施工需要进行水下爆破，爆破深度大于钢套箱设计深度0.5 m，后期采用碎石找平层；结合抗浮稳定性计算，封底混凝土厚度设计为3.5 m，套箱底设计高程为16.65 m；为保证工期开展汛期施工，钢套箱顶设计高程为+37.0 m，通过极端水位水压力初步估算，设计钢套箱壁厚1.5 m，采用角钢斜撑、环向支撑板、竖向支撑角钢和内外壁板组成。

1 钢套箱设计

结合承台结构及历年水位，双壁无底钢套箱内设计为46.1×18.6×20.5 m，壁厚为1.5 m，竖向共分为4 个节段，节段高度自下而上依次为6.35 m（含刃角1.5 m）、5 m、5 m 和4.15 m，采用600 mm×400 mm×12 mm 矩形管制作竖梁、水平围檩和矩形管撑杆进行加固[1-4]。钢套箱内外壁板采用8 mm 厚钢板，水平环板和隔仓板采用厚度为10 mm 的钢板；隔仓肋、水平对撑和斜撑采用10#角钢（厚度为8 mm），外壁加劲肋采用7#角钢（厚度为6 mm），内壁加劲肋5.6#角钢（采用为5 mm）。钢套箱隔仓底板和刃脚加强竖板分别采用10 mm 和16 mm 厚钢板，总重约1 017.6 t。封底采用C30 混凝土，厚度为3.5 m，隔舱浇筑高度为7.5 m 的C20 混凝土，高度和承台顶面齐平。

图2 双壁无底钢套箱示意

2 复核验算

双壁无底钢套箱隔舱内浇筑C20 隔仓混凝土，封底混凝土高度范围内钢套箱刚度较大假定为刚性支撑。利用Midas/Civil 建立双壁无底钢套箱有限元分析模型进行计算分析，其中内外壁板、竖向隔仓板和水平环板采用板单元模拟，水平斜杆、水平支撑和竖直支撑采用梁单元模拟，焊接部位采用共节点处理，围檩和竖向支撑采用刚性连接处理[5-7]。

图3 双壁无底钢套箱Midas/Civil 模型

2.1 流水压力

双壁无底钢套箱迎水面承受的流水压力，根据《钢套箱工程技术标准》（GB/T51295-2018）计算：

式中：Fl为流水压力标准值（kN）；K为形状系数，矩形取1.3；A为阻水面积（m2），计算至一般冲刷线处；rw为水的容重，取10 kN/m3；v为设计水流速度（m/s），取2.5 m/s；g为重力加速度（m/s2），取10 m/s2。计算求得流水压力982.3 kN。

假设双壁无底钢套箱外部以面荷载的形式承受流水压力，并在迎水面上平均分布：

最大静水压力为：

式中：γ为水的容重，取10 kN/m3；h为静水压力作用高度，即围堰在有限元模型的总高度，取16.85 m。

静水压力在水面以下呈三角形分布，表现为底部最大为168.5 kPa，顶部最小为零。

2.2 位移应力

利用Midas/Civil 建立双壁无底钢套箱有限元分析模型进行壁板位移分析，计算结果表明：双壁无底钢套箱梁单元（含对撑、竖杆、围檩和加劲肋）最大应力为144.96 MPa，板单元（含壁板、环板及隔仓板）最大应力为81.04 MPa，均小于Q235 钢材的容许应力215 MPa，强度满足要求；壁板X向位移（横桥向）最大位移2.4 mm，壁板Y向位移（顺桥向）最大位移6.2 mm，出现在外壁板横桥向中心位置，其挠度为6.53/16 850=3.88×10-4＜1/400=2.3×10-3，变形满足规范要求。

图4 壁板位移计算结果

通过Midas 模型对钢套箱不同工况下内应力、变形计算结果见表1，通过数据分析可知：双壁无底钢套箱的外壁板、内壁板、水平环板、隔仓板、水平围檩、矩形管撑杆、内外壁板加劲肋内应力、变形、整体强度和刚度均小于容许应力，安全系数大于1.48。

表1 双壁无底钢套箱计算结果

2.3 抗浮稳定性验算

当双壁无底钢套箱内封底混凝土达到强度且已抽完水，湘江水位与围堰顶高程齐平时，此时双壁无底钢套箱承受的浮力最大，抗浮力主要由钢套箱自重、封底混凝土自重、封底混凝土与桩基护筒/钢套箱间摩阻力的最小值组成。

式中：Kf为抗浮安全系数；Fw为水的浮力标准值（kN）；γw为水容重（kN/m3），取10 kN/m3；hw为围堰内外水头差（m）；G为封底混凝土自重（kN）；An为扣除钢护筒面积后基底净面积（m2）；γc为混凝土的容重（kN/m3），取24 kN/m3；Vc为基底净体积，扣除钢护筒部分（m3）；τ1、τ2为桩基钢护筒与封底混凝土的粘结力、钢套箱与封底混凝土的粘结力，取150 kPa；S1、S2为所有桩基钢护筒与封底混凝土接触面积、钢套箱与封底混凝土接触面积；F1为取桩基钢护筒与封底混凝土摩阻力（kN），F1=τ1S1；F2为取钢套箱与封底混凝土摩阻力（kN），F2=τ2S2。

桩基钢护筒直径为2.4 m，经计算：双壁无底钢套箱最大总浮力15 724 kN，总抗浮力为189 465 kN，抗浮安全系数为1.21，满足《钢套箱工程技术标准》（GB/T 51295-2018）的要求。

3 关键施工技术

双壁无底钢套箱采用分块制作，首节段在运输船上进行快件拼装，分两船运到施工现场，两船合并进行总装，之后采用起重船吊装下水，剩余三个节段采用起重船分块体吊装进行水上拼接。

3.1 加工制作

双壁无底钢套箱5.0 m、4.0 m、3.8 m 及3.05 m四种类型，分4 层制作共计28 个块体，单个块体重量最大重量为8.3 t。块体的制作要保证精度，以确保整体拼装精度，单个块体外形尺寸容许偏差应小于±3 mm、位置偏差小于5 mm。块体加工完成后，在运输船上进行拼装，每个船上拼装半幅首节钢套箱，半幅钢套箱结构尺寸为46.1 m×9.3 m×6.5 m，拼装过程中采用工字钢进行临时固定，以保证拼装安全和运输安全。

钢套箱运输到施工现场后，采用2 台150 t 起重船配合吊装，运输船和起重船连接在一起，起重船前端交叉抛锚、后端八字抛锚稳定。运输船之间利用4 根斜向联系梁、2 根水平联系梁将两船并联形成水上拼装平台，如图5。联系梁采用H400 型钢（Q235B）制作，斜向联系梁长7.5 m，重1.7 t；水平联系梁长6.9 m，重1.6 t。围堰连接处设置焊接工作平台，工作平台长9.1 m、宽3 m，单个重5.7 t，主梁为H400 型钢（Q235B），次梁为I20a（Q235B），间距80 cm（布置），面板采用6 mm花纹钢板，并设置网高1.2 m 的标准护栏，如图6。

图5 双壁无底钢套箱分块

图6 工作平台纵断面

3.2 吊装下水

首节双壁无底钢套箱采用500 t 起重船整体吊装下水[8]。首先采用起重船起吊双壁无底钢套箱，再向运输船压载舱内注水，下沉200～400 mm 后双壁无底钢套箱脱离后，驶离运输船，最后移动起重船，将双壁无底钢套箱吊入基槽，并系缆锚固。

1）吊点布置

首节双壁无底钢套箱自重为259.0 t，采用4 点吊装下水，横向吊点间设置两道600 mm×400 mm×12 mm 矩形管对撑。单个吊点受力为72.84 t，设计吊耳容许吊重为80.0 t，主腹板板厚50 mm，孔径为120 mm，加强圈直径为310 mm，板厚为30 mm，加劲板板厚为20 mm，材质均为Q345B 钢材。吊耳焊接在钢套箱的隔仓板和内壁板，焊接前必须预热，且与隔舱板熔透焊，与内壁板深熔焊，确保焊接质量。

图7 吊耳设计

2）吊耳的验算

吊耳主腹板孔至顶边的宽度H和厚度δ为120 mm 和50 mm；吊耳加强圈的宽度H1和厚度δ1分别为95 mm 和30 mm。吊耳圈受力面积：

剪应力为：

安全系数大于3，吊耳强度满足要求。

吊耳腹板处单个焊缝长L为70 cm，坡高h为0.8 cm，焊缝截面积：

焊条采用J507，屈服强强度为490 MPa，取安全系数为3，则焊缝的容许剪切应力τ3：

安全系数为2.2，吊耳焊缝满足要求。

3.3 原位接高

22#墩钢套箱第二、三、四节在原位进行，利用栈桥1 艘80 t 履带吊（臂长31 m）与1 艘平板驳搭载1 台150 t 浮吊（臂长40 m）完成接高，为便于施工作业面的开展以及套箱姿态的平衡和倾斜度控制，在钢套箱4 个位置同时对称拼接[9]。在钢套箱接高过程中需进行对称注水下沉，确保每节接高后钢套箱露出水面约1.5 m 以上，方便后续分层安装；在围堰接高、注水下沉时因同时进行临时锚固缆索的换缆作业。

3.4 精准下沉

为了提高了大体积双壁无底钢套箱的下沉定位精度，开发了整套“内河大型双壁无底钢套箱精准定位下沉实时监控系统”。该系统采用2 台GPS和2 台倾斜仪对称安装在钢套箱四个角点，对钢套箱水平位移、竖向垂直度进行实时动态观测，实现了以下功能：GPS 实时定位、设计位置导入、钢套箱实际位置和设计位置的偏差实时计算、信息动态传输；可视化窗口、形成数据报表、工程回放等。

双壁无底钢套箱下沉就位采用隔舱内灌水的方案实施，采取灌水压重下沉，同时结合定位桩、卷扬锚拉系统和实时监控系统动态调整钢套箱平面位置和倾斜度，钢套箱最终安装误差小于6.0 cm。