北江特大橋雙壁鋼吊箱圍堰施工技術

郝建光

(中鐵十二局集團第四工程有限公司，陜西西安 710021)

1 工程概況

廣珠鐵路北江特大橋位于廣東省佛山市境內，全橋長為13.38 km，主跨為(73.9+138+73.9)m連續(xù)剛構，橫跨北江東平水道。本橋所跨北江東平水道為珠江水系二級航道，最大水深25 m，設計最高通航水位為9.784 m，主墩123號、124號墩采用雙壁吊箱鋼圍堰進行承臺施工，為典型的大型深水基礎;為減小承臺阻水比采用圓端形結構，結構尺寸為:2 200 cm×1 180 cm，圓端半徑為737.5 cm，基礎為φ2.2 m鉆孔樁，樁長90 m。設計水文資料:Q1/100=24 037 m3/s，V1/100=2.95 m/s，H1/100=10.474 m，H1/300=11.074 m。

2 地理條件

1)地質條件:表層3 m為淤泥，下覆卵石層、細沙層。2)設計水位、水深:取20年一遇高水位6.52 m，水深21 m。3)設計流速: v=2.15 m/s(按20年一遇標準取)。

3 鋼圍堰施工特點

1)承臺幾何尺寸大，要求工期緊、質量高、施工難度大。2)圍堰處于江流中心，水深流急，落差7.0 m的水頭差對圍堰剛度要求高。3)北江東平水道水位受上游和西江的共同影響，水位、水流變化相互疊加，定位難度大。4)水上連續(xù)澆筑時間長，封底混凝土方量達2 109 m3，安全風險高。

4 鋼吊箱設計及結構特點

4.1 鋼吊箱結構尺寸設計及加工

依據(jù)鋼結構設計規(guī)范及以往施工經(jīng)驗，驗算在水文條件下的結構穩(wěn)定性，重點考慮吊箱封底后的水頭差造成的偏壓。在制作過程中重點監(jiān)控圓端形結構的加工質量控制。設計施工圖:根據(jù)承臺入水深度，水流量，混凝土重量及吊箱自身重量計算出吊箱的受力情況，設計出吊箱施工圖紙。分段加工:為加快鋼吊箱加工進度和提高質量，對吊箱在岸上進行分塊分層加工。圓端形承臺，圍堰為滿足均勻受力的要求，除底板龍骨外，在圓弧處增加放射形支撐骨架，各支撐骨架及鋼板切割，均按照實際弧度進行，保證了焊接的密合性。為消除鋼板內部應力，圓端形鋼板的弧度均用卷板機加工成設計弧度要求。各需焊接的鋼板邊均按規(guī)定角度傾角度數(shù)(10°～15°)切割為斜面，保證了鋼板間的焊接質量(見圖1)。

4.2 鋼吊箱的構造特點

4.2.1 整體吊裝工藝對結構的要求

因吊點處局部荷載較大，吊箱在總體設計時必須兼顧整體的平衡性和結構的布局。為保證荷載均勻，起吊吊點均勻設置在底部縱向龍骨上。

1)吊點試拉:為確保吊裝安全，在碼頭上拼裝好第一層鋼吊箱，設置好吊點，并對吊點進行試拉。

2)密水性試驗:對吊箱所有焊縫進行試驗。

3)為減少水上作業(yè)時間，在吊箱底部按實際樁位預留孔位，定位精度控制在40 mm。

4.2.2 鋼吊箱下水、浮運

在鋼吊箱的下水和浮運過程中，由于吊箱下部為密閉結構，底板承受較大荷載，易產(chǎn)生拱底而影響使用效果。為了減少在浮運過程中的受力和確保浮運安全，浮吊船在轉運過程中，采用半浮式，即浮吊提升系統(tǒng)承擔1/3的箱體重力，減小吊箱所受浮力，減小底板受力。

圖1 圓端形承臺示意圖

5 鋼吊箱結構計算分析

5.1 工況分析

鋼吊箱受力體系轉換:鋼吊箱主要承受自重、浮力、水壓力、水流沖力、施工荷載等作用，在施工過程中受力體系在不斷轉換，鋼吊箱受力主要有3個時段:1)吊箱起吊安裝時段:主要有浮吊提升力和吊箱自身所受浮力，下沉到位后把吊桿懸掛在護筒扁擔梁上，確保每根扁擔梁都受到一定的力。該時段主要決定起吊形式、吊桿長度角度、吊點局部受力加固等。2)封底混凝土施工時段:混凝土的重量通過吊桿由護筒扁擔梁承受，通過吊箱泄水孔保持箱內外水壓力相同，該時段主要決定:封底時吊點的結構和數(shù)量、底板的受力情況、吊點系統(tǒng)受力與變形。3)抽水后承臺施工時段:混凝土達到設計強度后其與護筒的錨固力加其自身的重力大于吊箱的浮力，此時吊桿所受的力由護筒與混凝土的錨固力和混凝土自身重量代替，此時可將吊掛系統(tǒng)拆除，完成體系轉換。該時段主要決定:吊箱壁板的結構與受力、內支撐的結構、數(shù)量與受力。

5.2 設計荷載取值

1)鋼吊箱結構自重(G1):657 t。2)承臺封底混凝土自重(G2):5 061 t。3)首層承臺自重(G3):1 687 t。4)水浮力(F1): ρgV排。5)靜水壓力(F2):rh(水面以下呈正三角形分布)。6)水流壓力(F3):根據(jù)設計流速計算得4.2 kPa，水面下均勻分布。

5.3 各設計工況荷載組合及結構驗算內容

荷載組合及結構設計內容見表1。

表1 荷載組合

5.4 結構應力計算及強度復核

由于鋼吊箱為空間受力結構，尤其在吊裝過程中，吊索、吊桿與豎直面呈一定角度，吊箱地面、空中、水中受力變化較大，較為復雜。因此采用SAP2000有限元程序對吊箱整體建模計算。

根據(jù)在不同的工況下對結構的加載，計算出內力及變形，按照《鐵路橋涵設計規(guī)范》《鐵路橋梁鋼結構設計規(guī)范》和《鋼結構設計手冊》相關規(guī)定進行結構復核。經(jīng)過計算，吊箱各部位最大應力、變形和對應的荷載工況見表2。

表2 計算結果

從表2可以得出，此鋼吊箱圍堰的結構強度及穩(wěn)定性滿足設計及規(guī)范要求。

5.5 吊箱抗浮、抗滑穩(wěn)定性計算

承臺混凝土封底澆筑時段和抽水完成時段分別計算吊箱抗下滑和抗上浮的穩(wěn)定性。封底混凝土與鋼護筒的握裹力按120 kPa計算。經(jīng)計算分析:兩種條件下的穩(wěn)定系數(shù)均在1.2以上。

6 鋼吊箱圍堰施工關鍵工藝

6.1 整體吊裝

為減少河面操作施工時間，鋼吊箱采用分塊加工，整體吊裝組合的模式。分塊原則:重量大致平衡，對稱組合。

6.1.1 吊點布置

根據(jù)吊裝受力分析和結構驗算計算，結合現(xiàn)場跨距及吊高要求，選取300 t浮吊進行吊裝。浮吊主鉤掛20個吊點，共在吊箱底龍骨位置對稱布置20個吊點(見圖2)。鋼絲繩直徑為26 mm，經(jīng)計算單根鋼絲繩可承受28 kN，安全系數(shù)為4.2。

6.1.2 試吊

因為鋼吊箱底單節(jié)重近150 t，浮吊最大起吊重量為300 t，安全系數(shù)為2.0。為確保鋼吊箱吊裝過程安全，在吊裝前必須進行試吊。試吊過程中必須梯次增加提升力，并嚴格觀測起吊鋼絲繩、卸扣、吊耳、壁板、內支撐等關鍵部位的變形情況，浮吊主鉤荷重刻度盤讀數(shù)情況，確保各吊點受力均勻。

6.1.3 吊裝就位

試吊各項數(shù)據(jù)達到設計要求后，在樁位設計位置進行開孔，孔徑要比設計大+40 cm，以利于克服鋼護筒偏位，保證下沉順利。待吊箱浮運至承臺位置后，浮吊緩慢起鉤，吊箱底高出護筒頂面60 cm時，前移達到鋼吊箱圍堰設計位置。當?shù)竭_設計位置正上方后，通過4個角處的導向頭，由吊箱內外的指揮員根據(jù)承臺13個鋼護筒與底板開孔的參照位置共同指揮浮吊微調到位。當承臺13個護筒完全套入吊箱底板后，浮吊緩慢落鉤，每下降30 cm，觀測一次護筒與底板間隙情況，調整吊箱平面位置，使吊箱中心線與承臺中心線重合，保證誤差在規(guī)范允許范圍內，焊接定向滑輪;為了保證吊箱下沉時不偏位，在吊箱4個轉角及中部設置導向滑輪，導向滑輪直徑為27.5 cm，距離護筒邊3 cm～5 cm。

具體施工工藝見圖2。

6.2 鋼吊箱定位

由于受海潮影響，北江江面日水位差近0.5 m，高度定位較難。施工中采用了豎向限位型鋼反壓措施進行豎向鎖定;利用側邊滑輪系統(tǒng)進行水平鎖定。壁倉注水加砂下沉接高吊箱，接高過程中嚴格控制焊接質量，在規(guī)定位置焊接好支撐鋼管;吊架的掛設:在護筒上口放置扁擔梁，吊桿通過銷軸懸掛在扁擔梁上;吊箱定位后，平面最大偏差僅27 mm，小于允許值100 mm;高程最大偏差35 mm，小于允許值50 mm;精度達到設計和規(guī)范要求。

具體操作見圖3。

圖2 施工現(xiàn)場

圖3 鋼吊箱定位實際操作

6.3 鋼吊箱封底

1)底板封堵。根據(jù)施工工藝的要求，在護筒與底板之間留有20 cm的空隙，利用封堵板及麻袋裝干混凝土封堵嚴實。預先將已預制的封堵板布置在護筒周圍，吊箱下放到位并鎖定后，潛水員進行水下作業(yè)，將封堵板貼緊護筒，連接好固定螺栓，再用袋裝干混凝土封堵剩余的空隙。水下作業(yè)完畢后，要進行交叉檢查，以免遺漏，影響封底混凝土施工進度及施工質量。2)封底混凝土澆筑。封底混凝土澆筑必須要注意的是:在進行封底前，必須清除每個護筒壁上的水底附著物，避免護筒壁漏水，造成封底失敗;封底混凝土共計2 109 m3，為防止混凝土澆筑過程中斷，預備2個混凝土拌合站和混凝土運輸車，進行一次性連續(xù)澆筑，并盡可能做到對稱澆筑。

7 結語

廣珠鐵路北江特大橋5個深水承臺均采用此型雙壁鋼吊箱圍堰施工，結合該河段的水文特點和承臺結構特點，在吊箱結構設計和施工工藝中均做了充分考慮，在確保安全的前提下保留了一定的安全系數(shù)。鋼吊箱圍堰施工順利、定位準確、一次封底，為超前計劃工期1個月奠定了堅實的基礎。吊箱定位精度(123號墩最大平面偏差僅27 mm)，該吊箱結構同時經(jīng)歷了15年1遇洪水的考驗，安全度汛。實際證明，該橋的吊箱設計合理，工藝結構得當，為深水承臺施工積累了經(jīng)驗。

［1］ TB 10002.2-2005，鐵路橋梁鋼結構設計規(guī)范［S］.

［2］ 《鋼結構設計手冊》編輯委員會.鋼結構設計手冊［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

［3］ 陳寧賢，呂賢良.大型鋼吊箱圍堰的帶荷載提升和下放施工技術［J］.鐵道建筑，2007(1)：8-9.

［4］ 袁 瑞.武漢天興洲長江大橋2號主塔墩雙壁鋼圍堰施工［J］.科技創(chuàng)新導報，2008(25)：33-35.