大型深水基礎(chǔ)單壁鋼套箱圍堰施工技術(shù)

張 利

(中鐵十八局集團(tuán) 第五工程有限公司，天津 300450)

大型深水基礎(chǔ)單壁鋼套箱圍堰施工技術(shù)

張 利

(中鐵十八局集團(tuán) 第五工程有限公司，天津 300450)

結(jié)合上海至武威高速公路沙坡頭黃河特大橋11號主墩水中承臺施工實(shí)例，重點(diǎn)介紹低樁承臺深水基礎(chǔ)特大型單壁鋼套箱圍堰的構(gòu)造、設(shè)計(jì)技術(shù)條件，以及鋼套箱的下沉等技術(shù)。

深水基礎(chǔ) 單壁鋼套箱圍堰 施工技術(shù)

1 工程概況

沙坡頭黃河特大橋位于寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)縣常樂鎮(zhèn)小灣村西側(cè)，系上海至武威公路中寧至孟家灣段跨越黃河的一座特大橋梁。橋址區(qū)屬黃河上中游，主河道寬 250 m，施工常水位1 241.20 m，實(shí)測水位1 241.00 m，水深6.0～7.0 m，水位漲落高度 1.0 m，水流平均速度3 m/s。沙坡頭黃河特大橋全長1 341.5 m，主跨采用65 m+2×120 m+65 m的連續(xù)剛構(gòu)箱梁。水中11號墩位于黃河主河道。墩身高度55.4 m，承臺尺寸28.8 m×13.2 m×4.0 m(長 ×寬 ×高)。河床為卵石土，卵石土層8～10 m深，其承載力1 000～1 200 kPa。

2 鋼套箱設(shè)計(jì)

2.1 套箱頂高程的確定

由于本套箱在冬季施工，而設(shè)計(jì)冬季流冰水位1 241.55 m，所以本套箱頂高程取1 242.00 m。比流冰水位高出0.45 m。

2.2 設(shè)計(jì)荷載及驗(yàn)算項(xiàng)目

2.2.1 荷載種類

①套箱自重(包括套箱分隔倉、側(cè)板、支撐定位系統(tǒng));②新澆封底混凝土自重(封底混凝土取1.0 m厚);③新澆結(jié)構(gòu)混凝土自重(包括結(jié)構(gòu)混凝土澆筑時(shí)的施工荷載);④按3.0 m/s的流速所產(chǎn)生的動水壓力;⑤設(shè)計(jì)水深的靜水壓力。

2.2.2 計(jì)算工況、荷載組合及計(jì)算項(xiàng)目

1)階段一

工況：整體套箱吊裝，荷載組合①，計(jì)算內(nèi)容為套箱側(cè)板、吊裝支撐系統(tǒng)受力計(jì)算。

2)階段二

工況：套箱封底抽水前，荷載組合為①+④，計(jì)算內(nèi)容為套箱側(cè)板、定位系統(tǒng)及加固措施的受力計(jì)算。

3)階段三

工況：套箱封底抽水后，荷載組合為①+②+③+④+⑤，計(jì)算內(nèi)容為套箱整體穩(wěn)定性驗(yàn)算;封底混凝土厚度、套箱支撐體系分析。

3 單壁鋼套箱圍堰施工

3.1 鋼套箱的結(jié)構(gòu)形式

套箱由側(cè)板、吊裝支撐系統(tǒng)、導(dǎo)向定位系統(tǒng)及分隔倉組成。

3.1.1 套箱側(cè)板

鋼套箱周邊尺寸比承臺設(shè)計(jì)尺寸每邊加寬10 cm，鋼套箱底比承臺底低1.5 m，頂面高出實(shí)測水位1.0 m，按設(shè)計(jì)水深計(jì)算，鋼套箱的高度為8.5 m;因此鋼套箱內(nèi)部尺寸為：長29.0 m，寬13.4 m，高8.5 m，鋼套箱作為承臺模板。鋼套箱加工成3節(jié)，即最下節(jié)高度2.5 m，相鄰節(jié)高度3 m，最上節(jié)高度3.0 m。橋梁下部結(jié)構(gòu)施工完成后，拆除最上節(jié)鋼套箱，其下2節(jié)不再拆除。鋼套箱構(gòu)造詳見圖1。

3.1.2 吊裝支撐系統(tǒng)

由于鋼套箱尺寸大、水又深，為防止水的側(cè)壓力對鋼套箱產(chǎn)生較大變形，故鋼套箱內(nèi)設(shè)水平支撐2層，支撐骨架橫橋向?yàn)?φ500×10 mm鋼管，順橋向?yàn)?φ300×10 mm鋼管，每層支撐橫橋向2道，順橋向5道，支撐相交處采用焊接，并用10 mm厚的鋼板進(jìn)行加固。吊裝支架安設(shè)在鋼護(hù)筒上，采用高3.0 m，懸臂長度為1.6 m的支架，支架主撐用 φ220 mm鋼管，附著斜撐用φ100 mm鋼管，主撐頂端安設(shè)導(dǎo)向定滑輪。單壁鋼套箱圍堰吊點(diǎn)支架詳見圖2。

圖1 單壁鋼套箱圍堰結(jié)構(gòu)示意(單位：cm)

圖2 鋼套箱吊點(diǎn)支架系統(tǒng)(單位：cm)

3.1.3 導(dǎo)向定位系統(tǒng)

在每節(jié)鋼套箱的內(nèi)側(cè)以中心為對稱點(diǎn)，焊接長度為2.5 m的定位鋼支撐，鋼支撐用 φ220 mm鋼管、I20a、及∠75×75×10組合焊接而成。施工過程中，應(yīng)千萬注意支撐外側(cè)角鋼的垂直和水平位置的精確性。為防止鋼套箱在下沉過程中因流水過急受到阻礙，可配備2個(gè)20 t的手拉葫蘆進(jìn)行鋼套箱牽引。

3.1.4 套箱分隔倉

由于鋼套箱尺寸較大，當(dāng)灌注封底混凝土?xí)r，為避免導(dǎo)管下部的混凝土形成錐體狀，擴(kuò)散不均勻，封底不嚴(yán)密，所以在套箱底部設(shè)混凝土分隔倉。分隔倉內(nèi)部平面布設(shè)標(biāo)準(zhǔn)尺寸為2.5 m×2.5 m，高1 m。邊緣空隙大于2.5 m時(shí)應(yīng)增設(shè)分隔倉。分隔倉設(shè)此尺寸一則滿足施工需要，二則避免與樁基礎(chǔ)發(fā)生沖突。分隔倉采用10 mm厚的鋼板焊制而成。

3.2 鋼套箱施工

3.2.1 鋼套箱加工與試拼裝

鋼套箱在專用加工場地由專業(yè)人員進(jìn)行加工。加工完成后，首先在加工場地內(nèi)試拼裝，檢驗(yàn)產(chǎn)品加工質(zhì)量，如剛度、平整度、接縫錯臺、接縫嚴(yán)密性、螺栓孔等是否滿足要求。

3.2.2 箱的定位及加固

由于鋼套箱整體質(zhì)量約145 t，考慮到施工方便易控，在鋼套箱每節(jié)距上端50 cm處共布設(shè)14個(gè)主起吊點(diǎn)。吊裝支撐架沿承臺四周14個(gè)樁基全部布置，14個(gè)主起吊點(diǎn)均設(shè)在吊裝支撐架上。吊裝支撐架與加勁鋼管斜支撐均采用活動鉸連接，鉸只考慮承受豎向拉力，吊裝時(shí)吊索所產(chǎn)生的水平力由吊裝支撐架平衡，并且每個(gè)支撐桿頂部安裝定滑輪。

3.2.3 鋼套箱拼裝與下沉

作業(yè)平臺二次加固與補(bǔ)強(qiáng)完畢，將鋼套箱板分塊運(yùn)輸至作業(yè)平臺上，按編號組裝，分塊分節(jié)在平臺上拼裝。拼裝時(shí)采用汽車吊吊模，人工配合組裝。

1)依據(jù)設(shè)計(jì)圖，首先安裝底節(jié)套箱模板，分塊用螺栓連接緊密。底節(jié)形成封閉的環(huán)，上下左右節(jié)與節(jié)之間的接縫采用橡膠墊連接，保證密封不滲水。之后焊接混凝土分隔倉，分隔倉可事先加工，在現(xiàn)場組合焊接成整體。在拼接過程中，可利用鋼護(hù)筒的牛腿作為臨時(shí)支撐平臺。

2)鋼套箱下沉前，在每節(jié)鋼套箱的內(nèi)側(cè)以中心為對稱點(diǎn)，焊接長度為2.5 m的定位鋼支撐，鋼護(hù)筒最外側(cè)按與鋼套箱內(nèi)側(cè)間距設(shè)置導(dǎo)向工字鋼，防止鋼套箱整體下沉?xí)r偏位。然后采用14個(gè)手拉葫蘆通過定滑輪導(dǎo)向吊裝系統(tǒng)將鋼套箱吊起，使之離開鉆孔平臺，拆除防礙其下沉的搭設(shè)平臺用的木板、工字鋼等，然后用手拉葫蘆逐漸下沉鋼套箱。在整個(gè)下沉過程中，采用14個(gè)10 t手拉葫蘆同步作業(yè)，下沉第一節(jié)時(shí)應(yīng)對鋼套箱四腳點(diǎn)進(jìn)行精確抄平和定位，從而保證鋼套箱垂直下沉。

3)依據(jù)底節(jié)的拼裝方法，拼接第二節(jié)，之后安裝第一層內(nèi)圈梁，內(nèi)圈梁采用2根I20b型工字鋼直接焊接在鋼套箱內(nèi)側(cè)壁上，其作用是將內(nèi)鋼支撐與套箱側(cè)壁聯(lián)結(jié)在一起，避免單根鋼管頂在面板上產(chǎn)生應(yīng)力集中，該工字鋼在水平上形成封閉的環(huán)狀。依第一節(jié)的方法，下沉鋼套箱。

4)依照第二節(jié)的方法，拼接第三節(jié)鋼套箱與第二層內(nèi)圈梁，下沉鋼套箱。鋼套箱著床后，緩慢下放，使之切入覆蓋層中，穩(wěn)定于河床上。若鋼套箱有偏移傾向，在鋼套箱頂上加配重使之平衡下沉。

鋼套箱穩(wěn)定后，再在四周鋼護(hù)筒的外側(cè)壁準(zhǔn)確加以固定，拆除鋼套內(nèi)側(cè)所有平臺(鋼護(hù)筒吊點(diǎn)支架系統(tǒng)不拆除)和采用汽車吊吊振動錘振動拔除鉆孔平臺鋼管樁，再用長臂挖掘機(jī)將河床內(nèi)的大卵石清除;當(dāng)下沉至離設(shè)計(jì)底面高程還有50 cm時(shí)，用長挖機(jī)進(jìn)行四周清底，待鋼套箱緩慢下沉到設(shè)計(jì)高程后，對鋼套箱切入土層的情況進(jìn)行檢查，保證切入土層充分。必要時(shí)，需要派潛水員下水檢查。經(jīng)檢查合格后，方可進(jìn)行水下混凝土封底。

3.3 分隔倉與鋼管內(nèi)支撐的安裝

為縮短工期，加快施工進(jìn)度，分隔倉與鋼管內(nèi)支撐均在鋼套箱整體側(cè)模下沉到位后將中間施工平臺及鋼管樁全部拆除后再進(jìn)行安裝。具體做法是在鋼套箱整體側(cè)模下沉到位后，將河床初步平整(可在鋼套箱內(nèi)外側(cè)拋填小片石或卵石進(jìn)行填平)，然后再搭設(shè)臨時(shí)輕型分隔倉拼裝平臺。由于整體分隔倉較輕，質(zhì)量不到2 t，所以將吊點(diǎn)轉(zhuǎn)移至套箱側(cè)模上，通過扁擔(dān)梁整體吊起，拆除臨時(shí)平臺后再下沉分隔倉。分隔倉下沉到位后，再進(jìn)行混凝土的封底。當(dāng)封底混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，邊抽水邊在已焊接好的內(nèi)圈梁上焊鋼管內(nèi)支撐。

3.4 混凝土封底

3.4.1 用分隔倉法布置導(dǎo)管

導(dǎo)管的平面布置以每個(gè)分隔倉為單位，能使各導(dǎo)管有效半徑互相銜接。導(dǎo)管的立面布置是在圍堰頂搭設(shè)灌注支架，以懸掛漏斗及導(dǎo)管。支架頂部設(shè)置灌注平臺，平臺上搭設(shè)有儲存混凝土的料槽。灌注從一端開始，分倉逐個(gè)進(jìn)行，拔出導(dǎo)管向后周轉(zhuǎn)使用。

3.4.2 灌注封底混凝土

封底采用C30早強(qiáng)混凝土，在灌注過程中，須嚴(yán)格控制混凝土的分布厚度，確保封底混凝土的質(zhì)量。為了避免水位壓力差破壞尚未達(dá)到強(qiáng)度的封底混凝土，在河水面以上5～10 cm處的套箱壁割除直徑為20 cm孔洞，從而保證套箱內(nèi)水位與黃河水位一致，并要求2 d后及時(shí)將其孔洞進(jìn)行堵焊;或用一臺水泵根據(jù)水位差值進(jìn)行跟班抽水。

4 結(jié)語

封底混凝土灌完后，即可以按正常工序進(jìn)行承臺施工。當(dāng)承臺混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%左右，可安排拆除鋼套箱。

現(xiàn)沙坡頭黃河特大橋已經(jīng)建成，施工實(shí)踐證明，單壁鋼套箱圍堰取得了較好的施工效果。

［1］鐘振方.深水基礎(chǔ)圍堰施工方案比選［J］.鐵道建筑，2009(2)：6-8.

［2］尤丁劍.流灌河1#橋深水樁基礎(chǔ)填充式雙壁鋼圍堰設(shè)計(jì)［J］.鐵道建筑，2009(5)：26-27.

443.16+2

B

1003-1995(2011)03-0013-03

2010-10-14;

2010-12-08

張利(1978— )，女，湖北浠水人，工程師。

(責(zé)任審編 孟慶伶)