馬鞍山長江公路大橋中塔吊箱圍堰法修筑深水高樁承臺(tái)

張小軍

安徽省合肥工大建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司，安徽合肥 230009

吊箱圍堰法修筑深水中橋梁高樁承臺(tái)，是在水中懸吊鋼箱，固定于鋼護(hù)筒或定位樁上，樁基施工時(shí)用作定位導(dǎo)向工作平臺(tái)，樁基施工完后作為圍堰，下到設(shè)計(jì)標(biāo)高，封底抽水，修筑鋼筋砼承臺(tái)。馬鞍山長江公路大橋中塔樁基礎(chǔ)施工采用此方案取得了良好效果。本文結(jié)合本人在馬鞍山長江公路大橋項(xiàng)目全過程參與此方案的評(píng)審、實(shí)施、取得預(yù)期效果，對(duì)鋼吊箱圍堰的設(shè)計(jì)和施工進(jìn)行研究總結(jié)，希望能對(duì)大橋施工技術(shù)有所裨益。

1 樁基承臺(tái)施工方案的確定

馬鞍山長江公路大橋工程控制工期在于下部工程，而難度在于基礎(chǔ)。長江中央施工條件比較差，要保證工程質(zhì)量和工程進(jìn)度，必須采取切實(shí)可行的施工技術(shù)，一次性作業(yè)成功。

在水中修筑鋼筋砼承臺(tái)，必須有圍堰。施工時(shí)將圍堰內(nèi)的水抽干，在無水的情況下，修筑鋼筋砼承臺(tái)。根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，一般有兩種修筑承臺(tái)的方案進(jìn)行比較，即吊箱圍堰法和套箱圍堰法。通過從施工難易、工程質(zhì)量、使用設(shè)備機(jī)具量、材料用量等方面比較，我們認(rèn)為，吊箱圍堰法施工深水中承臺(tái)優(yōu)點(diǎn)比較突出，砼質(zhì)量有保證，投入的材料和設(shè)備比套箱圍堰少，尤其是對(duì)水文影響小，可維持通航。

2 吊箱圍堰設(shè)計(jì)和施工

馬鞍山長江公路大橋根據(jù)工程本身的情況，認(rèn)真制定施工程序，即先圍堰后平臺(tái)法施工：

1）吊箱圍堰尺寸的擬定

鋼吊箱圍堰的尺寸，應(yīng)根據(jù)承臺(tái)所處河段的水文以及其功能來確定。馬鞍山長江公路大橋工程吊箱圍堰尺寸是按下擬定的：

（1）平面尺寸：同承臺(tái)平面尺寸加10cm襟邊寬度，以保證承臺(tái)中心位置準(zhǔn)確；

（2）高度：H=h1+h2+h3-h4（其中：h1—施工高水位，以調(diào)查的歷年同期高水位確定，取6.2m（高程）；h2—防浪高度，取0.5m；h3—承臺(tái)封底厚度，取1.8m；h4—承臺(tái)底標(biāo)高等于0.0m（高程））。

2）吊箱圍堰結(jié)構(gòu)體系分析

吊箱圍堰在施工和工作過程中，受力的作用是比較復(fù)雜的。并且，隨著施工程序的深入，結(jié)構(gòu)約束體系從原先的狀態(tài)轉(zhuǎn)化為另一狀態(tài)，此時(shí)，吊箱所受的外力也隨之變化。所以設(shè)計(jì)吊箱時(shí)，應(yīng)認(rèn)真分析各種狀態(tài)的結(jié)構(gòu)體系和受力情況。分別作設(shè)計(jì)計(jì)算，確保結(jié)構(gòu)的安全。

（1）吊箱圍堰的荷載：

①水力荷載：分靜水壓力和動(dòng)水壓力。靜水壓力按下式計(jì)算：

P1=rH[其中：r—水密度（T/m3）；H—水深（m）]；

靜水壓力隨水深呈下三角形分布。

動(dòng)水壓力按下式計(jì)算：

P2=KHV2/2gxBxr[其中：K—平面系數(shù)，矩形K=1.33，槽形K=1.8～2.0；H—水深（m）；V—流速（m/s），取2.0 m/s；g—重力加速度（m/s2）；B—寬度；r—水的密度（t/m3）]

動(dòng)水壓力可假定為作用于水面以下1/3水深處的集中力。水浮力P3按下式計(jì)算：

P3=rH （水浮力作用于H深底板）

②砼荷載：按實(shí)際體積計(jì)算

③施工荷載

施工荷載主要是考慮澆筑承臺(tái)砼時(shí)的施工荷載，按“施工技術(shù)規(guī)范”取q=2.5kPa。

④船撞力

按“橋梁通用規(guī)范”取P4=400kN。

（2）吊箱圍堰結(jié)構(gòu)體系分析

吊箱圍堰在制作、運(yùn)輸、安裝和工作中，結(jié)構(gòu)受力是比較復(fù)雜的。但最不利的是當(dāng)?shù)跸渚臀幌碌礁叱?，固定在鋼護(hù)筒頂部時(shí)，另一種不利狀態(tài)是當(dāng)封底后，進(jìn)行承臺(tái)施工要先割除鋼護(hù)筒，鑿樁頭，此時(shí)要將固定點(diǎn)轉(zhuǎn)移到吊箱底板時(shí)。我們按先后狀態(tài)1、狀態(tài)2來分析。

狀態(tài)1：當(dāng)?shù)跸鋰呦碌皆O(shè)計(jì)高程后，吊箱固定于鋼護(hù)筒，鉆孔樁施工結(jié)束后進(jìn)行封底，封底混凝土強(qiáng)度達(dá)設(shè)計(jì)要求后抽干箱內(nèi)水。這時(shí)箱內(nèi)無水，箱外水位隨長江水位變化。吊箱受水側(cè)壓力和浮力。只有出現(xiàn)意外的高潮水位，漫過箱頂，此時(shí)箱內(nèi)外水壓平衡，退潮時(shí)，立即抽箱內(nèi)水，可避免這種情況的出現(xiàn)。

吊箱的結(jié)構(gòu)是空間體系，為了便于計(jì)算，先簡化為平面結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行初步計(jì)算，確定支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，再用有限元程序建模計(jì)算，進(jìn)行設(shè)計(jì)校核。計(jì)算時(shí)荷載組合為：靜水側(cè)壓力，動(dòng)水壓力、浮力、封底砼及自重、施工荷載等。通過計(jì)算分析，這種狀態(tài)不利位置在吊箱各角隅。因此，吊箱制作時(shí)，構(gòu)造上應(yīng)加強(qiáng)該處的剛度，以防變形以至漏水。

因圍堰平面尺寸較大，設(shè)計(jì)為雙壁鋼圍堰，壁厚1.8m，沿周邊設(shè)置了相對(duì)獨(dú)立的小隔艙共36個(gè)，以增加壁板的剛度，轉(zhuǎn)角處另做加強(qiáng)。

狀態(tài)2：從封底抽水開始到承臺(tái)混凝土澆筑為止，持續(xù)的時(shí)間比較長，而且有兩種不利荷載的組合。當(dāng)封底抽水后，要進(jìn)行承臺(tái)施工準(zhǔn)備，包括封底面清理、護(hù)筒與內(nèi)支撐割除、鑿樁頭等，然后再進(jìn)行承臺(tái)鋼筋綁扎，澆筑砼。因此要將箱頂固定點(diǎn)轉(zhuǎn)移到鋼護(hù)筒上，其荷載組合①同狀態(tài)1的荷載組合。荷載組合②出現(xiàn)在箱外水位降到最低水位，箱內(nèi)澆筑砼至標(biāo)高，砼未凝固仍作為荷載，施工人員和機(jī)具尚未撤走，此時(shí)荷載組合為：砼荷載、施工荷載以及自重等。這種荷載組合主要作用于吊箱底板，通過護(hù)筒與封底混凝土間的粘接力進(jìn)行力的傳遞，因此，底板的設(shè)計(jì)不但要滿足強(qiáng)度和剛度的要求，還應(yīng)有構(gòu)造措施，以保證結(jié)構(gòu)安全。

（3）吊箱圍堰的施工：

吊箱圍堰既作承臺(tái)施工的圍堰及模板，又兼作樁基施工工作平臺(tái)。其圍堰安裝簡單，不需要?jiǎng)佑么蟮钠鸬踉O(shè)備，又可通過吊箱圍堰做鉆孔樁的施工平臺(tái)，可大大節(jié)省平臺(tái)安裝時(shí)間。其施工方法如下：

①制作鋼吊箱圍堰

本工程吊箱圍堰在工廠制造，為保證質(zhì)量，除對(duì)結(jié)構(gòu)加工質(zhì)量、外形尺寸進(jìn)行控制外，特別對(duì)焊縫提出了高要求，所有焊縫必須達(dá)到Ⅰ級(jí)焊縫。

②吊箱圍堰的運(yùn)輸

圍堰制作過程中，修建下水通道，鋪設(shè)氣囊做好滑道，將圍堰通過滑道送入長江中。

③浮運(yùn)就位

圍堰入水后，用事先準(zhǔn)備好的拖輪靠上圍堰，用鋼絲繩與圍堰可靠綁定，開動(dòng)拖輪將圍堰運(yùn)送至墩位。為減少浮運(yùn)阻力，本項(xiàng)目采用先將底板護(hù)筒口暫時(shí)用鋼板焊死，等浮運(yùn)就位再割開鋼板的措施來減少圍堰吃水深度，減少浮運(yùn)阻力。

④固定錨固

本項(xiàng)目采用前定位船方案進(jìn)行圍堰的精確定位。

錨錠系統(tǒng)共設(shè)了18個(gè)錨，其中圍堰通過14個(gè)8t霍爾錨進(jìn)行定位。前面4個(gè)主錨經(jīng)定位船通過卷揚(yáng)機(jī)與圍堰相連，圍堰側(cè)面設(shè)了8個(gè)錨，一側(cè)4個(gè)，圍堰后端設(shè)兩個(gè)尾錨，另外在定位船的兩邊設(shè)了4個(gè)5t霍爾錨，以控制定位船的位置。

圍堰進(jìn)場(chǎng)前，拋錨船按從上到下先主錨、再側(cè)錨、后尾錨的順序?qū)?8個(gè)錨依次拋設(shè)，前面主錨與定位船相連，圍堰側(cè)錨及尾錨讓開圍堰安裝位置，通過兩艘臨時(shí)工作船固定鋼絲繩。

圍堰進(jìn)場(chǎng)后，拖輪將圍堰送到設(shè)計(jì)位置偏上游位置，通過拋錨艇將4個(gè)主纜掛到圍堰上，此時(shí)拖輪可以與圍堰脫離，再將側(cè)錨、尾錨掛上，將錨碇系統(tǒng)安裝到位，通過調(diào)整纜繩長度來調(diào)整鋼圍堰的平面位置。

拋錨定位及圍堰定位過程中，均采用GPS系統(tǒng)利用RTK實(shí)時(shí)載波相位測(cè)量技術(shù)，準(zhǔn)確定位。

圍堰精確定位后，進(jìn)行鋼護(hù)筒插打工作，先插打4根角樁，以固定圍堰平面位置。插打鋼護(hù)筒前必須對(duì)圍堰定位精度進(jìn)行復(fù)核，以防水位、流速影響使圍堰定位精度降低。

4根角樁插打完成后，再按照由下游到上游的施工順序進(jìn)行其余鋼護(hù)筒的插打

鋼護(hù)筒插打過程中，將掛樁牛腿陸續(xù)焊在護(hù)筒上，為圍堰掛樁做準(zhǔn)備。掛樁牛腿安裝時(shí)必須考慮水位變化的影響，以防水位高時(shí)，牛腿與圍堰支撐相碰，造成施工困難，本項(xiàng)目通過設(shè)支墊降低牛腿安裝高度這一方案，很好地解決了這個(gè)問題。

插打完成的護(hù)筒達(dá)到圍堰掛樁要求后，通過向圍堰雙壁間隔艙注水或抽水調(diào)整圍堰的豎向標(biāo)高，以安裝支墊，將圍堰與護(hù)筒固定，最后，完成所有護(hù)筒與圍堰的固結(jié)，達(dá)到固定圍堰、形成鉆孔平臺(tái)的工作。

⑤封底施工：

鉆孔樁施工完成后，進(jìn)行封底混凝土施工，封底前必須清理圍堰內(nèi)在鉆孔樁施工期間的泥漿，混凝土等，對(duì)圍堰壁板、護(hù)筒側(cè)面等進(jìn)行清洗，以保證混凝土與圍堰底板、壁板與護(hù)筒的有效連接，并對(duì)護(hù)筒與底板間的空隙進(jìn)行封堵，以防混凝土從此處流出，影響封底質(zhì)量。封底施工應(yīng)在內(nèi)外水壓平衡時(shí)進(jìn)行，一般采用在圍堰壁板較低位置設(shè)連通管進(jìn)行內(nèi)外水自動(dòng)平衡。因護(hù)筒與底板間間距小且呈倒梯開，本項(xiàng)目采用一條直徑約10cm的布袋腸，內(nèi)裝攪拌均勻的砂和水泥，堵于護(hù)筒與底板的空隙處。封底的厚度可按下式計(jì)算：

T≥krhA/（RcA+nπd[t]）（其中：T—水下砼封底厚度（m）；Rc—砼容重（T/m3）；A—圍堰底面積（扣除樁截面積）（m2）；n—樁數(shù)；d—樁外徑（m）；[t]—樁與砼間的容許摩擦力（T/m2）；h—以最高施工水位至箱底的高度（m）；r—水的容量（T/m3）；k—系數(shù)取1.05～1.1）

本項(xiàng)目經(jīng)計(jì)算封底厚度取為1.8m，在20年一遇洪水位（+9.333）進(jìn)行正常的抽水施工，結(jié)構(gòu)安全可以得到有效保證。

澆筑水下砼時(shí)，導(dǎo)管的作用半徑，由于樁基的影響應(yīng)適當(dāng)減小，一般取R=5m。

3 結(jié)論

1）鋼吊箱圍堰施工深水中承臺(tái)，適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)于水流急、落差大的趕潮河段，亦能適應(yīng)，其設(shè)備機(jī)具和材料投入量比套箱圍堰小。

2）對(duì)于水流速大、通航的河段，吊箱圍堰先圍堰后平臺(tái)的方法，可以通過浮運(yùn)解決起吊問題，大大節(jié)省平臺(tái)建立時(shí)間，鉆孔樁施工完成后可以直接進(jìn)入封底工序，雖然圍堰占用時(shí)間長，但總體施工時(shí)間可以大大縮短。

3）吊箱圍堰在制作、運(yùn)輸和工作過程中，受力作用是復(fù)雜的，結(jié)構(gòu)體系不僅是一種狀態(tài)，而是隨著施工工序的深入，將改變它的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，因此，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)要考慮多種不利工況，提前準(zhǔn)備應(yīng)對(duì)措施，以保證結(jié)構(gòu)安全。

[1]公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范JTJ041—2000.北京：人民交通出版社，2000.