單壁鋼套箱與管樁組合型鋼圍堰在深水承臺(tái)施工中的應(yīng)用

黃錦安朱亞莊

（1 江西省公路橋梁工程局；2 江西省高速公路集團(tuán)撫州管理中心）

單壁鋼套箱與管樁組合型鋼圍堰在深水承臺(tái)施工中的應(yīng)用

黃錦安1朱亞莊2

（1 江西省公路橋梁工程局；2 江西省高速公路集團(tuán)撫州管理中心）

在夾礫厚泥砂覆蓋河床應(yīng)用單壁鋼套箱與管樁組合型鋼圍堰進(jìn)行深水承臺(tái)的施工，通過(guò)受力分析驗(yàn)算能滿足施工的要求，而且能做到利用現(xiàn)有材料、節(jié)約費(fèi)用。

橋梁工程；基礎(chǔ)施工；單壁鋼套箱；管樁；組合型鋼圍堰；對(duì)策

瑞洪信江特大橋主橋?yàn)?7m+2×80m+47m四跨變截面預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁橋，主橋22#、23#、24#墩基礎(chǔ)采用4根φ2.40m的鉆孔灌注樁，承臺(tái)尺寸為長(zhǎng)10.4m×寬 10.0m×寬4.0m，承臺(tái)頂面標(biāo)高+13.5m、底面標(biāo)高+9.5m。

24#墩處河床面標(biāo)高為+8.5m，河床覆蓋夾礫泥砂層厚約3m，樁基施工時(shí)水深只有2m，為搶進(jìn)度，前期直接采用圍堰筑島法進(jìn)行樁基的施工，在樁基完成后即將進(jìn)入汛期，為解決汛期水中承臺(tái)的施工，針對(duì)雙壁鋼套箱在夾礫泥砂層不易下沉的問(wèn)題，利用施工現(xiàn)場(chǎng)的鋼管等材料，采用單壁鋼套箱與管樁組合成鋼圍堰的方法進(jìn)行施工。

1 組合型鋼套箱方案設(shè)計(jì)

1.1 總體思路

用鋼套箱圍堰是為承臺(tái)施工而設(shè)計(jì)的臨時(shí)阻水結(jié)構(gòu)，其作用是通過(guò)鋼套箱圍堰側(cè)板和底板上的封底混凝土圍水，為承臺(tái)施工提供無(wú)水的干處施工環(huán)境。

1.2 詳細(xì)方案

（1）為考慮套箱內(nèi)承臺(tái)模板的施工，鋼圍堰內(nèi)凈長(zhǎng)12m×寬12m；

（2）考慮歷年來(lái)的最高水位時(shí)標(biāo)高，鋼套箱頂面設(shè)防水位標(biāo)高+16.0m；

（3）鋼套箱高8m，底面標(biāo)高+8.0m；

（4）在單壁內(nèi)側(cè)打入長(zhǎng)12m直徑φ325mm的鋼管樁，管樁間距2.0m，打入河床底2～3m，可以起到錨固的作用；

（5）封底采用厚1.0m C25水下砼，封底頂標(biāo)高+9.5m，為防止封底砼對(duì)單壁套箱側(cè)板的往外推擠作用、以致造成封底砼與側(cè)板之間脫離而漏水，在側(cè)板的底部增設(shè)鋼絲繩拉索；

（6）為承受抽出套箱內(nèi)水時(shí)的外部水壓力，分別在鋼套箱頂部、距封底砼頂4.5m處用2根I28工字鋼與管樁及鋼套箱形成內(nèi)支撐。

（7）抽干套箱內(nèi)水、清理泥碴、破樁頭進(jìn)行承臺(tái)施工的各項(xiàng)準(zhǔn)備工作。

2 受力驗(yàn)算

2.1 工況分析

根據(jù)鋼套箱圍堰施工作業(yè)時(shí)段，設(shè)計(jì)受力狀態(tài)可按以下幾個(gè)工況進(jìn)行分析：

（1）封底施工時(shí)水下砼對(duì)鋼套箱側(cè)板的往外推擠力作用，對(duì)側(cè)板產(chǎn)生側(cè)向水平力；

（2）抽水至承臺(tái)頂面標(biāo)高時(shí)，鋼套箱頂部、側(cè)板、管樁承受側(cè)向水壓力；

（3）抽干水至承臺(tái)底面（即封底頂面）時(shí)，鋼套箱與封底形成一個(gè)相對(duì)密封的箱體，水對(duì)箱體產(chǎn)生一個(gè)向上的浮力。

（4）抽干水后，水壓力由封底砼、鋼套箱側(cè)板和管樁、內(nèi)部支撐承受。

2.2 驗(yàn)算采用工況條件

（1）鋼套箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、管樁的大小及間距、內(nèi)支撐以工況4來(lái)進(jìn)行驗(yàn)算；

（2）封底水下砼對(duì)鋼套箱側(cè)板的作用力以工況1來(lái)進(jìn)行驗(yàn)算；

（3）鋼箱梁抗浮力按工況3進(jìn)行驗(yàn)算。

2.3 驗(yàn)算過(guò)程及結(jié)果

2.3.1 鋼套箱的側(cè)板受力驗(yàn)算

側(cè)板采用8mm厚鋼板作面板、縱橫向間距40cm布置12.6槽鋼（立放）作筋條，取單位跨度0.4m為計(jì)算單元。

（1)水平荷載q水=3 2 K N/m；Mmax=0.105ql2=7.56KN·m。

（2)慣性矩I=927.25cm4，截面抵抗矩:ω上=927.25/2.7=343.4cm3,ω下=927.25/10.7=86.7cm3。

（3）受力驗(yàn)算：

最大應(yīng)力:δmax=Mmax/ω下=87.2Mpa＜[σ]145Mpa，鋼套箱側(cè)板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足受力要求。

變形fmax=5×ql4/384EI=1.4mm＜[f]=1500/250=6 mm，φ325mm鋼管樁按1.5m布置滿足受力要求。

2.3.2 管樁受力驗(yàn)算

（1）材料力學(xué)參數(shù)

1#支點(diǎn)為封底砼頂面，2#支點(diǎn)至1#支點(diǎn)距離4.5m，3#支點(diǎn)至2#支點(diǎn)距離1.5m。

φ325鋼管I=12286.52cm4、Wx=755.7cm3、A=98.96cm2、單位重=77.68kg/m、E=2.1×105Mpa。

套箱模板模板EI=25801.7KN·m2；EA=2078160KN

（2）荷載內(nèi)力計(jì)算

考慮鋼管間的套箱模板與鋼管共同抵抗套箱外側(cè)的水壓力，通過(guò)力學(xué)求解器計(jì)算得結(jié)構(gòu)最大彎矩Mmax=91.1KN·m，結(jié)構(gòu)最大剪力Qmax=113.0KN。

（3）受力驗(yàn)算

彎曲應(yīng)力σ=M/w=91.1×103/755.7=120.55Mpa＜[σ] =145Mpa

剪應(yīng)力τ=Q/A=11.41Mpa＜[τ]85Mpa

最大撓度為：f=5mm＜4500/400=11.25mm，管樁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度均滿足要求。

2.3.3 內(nèi)支撐受力驗(yàn)算

在抽干套箱內(nèi)水后，以承臺(tái)頂部位置的2#內(nèi)支撐的受力最大，以2#內(nèi)支撐進(jìn)行受力驗(yàn)算。

（1）材料力學(xué)參數(shù)

I28a工字鋼E=2.1×105、I=7110cm4、Wx=508cm3、A=55.4cm2、i=11.34cm、單位重=43.4kg/ m,EA=2326800KN，EI=29862KN·m2

（2）荷載內(nèi)力計(jì)算

支撐點(diǎn)集中力取φ325鋼管支點(diǎn)R2反力=196KN，通過(guò)力學(xué)求解器計(jì)算得節(jié)點(diǎn)最大約束反力R=437.11KN，結(jié)構(gòu)最大彎矩Mmax=90.52KN·m，結(jié)構(gòu)最大剪力Qmax=160.2KN，結(jié)構(gòu)最大軸力N=501.9KN。

（3）受力驗(yàn)算

彎曲應(yīng)力σ=M/w=89.1Mpa＜[σ]=145Mpa

剪應(yīng)力為τ=Q/A=14.46Mpa＜[τ]85Mpa

長(zhǎng)細(xì)比：λ=l/i=636/11.34=56.08＜[λ]=100，查《路橋施工計(jì)算手冊(cè)》附錄三得ф1=0.867。

軸心受壓=N/A=45.30Mpa＜ф1[σ]=121.38Mpa

最大撓度為：f=3mm＜l/400=6360/400=15.9mm，2#內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及剛度均滿足要求。

2.3.4 抗浮受力驗(yàn)算

（1）套箱砼封底高1.5m，沉箱尺寸12m×12m×8m高,直徑φ270cm樁基護(hù)筒4個(gè)，C25砼與鋼護(hù)筒之間的粘結(jié)力按150Kpa計(jì)算，水深按8m計(jì)算，套箱砼封完底，抽干水后為最不利驗(yàn)算應(yīng)力狀態(tài)。

（2）水的浮力F=7872.11KN

（3）封底砼自重 N1=5184KN，套箱自重 N2=650KN，封底砼與鋼護(hù)筒的粘結(jié)力 N3=7630.2KN

（4）N1+N2+N3=13464.2KN＞F 可以抵抗浮力

2.3.5 封底砼澆筑時(shí)鋼套箱側(cè)板受力驗(yàn)算

（1）材料力學(xué)參數(shù)

模板I=735.28cm4、A=47.69cm2、w=275.38cm3，EI=1544.09KN，EI=1001490

（2）鋼套箱側(cè)板豎向受力驗(yàn)算

通過(guò)力學(xué)求解器計(jì)算得，結(jié)構(gòu)最大彎矩Mmax=4.64KN·m，結(jié)構(gòu)最大剪力Qmax=14.25KN，彎曲應(yīng)力σ=M/w=16.85Mpa＜[σ]=145Mpa，剪應(yīng)力為τ=Q/ A=2.99Mpa＜[τ]85Mpa，側(cè)板豎向受力滿足要求。

（3）鋼套箱側(cè)板橫向受力驗(yàn)算

通過(guò)力學(xué)求解器計(jì)算得，結(jié)構(gòu)最大彎矩Mmax=22.8KN·m，結(jié)構(gòu)最大剪力Qmax=34.2KN，彎曲應(yīng)力σ=M/w=82.8Mpa＜[σ]=145Mpa，剪應(yīng)力為τ=Q/A=7.17Mpa＜[τ]85Mpa，最大撓度為：f=15mm＜l/400=4000/250=16mm，鋼套箱側(cè)模橫向受力滿足要求。

3 施工組織

3.1 工藝流程

施工放樣→搭設(shè)吊裝平臺(tái)→拼裝鋼套箱（現(xiàn)場(chǎng)拼裝）→鋼套箱下沉→施工放樣（鋼套箱就位后位置檢查）→打鋼管樁→封底→安裝1#內(nèi)支撐（抽水前）→安裝2#內(nèi)支撐（水位標(biāo)高14米處）→破樁頭(接樁)→承臺(tái)施工。

3.2 關(guān)鍵工序控制

由于鋼套箱與管樁是分兩次施工的，管樁與套箱側(cè)板之間存在一定的縫隙，為保證側(cè)板受水壓力與管樁密貼，在抽水前安排潛水員下到水下，用短槽鋼或鋼板將1#頂支撐與2#內(nèi)支撐處的管樁與側(cè)板之間的縫隙填塞實(shí)，而后再抽水。

4 結(jié)語(yǔ)

單壁鋼套箱與管樁組合成型圍堰在該橋深水承臺(tái)施工中，由于利用了工地現(xiàn)有的鋼管樁和大塊鋼模板，單個(gè)承臺(tái)從搭設(shè)平臺(tái)到完成承臺(tái)澆筑只用了約1個(gè)月的時(shí)間，施工周期較短，而且有效地解決了雙壁鋼套箱無(wú)法在這種夾礫泥砂層河床中下沉的問(wèn)題，在經(jīng)濟(jì)和施工進(jìn)度上取得了較好的效果。