深水基礎鋼套箱圍堰下沉技術對比研究

孟金強

(鐵道戰(zhàn)備舟橋處，山東 齊河 251100)

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深水基礎鋼套箱圍堰下沉技術對比研究

孟金強

(鐵道戰(zhàn)備舟橋處，山東 齊河 251100)

摘要：從不同角度將常用的鋼套箱下沉方法歸納總結為平臺法、浮運龍門船法和頂推滑移法三種，并詳細敘述了各種下沉方法的具體工藝、適用條件及優(yōu)缺點，對同類工程中鋼套箱下沉方法的正確選用具有一定的應用價值。

關鍵詞：鋼套箱；下沉；平臺法；浮運龍門船法；頂推滑移法

1 鋼套箱下沉技術簡述

鋼套箱是我國深水橋梁基礎施工中廣泛使用的一種水下承臺及墩身施工的臨時性圍護結構，具有結構承載能力強、加工制作方便，適用水文、地質(zhì)類型廣等優(yōu)點。

鋼套箱的下沉入水作為工序中至關重要的一環(huán)，不但對其自身施工的工期、作業(yè)難度、安全性影響巨大，而且會影響到后續(xù)橋墩基礎、承臺的施工難度，甚至會制約總體工期。因此，如何正確選用鋼套箱下沉方法，往往是廣大工程技術人員在深水橋梁基礎鋼套箱施工中首要解決的技術難題。

本文從不同角度將常用的鋼套箱下沉方法歸納總結為平臺法、浮運龍門船法和頂推滑移法三種，并詳細敘述了各種下沉方法的具體工藝、適用條件及優(yōu)缺點，有助于工程技術人員根據(jù)現(xiàn)場條件快速確定適宜的鋼套箱下沉方法。

2 平臺法

先搭設平臺用于鋼套箱拼裝，鋼套箱首節(jié)拼裝完成后，利用下沉系統(tǒng)將其吊放入水實現(xiàn)自浮，然后繼續(xù)接高下沉鋼套箱。根據(jù)平臺所處位置的不同可分為墩位處平臺法和岸邊平臺法。

2.1 墩位處平臺法

當深水基礎鉆孔樁與圍護結構鋼套箱施作順序不同時，因拼裝平臺搭設方式不同，此法又可細分為鋼護筒平臺法和鋼管樁平臺法兩種。

鋼護筒平臺法：深水橋梁基礎施工采用先搭設鉆孔平臺施作深水基礎鉆孔樁，后下沉圍護結構鋼套箱(簡稱“先樁后堰法”)，通常在部分鉆孔樁鋼護筒施工水位以上0.5 m處焊接牛腿，形成拼裝平臺，見圖1。

圖1 蘭渝鐵路嘉陵江大橋84#墩鋼套箱拼裝平臺(先樁后堰法)

鋼管樁平臺法：深水橋梁基礎施工采用先下沉圍護結構鋼套箱，后施作深水基礎鉆孔樁(簡稱“先堰后樁法”)，拼裝平臺結構類似于鉆孔平臺，通常由鋼管樁基礎、承重梁和面層組成(是否需要面層視情況確定)，見圖2。

圖2 呼準鐵路黃河大橋38#墩鋼套箱拼裝平臺(先堰后樁法)

2.1.1 適用條件及優(yōu)缺點

適用條件：①地質(zhì)，墩位處河床具有一定厚度的覆蓋層(能夠保證平臺基礎鋼管樁的設計植入深度以確保平臺結構的安全性和穩(wěn)定性)，同時鋼套箱埋入河床深度內(nèi)無堅硬巖層，無須爆破作業(yè)。②水文，施工流域水位漲幅不大(水位上漲幅度過大沒過拼裝平臺頂面時，會造成鋼套箱無法正常拼裝或已拼裝鋼套箱上浮的危險)。

優(yōu)點：拼裝平臺為固定結構，鋼套箱拼裝下沉工藝簡單成熟、安全度高。

缺點：對施工流域水文和地質(zhì)條件要求較高(從適用條件即可看出)，深水基礎采用“先樁后堰法”時，鉆孔樁全部施工結束后方可施作鋼套箱，對工期制約較大。采用“先堰后樁法”時，每個墩位處均需搭設固定平臺，若采用“平行法”作業(yè)，工期易于保證，但需同時投入多套平臺及鋼套箱材料，費用很高；若采用“流水法”作業(yè)，平臺及鋼套箱可周轉使用，費用降低，但工期又很難保證。

我處在寧夏中寧縣黃河大橋8#～12#墩深水基礎施工中，8#、10#、12#墩采用“先樁后堰法”，9#、11#墩采用“先堰后樁法”，將2種墩位處平臺法交錯應用于5個主墩的基礎施工，平臺、鋼套箱材料實現(xiàn)了流水周轉，節(jié)約了施工成本，而且工期也得到了保證，不失為一種兩全其美的工法選擇。

2.1.2 施工流程

搭設拼裝平臺→拼裝鋼套箱首節(jié)→安裝下沉系統(tǒng)→鋼套箱首節(jié)提升、拆除拼裝平臺→鋼套箱下沉入水。

(1)拼裝鋼套箱首節(jié)。首先在拼裝平臺上放樣出鋼套箱首節(jié)拼裝單元位置線，然后通過垂球、皮尺等工具控制平面位置和垂直度。將鋼套箱首節(jié)拼裝單元運送至墩位處后，利用吊裝設備在拼裝平臺上按照設計順序逐塊依次拼裝，拼裝完成交付焊接。

(2)安裝下沉系統(tǒng)。鋼套箱首節(jié)焊接完成并驗收后，即可安裝下沉系統(tǒng)準備沉放。深水基礎采用“先樁后堰法”時，通常選用合適位置處的鉆孔樁鋼護筒(數(shù)量不足或位置不合適時可輔助打入鋼管樁)，作為下沉系統(tǒng)基礎，在其頂部安裝墊梁等構件后，再安裝吊放設備。深水基礎采用“先堰后樁法”時，可打設鋼管樁或在拼裝平臺(平臺為有面層結構且面積較大)上支立鋼管樁作為下沉系統(tǒng)基礎，其余構件及吊放設備同上。

吊放設備通常有卷揚機和千斤頂兩種。卷揚機適用于鋼套箱噸位和下放高度較小的情況，其下沉速度快，但不利于精準控制，安全性也較差；千斤頂易于控制和調(diào)整，安全性好，但下沉速度較慢。

(3)鋼套箱首節(jié)提升、拆除拼裝平臺。先對鋼套箱進行試提升，提升高度一般不超過10 cm，靜置10～30 min，對下沉系統(tǒng)各部分進行全面檢查，安全無誤后，將鋼套箱提升至一定高度，鎖死下沉系統(tǒng)，拆除拼裝平臺。提升高度一般遵循“就低不就高”的原則，即吊放高度滿足拼裝平臺拆除凈空要求即可。 (4)鋼套箱下沉入水(見圖3)。拼裝平臺拆除后，操作下沉系統(tǒng)，將鋼套箱緩慢下放至水中實現(xiàn)自浮，然后對鋼套箱帶纜固定，防止水中漂移，然后繼續(xù)接高拼裝鋼套箱。

圖3 蘭渝鐵路嘉陵江大橋84#墩鋼套箱吊放下沉(先樁后堰法)

下沉過程中各吊點的設備要保持同步一致，避免引起鋼套箱偏載，造成吊點受力不均。

2.2 岸邊平臺法

在施工水域岸邊選擇合適區(qū)域搭設拼裝平臺和沉放系統(tǒng)用于鋼套箱首節(jié)的拼裝下沉。此法根據(jù)拼裝平臺結構的不同也可細分為兩種，當選用區(qū)域河床有覆蓋層滿足鋼管樁入土設計深度時，平臺結構采用固定平臺；覆蓋層較薄或無覆蓋層不適用固定平臺時，采用浮平臺。

2.2.1 適用條件及優(yōu)缺點

適用條件：施工流域水深流急、沖刷嚴重、水位漲幅較大時，多采用此法，且僅適用于深水基礎“先堰后樁法”。

優(yōu)點：①鋼套箱首節(jié)的拼裝下沉工序均在岸邊進行，墩位處的基坑處理(開挖或爆破)可同步進行，有利于縮短工期，節(jié)省施工費用。②選用的岸邊區(qū)域多為緩流區(qū)，流速較緩，施工受水情變化干擾程度輕，安全度較高。

缺點：①拼裝平臺采用鋼管樁平臺時，若拼組下沉多個墩位的鋼套箱，平臺及吊放系統(tǒng)需反復安拆；拼裝平臺位置處河床的覆蓋層必須具有一定厚度，水位漲幅也不宜過大，原理同墩位處平臺法。②拼裝平臺采用浮平臺時，需設置單獨下沉系統(tǒng)，因選用區(qū)域河床覆蓋層較薄或無覆蓋層，下沉系統(tǒng)基礎鋼管樁需沖孔栽樁，耗時較長，施工成本較大。

2.2.2 施工流程

搭設拼裝平臺(拼組浮平臺)→拼裝鋼套箱首節(jié)→安裝下沉系統(tǒng)→鋼套箱首節(jié)提升→拆除拼裝平臺(撤除浮平臺)→鋼套箱下沉入水→浮運鋼套箱至墩位處、鋼套箱拼裝接高。下面介紹其關鍵施工技術。

(1)搭設拼裝平臺(拼組浮平臺)。固定平臺按具體結構的不同可細分為升降式平臺(見圖4)和同墩位處平臺法的鋼管樁平臺。

圖4 昌贛客專贛江大橋鋼套箱拼裝平臺(升降式平臺)(單位：cm)

浮平臺由浮體、聯(lián)結系和拼裝墊梁三部分組成，浮體通常由標準舟節(jié)、多用途浮箱等拼組成數(shù)條舟體或由數(shù)條駁船組成，其頂面兩端用貝雷梁、六四梁等聯(lián)結系構件將浮體連成整體，浮體中部鋪設拼裝墊梁構成拼裝浮平臺，見圖5。

圖5 懷邵衡鐵路湘江大橋鋼套箱吊放入水

(2)安裝下沉系統(tǒng)。對于升降式平臺，應首先施工下沉系統(tǒng)基礎，再搭設拼裝平臺，鋼套箱首節(jié)拼裝完成后，再安裝吊放設備。

對于浮平臺，下沉系統(tǒng)獨立設置，其施工時段，結合現(xiàn)場條件靈活確定。

(3)拆除拼裝平臺(撤除浮平臺)及鋼套箱下沉入水。

對于升降式平臺，鋼套箱首節(jié)在拼裝平臺上拼裝完成后，利用下沉系統(tǒng)將拼裝平臺同鋼套箱一同吊放下沉至水中，鋼套箱實現(xiàn)自浮狀態(tài)后，拖離平臺平面位置，提升拼裝平臺用于另個鋼套箱首節(jié)的拼裝。

對于浮平臺，鋼套箱首節(jié)在浮平臺上拼裝完成后，拖入下沉系統(tǒng)(提升站)下，吊放設備與鋼套箱連接后提升其脫離浮平臺頂面，然后拖離浮平臺用于另個鋼套箱首節(jié)的拼裝。

(4)浮運鋼套箱至墩位處、鋼套箱拼裝接高。

鋼套箱首節(jié)入水自浮后，根據(jù)實際施工需要可選擇繼續(xù)在岸邊拼裝接高后再進行浮運或首節(jié)浮運至墩位處后再拼組接高。浮運通常采用導向船夾持住鋼套箱，然后利用機動舟、拖輪等水上動力設備頂推導向船帶動鋼套箱至墩位處，見圖6。導向船由浮體和聯(lián)結系兩大部分構成，浮體由標準舟節(jié)、多用途浮箱等制式浮箱拼組成兩條舟體或兩條駁船構成，其頂面兩端用貝雷梁、六四梁等將浮體連接成整體。若運距不長且流速不大時，也可通過在墩位處帶纜牽引鋼套箱，機動舟輔助直接頂推鋼套箱至墩位處，見圖7。

圖6 昌贛客專贛江大橋2#墩鋼套箱頂推浮運

圖7 懷邵衡鐵路湘江大橋鋼套箱頂推浮運

3 浮運龍門船法

在河流岸邊選擇合適區(qū)域，拼組浮運龍門船，該船集拼裝平臺、下沉系統(tǒng)、導向船功能于一體，鋼套箱首節(jié)在船體上拼裝完成后，頂推浮運龍門船浮運至墩位處，然后用船上的下沉系統(tǒng)將鋼套箱吊起，拆除拼裝平臺，下沉鋼套箱入水實現(xiàn)自浮。

3.1 適用條件及優(yōu)缺點

適用條件：在山區(qū)水深流急、水位漲落幅度大且頻次高的河段應用較為廣泛，僅適用于深水基礎“先堰后樁法”。

優(yōu)點：①浮運龍門船靈活機動，不受水位漲落困擾，只要岸邊水深能滿足船體吃水條件，基本無制約因素。②在岸邊完成鋼套箱拼組作業(yè)，該方面優(yōu)點同岸邊平臺法。

缺點：①浮運龍門船船體龐大，材料使用種類、數(shù)量均較多，拼組耗時長，施工成本高。②如用于多個墩位處鋼套箱的拼組、下沉作業(yè)時，其功能多的特點反而成為工序流水作業(yè)的制約因素，工期無法保證。

3.2 施工流程

拼組浮運龍門船→拼裝鋼套箱首節(jié)→浮運至墩位處→鋼套箱首節(jié)提升、拆除拼裝平臺、下沉入水?，F(xiàn)介紹其關鍵技術環(huán)節(jié)。

(1)拼組浮運龍門船。浮運龍門船(見圖8)主要由浮平臺和下沉系統(tǒng)兩大部分組成。浮平臺結構與岸邊平臺法中的浮平臺相類似。下沉系統(tǒng)由龍門架和吊放設備組成，龍門架由立柱、梁體組成，立柱部分主要采用各類制式器材(六五墩、八三式墩、搶修高墩等)或型鋼拼組而成，其高度為鋼套箱首節(jié)高度+下沉系統(tǒng)高度+預留安全高度，梁體由各類制式梁(貝雷梁、六四梁等)拼組而成，吊放設備同前。

圖8 重慶阿蓬江大橋鋼套箱浮運龍門船

(2)浮運至墩位處。用機動舟、動力船等頂推浮運龍門船至墩位處(類似岸邊平臺法)。

(3)鋼套箱首節(jié)提升、拆除拼裝平臺、下沉入水(見圖9)。浮運龍門船就位錨碇后，操作下沉系統(tǒng)，將鋼套箱吊放至適當高度，拆除拼裝平臺，吊放首節(jié)入水實現(xiàn)自浮。

圖9 重慶阿蓬江大橋鋼套箱吊放入水

4 頂推滑移法

頂推滑移法是對滑道法工藝的一種改進和提高，通過將滑道法中的牽引設備由卷揚機、倒鏈等升級為液壓頂推油缸，行進速度均勻、平穩(wěn)，大幅度減輕了鋼套箱行進中的振動和脈沖式前進問題，有效提高了施工作業(yè)的安全性。

采用頂推滑移時，首先應在河道岸邊選擇邊坡平緩且鄰近水深超過3 m的區(qū)域作為作業(yè)場地(面積根據(jù)鋼套箱的尺寸和作業(yè)需要綜合確定)，對場地進行硬化后安裝下滑道(下滑道分為陸地和水中兩個節(jié)段)。然后在陸地下滑道頂面拼裝鋼套箱，拼裝完成后，利用頂推系統(tǒng)將鋼套箱沿陸地下滑道頂推至水中下滑道部分,繼續(xù)頂推至鋼套箱全部入水自浮。

為防止鋼套箱在頂推入水過程中，下滑道水中段臨水端產(chǎn)生翹曲現(xiàn)象，導致鋼套箱發(fā)生側翻、傾覆事故。臨水端通常需設立支撐點，支撐點綜合水深、滑道坡度、滑道前端受力、河床地質(zhì)情況、水位變化幅度等因素，可設計為型鋼支墩、下沉系統(tǒng)等結構形式。

4.1 適用條件及優(yōu)缺點

適用條件：頂推滑移法適用條件較為苛刻，施工水域河岸滿足上述條件時才能采用此法下沉鋼套箱，且僅適用于深水基礎“先堰后樁法”。

優(yōu)點：①鋼套箱拼裝、下沉輔助結構很少，僅有滑道、頂推設備和支撐點結構物等，投入少，功效高。②在岸邊作業(yè)不影響墩位處的基坑處理。③如有多個鋼套箱需要拼組、下沉時，可形成流水作業(yè)，為具備條件時的首選方法。

缺點：對現(xiàn)場條件要求較高。

4.2 施工流程(以支撐點為下沉系統(tǒng)為例)

(1)下滑道及下沉系統(tǒng)布置。下滑道岸上段通過預埋螺栓固定在硬化地面上，其與水中段的連接部位設置鉸支座。水中段臨水端安裝在下沉系統(tǒng)提升梁上。下沉系統(tǒng)主要由鋼管樁、吊放梁、液壓千斤頂、精軋螺紋鋼等構件組成，如圖10所示。

圖10 滑道布置及吊放梁搭設圖

(2)首節(jié)拼裝。通常在岸邊滑道上進行，拼裝方法同平臺法，見圖11。

圖11 鋼套箱拼裝圖

(3)頂推入水。首先在鋼套箱后端壁板下部安裝頂推設備，安裝防滑溜裝置。然后適當調(diào)整岸上段滑道坡度，利用頂升設備將鋼套箱完全頂推至水中段滑道上，見圖12。

通過下沉系統(tǒng)進行升降，帶動水中段滑道繞鉸支座轉動。

利用下沉系統(tǒng)將下滑道水中端下降至設計標高，調(diào)整水中段滑道坡度。繼續(xù)向前頂推至鋼套箱中心線進入水中，至鋼套箱前端部分上浮，見圖13。

圖12 鋼套箱頂推圖

圖13 鋼套箱下沉圖

繼續(xù)頂推鋼套箱，直至鋼套箱后端部達到水面線。此時，鋼套箱中心線已越過吊放梁中心線，前端脫離水中段下滑道，在水中浮體或其它輔助措施拖動下，首節(jié)全部進入水中實現(xiàn)自浮。其后續(xù)頂推浮運至墩位處及拼裝接高同岸邊平臺法。

5 結束語

以上三種下沉方法，墩位處平臺法可同時適用深水基礎“先樁后堰法”和“先堰后樁法”，岸邊平臺法、浮運龍門船法及頂推滑移法僅適用于深水基礎“先堰后樁法”，三種方法各有優(yōu)缺點且適用條件不同，工程技術人員在具體選用時應綜合考慮施工流域的水文、地質(zhì)條件、通航、工期、成本、鋼套箱重量等確定。

A Comparative Study of Different Techniques for Sinking Steel Jacket Box Cofferdams for Deep Foundation

Meng Jinqiang

( The Pontoon Department of War Preparedness of the Railway Building Corporation of China,Qihe 251100,China )

Abstract:All the commonly-used methods for sinking steel pouring jackets are summed up in the paper from different angles,and are divided into three kinds:the platform method, the method of float-transporting the gantry boat and the jacking-sliding method.The specific processes,application conditions, and the merits and demerits of all the three methods are dealt with in the paper in detail.The paper may serve as a certain reference for the right choice of the method for sinking steel pouring jackets for other similar projects.

Key words:techniques for sinking steel pouring jackets;the platform method;the method of float-transporting the gantry boat;the jacking-sliding method

收稿日期：2016-01-27

作者簡介：孟金強(1980—)，男，工程師，主要從事土木工程水中作業(yè)技術工作zqcmjq@163.com

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.03.003

中圖分類號：U445.556

文獻標識碼：B

文章編號：1672-3953(2016)03-0012-05