淺談?dòng)谰更S河大橋鋼套箱圍堰的設(shè)計(jì)、施工及成本分析

李寶東，董正武

（中交一公局第一工程有限公司，北京 102205）

1 工程概況

永靖黃河大橋位于甘肅省永靖縣內(nèi)，大橋11#～12#為主橋橋墩，位于黃河主河道中，下部結(jié)構(gòu)為混凝土灌注樁群樁基礎(chǔ)，樁長17 m，鋼筋混凝土承臺(tái)，承臺(tái)尺寸為7.5×8.5 m。河床表面1～3 m是砂卵石，粒徑在5～60 cm不等，水深7～10 m，河床表面不平，自岸邊逐漸往河中間漸深，樁位兩側(cè)相差80 cm，鋼板樁只能打入土中1～2 m，根據(jù)地質(zhì)情況，采用先沉放雙壁鋼套箱，在套箱上搭設(shè)平臺(tái)，水上鉆孔、承臺(tái)、薄壁墩施工。

2 鋼套箱設(shè)計(jì)

2.1 套箱幾何尺寸的確定

首先，根據(jù)承臺(tái)的尺寸確定套箱的平面幾何尺寸，永靖黃河大橋承臺(tái)尺寸為7.5×8.5×2 m，根據(jù)承臺(tái)尺寸確定套箱做成圓形，內(nèi)徑12 m，承臺(tái)的四角到圍堰的邊為53 cm；承臺(tái)標(biāo)高在河床面上1.75～2.0 m，套箱下沉到河床面即可，封底混凝土按照2 m考慮；根據(jù)水深在7～9 m，考慮套箱前雍水，確定套箱高度為10 m；由于制作安裝在冬季進(jìn)行，考慮施工人員在套箱雙臂內(nèi)的操作空間，套箱內(nèi)外臂之間的距離確定為90 cm；最后套箱尺寸為：內(nèi)徑12 m，外徑13.8 m，壁厚90 cm，高10 m；套箱內(nèi)壁采用6 mm的鋼板做面板，外壁采用8 mm鋼板做面板，環(huán)肋及縱肋采用δ10×160 mm鋼板，∠63*63*6角鋼作為水平支撐及斜支撐，根據(jù)板材的尺寸1.25 m×6 m，分為3節(jié)加工，第一層、二層為每層3.75 m高，第三層2.5 m，底層套箱設(shè)計(jì)125 cm高刃角，方便套箱下沉；其中第一節(jié)重33.2 t，第二節(jié)重37.3 t，第三節(jié)重21.7 t，共計(jì)重82.2 t。每層分設(shè)多個(gè)4個(gè)橫向互不通水的隔水倉。最終套箱設(shè)計(jì)尺寸見圖1。

圖1

2.2 套箱的強(qiáng)度驗(yàn)算

由于套箱是雙薄壁，支撐在中間，屬空間立體結(jié)構(gòu)，手工計(jì)算工程量較大，且計(jì)算不準(zhǔn)，人們采用大型計(jì)算軟件madis進(jìn)行的計(jì)算，計(jì)算時(shí)由于入土不深，沒有考慮主動(dòng)土壓力，水流速按照1.0 m/s計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見圖2，共計(jì)建模144 402個(gè)，環(huán)肋、豎肋、支撐等進(jìn)行了分別計(jì)算，最大的應(yīng)力出現(xiàn)在內(nèi)側(cè)壁底面處，鋼板采用的是A3鋼[δ]=145 MPa>129 MPa，可以滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

圖2

3 鋼套箱的施工

3.1 套箱的加工

由于加工好的套箱體積比較大，不便于運(yùn)輸，所以采用現(xiàn)場分節(jié)加工，然后拼裝工藝；首先在現(xiàn)場制作內(nèi)外胎架，胎架采用槽鋼或工字鋼制作，加工好的胎架要反復(fù)檢測，保證圍堰的加工精度控制在5 mm之內(nèi)；在胎架上進(jìn)行內(nèi)外套箱壁的制作，為防止因焊接產(chǎn)生的熱量使圍堰鋼板變形，焊接時(shí)要先連接再跳焊，最后逐段完成滿焊，跳焊的間距控制在30～40 cm，焊縫長度一次控制在3～4 cm，滿焊完成后要敲掉焊渣，檢查有無漏焊的地方，每節(jié)套箱完成后要進(jìn)行密封試驗(yàn)，由于現(xiàn)場缺少探傷檢測設(shè)備，可以用涂柴油或柴油內(nèi)加滑石粉的方法進(jìn)行檢測。

圖3 工人正在外胎架焊接

圖4 外胎架上正在焊接的一節(jié)套箱

圖5 制作好的一節(jié)套箱

3.2 鋼套箱的拼裝

3.2.1 拼裝平臺(tái)的搭設(shè)

由于樁位在河道中間，水流較深，流速較急，為施工方便，在距河邊20 m的水面位置進(jìn)行現(xiàn)場拼裝焊接后，然后采取浮運(yùn)到樁位的辦法進(jìn)行，拼裝水面水深的要求必須滿足以下2節(jié)套箱的要求，即水深不得小于5 m，還要保證可以搭設(shè)螺旋管，并保證螺旋管穩(wěn)定的要求。首先按照60度均分圓，內(nèi)圈直徑10 m，外圈直徑14.8 m，打設(shè)10根14 m高的螺旋管，要求露出水面的高度不小于6 m，頂面要齊平，螺旋管之間用25工字鋼進(jìn)行連接，見圖6。

圖6

工字鋼在距水面1 m的地方進(jìn)行，作為第一層圍堰拼設(shè)的平臺(tái)及承重梁，連接時(shí)要焊接結(jié)實(shí)，要水平，自圓心以13.8 m為直徑在工字鋼頂面做好標(biāo)記，作為拼裝套箱的放樣標(biāo)記，要求誤差控制在5 mm范圍之內(nèi)，要反復(fù)進(jìn)行校對(duì)。

拼裝流程如下：安裝起吊梁及20 t手拉葫蘆6臺(tái)套→手拉葫蘆起吊套箱，吊離承重梁，拆除承重梁→利用手拉葫蘆循環(huán)操作下沉套箱入水→套箱自浮，拆除起吊梁，固定套箱在鋼管樁牛腿上→拼裝第二層套箱→下沉第二節(jié)套箱，下沉力不足時(shí)，向箱式內(nèi)注水，增加套箱下沉自重→下沉到預(yù)定位置，套箱自浮，拼裝第三層套箱。

3.2.2 具體操作流程

第一節(jié)拼裝：首先安放第一節(jié)第1塊圍堰，按照放好的樣進(jìn)行拼設(shè)，為保證忍腳處不移動(dòng)，必要時(shí)可以在標(biāo)記處焊接擋板，防止圍堰的滑動(dòng)，利用靠尺等工具一要保證圍堰的垂直度，拼設(shè)好后一定要固定好，然后依次拼裝焊接第2、3、4塊，拼裝時(shí)只要求簡單的連接，等4塊全部就位后，校對(duì)無誤再進(jìn)行焊接，由于是立焊，要選擇技術(shù)程度高且有操作證的電焊工操作，防止漏水。

第一節(jié)拼裝好后，在螺旋管頂面兩兩對(duì)應(yīng)用40工字鋼連接，每道工字鋼懸掛1個(gè)20 t的手拉葫蘆，用這6個(gè)手拉葫蘆把第一節(jié)焊接好的圍堰拉起來，然后割除掉下面的支撐平臺(tái)，6個(gè)葫蘆同時(shí)下方，下方時(shí)要相互照顧，統(tǒng)一指揮，保證圍堰下放過程中的平穩(wěn)，第一節(jié)圍堰下沉到水下1.23 m時(shí)可以自浮，等到圍堰達(dá)到可以自浮的狀態(tài)下，解除葫蘆，固定圍堰，固定時(shí)要保持圍堰的垂直，然后在第一層圍堰上焊接第二層圍堰，如果下放后第二層圍堰過高，造成不穩(wěn)，可以在隔艙內(nèi)加水，使第一層圍堰下沉到只露出1～1.5 m的位置，第二節(jié)焊接要求等同于第一節(jié)。

第二節(jié)拼設(shè)完成后，往隔艙內(nèi)注水，下沉第一、二節(jié)套箱，當(dāng)套箱下沉到露出水面1～2 m時(shí)，即可以拼設(shè)第三節(jié)套箱。

3.2.3 注意事項(xiàng)

每節(jié)套箱在拼設(shè)完成后都要對(duì)現(xiàn)場焊接的焊縫進(jìn)行檢測，防止漏水及圍堰出現(xiàn)強(qiáng)度薄弱面，安裝上一節(jié)時(shí)要保持下一節(jié)套箱的垂直。

套箱上下的連接可以采用法蘭螺栓連接或直接焊接的方式，這兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，螺栓連接便于拆除，但是加工精度要求高，螺栓如果連接不好，還可能漏水，且費(fèi)用較高，直接焊接費(fèi)用較低，對(duì)加工精度相對(duì)要求較低，但拆除比較費(fèi)時(shí)，經(jīng)過比選，我們采用的是直接對(duì)焊連接的方式進(jìn)行。

圖7 第一節(jié)套箱安裝

圖8 套箱拼裝下沉

4 套箱的浮運(yùn)就位

套箱拼裝完畢后，拆除臨時(shí)拼裝平臺(tái)，抽去套箱內(nèi)的水，使套箱上浮，為保證套箱的穩(wěn)定，抽水量使套箱僅僅可以浮在水面上即可；浮運(yùn)時(shí)應(yīng)盡量選擇在河流流速較小的下午進(jìn)行，采用卷揚(yáng)機(jī)配合拖輪進(jìn)行，浮運(yùn)到位后要先用地錨將套箱錨固住、固定好，防止被沖走。

5 套箱的沉放

在墩位處、圍堰外打設(shè)4～6根鋼管樁，用4～6個(gè)葫蘆拉住圍堰，在套箱上鋪設(shè)1～2根40工字鋼，找出套箱的中心，然后往圍堰隔艙內(nèi)注水下沉，在下沉過程中，利用手拉葫蘆及灌水量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)隨時(shí)調(diào)整下沉位置，保證下沉位置的準(zhǔn)確。安置位置全部需由測量班精確定位，保證套箱下沉精度。

注意事項(xiàng)：在流水中施工，鋼套箱下沉?xí)r會(huì)受到水平力的作用，在下沉過程中套箱傾斜度及平臺(tái)位置要求不超過規(guī)范允許值，采用有效的導(dǎo)向、定位設(shè)施是必須的。本橋套箱定位系統(tǒng)是利用鋼管樁作為定位樁，安裝導(dǎo)向橫撐和滾動(dòng)軸承，布置在前、后、左、右4個(gè)方向，既控制了套箱平面位置，又能控制其傾斜度。套箱定位系統(tǒng)是在露出水面的鋼管樁上對(duì)稱焊接兩層導(dǎo)向橫撐，控制套箱斜度。導(dǎo)向橫撐前端安裝滾動(dòng)軸承，以利下沉滑動(dòng)。

6 套箱的調(diào)整

套箱的調(diào)整包括水平的調(diào)整、標(biāo)高、位置的調(diào)整。

由于河床面不平整，下沉?xí)r很可能造成圍堰的傾斜，如果發(fā)生傾斜，可以用長臂挖掘機(jī)或抓斗將高出的河床的砂石挖出，使圍堰水平，在清理砂石時(shí)，如果圍堰發(fā)生偏位，可以把隔艙內(nèi)的水抽出，使圍堰重新浮起來重新就位，直至圍堰水平，位置滿足精度要求。套箱下沉到位經(jīng)檢測精度滿足求后進(jìn)行固定。

7 水下堵漏

套箱下沉到位固定好后，為防止出現(xiàn)忍腳處懸空的事情發(fā)生，必須使?jié)撍畣T進(jìn)行水下探摸，如果有懸空的情況出現(xiàn)，必須進(jìn)行堵漏，堵漏用編織袋裝水泥和砂的比例為1∶2的混合料進(jìn)行圍堵，圍堵的厚度不宜小于60 cm，堵漏完畢后必須反復(fù)進(jìn)行探摸，確保沒有懸空及缺口。

8 套箱的封底

封底采用2.0 m厚C20混凝土，是承臺(tái)施工的墊層，同時(shí)也是保證套箱內(nèi)能夠干燥施工的主要途徑，因此，封底混凝土必須澆注成功，從而有效地阻止套箱外側(cè)水流涌入套箱。

8.1 封底厚度的驗(yàn)算

（1）封底砼厚度設(shè)計(jì)計(jì)算：根據(jù)施工方案，在圍堰上搭設(shè)平臺(tái)進(jìn)行鉆孔樁的施工，樁基施工完畢后進(jìn)行抽水然后再進(jìn)行承臺(tái)施工，所以混凝土封底厚度的驗(yàn)算可由水的浮力控制及樁的錨固力對(duì)厚度進(jìn)行，由于樁基與封底2有護(hù)筒隔開，所以只對(duì)2 m范圍內(nèi)的封底混凝土的抗上浮力考慮，這樣偏于安全。

K=2 m×π×2（護(hù)筒直徑）×6（6根樁）×50 kPa（摩擦系數(shù)）=1 200 t。

水的浮力 F=ρgv=1 t/m3×0.1 t×π×6.92（圍堰外半徑）×7=1 046 t

封底混凝土重量為565 t，抗上浮系數(shù)為（565+1 200）÷1 046=1.68

（2）由砼抗拉強(qiáng)度控制：

H×[σ]×π（R2-6×r2）=rw×9

[σ]為砼拉應(yīng)力，一般取0.1～0.2 MPa考慮到水下封底，局部的混凝土質(zhì)量不好采用0.1 MPa，計(jì)算為h=0.95 m。實(shí)際采用2 m，滿足混凝土抗拉強(qiáng)度要求。

8.2 水下混凝土施工

（1）采用水下混凝土方法澆注，為使水下砼灌注質(zhì)量達(dá)到封底要求，其和易性及流動(dòng)性必須達(dá)到要求。套箱內(nèi)面積為扣除6根2 m護(hù)筒，共計(jì)244 m3，按30 m3/h澆注速度計(jì)算，需澆注8 h，必須在混凝土中摻加緩凝劑，防止混凝土凝固過早，影響混凝土的流動(dòng)，保證砼澆注的連續(xù)性。

（2）為保證混凝土的流動(dòng)面積（每根導(dǎo)管最大流動(dòng)范圍為5～6 m）及封底質(zhì)量，考慮到護(hù)筒對(duì)混凝土流動(dòng)的影響，采用1根導(dǎo)管循環(huán)灌注水下封底砼，封底時(shí)首灌方量為3 m3，導(dǎo)管距底不大于15 cm，采用輸送泵泵送砼，導(dǎo)管固定在施工平臺(tái)上。灌注混凝土?xí)r，應(yīng)控制混凝土下落速度，以免速度過快對(duì)導(dǎo)管口的混凝土造成沖擊，影響質(zhì)量。

（3）用測繩隨時(shí)測量各點(diǎn)位的混凝土澆注高度及流動(dòng)面積，必要時(shí)調(diào)整導(dǎo)管位置，移動(dòng)導(dǎo)管位置時(shí)，必須慢速挪移，不可脫離砼面，造成砼被水沖刷離析，或直接拔除導(dǎo)管換到其他位置重新封底澆注。為保證澆注封底混凝土的防水效果，在澆注混凝土前，先在側(cè)板上開一洞口或澆注時(shí)安放水泵抽水，保證箱內(nèi)外的水位一致，減少套箱內(nèi)的水壓力，以免影響混凝土質(zhì)量。

（4）封底完畢后，立即搭設(shè)鉆孔平臺(tái)，連接護(hù)筒，互做泥漿循環(huán)池使用，在封底完畢后3～4天，即可以進(jìn)行水上鉆孔樁施工。

9 鋼套箱施工與鋼板樁的成本對(duì)比

由于地區(qū)差異，此成本對(duì)比是按照甘肅地區(qū)進(jìn)行的計(jì)算：

9.1 鋼板樁費(fèi)用

水中墩數(shù)量為2個(gè)，每個(gè)圍堰面積為10 m×8.4 m，每片鋼板樁寬度40 cm，需租賃鋼板樁184片每片長18 m，重1.370 t，共需租賃252.08 t，鋼板樁租期預(yù)計(jì)為4個(gè)月。

鋼板樁調(diào)遣費(fèi)共計(jì)：252.08×1 300×2元=655 408元；

保養(yǎng)費(fèi)共計(jì)：252.08×300元=75 624元；

鋼板樁打拔費(fèi)用合計(jì)：252.08×1 500=504 160元；

鋼板樁租賃費(fèi)用合計(jì)：252.08×13.5元/天×120天=408 370元；

內(nèi)支撐材料費(fèi)合計(jì)：22.18 t×（4 100-2 200）=42 142 元；

內(nèi)支撐安裝拆除費(fèi)用合計(jì)：22.118×1 500元=33 177元；

鋼板樁合計(jì)費(fèi)用為：171.8萬元。

9.2 鋼套箱費(fèi)用

鋼套箱材料費(fèi)：82.2×2×4 100=674 040元；

加工下沉費(fèi)用：82.2×2×4 500=739 800元；

可回收價(jià)值：82.2×2×0.5×1 000=82 200元（0.5為回收系數(shù)，回收按照200元，回收人工費(fèi)按照1 000元計(jì)）；

鋼套箱合計(jì)費(fèi)用：133.2萬元。

10 結(jié)束語

鋼套箱作為橋基施工的臨時(shí)設(shè)施，易裝易拆，可重復(fù)使用，適用性強(qiáng)，整體性好，無需大型起吊設(shè)備即可施工，與鋼板樁的圍堰相比，在深水施工中，更能體現(xiàn)優(yōu)勢，同時(shí)，又可作為鉆機(jī)施工的操作平臺(tái)，對(duì)橋梁基礎(chǔ)工程施工是一種值得推廣的有效方法。