鋼吊箱圍堰在橋梁深水基礎(chǔ)施工中的應(yīng)用

羅曉軍

摘要：本文以陜西包茂高速公路任河大橋深水承臺(tái)施工為例，介紹了鋼吊箱圍堰的施工要點(diǎn)，可供類似工程借鑒。

關(guān)鍵詞：深水基礎(chǔ) 鋼吊箱 施工 應(yīng)用

中圖分類號(hào)：U445 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）3（b）-0067-02

在橋梁基礎(chǔ)施工中，圍堰的主要作用是在有水基礎(chǔ)中為承臺(tái)和墩身的施工創(chuàng)造干作業(yè)環(huán)境。鋼吊箱是鋼套箱的一種特殊形式，俗稱有底鋼套箱，被廣泛應(yīng)用于深水橋梁高樁承臺(tái)的施工。其原理是在水中通過(guò)鋼平臺(tái)或其他設(shè)施懸吊鋼箱，在鋼箱內(nèi)灌注水下混凝土封底，然后抽水形成干作業(yè)環(huán)境。

1 工程概況

毛川高速公路任河大橋?yàn)?7+110+67 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，跨越任河水庫(kù)。橋全長(zhǎng)256 m，基礎(chǔ)為2.5 m鉆孔灌注樁，主墩承臺(tái)尺寸：9.5 m×9.5 m×4.0 m。水庫(kù)常水位410.98 m，低水位409.00 m。常水位下最大水深19.0 m，設(shè)計(jì)承臺(tái)底標(biāo)高為406.5 m。

單壁鋼吊箱參數(shù)確定。

根據(jù)任河水庫(kù)水文及該工程特點(diǎn)，擬采用鋼吊箱工藝進(jìn)行該橋的高樁承臺(tái)施工，施工水位按412.0 m考慮。以鋼吊箱做為承臺(tái)施工模板，吊箱底比承臺(tái)底低1.9 m，頂口高于施工水位0.5 m。單壁鋼吊箱設(shè)計(jì)為矩形，內(nèi)部?jī)舫叽鐬?.8 m×9.8 m×8.2 m。頂標(biāo)高為412.5 m、底標(biāo)高404.6 m，高度7.9 m，分節(jié)拼裝，下節(jié)4.0 m，上節(jié)3.9 m。

側(cè)板和底板按鋼結(jié)構(gòu)要求設(shè)計(jì)，底板、側(cè)板均采用6 mm鋼板，豎向加勁肋板均采用L100×50×8 mm型號(hào)角鋼，橫向加勁肋板采用-100×8 mm型號(hào)扁鋼，間距35 cm。在側(cè)板上的背面布置由[20b槽鋼拼焊的橫縱向連接加勁肋。底板布置由I25b工字鋼拼焊的縱、橫向加勁骨架。吊箱內(nèi)部支撐采用Φ325 mm、壁厚6 mm鋼管。吊帶采用16根[]14槽鋼，即每個(gè)鋼護(hù)筒分布4個(gè)吊點(diǎn)，對(duì)稱布置，每根吊帶長(zhǎng)不少于9 m。吊帶穿過(guò)底板后，兜底吊在底板I32b吊梁上，吊帶與吊梁采用高強(qiáng)螺栓聯(lián)接并施焊加固。吊帶上部在露出水面部分與鋼護(hù)筒焊接。

2 鋼吊箱驗(yàn)算

2.1 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗(yàn)算

承臺(tái)尺寸9.5 m×9.5 m×4 m，套箱內(nèi)平面尺寸9.6 m×9.6 m，鋼護(hù)筒外徑2.8 m，壁厚10 mm。擬定封底混凝土厚1.6 m，找平層0.3 m。共計(jì)1.9 m。吊箱自重及施工荷載按650 kN計(jì)算。

承臺(tái)鋼筋混凝土重9.5×9.5×4×26=9386 kN；封底砼重9.6×9.6×1.6×24=3539 kN?；炷琳移綄幼灾?.6×9.6×0.3×24=664 kN。

2.2 封底混凝土與鋼護(hù)筒之間的粘結(jié)力

F粘=fnπDh=4×3.14×2.8×1.6×1.6 kg/cm2=9003 kN

（注：摩擦系數(shù)f，根據(jù)孫英學(xué)等在《大型鋼吊箱封底混凝土與鋼護(hù)筒共同作用研究》，在線性階段，C35號(hào)封底混凝土與鋼護(hù)筒接觸面的平均單位摩阻力可取0.28 MPa。本吊箱封底混凝土標(biāo)號(hào)為C20，按比例折算摩擦P系數(shù)f取0.16 MPa。）

A凈=9.6×9.6-4π×（D/2）2=9.6×9.6-4π×1.42=67.54 m2

F浮=A凈×（7.9-0.5）×1T/m3=67.54×7.4×10=4998 kN（F上）

封底混凝土達(dá)到強(qiáng)度、抽水完成后：

F下=650+353.9+664+9003=13856 kN

系數(shù)=13856/4998=2.8（不會(huì)上?。?/p>

封底混凝土澆筑后、形成強(qiáng)度前：

F下=65+353.9+（7.4-1.6）×A凈×10 =418.9T+391.7=8106 kN

F上=F浮+F吊帶=4998+（1400 kg/cm2×42.62 cm2×16）/1.3=12342 kN

系數(shù)=12342/8106=1.52（不會(huì)下滑）

低水位狀態(tài)下一次澆筑4 m厚承臺(tái)：

F浮=A凈×4.4×1=67.2×4.4×10=2957 kN

F下=F自重+F封底+F找平+6F承臺(tái)=650+3539+664+9386=14239 kN

F上=F浮+F摩阻+F吊帶=2957+9003+6528 =18488 kN

F上÷F下=18488÷14239=1.3（不會(huì)下滑）

2.3 封底砼強(qiáng)度驗(yàn)算

在施工水位條件下，工況1。

封底砼強(qiáng)度達(dá)到后，抽完水時(shí)：

P= h砼r砼-h水r水=7.4×10-1.6×24=-35.6 kN/m2（向上）

工況2：低水位狀態(tài)下澆筑第一層承臺(tái)（厚2 m）：

P=h砼r砼-h水r水=（1.9×24+2.0×26）-4.4×10=45.6+52-44=53.6 kN/m2

按工況2狀態(tài)下驗(yàn)算，將封底混凝土看

作四點(diǎn)支承的簡(jiǎn)支板，取半幅按外伸梁計(jì)算。如圖1。

F下=53.6×9.6×9.6/2=2470 kN

q=2470/9.6=257.3 kN/m

RA=RB=ql/2=257.3×9.6/2=1235 kN

M支=257.3×2.12÷2=567.3 kN·m

Q支=-257.3×2.1=-540.3 kN

b=（9.6-2×2.8）/2=2 m

H=1.6 m

A=b×h=3.6 m2

W=bh2/6=2×1.62÷6=0.85 m3

σ=M/W=567.3÷0.85=667.4 kPa<[σ]=750 kPa

τ=3Q/2A=3×540.3÷（2×3.6）=225.1 kPa<[τ]=850 kPa，可行。

M中=（1/8）×257.3×5.4×5.4=937.9 kN.m

b=4.8，h=1.6

A=4.8×1.6=7.68

W=bh2÷6=4.8×1.62÷6=2.05

σ=M/W=937.9÷2.05=457.5 kPa<[σ]=750 kPa，可行。

Q中=-257.3×（2.7+2.1）+1235=0 kN

τ=0 kPa<[τ]=850 kPa，可行。

2.4 底板驗(yàn)算

面板采用6 mm厚鋼板，主加勁梁采用I25b工字鋼，間距2.3 m，縱橫布置。I25b主要參數(shù)：A=53.51 cm2，Ix=5278 cm4，Wx=422.2 cm3，G=42.01 kg/m，容許應(yīng)力[σ]=140 MPa，荷載按最不利情況，即澆筑封底砼階段驗(yàn)算。不計(jì)底板自重，封底混凝土荷載強(qiáng)度：q1=1.6×24-10=22.4 kN/m2

q=22.4×2.3=51.5 kN/m

M=1/8ql2=（51.52×2.32）/8=34.1 kN·m

σ=M/W=（34.1×106）/（422.2×103）=80.7 MPa<[σ]=140 MPa

3 鋼吊箱制造和安裝

3.1 制造

鋼吊箱在鋼結(jié)構(gòu)廠配料、下料及制作。根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸、運(yùn)輸、水上浮吊起重能力等情況，將底板骨架分成4個(gè)單元體。底板在穿過(guò)樁基鋼護(hù)筒的位置設(shè)4個(gè)φ310 cm預(yù)留孔。側(cè)板按設(shè)計(jì)分節(jié)加工。吊箱縱橫平面連接系統(tǒng)按單桿件制造。

3.2 吊裝及下沉

吊箱經(jīng)廠家試拼并驗(yàn)收合格后運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)。采用兩臺(tái)25T浮吊將吊箱底板整體吊至墩位。安裝前，先做好如下準(zhǔn)備工作：（1）拆除鉆孔樁水中鋼作業(yè)平臺(tái)。（2）準(zhǔn)備16根單根長(zhǎng)度為8 m的[]14槽鋼，用做吊桿。（3）準(zhǔn)備16臺(tái)5 t（最大行程10 m）手拉葫蘆。

底板安裝調(diào)平后，在鋼護(hù)筒頂上設(shè)置I32b工字鋼，用作吊箱下放時(shí)的支撐吊梁，每個(gè)吊梁的兩邊距鋼套箱內(nèi)側(cè)距離為30 cm。

為方便套箱側(cè)板拼裝，利用鋼護(hù)筒上的支撐吊梁搭設(shè)臨時(shí)簡(jiǎn)易操作平臺(tái)。作業(yè)人員將手拉葫蘆固定在鋼護(hù)筒上的支撐吊梁上，并將其勾掛住底板上的吊梁，使底板懸掛在已成樁的4根鋼護(hù)筒上，底板頂面高出水位0.3 m以上。

調(diào)平底板后，先將16根[]14吊桿順著鋼護(hù)筒下穿過(guò)底板與底板吊梁用高強(qiáng)螺栓聯(lián)結(jié)牢固，并焊接到底板吊梁上，每個(gè)鋼護(hù)筒旁設(shè)置4根吊桿。側(cè)板用浮吊分塊吊裝就位，分塊側(cè)板之間采用M20螺栓聯(lián)結(jié)，各分塊與底板骨架之間采用焊接。下節(jié)側(cè)板與底板骨架現(xiàn)場(chǎng)拼裝好后，操作手拉葫蘆使之均勻下沉。當(dāng)下節(jié)頂面下沉到水面以上約50 cm時(shí)，重復(fù)上述吊裝方法進(jìn)行上節(jié)的拼裝及下沉。節(jié)與節(jié)間通過(guò)M20螺栓聯(lián)結(jié)，縫間填10 mm厚的硬橡膠止水墊。當(dāng)將整個(gè)吊箱下沉到位后，整體調(diào)平，鎖定手拉葫蘆（如圖2）。

將每根吊桿露出水面的部分與鋼護(hù)筒外壁焊接牢固，焊接時(shí)嚴(yán)格按照規(guī)范操作，每根吊帶與鋼護(hù)筒的雙面貼角焊縫不少于三道，每道長(zhǎng)度不少于50 cm。同時(shí)在鋼護(hù)筒與吊帶焊接結(jié)合部的鋼護(hù)筒內(nèi)部用20槽鋼作十字撐加固。此項(xiàng)工作完成后，松開(kāi)并取出手拉葫蘆。此時(shí)的鋼吊箱即是通過(guò)16根鋼吊桿進(jìn)行懸掛（如圖3）。

3.3 封底混凝土

采用C20混凝土封底，攪拌站集中拌合，坍落度控制在18～22 cm，并添加緩凝減水劑，初凝時(shí)間不少于4 h。根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，考慮鋼護(hù)筒對(duì)砼擴(kuò)散有一定的影響，導(dǎo)管作用半徑按3.0 m取值。導(dǎo)管內(nèi)徑350 mm，底口距吊箱基底頂面20～30 cm。采用泵送混凝土法多點(diǎn)快速灌注，2根導(dǎo)管交替移動(dòng)，從一端向另一端澆注。灌注過(guò)程中用垂球隨時(shí)測(cè)量控制混凝土頂面高度，邊澆注邊觀測(cè)，以判別各澆注點(diǎn)是否達(dá)到澆注標(biāo)高。

封底混凝土總厚190 cm，水下灌注完成160 cm。待水下混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，邊抽水邊加設(shè)套箱內(nèi)部鋼管支撐。套箱內(nèi)抽完水后，將吊桿露出混凝土面以上30 cm高范圍內(nèi)再次與鋼護(hù)筒外壁焊接在一起。鑿毛清楚表面浮渣后，澆注完余下的30 cm高封底混凝土找平層，要確保找平層混凝土頂面與承臺(tái)底設(shè)計(jì)標(biāo)高一致。割除混凝土面以上部分鋼護(hù)筒及吊桿，并對(duì)樁頭進(jìn)行鑿除和清理。待樁基檢測(cè)合格后，即可進(jìn)行承臺(tái)施工。

4 結(jié)語(yǔ)

鋼吊箱圍堰因其施工方便、實(shí)用性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)科學(xué)等優(yōu)點(diǎn)，在橋梁深水高樁承臺(tái)中有廣泛應(yīng)用，本例鋼吊箱通過(guò)型鋼吊帶附著于鋼護(hù)筒上進(jìn)行懸掛，不僅節(jié)省了精軋螺紋吊桿等材料，加快了樁基鋼平臺(tái)的周轉(zhuǎn)，使操作也變得簡(jiǎn)便快捷，值得借鑒。吊箱安裝下放就位后，吊帶與鋼護(hù)筒的焊接以及連接部位鋼護(hù)筒內(nèi)口的加固尤為關(guān)鍵。需要嚴(yán)格按規(guī)范操作并加強(qiáng)質(zhì)量監(jiān)測(cè)。

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