強(qiáng)涌潮水域鋼吊箱圍堰設(shè)計(jì)與施工

蔣春暉

摘 要：本文以嘉紹大橋南岸引橋鋼吊箱施工為背景，介紹了強(qiáng)涌潮條件下承臺(tái)鋼吊箱的設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn)。對(duì)強(qiáng)涌潮水文條件下雙壁鋼吊箱的設(shè)計(jì)參數(shù)的取值探討與確定，并對(duì)涌潮條件下進(jìn)行大型鋼吊箱施工工藝進(jìn)行了闡述，尤其對(duì)下放時(shí)機(jī)選擇、沉放工藝、體系轉(zhuǎn)換工藝等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了重點(diǎn)介紹，為后續(xù)惡劣水位條件下進(jìn)行大型鋼吊箱施工提供借鑒。

關(guān)鍵詞：強(qiáng)涌潮水域；鋼吊箱圍堰；設(shè)計(jì)與施工

中圖分類(lèi)號(hào)：U655 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006—7973（2017）07-0050-03

鋼吊箱作為橋梁施工的輔助措施目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。鋼吊箱需要經(jīng)歷安裝、下沉和封底等多個(gè)工序。在常規(guī)河流中，流速不大，鋼吊箱施工的各個(gè)工序風(fēng)險(xiǎn)較小。但是在強(qiáng)涌潮條件下，受劇烈的漲落潮水文影響，各個(gè)工序存在較大的偏位和結(jié)構(gòu)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。如何在強(qiáng)涌潮和大流速條件下進(jìn)行鋼吊箱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工存在較大困難。本文結(jié)構(gòu)嘉紹大橋的施工管理經(jīng)歷，以嘉紹大橋鋼吊箱的成功經(jīng)驗(yàn)供借鑒。

1 工程背景

嘉紹大橋位于舉世聞名的錢(qián)塘江大橋起潮點(diǎn)附近，橋位區(qū)河床寬淺、潮強(qiáng)流急、涌潮洶涌，橋區(qū)水域漲落潮流路分歧，河床變化劇烈。根據(jù)橋址斷面短期觀測(cè)資料，歷時(shí)，平均漲潮歷時(shí)3h34min，平均落潮歷時(shí)8h51min；測(cè)點(diǎn)最大漲潮流速為6.65m/s，測(cè)點(diǎn)最大落潮流速為4.40m/s。100年一遇設(shè)計(jì)涌潮高度為3.0m，5年一遇設(shè)計(jì)涌潮高度為2.5m。涌潮試驗(yàn)得到橋位附近涌潮流速可達(dá)9.0～10.0m/s。涌潮產(chǎn)生的水動(dòng)力對(duì)橋墩建筑物的作用主要集中在低水位以上1倍涌潮高度范圍內(nèi)。

南岸跨規(guī)劃大堤引橋樁基礎(chǔ)采用群樁基礎(chǔ)，承臺(tái)采用對(duì)水流適應(yīng)性較強(qiáng)的圓形承臺(tái)。承臺(tái)直徑13.2m，頂面標(biāo)高設(shè)計(jì)為-2m，承臺(tái)混凝土厚4m，封底混凝土厚2m。承臺(tái)混凝土厚4m。

2 鋼吊箱設(shè)計(jì)及驗(yàn)算

2.1 鋼吊箱設(shè)計(jì)

考慮錢(qián)塘江涌潮及水深的影響，承臺(tái)采用雙壁鋼吊箱結(jié)構(gòu)；根據(jù)前期的水文勘測(cè)資料和過(guò)程的觀測(cè)資料，鋼吊箱按下列條件進(jìn)行取值設(shè)計(jì)。

2.1.1 設(shè)計(jì)條件

A.水位

施工期最高水位： +7.36m（20年一遇） 施工期最低水位： -2.91m（20年一遇）

B.設(shè)計(jì)高程

鋼護(hù)筒頂標(biāo)高：+10.0m 吊箱頂標(biāo)高：+8.0m

吊箱底標(biāo)高： -8.0m 泥面標(biāo)高：-9.0m

2.1.2 鋼吊箱結(jié)構(gòu)

鋼吊箱總高均為16m，壁厚1.2m，一次性下放重量最大，約170t。鋼吊箱為全焊水密結(jié)構(gòu)，由雙壁結(jié)構(gòu)和1.3m單壁防浪板組成，鋼吊箱雙壁結(jié)構(gòu)的高度均為17.3m。

鋼吊箱沿高度方向不分節(jié)。單節(jié)最大重量不超過(guò)30t重量。根據(jù)現(xiàn)有80t履帶吊的性能參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)鋼平臺(tái)的結(jié)構(gòu)布置形式，現(xiàn)場(chǎng)鋼吊箱拼裝配置80t履帶吊滿足拼裝要求。

各個(gè)鋼吊箱結(jié)構(gòu)布置如下圖：

2.2 鋼吊箱結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

2.2.1 設(shè)計(jì)工況

將鋼吊箱從起吊下放施工開(kāi)始到鋼吊箱的使用分為以下四個(gè)狀態(tài)：起吊下放、澆注封底混凝土、抽水以及澆筑承臺(tái)。本次計(jì)算將壁體與底板分開(kāi)計(jì)算，計(jì)算內(nèi)容以及各對(duì)應(yīng)的控制工況如下表所示：

2.2.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算

A.澆注水下封底混凝土

建立有限元模型如下圖所示：

經(jīng)計(jì)算，底板構(gòu)件均滿足受力要求。其中以底板面板受力最不利，其綜合應(yīng)力經(jīng)計(jì)算可達(dá)145Mpa，主梁和次梁綜合應(yīng)力較小。拉壓桿作為封底混凝土澆注時(shí)最主要受力構(gòu)件，經(jīng)驗(yàn)算其低潮時(shí)最大拉力達(dá)200KN，滿足結(jié)構(gòu)受力要求。

B.鋼吊箱抽水計(jì)算：

建立鋼吊箱及封底混凝土有限元模型。經(jīng)計(jì)算，查得各構(gòu)件綜合應(yīng)力及位移如下表所示：

C.拉壓桿計(jì)算：

采用2[8作為拉壓桿主材， ，拉壓桿抽水時(shí)其計(jì)算長(zhǎng)度按一端固定，一端鉸支計(jì)算。計(jì)算長(zhǎng)度：

拉壓桿的穩(wěn)定性滿足要求。

通過(guò)結(jié)構(gòu)計(jì)算可知，鋼吊箱在吊箱和承臺(tái)施工的過(guò)程滿足各個(gè)控制工況的受力要求，結(jié)構(gòu)安全可靠。

3 鋼吊箱安裝施工

3.1 安裝總體工藝

鋼吊箱總高度16m，單個(gè)鋼吊箱最大重量約170t。受橋位水域水流流速、流向、水深和潮位的影響，大型起重船無(wú)法進(jìn)駐現(xiàn)場(chǎng)，無(wú)法采用常規(guī)起重船整體下放工藝。綜合考慮鋼吊箱重量、水文及波浪等條件，均采用分片加工，用現(xiàn)場(chǎng)布置的80t履帶吊在鋼牛腿（安裝在鋼護(hù)筒上）上安裝，然后用千斤頂整體起吊，割除牛腿，下放入水；然后注水下沉的施工工藝。安裝工藝流程如下：

吸泥進(jìn)行泥面預(yù)處理→鋼平臺(tái)拆除→鋼吊箱支撐鋼牛腿安裝→分片吊裝、焊接鋼吊箱（吊箱下放導(dǎo)向裝置安裝）→安裝懸掛承重架→安裝吊裝千斤頂及吊掛裝置（吊箱密封性能檢查驗(yàn)收）→整體吊起鋼吊箱并割除鋼牛腿→鋼吊箱整體下放入水→吊箱內(nèi)注水→鋼吊箱繼續(xù)下沉就位→安裝拉壓桿→澆注封底混凝土。

3.2 關(guān)鍵施工技術(shù)

3.2.1 吊箱安裝準(zhǔn)備

（1）泥面處理：根據(jù)承臺(tái)泥面標(biāo)高監(jiān)測(cè)情況，受強(qiáng)涌潮影響，泥面在鋼吊箱下放前出現(xiàn)波動(dòng)，自-8m抬升至-6m。因此，施工前采用攪吸式挖泥機(jī)進(jìn)行吸泥強(qiáng)排，降低泥面標(biāo)高。

（2）強(qiáng)涌潮區(qū)的導(dǎo)向裝置安裝：導(dǎo)向裝置是鋼吊箱能否順利下沉到位的關(guān)鍵。尤其是強(qiáng)涌潮條件下，導(dǎo)向裝置是鋼吊箱能否滿足下沉精度的前提。為了保證鋼吊箱準(zhǔn)確定位安裝，在鋼護(hù)筒外側(cè)+2m～+8m區(qū)間設(shè)置導(dǎo)向限位裝置，較常規(guī)導(dǎo)向長(zhǎng)度提高一倍，確保鋼吊箱下沉的傾斜度和平面位置。護(hù)筒上的導(dǎo)向采用Φ426×6鋼管制作；導(dǎo)向鋼管內(nèi)灌注C30自密實(shí)混凝土，提高導(dǎo)向剛度。同時(shí)，鋼護(hù)筒導(dǎo)向與鋼吊箱整體起吊下放的掛腿有機(jī)結(jié)合成一體，掛腿在鋼吊箱下沉后不割除，由于設(shè)置在封底混凝土標(biāo)高以上，可在封底抽水以后割除。掛腿和護(hù)筒導(dǎo)向平面布置見(jiàn)下圖：

（3）承重架安裝和沉放設(shè)備配置：①沉放設(shè)備安裝前安裝吊掛裝置即承重架，焊設(shè)承重架的鋼護(hù)筒和焊設(shè)導(dǎo)向的鋼護(hù)筒錯(cuò)開(kāi)設(shè)置。同時(shí)焊設(shè)在鋼吊箱內(nèi)壁的掛腿兼做鋼吊箱下沉的下層導(dǎo)向。為確保承重架底口掛腿（封底完成后拆除）在鋼吊箱封底時(shí)不埋入封底混凝土內(nèi)，掛腿標(biāo)高為+7.806m，下放到位后掛腿仍處于封底混凝土頂面以上。因此，承重架直接放置于鋼護(hù)筒頂口，標(biāo)高為+10m。鋼護(hù)筒無(wú)需接高。鋼吊箱4個(gè)承重架，單個(gè)承重架承受的荷載（含動(dòng)載）超過(guò)100t以上，因此承重架即接高的鋼護(hù)筒頂口需要做加強(qiáng)處理。具體做法是在護(hù)筒的頂口設(shè)置承重樁帽，樁帽外側(cè)設(shè)置加勁板內(nèi)側(cè)設(shè)置加勁肋，然后在樁帽上布置由鋼板加工的箱型構(gòu)造的承重梁。同時(shí)，對(duì)鋼吊箱掛腿處須進(jìn)行壁體加強(qiáng)，確保吊箱整體受力。②采用4個(gè)吊掛點(diǎn)每點(diǎn)1臺(tái)，共4臺(tái)350t的液壓千斤頂進(jìn)行沉放作業(yè)。選用1套主從隨動(dòng)控制液壓提升系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由提升千斤頂，液壓系統(tǒng)和同步控制系統(tǒng)構(gòu)成，它具有激光精密測(cè)距和計(jì)算機(jī)準(zhǔn)確控制的功能。適用于超大、超重、超高結(jié)構(gòu)的整體吊裝，其同步精度達(dá)毫米級(jí)。

3.2.2 雙壁鋼吊箱現(xiàn)場(chǎng)拼裝

（1）鋼吊箱壁體分塊運(yùn)輸：鋼吊箱在后場(chǎng)加工基地加工廠分塊加工制作（分塊重量均小于30t），平板車(chē)運(yùn)抵拼裝現(xiàn)場(chǎng)。

（2）測(cè)量控制及吊裝設(shè)備準(zhǔn)備：①為減小豎向拼縫的錯(cuò)臺(tái)，在拼裝之前需對(duì)焊設(shè)在鋼護(hù)筒上的所有鋼牛腿的高程進(jìn)行二次精確復(fù)測(cè)調(diào)控；并在鋼牛腿上測(cè)設(shè)出壁體的理論外廓線（刃腳部位）和裝配定位線。并用油漆標(biāo)記每個(gè)塊件安裝線，注明分塊編號(hào)，拼裝時(shí)嚴(yán)格按安裝線進(jìn)行塊件就位。②壁板采用1臺(tái)80t履帶吊對(duì)稱(chēng)拼裝。即拼裝時(shí)應(yīng)按上下游或南北方向?qū)ΨQ(chēng)的次序依次吊裝，對(duì)稱(chēng)焊接。

3.2.3 鋼吊箱下放

（1）整體下放：①鋼吊箱均采用千斤頂下放。下放時(shí)采用4點(diǎn)吊，鋼圍堰整體拼裝到位后，開(kāi)始安裝千斤頂和下放鋼絞線束。②首先在4個(gè)承重架上分別安裝1只350t穿心千斤頂并安裝好撐腳和工具錨。然后開(kāi)始穿下放鋼絞線束。鋼吊箱下放最不利工況為吊箱內(nèi)注水后經(jīng)歷低潮位。偏安全按吊箱內(nèi)注水9m而吊箱無(wú)浮力。吊箱自重加注水總重以580t計(jì)。③Φ15.24mm鋼絞線公稱(chēng)抗拉強(qiáng)度1860Mpa，單根受力控制在15t 左右。一個(gè)牛腿需布設(shè)鋼絞線按20根計(jì)。校核時(shí)，按單點(diǎn)失效，三點(diǎn)受力驗(yàn)算。則鋼絞線的安全系數(shù)為K=15t×20/（580/3）=1.55，受力滿足要求。④下放過(guò)程中用1臺(tái)油泵控制2臺(tái)千斤頂，盡可能保證下放同步，確保各頂受力均勻。發(fā)現(xiàn)個(gè)別頂受力過(guò)大時(shí)，需停止排查出故障后繼續(xù)下沉，切忌盲目快速下沉。

（2）下放時(shí)機(jī)的選擇：①在強(qiáng)涌潮條件下，合理選擇下放時(shí)機(jī)可有效規(guī)避不利的水文條件，對(duì)鋼吊箱下放能否成功至關(guān)重要。鋼吊箱下放千斤頂單個(gè)頂行程按30cm控制，12.5m下放高度需經(jīng)歷42個(gè)下放行程，單個(gè)行程平均按3min控制，則整個(gè)圍堰下沉入水到位，可控制在2小時(shí)左右完成。②綜合考慮吊箱受力和錢(qián)塘江潮水情況?？紤]吊箱下放時(shí)千斤頂始終受力。避免出現(xiàn)吊箱浮力大于吊箱自重工況的出現(xiàn)。故采取高潮位時(shí)下放。整個(gè)下放過(guò)程在一個(gè)潮水內(nèi)（下一個(gè)漲潮開(kāi)始前）完成。有效規(guī)避了錢(qián)塘江大橋漲落潮對(duì)下沉過(guò)程的影響。

（3）注水下沉。鋼吊箱拼裝完畢后，采用千斤頂整體提升至拼裝平臺(tái)以上20cm處。割除拼裝平臺(tái)，整體下放至自由狀態(tài)。根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算，整體下放自浮入水4.63m。鋼吊箱入水自浮后，鋼吊箱夾壁內(nèi)注水約4.28m（施工水位+1.0m），即可下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

（4）安裝拉壓桿及臨時(shí)固定：①鋼吊箱下沉就位后，及時(shí)對(duì)鋼吊箱進(jìn)行有效固定，防止受錢(qián)塘江潮水過(guò)快上漲，圍堰因浮力過(guò)大而出現(xiàn)上浮。單個(gè)迎潮面采用6根HM588臨時(shí)固定在鋼護(hù)筒和鋼吊箱之間。臨時(shí)固定完成，迅速安裝拉壓桿。拉壓桿安裝時(shí)，宜選擇潮位較低時(shí)進(jìn)行。拉桿安裝應(yīng)遵循對(duì)稱(chēng)均衡的原則進(jìn)行。②拉壓桿采用雙拼[8槽鋼制作。經(jīng)計(jì)算，單個(gè)拉桿受拉為40t。按吊箱最不利情況，即鋼吊箱注水后經(jīng)歷低潮位時(shí)，需裝配14根拉桿即可進(jìn)行千斤頂卸載。③拉壓桿裝配完畢后，開(kāi)始進(jìn)行鋼護(hù)筒表面泥皮處理，確保后續(xù)混凝土澆注后與鋼護(hù)筒有良好的握裹力。泥皮清理完畢，通過(guò)封邊板對(duì)鋼護(hù)筒與吊箱空隙處進(jìn)行封邊固定。

4 結(jié)語(yǔ)

嘉紹大橋南岸跨規(guī)劃大堤引橋主墩承臺(tái)橋址處于錢(qián)塘江強(qiáng)涌潮區(qū)，水位環(huán)境惡劣，且受橋位水域水流流速、流向、水深和潮位的影響，大型起重船無(wú)法進(jìn)駐現(xiàn)場(chǎng)。結(jié)合實(shí)際情況和施工經(jīng)驗(yàn)，采用雙壁鋼吊箱圍堰，現(xiàn)場(chǎng)分節(jié)組拼，千斤頂整體下放的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)與施工，施工質(zhì)量、安全可控。且相比較常規(guī)鋼吊箱下放，強(qiáng)涌潮條件下進(jìn)行鋼吊箱下放需關(guān)注導(dǎo)向設(shè)置和下放時(shí)機(jī)的選擇。嘉紹大橋引橋進(jìn)行鋼吊箱下放時(shí)，采用加長(zhǎng)導(dǎo)向，導(dǎo)向鋼管內(nèi)灌注混凝土提高剛度等措施，提高了鋼吊箱下放位置的準(zhǔn)確性，使吊箱一次下沉就位；且有效地適應(yīng)了錢(qián)塘江高水頭和大潮差以及橋位區(qū)強(qiáng)涌潮的影響。上述措施可為后續(xù)惡劣水位條件下類(lèi)似工程施工提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。

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