水中承台钢吊箱施工关键技术及优化措施

2024-01-11郭庆林尹良帅

港工技术 2023年6期

关键词：吊箱钢套侧模

郭庆林，尹良帅

（1.民航机场建设工程有限公司，天津 300456；2.民航机场智能建造与工业化工程技术研究中心，天津 300456）

关键字：水中承台；钢吊箱施工工艺；优化措施

引言

在深水区域进行桥梁水中承台施工是桥梁施工中较为常见的施工技术，经过多年的发展，工艺趋于成熟，笔者在加蓬共和国奥果韦河入海口位置面临水流速大，水深的不利工况，需要探究并优化高桩水中承台施工技术，确保施工质量，提高施工效率。

1 工程概况

加蓬PO 项目奥果韦河特大桥位于加蓬共和国奥果韦河入海口，全桥需要在水中施工34 个水中承台，其中最大承台尺寸为20.9 m×11.9 m×4 m（长×宽×高），混凝土方量将近1 000 m3，属于大体积混凝土。最小承台10.6 m×2.6 m×2.5 m（长×宽×高）。

水中承台施工的工艺有很多种[1]，如：土围堰、钢围堰、沉井、钢板桩、钢套箱等，各种工艺有各自的优缺点和适用范围，根据本工程的地质情况和设计特点，本着保证安全、提高质量、节能环保的要求，加蓬奥果韦河特大桥主墩承台采用有底钢套箱施工。

有底钢套箱也叫钢吊箱，钢吊箱是为水中承台施工的阻水结构，其作用是通过吊箱围堰侧板和底板上的封底混凝土阻隔周围水体，为承台施工提供无水的干燥环境。钢吊箱具有施工工期短、水流阻力小、安拆方便、材料投入小等特点，在高桩承台施工中得到很好的应用[5]。

2 钢吊箱施工概述及结构组成

奥果韦河特大桥承台均采用单壁有底钢套箱进行施工，钢吊箱模板及相关构件国内工厂分小块加工，运输到加蓬现场大块组拼成型，再通过在护筒顶口布置的下放系统整体下放到设计位置，封堵套箱底板与钢护筒间的缝隙，最后通过采用多点导管法浇筑水下封底混凝土形成防水围堰结构[2]。

承台钢筋在岸上钢筋场集中加工，运输到至围堰内绑扎安装；混凝土采用自拌混凝土，砼运输罐车运送到现场，利用滑槽进行浇筑。

钢吊箱结构主要由底纵梁、底板、侧模、提吊下放系统、内支撑系统、外圈梁等组成。以奥果韦河特大桥矩形承台为例，介绍钢吊箱结构组成[4]。

2.1 底板结构形式

141#钢吊箱底板范围内按桩基设计位置设置6个钢护筒预留孔，预留孔直径2.0 m（比护筒大20 cm），底板面板为厚度6 mm 钢板，底板背楞采用I12.6 工字钢，底纵梁采用2[32a 槽钢。

图1 钢吊箱底板组拼图

2.2 侧板结构形式

钢吊箱侧壁总高度4.5 m。钢吊箱侧壁板厚度6 mm，壁板背楞为I12.6 工字钢，间距400 mm。侧壁竖向背楞采用2 根[22a 槽钢，标准间距1 250 mm，最外层设置圈梁，内空间设置内支撑。钢套箱内支撑使用双拼I40b 工字钢。

图2 钢吊箱内支撑示意图

侧壁分块制作，标准块宽2.0 m，侧壁间采用螺栓连接。侧板底部设计有三角楔块（如图3），其与底纵梁端头的及底板端头的三角楔块相互对应，安装完成后，两种楔块内空隙嵌入2 根[20 槽钢进行顶紧（通过螺栓与侧板底三角楔块连接，与底板三角楔块不连接，留有1-2 cm 缝隙嵌入钢筋头或小钢板）。通过侧板外侧三角楔块及内侧限位挡块共同作用保证侧板不能发生底口变形偏位。为保证侧板与底板间连接密封性，在侧板顶和底板纵梁位置设置压梁及锚固梁，通过Ф32 mm 精轧螺纹上下连接压紧。

图3 侧板、底板安装示意

图4 机械螺旋千斤顶下放总成

图5 提吊系统示意图

图6 “拉压杆”布置示意图

为保证钢套箱内外水头平衡，需要在侧板上安装连通管，保证套箱内外水体连通。

2.3 底板提吊及下放系统

下放系统由设置在护筒顶下放承重梁、千斤顶、吊杆、钢护筒组成；提吊系统由桩顶垫梁、承重梁、吊杆及钢护筒组成，下放系统的作用是承担钢套箱自重；提吊系统的作用是承担套箱自重及封底混凝土的重量。

141#钢吊箱共设置4 个下放吊点。下放吊点分别位于承台四个边角护筒上。每个下放吊点设置一套下放系统，每个下放点由2 台32 t 机械螺旋千斤顶、1 根Ф32 mm 精扎螺纹、下放承重梁等组成，下端与吊箱下放底承重梁连接。

提吊系统顶部垫梁、承重梁均采用2 根I40 工字钢，其中垫梁直接作用于护筒上，直接将由承重梁上的荷载传递到护筒上。提吊系统设置20 个提吊吊点。

2.4 增大封底砼与钢护筒握裹力设施

为提高封底砼承载能力，在钢护筒周边设置“拉压杆”，以补充封底砼与钢护筒之间握裹力。每根钢护筒周边设置2 根[12 槽钢，安装底板时焊接在钢吊箱底板上。首层封底混凝土浇筑完成后钢吊箱内抽水，割除“拉压杆”多余部分，横向通过槽钢与护筒焊接，横向连接的槽钢最终埋入第二层封底混凝土内[3]。

3 施工工艺流程图

图7 钢吊箱施工工艺流程

4 钢吊箱施工注意事项

4.1 施工准备工作

1）承台施工前需要对钻孔平台予以拆除，承台位置的一切障碍物均须拆除；

2）钢吊箱施工前需要对承台位置水底标高进行探测，确保钢吊箱能够下放到位。

4.2 钢吊箱拼装支架

钻孔桩施工结束后，拆除钻孔平台。在每根护筒上中心割孔安装I25b 工字钢作为钢吊箱侧板拼装支架。拼装支架安装时注意探摸护筒内混凝土标高，保证拼装支架能够顺利穿过护筒，且必须利用水准仪对所有拼装支架进行测量，保证标高一致。同时利用GPS 将承台边线投放到拼装支架表面，便于底纵梁精确定位[6]。

4.3 钢吊箱拼装

在拼装支架上自下而上分层拼装底纵梁、底板、侧板。

注意事项：

1）底板拼装完成后需要在精轧螺纹位置割洞，同时焊接高度大于封底混凝土厚度的精轧螺纹套管（Ф48×3.2 外套管），以利于精轧螺纹钢拆除；

2）小块侧板预拼装成大块模板进行吊装，侧模接缝及侧模与底板接缝处粘贴止水橡胶条；

3）侧模拼装前需要在底板上进行承台边线放样，焊接限位挡块，保证侧模安装位置精度；

4）为保证底纵梁能够顺利取出，在底纵梁一端悬挂钢丝绳，在套箱模板拆除时一并取出。同时提吊及下放吊杆底部精轧螺母及垫片焊接在底纵梁上，拆除提吊系统仅需通过拧松精轧螺纹钢即可；

5）侧模安装时需要在侧模与护筒间焊接导向装置，保证下放过程钢套箱平面位置的稳定。护筒上设置定位用的导向装置，导向滑轨采用槽钢，槽钢背面靠紧模板，滑轨与护筒接触两侧设置加劲板与护筒焊接增强滑轨的稳定性，以便钢套箱能保持良好的姿态下沉。

4.4 钢吊箱下放及体系转换

下放前，千斤顶上行，保证拼装支架卸载，利用吊车将拼装支架I25b 工字钢承重梁抽出，套箱自重转换到吊杆及下放系统上，随后开始下放。

下放过程依靠下放扁担梁上下两组螺母垫片交替锁紧进行下放，每次下放不超过18 cm（千斤顶行程），各下方点均匀、同步下放，最终将钢吊箱下放到设计位置。最后锁紧提吊系统精轧螺纹上部螺母，下放吊杆卸载，钢套箱所有自重荷载转化到承重梁上，完成体系转换。

注意事项：

1）下放前，检查套箱平面位置，存在偏差使用千斤顶进行横向调节。检查侧板及底板接缝，防止漏浆现象发生；

2）下放过程统一指挥，各下放点同步下放，下放过程及时测算下放标高及套箱垂直度；

3）下放完成后潜水员对套箱底板与护筒缝隙进行检查封堵，封堵材料使用弯弧直径为2 m，宽度20 cm 的多块弧形钢板顶紧护筒，稍小的缝隙使用沙袋封堵。

4.5 封底混凝土浇筑

封底混凝土的作用：1）作为配重，平衡浮力与重力；2）阻水防漏；3）抵抗水浮力在钢吊箱底板形成的弯曲应力；4）作为承台的承重底模。以141#承台为例，1 m 厚封底混凝土理论方量74.4 m3，重量193 t，钢套箱自重28.6 t，钢套箱承受的最大浮力240 t（240 稍大于193+28.6 t），故封底混凝土的存在能够基本平衡系统的重力，多余的浮力通过封底混凝土与护筒之间的摩擦力及锚固钢筋予以消除，整个系统处于平衡状态。

封底混凝土分两层浇筑，第一次水下浇筑80 cm，第一层强度达到90 %以上后抽水进行第二次浇筑剩余20 cm，其中第二层封底混凝土起到找平作用。

加蓬PO 项目钢吊箱封底混凝土的浇筑采用多点导管法进行水下浇筑，浇筑用的导管采用直径250 mm 钢性导管，上部配置存储放料约2 m3的料斗。浇筑过程两台吊车配合进行，一台负责对导管及料斗进行移动，另一台负责混凝土运输放料，这台吊车可以根据实际情况用汽车泵代替。

浇筑过程以护筒为中心，周围布置一定数目的放料点，自钢套箱一侧向另一侧浇筑。浇筑过程中必须保证连通管有效，钢吊箱内外水位相同。

注意事项：

1）浇筑过程必须保证连通管打开，保持套箱内外水头平衡；

2）封底混凝土浇筑时，导管必须保证一定埋深及导管口悬空（15～20 cm），可以考虑先将导管触底后再提升的办法，混凝土塌落度控制在180～220 mm 左右；

3）浇筑过程勤测砼面标高及扩散范围；

4）浇筑过程尽量选择平潮时进行。

4.6 承台施工

承台钢筋砼施工前需要进行如下工序：

1）按照要求割除钢护筒，凿除桩头；

2）量出整个封底砼顶面的高程情况，根据测量数据进行高凿低补，确保承台底面标高满足设计要求；

3）对钢套箱内进行全面的清理和补漏，提供承台钢筋砼施工的无水工作面。

加蓬钢吊箱一次性绑扎完成，承台混凝土分两次浇筑，第一层浇筑0.7～1.5 m，第二层浇筑剩余混凝土。施工过程需要注意墩柱预埋筋的精确预埋。对于主桥主墩的大体积混凝土承台需要按照设计位置准确预埋冷却水管，做到浇筑完成后15 d 内连续通水降温及表面养护。

4.7 钢吊箱模板拆除

钢吊箱模板拆除前首先需要将侧模上口压梁及锁紧精轧螺纹钢进行拆除，再将大块模板间竖缝的所有螺栓进行拆除，水下部分潜水员水下拆除。钢吊箱侧模大块起吊时，侧板与底板三角楔块间嵌缝锁紧的钢筋头自然脱落，侧板便可与底板分离。

注意事项：

1）大块模板吊装，需要专人指挥，注意吊装安全；

2）水下拆除模板螺丝，注意潮水水位，水流湍急的落潮时候禁止水下作业。

4.8 大体积混凝土温控

温度监测，在混凝土中埋入一定数量的测温仪器，测量混凝土不同部位温度变化过程，检验不同时期的温度特性和温差标准。当温控措施效果不佳，达不到温控标准时，可及时采取补救措施。

温度感应计采用GDC-2 型建筑电子测温仪，精度0.5 ℃，测温线精度0.3 ℃。在承台混凝土纵、横向布置温度传感器，以22#主墩承台为例，整个承台温度传感器沿高度（4 m）方向设置4 层，分别距离承台底面0.5 m、1.5 m、2.5 m、3.5 m。

4.9 测量及质量控制要点

测量人员在护筒外侧引测一水准面，并做好标记，用于控制底板安装标高。

底板安装完成后，在底板面上放样承台轴线及边线，并弹墨线，依据墨线在承台边线内侧焊接三角限位块，用于控制侧模安装位置。及时观测侧板安装位置及垂直度，发现问题及时纠正。

下放时，确保钢套箱下放时各吊点受力均匀，下放要统一指挥，达到操作步调一致，同步缓慢整体下放套箱。套箱每下放100 cm 即需对套箱侧板标高进行观测。若观测发现不同步时，应立即停止下放，在对观测点的平面和高程检查并对局部下放点进行调整一致后，方可再次下放。钢套箱下放到位后，测量组复测各观测吊点标高承台轴线平面位置以及钢套箱垂直度，待调整好位置及标高后，将套箱固定。

钢筋下料时注意检查钢筋表面无污迹，无锈蚀,由于承台钢筋用量大、层数多、面积广，加设必要的架立钢筋。钢筋机械连接接头必须满足规范要求。

桩切头完成及套箱内清理完成后，需要对套箱内表面进行清理、打磨、涂刷脱模剂，随后开始承台钢筋绑扎。

浇筑混凝土前，需要对承台冷却水管进行通水检查，防止不通。

5 钢吊箱施工工艺优化措施

5.1 拼装支架牛腿优化

钢吊箱拼装平台承重牛腿（扁担梁）经过计算改进为I25b 工字钢穿护筒代替牛腿。

优点：传统牛腿构件需要进行大量焊接，且拆除时操作人员需要在钢套箱底部进行割除，工作量大且危险性高。

拼装支架拆除时，下放千斤顶上行，拼装支架卸载，吊车将其抽出，方便快捷，安全性得到保证。前提需要对工字钢扁担梁进行计算，确保抗弯及抗剪满足要求。

5.2 钢吊箱底板材料优化

钢吊箱使用一次性钢底模代替传统预制混凝土底板。

缺点：钢底模为一次性构件，成本较高，后期具有优化空间。

优点：钢底模连接较混凝土底板紧密，整体性好。传统预制混凝土板底板上装有预埋件，钢吊箱侧模与底板进行焊接连接，侧模板的拆除一律需要进行水下切割，且对侧模钢结构损伤较大，成本投入大，施工复杂。加蓬PO 项目钢吊箱使用的钢底模与侧模通过精轧螺纹钢锁紧，拆卸方便，不需要水下切割，方便快捷，安全性高。

5.3 钢吊箱下放系统优化

传统钢吊箱下放使用机械螺旋千斤顶下放，加蓬钢吊箱在较小的三桩承台及南汊河141#主墩承台也使用过32 t 机械螺旋千斤顶（如图4），经过比较及优化，后期改为YDC-750 穿心式油压千斤顶作为下放千斤顶。

图8 钢套箱拼装支架及底板底纵梁

图9 钢套箱底板及侧板拼装

图10 优化后的拼装支架牛腿

优点：1）节省人工。传统机械螺旋千斤顶每个下放点配备4 人（两人一组，交替操作），采用油压千斤顶每个下方点仅需要配置1 人，按照每个承台4 个下放点计算，每次下放节省12 人，对于海外人工成本较高的情况下具有一定的使用价值。2）节省时间。传统螺旋千斤顶单次下放高度不超过18 cm（千斤顶行程），每次下放耗时约15 min。采用油压千斤顶每次下放耗时约5 min，节省2/3的时间。也具有一定的经济价值。