大型鋼套箱圍堰多點(diǎn)智能同步下放技術(shù)研究及應(yīng)用

周 游

（廣東省長(zhǎng)大公路工程有限公司，廣東番禺511431）

0 引言

潮連西江橋主墩承臺(tái)設(shè)計(jì)為八邊形結(jié)構(gòu)，整體尺寸為21.4 m×29 m×5 m，采用有底鋼套箱進(jìn)行施工，鋼套箱重量約700 t，下放高度約6.5m。同時(shí)，該項(xiàng)目承臺(tái)為整體式高樁承臺(tái)，承臺(tái)面積大，施工時(shí)水位高、水流急，且河床面上覆蓋淤泥層較厚，不利于采用無(wú)底套箱和鋼板樁施工，故考慮采用有底鋼套箱進(jìn)行施工。

國(guó)內(nèi)對(duì)于有底鋼套箱下放施工技術(shù)主要有大噸位千斤頂少點(diǎn)下放、多點(diǎn)人工整體下放、大型浮吊下放三種，三種方法各有利弊，在實(shí)際工程的運(yùn)用實(shí)例也很多。根據(jù)該橋項(xiàng)目特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)方案比選后建議采用進(jìn)口PLC同步頂升控制系統(tǒng)多點(diǎn)進(jìn)行下放，該系統(tǒng)獨(dú)特的多點(diǎn)下放技術(shù)充分利用人工智能，實(shí)現(xiàn)了少人力、省工時(shí)、高質(zhì)量的目標(biāo)。本文即以潮連西江斜拉橋主墩承臺(tái)施工為背景，總結(jié)整套系統(tǒng)、安全、經(jīng)濟(jì)的鋼套箱下放工藝，重點(diǎn)介紹鋼套箱設(shè)計(jì)構(gòu)造和PLC同步頂升控制系統(tǒng)，并對(duì)施工工藝要點(diǎn)進(jìn)行概括，以將成套的技術(shù)運(yùn)用在今后類似工程中。

1 工程概況

潮連西江橋?yàn)楠?dú)柱雙塔中央雙索面半漂浮體系混凝土斜拉橋。主橋跨徑為（50+115+320+115+55）m。大橋效果圖如圖1所示，總體立面見圖2所示。

圖1 潮連西江橋效果圖

圖2 潮連西江橋立面布置圖（單位：cm）

潮連西江橋C3、C4主墩都位于西江流域上，兩個(gè)主墩基礎(chǔ)均采用18根直徑3 m的嵌巖樁，樁長(zhǎng)70 m～89 m，樁基頂面標(biāo)高為-1.426 m，其中設(shè)計(jì)樁身埋入承臺(tái)20 cm。主墩承臺(tái)為整體式高樁承臺(tái)，設(shè)計(jì)樁身埋入承臺(tái)20 cm，承臺(tái)設(shè)計(jì)為八邊形結(jié)構(gòu)，整體尺寸為21.4 m×29 m，承臺(tái)厚5 m。承臺(tái)下設(shè)2m封底混凝土，其上設(shè)高3 m的多邊形塔座。承臺(tái)混凝土為C40，封底混凝土采用C20。

2 鋼套箱智能下放技術(shù)研究

2.1 國(guó)內(nèi)鋼套箱下放方案比選

目前國(guó)內(nèi)常用的大型鋼套箱的下放工藝有以下幾種：

（1）大噸位千斤頂少點(diǎn)下放。如蘇通長(zhǎng)江大橋，首節(jié)吊箱重約3 000 t，采用16個(gè)吊點(diǎn)整體吊放。該方法的優(yōu)點(diǎn)是下放速度快、平穩(wěn)，但此下放方式對(duì)套箱結(jié)構(gòu)的要求高，要求吊架系統(tǒng)具備較大的剛度，鋼材用量大。

（2）多點(diǎn)人工整體下放。如金塘大橋東通航孔橋，套箱重約1 600 t，采用54個(gè)32 t液壓千斤頂整體下放。該方法單點(diǎn)下放受力小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但人為控制因素影響較大，安全風(fēng)險(xiǎn)大，且下放過(guò)程需組織較多人員進(jìn)行，勞動(dòng)強(qiáng)度大，下放速度較慢。

（3）大型浮吊下放。如南京長(zhǎng)江第四大橋，采用兩臺(tái)大型浮吊抬吊的方法下放套箱。該方法下放速度快，但需要使用大型浮吊，費(fèi)用較高，對(duì)套箱結(jié)構(gòu)的整體性要求也高。

結(jié)合該橋的實(shí)際情況，利用橋梁頂升的PLC同步控制系統(tǒng)進(jìn)行多點(diǎn)下放，該工藝具備以下特點(diǎn)：

（1）與大噸位千斤頂少點(diǎn)下放相比，該工藝下放點(diǎn)多，單點(diǎn)受力小，吊架系統(tǒng)和套箱結(jié)構(gòu)要求簡(jiǎn)單，鋼材用量小，裝拆、下放方便快捷，套箱結(jié)構(gòu)中主要采用現(xiàn)有的周轉(zhuǎn)材料。且該系統(tǒng)千斤頂為200 t，具備足夠的頂升力，可根據(jù)施工需要選擇下放點(diǎn)的數(shù)量，潮連西江橋采用24個(gè)千斤頂進(jìn)行套箱下放。

（2）與多點(diǎn)人工整體下放相比，該工藝同步控制性強(qiáng)，下放過(guò)程平穩(wěn)、迅速，安全風(fēng)險(xiǎn)低。下放過(guò)程通過(guò)計(jì)算機(jī)智能控制，同步性好，各吊點(diǎn)的受力情況可通過(guò)計(jì)算機(jī)讀取，可更好地監(jiān)控套箱下放情況并進(jìn)行調(diào)整。同步液壓千斤頂?shù)捻斏盎乜s通過(guò)計(jì)算機(jī)智能控制，其操作只需一人即可完成，勞動(dòng)力大大減少，下放只需一天即可完成（采用人工下放一般為3～5 d）。

（3）與大型浮吊下放相比，采用該工藝的施工單位已有設(shè)備，節(jié)約了現(xiàn)金支出。

2.2 多點(diǎn)智能同步下放系統(tǒng)

PLC同步控制系統(tǒng)主要由電控系統(tǒng)、泵站系統(tǒng)、油缸及附件系統(tǒng)組成。有線電腦同步控制臺(tái)控制泵站，單個(gè)泵站控制8臺(tái)千斤頂，千斤頂上配置傳感器，將數(shù)據(jù)傳送至控制臺(tái)。圖3為PLC同步控制系統(tǒng)流程圖，圖4為PLC同步控制系統(tǒng)軟件界面圖。

2.3 鋼套箱構(gòu)造設(shè)計(jì)

考慮承臺(tái)底面和河床面高差較大，承臺(tái)面積較大，施工時(shí)水位高、水流急，且河床面上覆蓋淤泥層較厚，不利于采用無(wú)底套箱和鋼板樁施工。結(jié)合施工條件、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、施工工藝等綜合考慮，該橋采用有底鋼套箱進(jìn)行施工。根據(jù)橋位處河道的情況，在該橋鋼套箱設(shè)計(jì)時(shí)按照如下設(shè)計(jì)原則進(jìn)行：

圖3 PLC同步控制系統(tǒng)流程圖

圖4 PLC同步控制系統(tǒng)軟件界面圖

（1）承臺(tái)分兩次澆注，第一次2 m，第二次3 m。封底分兩次澆注，第一次1.2 m，第二次0.3 m。

（2）模板為大塊鋼模，分塊制作，共加工2套，套箱高度均為7.8 m，共設(shè)有2種標(biāo)準(zhǔn)模板，2種轉(zhuǎn)角模板。模板塊與塊之間通過(guò)法蘭螺栓連接，中間墊3 mm橡膠墊止水。

（3）底承重系統(tǒng)采用混凝土結(jié)構(gòu)：底板采用20 cm厚的預(yù)制底板，主梁采用40 cm×60 cm的預(yù)制混凝土梁，次梁采用現(xiàn)澆混凝土尺寸為40 cm×40 cm，底板和主梁都采用C30混凝土結(jié)構(gòu)。

（4）體系轉(zhuǎn)換前上承重系統(tǒng)直接采用在樁基鋼護(hù)筒鋪設(shè)2I45工字鋼梁，體系轉(zhuǎn)換后采用焊接在樁基鋼護(hù)筒上的2I25牛腿代替。支承力柱始終采用樁基鋼護(hù)筒。

（5）套箱內(nèi)支撐采用螺旋鋼管，共設(shè)有兩道，圈梁采用工字鋼，其位置跟內(nèi)撐梁對(duì)應(yīng)，圈梁間采用法蘭連接。

（6）套箱下放時(shí)需要穿好吊桿，吊桿考慮采用Ф32精扎螺紋鋼。套箱下放時(shí)設(shè)12個(gè)千斤頂同步下放，下放采用200 t螺旋千斤頂。

（7）套箱拼裝時(shí)采用在鋼護(hù)筒上焊接I25工字鋼牛腿作為支撐。

承臺(tái)鋼套箱主要由四部分組成，分別為上吊系統(tǒng)、下吊架系統(tǒng)（上吊架、底板、底板主梁、次梁等）、模板系統(tǒng)、內(nèi)側(cè)及圈梁系統(tǒng)（見圖5）。下面介紹各部分的具體構(gòu)造。

圖5 潮連主墩承臺(tái)套箱吊架側(cè)面圖

2.3.1 上吊架系統(tǒng)

體系轉(zhuǎn)換前：通過(guò)在樁基鋼護(hù)筒上設(shè)置的2I45a工字鋼(面梁)作為直接的受力結(jié)構(gòu)，套箱下放時(shí)利用千斤頂對(duì)反力梁的反頂作用將套箱下放至制定標(biāo)高。面梁和反力梁可利用平臺(tái)鉆孔區(qū)拆除的材料制作。為防止面梁標(biāo)高不統(tǒng)一，樁基施工完成后需將護(hù)筒割至統(tǒng)一標(biāo)高（+4.5 m）。

體系轉(zhuǎn)換后：承臺(tái)第一層封底完成后，通過(guò)在樁基鋼護(hù)筒上焊接2I25a工字鋼牛腿，將工字鋼組合梁的受力轉(zhuǎn)換到牛腿上。

2.3.2 吊桿

吊桿采用Ф32精軋螺紋鋼，吊桿從上承重梁及承重底梁中穿過(guò)，將上下承重結(jié)構(gòu)聯(lián)系在一起，支承點(diǎn)以螺母、墊板固定。套箱下放時(shí)采用24根吊桿，下放完成后采用44根吊桿。注意體系轉(zhuǎn)換的螺母、墊板需預(yù)先穿設(shè)好。

2.3.3 預(yù)制底板主梁

底板主梁所受荷載主要有套箱模板自重、預(yù)制底板自重、封底混凝土自重、第一層承臺(tái)混凝土自重、浮力、施工動(dòng)荷載。主梁采用40 cm×60 cm的混凝土梁，采用C30混凝土。主梁在預(yù)制場(chǎng)內(nèi)加工好，利用平板車或貨船轉(zhuǎn)運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)安裝。

2.3.4 底板次梁

為增加套箱底架的整個(gè)體穩(wěn)定性，次梁考慮采用C30混凝土現(xiàn)場(chǎng)立模澆筑。其結(jié)構(gòu)尺寸為40 cm×40 cm。

2.3.5 底板

底板承受上部封底混凝土和套箱側(cè)板傳來(lái)的荷載，根據(jù)計(jì)算確定采用20 cm厚的鋼筋混凝土板，每個(gè)承臺(tái)底板按實(shí)測(cè)樁位平面尺寸分塊在岸上預(yù)制場(chǎng)預(yù)制。單個(gè)承臺(tái)共34塊底板，底板混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用C30。底板縱向鋪設(shè)在混凝土底梁上，相互之間，以及與護(hù)筒之間預(yù)留有8 cm的安裝間隙，作為施工縫處理，在進(jìn)行封底混凝土前處理好各道施工縫。

2.3.6 側(cè)模

套箱側(cè)模的總高度為7.8 m，橫向進(jìn)行分塊預(yù)制，每個(gè)主墩考慮各加工1套。各塊套箱側(cè)板通過(guò)法蘭螺栓連接起來(lái)。模板面板采用6 mm的鋼板，法蘭部分采用L7.5等邊角鋼，豎向加勁采用I12a工字鋼，工字鋼間采用75×5 mm鋼帶作為加勁肋。

2.3.7 內(nèi)撐梁及圈梁

根據(jù)受力需要，套箱共設(shè)置2道內(nèi)撐，均采用螺旋鋼管制作。其中第一道內(nèi)撐采用Ф820 mm鋼管，標(biāo)高為+1.0m。第二道內(nèi)撐采用Ф426 mm鋼管，標(biāo)高為+4.0 m。套箱的圈梁共設(shè)兩道，其設(shè)置位置跟內(nèi)撐位置對(duì)應(yīng)。其中第一道圈梁采用2I56a工字鋼加工，第二道圈梁采用2I25a工字鋼加工。

3 鋼套箱下放施工工藝

3.1 施工工藝流程

該橋承臺(tái)施工采用有底套箱的施工方案，兩次封底，體系轉(zhuǎn)換后利用牛腿反吊。先利用在樁基鋼護(hù)筒上的上承重吊架實(shí)現(xiàn)套箱的下放和第一次封底混凝土施工。第一層封底完成后，抽干水后在樁基護(hù)筒上焊接牛腿，將上承重系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到牛腿上。避免眾多吊桿的存在，使得承臺(tái)的施工空間大大增加而提高施工速度。鋼套箱總體施工工藝流程如圖6所示。

圖6 鋼套箱施工流程圖

3.2 鋼套箱下放施工具體工藝

該橋鋼套箱多點(diǎn)智能同步下放施工具體作法為：

（1）根據(jù)每次10 cm的下放行程，先將所有反力梁錨固螺母上擰10 cm，然后計(jì)算機(jī)控制千斤頂同步頂升0.5～1 cm，此時(shí)套箱的重量已轉(zhuǎn)換為千斤頂承受。在下放前先將套箱向上頂起5 cm，記錄下此時(shí)每個(gè)千斤頂?shù)膲毫ψx數(shù)，以此作為壓力控制的基準(zhǔn)，在后面的下放過(guò)程中，千斤頂?shù)膲毫ψx數(shù)不斷與基準(zhǔn)讀數(shù)進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)偏差超過(guò)10%時(shí)，對(duì)有偏差千斤頂進(jìn)行調(diào)整以確保整體平衡。

（2）將所有面梁錨固螺母上擰10 cm，準(zhǔn)備套箱下放。為避免下放過(guò)程中行程的誤差累積，在下放初始位置往上2 m處畫好刻度，按每10 cm行程下放后，均用卷尺從2 m刻度處往下量至最終位置進(jìn)行復(fù)核，如：下放第一個(gè)10 cm行程后，從2m刻度處往下量至最終位置應(yīng)為1.9 m。

（3）計(jì)算機(jī)控制千斤頂活塞同步下落，進(jìn)行套箱的整體下放，直至面梁錨固螺母貼緊面梁，完成一個(gè)行程的下放。如此反復(fù)，直至下放到指定的位置。

現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)景如圖7所示。

3.3 鋼套箱同步下方施工要點(diǎn)

（1）下放時(shí)要有專人統(tǒng)一指揮，統(tǒng)一協(xié)調(diào)下放的行程。

（2）下放時(shí)吊桿預(yù)先統(tǒng)一做好刻度，刻度以10 cm為標(biāo)準(zhǔn)間距，由于下放的行程較長(zhǎng)，每下放50 cm的行程需要復(fù)測(cè)整個(gè)套箱模板頂面的標(biāo)高，及時(shí)調(diào)整整個(gè)套箱的水平，避免吊桿和底梁受力不均勻。

（3）整個(gè)下放過(guò)程分為兩步走，第一步為下放2 m的行程后，將螺母擰緊；第二步為再次下放2m的行程，將螺母擰緊；第三步為用螺旋千斤頂直至將套箱下放到指定的標(biāo)高，擰緊承重螺母；然后拆除反力梁，同時(shí)派潛水員下水將樁基護(hù)筒和底板間的空隙使用鋼圍箍封死，準(zhǔn)備進(jìn)行承臺(tái)封底。

圖7 鋼套箱同步下放現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)景

4 結(jié)語(yǔ)

本文以潮連西江斜拉橋主墩承臺(tái)施工為背景，對(duì)鋼套箱下放工藝進(jìn)行了總結(jié)和對(duì)比，針對(duì)該橋承臺(tái)施工的特點(diǎn)，采用PLC同步控制系統(tǒng)進(jìn)行鋼套箱下放。此項(xiàng)工藝摒棄了傳統(tǒng)的多人工人力操作同步頂升，創(chuàng)新性的選擇了智能化控制系統(tǒng)。

目前潮連西江橋兩座特大斜拉橋全部主墩的套箱下放工作已完成，下放過(guò)程輕松簡(jiǎn)單，速度快，同步性好，保證了后面的封底質(zhì)量，套箱的封底都一次成功，無(wú)任何漏水現(xiàn)象,不論是在工期還是施工質(zhì)量上都得到了極大的保證，且此套工藝可操作性強(qiáng)，取得了良好的施工效果、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，創(chuàng)造了新的橋梁施工工藝，可供同類型承臺(tái)施工參考。