海域鐵路橋梁施工中單壁鋼吊箱的創(chuàng)新應用

裴志強

(中鐵十六局集團第二工程有限公司,天津 300162)

1 工程概況

遷曹鐵路曹妃甸特大橋位于渤海灣近岸潮間帶濱海淺灘,全橋長7 477.26 m,共242孔。橋位沿線陸地高程0～2 m,灘面高程-1.0～0.7 m,因周邊工程取砂,局部分布有取砂坑,最深處約-17.9 m。全橋有1.44 km位于水深大于3 m的海域,自191號～216號墩共26個墩在納潮河水中施工,其中有12個采用鋼吊箱圍堰輔助施工；另外14個采用鋼板樁圍堰輔助施工；其余墩臺均使用型鋼進行支護。該工程于2008年1月開工,2009年2月25日正式通車。

2 鋼吊箱施工方案

鋼吊箱為單壁矩形結構,殼板內(nèi)側尺寸為13.2 m(長)×8.1 m(寬),高程采用黃海高程體系,頂面高程3.502 m。封底混凝土強度等級C20,厚度2.00 m。針對工程量大、工期非常緊的特點,多次召開專家論證會,對傳統(tǒng)鋼吊箱進行專門改進,改龍骨在內(nèi)平面向外的傳統(tǒng)做法為龍骨在外平面向內(nèi),直接用鋼吊箱內(nèi)壁做承臺模板,減小了吊箱體積,節(jié)約吊箱用料并節(jié)省混凝土模板。在下沉工藝上對分節(jié)拼裝分步下沉工藝進行了改進,改變了傳統(tǒng)的倒鏈葫蘆下沉需進行力的二次轉換做法,在護筒上加裝橫梁,采用精軋螺紋鋼直接下沉。兩項工藝創(chuàng)新簡化了施工工藝和施工程序,確保了施工安全,節(jié)約了大量施工時間,為按期通車提供了技術保證。

3 鋼吊箱圍堰施工工藝

目前,深水橋梁承臺施工方式主要有鋼套箱圍堰和鋼吊箱圍堰,其中鋼吊箱是為高樁承臺施工而設計的臨時阻水結構,其作用是通過吊箱側板和底板上的封底混凝土阻水,為高樁承臺施工提供無水的施工環(huán)境,同鋼套箱相比,具有施工工期短、水流阻力小、利于通航、不需沉入河床、施工難度小、材料用量少、經(jīng)濟合理等特點,在本橋施工中,通過經(jīng)濟、安全等方面論證比選,采用鋼吊箱圍堰。

3.1 鋼吊箱圍堰結構形式的選擇及構造

鋼吊箱圍堰分為側板系統(tǒng)、底承系統(tǒng)、內(nèi)支撐系統(tǒng)、上承系統(tǒng)、導向定位系統(tǒng)五大部分,見圖1,下面分別介紹各系統(tǒng)的結構構造。

圖1 鋼吊箱立面

3.1.1 側板系統(tǒng)

3.1.2 底承系統(tǒng)

3.1.3 內(nèi)支撐系統(tǒng)

鋼吊箱內(nèi)設兩道水平支撐,下道支撐距承臺頂面0.572 m,上道支撐距下道支撐3.0 m,上下兩道支撐用角鋼組成豎向桁架,支撐斷面為2根[40a槽鋼拼組的箱形結構。水流方向的支撐為通長連續(xù),并在其中間各焊接2個“V”形支撐和“X”形支撐,順橋方向的支撐為間斷布置,詳見圖2。

圖2 內(nèi)支撐及抗壓(拉)柱平面

3.1.4 上承系統(tǒng)

上承系統(tǒng)是以鉆孔樁鋼護筒為依托,將鋼吊箱懸掛其上進行拼裝、下沉、澆筑封底混凝土等工作,包括承重梁、下沉設備、吊桿等部分。承重梁由2根I56a型鋼組成,主要承受吊箱的重力；下沉設備為4臺100 t液壓千斤頂；吊桿采用8根φ32 mm精軋螺紋鋼,由φ32 mm螺紋鋼螺母加墊片固定在承重梁上。鋼吊箱由4個上承系統(tǒng)共同作業(yè)來完成下沉工序。

3.1.5 導向定位系統(tǒng)

鋼吊箱下沉入水后受水流作用,會向下游移動。吊箱下放到位后,為防止水流壓(浮)力、水平波浪力等動荷載對自由懸掛的鋼吊箱進行撓動,在吊箱內(nèi)設置導向定位系統(tǒng),它主要由18根抗壓(拉)柱組成。抗壓(拉)柱斷面為2根[28a槽鋼拼組的箱形結構,其底板與大龍骨焊接,連接板與鋼護筒焊接采用雙面角焊縫,焊縫高20 mm。

3.2 拼裝下沉鋼吊箱施工

3.2.1 拼裝下沉鋼吊箱施工工藝

工藝流程：施工準備→鋼護筒焊接牛腿→底承系統(tǒng)安裝→焊接第一節(jié)側板→安裝下沉、導向定位系統(tǒng)→拆除臨時牛腿→下沉第一節(jié)側板→第二、三節(jié)側板安裝下沉→內(nèi)支撐安裝→灌注封底混凝土→抽水、清基、鑿樁→綁扎承臺鋼筋→澆筑承臺混凝土。

3.2.2 拼裝下沉鋼吊箱施工

(1)加工鋼吊箱

為保證鋼吊箱的加工精度,在河岸上找一較為寬闊的場地,壓實并用水泥砂漿抹平,用鋼板、型鋼搭設簡易的工作平臺,在其上放樣加工。鋼板下料采用剪板機和自動切割機。

(2)鋼吊箱安裝前準備工作

調(diào)查水文資料,掌握橋址處吊箱施工期的水位預報資料(高潮低潮水位),在吊箱安裝前2～3 d晝夜連續(xù)實測水位變化情況,并作比較分析。對水中墩現(xiàn)有樁護筒的實際位置(包括傾斜度)準確測量繪圖,施工平臺鋼管樁的位置也要考慮是否影響吊箱的安裝、下沉,調(diào)查承臺處是否有影響吊箱施工的其他障礙物。做好拆除鉆孔樁平臺的工作,準備好吊箱吊裝的平板駁船、25 t吊車及8臺液壓千斤頂(4臺備用)。

(3)吊箱安裝及下沉

①陸地用25 t汽車吊機將底模裝在1臺8 t長板汽車上運至河邊碼頭,吊車卸車裝船。

②在平板駁船上搭設支架,按相對位置先放托梁再放平底板,其平整度及各部尺寸符合要求后,將吊點焊在底板上。將底板運至墩位,然后平穩(wěn)吊裝到已焊好在鋼護筒的胎架上。

④拼裝側板應從長邊開始,順序延伸,最后拼裝短邊方向側板并合龍。在未合龍之前,每邊側板應與龍骨焊接4～6道拉筋。側板與側板、底板、龍骨的對接焊縫均為一級焊縫。

⑤在底板上焊接第一段抗壓(拉)柱,同時安裝上部吊桿的錨梁、錨具及墊板,準備下沉作業(yè)。吊桿為下沉吊箱的生根受力部件,材料為φ32 mm精軋螺紋鋼筋,可多次使用。

⑥下沉前仔細檢查上承系統(tǒng)安裝的牢固性,然后拆除底模胎架,完成第一次吊箱受力的轉換。下沉工藝順序：首先擰緊下螺母,松開上螺母,然后由專業(yè)人員一起給油使4臺千斤頂同時工作,油泵操作應使油壓均勻緩慢上升,油壓表不得有大范圍的波動。待千斤頂達到伸出范圍后(每次不得大于20 cm),在兩邊豎向支撐上填加同樣厚度的鋼墊板,然后擰緊上螺母,松開下螺母,準備回油,千斤頂回油鎖定時也應緩慢均勻下降,不得直接回零。反復循環(huán)上述操作,直至鋼吊箱下沉到指定高程后,進行下一道工序施工。下沉工序示意見圖3。

圖3 下沉工序示意

⑦按上述工序完成第二、三節(jié)鋼吊箱的安裝及下沉,當鋼吊箱下沉到設計高程時,將抗壓(拉)柱與鋼護筒進行焊接,確保焊縫質(zhì)量后,拆除上承系統(tǒng)運至下一個鋼吊箱施工地點,完成第二次鋼吊箱受力的轉換。

⑧內(nèi)支撐的安裝順序：首先焊接下道內(nèi)支撐的2根通長支撐(水流方向),然后焊接6根短支撐(順橋方向),最后將中間的2根“V”形支撐和2根“X”形支撐焊接到通長支撐上。同樣將上道內(nèi)支撐體系焊接固定后,用角鋼將上下兩道支撐組成豎向桁架,便可將上下內(nèi)支撐形成一體,確保鋼吊箱側模的牢固穩(wěn)定。

⑨吊箱下沉到位后,將拉壓柱與鋼護筒的頂端焊接,以承受鋼吊箱及封底混凝土、封底平臺的重力,并傳遞給鉆孔樁。

3.3 吊箱封底

(1)因吊箱底板預留孔與樁基鋼護筒有一定的間隙,為保證封底混凝土的質(zhì)量,在吊箱安裝完畢后,沿鋼護筒外緣設兩塊半圓環(huán)形鋼板,并用水泥袋纏繞鋼護筒外緣,確保灌注時不漏漿。

(2)采用3組貝雷梁作為主梁,間距120 cm的I25a型鋼為分配梁,搭設封底平臺并在頂面按圖4所示預留出灌注點位置。以厚度為10 cm的木板鋪面,采用移動式導管灌注水下混凝土。

圖4 鋼吊箱封底混凝土灌注點布置

(3)每個灌注點首次灌注時大料斗內(nèi)的混凝土量必須保證不小于6 m3,導管距鋼吊箱底板距離為20～30 cm。每次灌注后必須測量、記錄灌注點3 m范圍內(nèi)混凝土上升高度,當上升高度達到70～90 cm時可轉入下一灌注點施工,兩個大料斗由兩邊向中間依次施工,保證灌注混凝土的連續(xù)性。

(4)在低水位時抽水檢查封底混凝土的質(zhì)量,如有漏水可用水泥袋進行堵漏。

(5)將拉壓柱與護筒底部焊接成整體,此時拉壓柱受壓,并將力傳遞給鉆孔樁。

(6)切除吊箱內(nèi)鋼護筒和拉壓柱,封底混凝土表面鑿毛,清理干凈,清除吊箱內(nèi)積水,進行下步施工。

3.4 承臺施工

按設計要求綁扎鋼筋后分層澆筑承臺混凝土,用混凝土輸送泵澆筑,插入式振搗棒搗固。當混凝土達到一定設計強度時澆筑上一層混凝土。澆筑混凝土自中心開始對稱向兩端延伸,以保證鋼吊箱及下一層混凝土均衡受力。

3.5 吊箱拆除

吊箱拆除施工與拼裝下沉施工工藝基本相同,但施工順序相反。

(1)當承臺混凝土達到設計強度100%后,拆除鋼吊箱內(nèi)支撐。拆除前,在加臺與鋼吊箱側壁板間安裝支撐,支撐安裝穩(wěn)定后,開始割除內(nèi)支撐。先將下層支撐全部割除,1 h后,觀察鋼吊箱側壁板是否有變形現(xiàn)象,如有變形及時處理；沒有明顯變形則繼續(xù)將上層內(nèi)支撐中間兩道十字支撐割除；其余內(nèi)支撐在拆除側板時一并拆除。

(2)側板應先拆除短邊,然后拆除長邊。首先在側板上焊接吊點,并用平板駁船上25 t吊車吊住側壁板,防止其移動或掉落；然后讓潛水員將水中側板上的焊縫按從下到上的順序逐一燒開；潛水員將焊縫全部燒開并遠離鋼吊箱后,將側壁板吊裝到運輸船運至碼頭,汽運出場解體。

(3)吊箱拆除時不應使承臺混凝土受到損傷,并減少材料的破損。

(4)吊箱拆除材料運至指定位置,分類整齊擺放。

4 質(zhì)量控制

(1)建立健全質(zhì)量保證體系,進行全工序質(zhì)量控制。

(2)鋼吊箱加工的幾何尺寸允許誤差±5 cm,連接采用一級焊縫,并做焊縫檢測試驗,確保鋼吊箱拼裝精度。

(3)承臺中線允許誤差10 mm,為確保承臺中線準確,吊箱的幾何尺寸每邊各加大100 mm,避免因鋼護筒的中線偏差而造成承臺中線的偏差,下沉時嚴格控制其中線、水平偏差。

5 結論

針對曹妃甸特大橋區(qū)域地理位置、地質(zhì)情況、水文特點等實際情況,經(jīng)過縝密計算和專家論證,對鋼吊箱結構設計和分步下沉工藝改進,填補了國內(nèi)空白。以該技術為內(nèi)容之一的“海域鐵路工程綜合施工技術”通過了中國鐵道建筑總公司科技成果評審,該技術豐富了鋼吊箱施工模式,簡化了施工工序,壓縮了施工周期,節(jié)省了鋼吊箱內(nèi)的承臺模板,取得了良好的社會效益和經(jīng)濟效益,可在類似海域橋梁施工中推廣應用。

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[2]歐陽效勇，任回興，徐 偉.橋梁深水樁基礎施工關鍵技術——蘇通大橋南塔基礎工程施工實踐[M].北京：人民交通出版社，2006.

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