外封堵式預(yù)應(yīng)力組合鋼套箱施工新技術(shù)

嚴(yán)小衛(wèi)，吳立柱

鋼套箱作為橋梁水中承臺實(shí)現(xiàn)干施工的常用方法，施工方法及施工工藝多種多樣。按鋼套箱壁體結(jié)構(gòu)分為單壁鋼套箱和雙壁鋼套箱；按套箱安裝下放方法分為整體下放和工位分片拼裝；按鋼套箱壁體連接形式分為焊接和螺栓連接。本文論述的鋼套箱施工，利用鋼絲繩預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)將組合鋼套箱4塊壁體連接，保證套箱整體剛度及接縫處密水性，其優(yōu)勢是裝拆方便、可重復(fù)利用、無需潛水作業(yè)。同時借助河床表層含有豐富黏土資源的有利條件，利用黏土對套箱進(jìn)行外圍封堵，達(dá)到套箱內(nèi)部無需大開挖且干施工的目的。

1 項(xiàng)目背景

某大橋已建成30余a，急需改建。拓寬改造后的橋梁采用墻式橋墩，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁樁基礎(chǔ)，墻式橋墩坐落于強(qiáng)風(fēng)化礫巖上。其中有24個承臺位于水中，施工總工期12個月。

工程所處河床地層具有二元結(jié)構(gòu)，上部粉質(zhì)黏土層，平均厚度1 m左右，以黏粒為主；中部土層平均厚度2 m左右，為礫石加砂層，以花崗巖、安山巖為主；下層為不透水的基巖層，巖石為強(qiáng)風(fēng)化至中風(fēng)化礫巖，顏色灰白～深灰、灰褐色，中細(xì)粒結(jié)構(gòu)，厚層狀構(gòu)造。土層分布情況見圖1所示。

2 承臺施工方案比選研究

通過對國內(nèi)類似工程施工的研究，了解到對于淺水承臺施工圍堰主要有筑島圍堰、鋼板樁圍堰及鋼套箱圍堰3種方案。

圖1 橋墩結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Layout of bridgepier structure

1）筑島圍堰主要應(yīng)用于近岸結(jié)構(gòu)，需通過防洪評價(jià)，本工程不適用。

2）鋼板樁圍堰多應(yīng)用于易沉樁地質(zhì)條件，考慮到本工程承臺下為強(qiáng)風(fēng)化礫巖層，鋼板樁無法直接打入巖層中，若采用植樁機(jī)，成本高且無法滿足施工進(jìn)度要求。

3）鋼套箱圍堰應(yīng)用范圍廣，工藝成熟。但常規(guī)的鋼套箱方案一般需將鋼套箱下沉至承臺以下一定的距離，使其滿足封底混凝土的要求。對于本工程的承臺，則需在鋼套箱下放前將基巖挖除1.5 m以上的深度，水下鑿除巖石成本高，效率低；水下爆破方式開挖基巖，則程序繁瑣，對原橋梁結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)大。

本工程所在河流下游有蓄水壩，河流水位比較穩(wěn)定，河道平均水深約為2～4 m。該河流不通航，無法采用水上作業(yè)船舶。

結(jié)合工程實(shí)際情況，經(jīng)綜合分析決定研發(fā)一套外封堵預(yù)應(yīng)力組合鋼套箱技術(shù)。該技術(shù)利用了預(yù)應(yīng)力組合鋼套箱的操作方便性和可周轉(zhuǎn)性，借助于河床表層具有豐富黏土資源的有利條件，利用黏土對套箱進(jìn)行外圍封底，達(dá)到密封套箱的目的。

3 預(yù)應(yīng)力組合鋼套箱結(jié)構(gòu)

預(yù)應(yīng)力組合鋼套箱由若干片板塊組成，豎向?yàn)檎麎K板結(jié)構(gòu)、設(shè)有若干豎向接頭縫，板塊端頭使用型鋼焊接成M形和V形，V形插入M形槽，中間墊橡膠片止水。用鋼絲繩通過鋼管轉(zhuǎn)向形成U形兜住2塊M槽模板。鋼絲繩兩端采用接頭套筒與φ25 mm精軋螺紋鋼連接將水平力轉(zhuǎn)換為豎向力傳出水面，通過張拉將套箱組合成整體[1]，鋼絲繩預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)見圖2。套箱壁體接頭部位的處理見圖3所示。

圖2 套箱轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structural drawing of the corner of steel cofferdam

圖3 套箱壁體接頭結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structural drawing of steel cofferdam wall joint

由于本結(jié)構(gòu)鋼套箱為長方形，長度太大不利于吊裝，長邊壁板面板間需平行同心連接。為了保證連接的可靠性，在接頭處設(shè)置接頭預(yù)應(yīng)力索和內(nèi)置撐桿，撐桿用鋼管加工，其與面板采用承插式，因此撐桿的規(guī)格應(yīng)與面板上的開孔嚴(yán)格對應(yīng)，同時撐桿與面板接觸處應(yīng)墊設(shè)橡膠止水環(huán)，見圖4。

預(yù)應(yīng)力組合鋼套箱的最大特點(diǎn)是分片拼裝無需潛水作業(yè)，將需要大型設(shè)備施工的工作變成只需小型設(shè)備即可完成，將整體式結(jié)構(gòu)變成組合式并且可多次周轉(zhuǎn)使用[2-3]。

圖4 套箱長邊結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structural drawing of the long side of steel cofferdam

4 改為鋼套箱施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 鋼套箱安裝工藝流程

在樁基工程完成后，先進(jìn)行基礎(chǔ)（基坑）開挖和整平，然后進(jìn)行鋼套箱的組裝拼接及安裝，安裝完成后進(jìn)行穿索、張拉和錨固，鋼套箱張拉完成后，在套箱周邊填筑封堵止水[4-6]。

4.2 基坑開挖、整平

在樁基工程完成后，用長臂挖掘機(jī)站位在施工平臺上開挖鋼套箱圍封范圍附近的覆蓋層，開挖尺寸大于套箱的外形尺寸2 m，一次開挖到設(shè)計(jì)標(biāo)高。

4.3 套箱水下拼裝

1） 套箱預(yù)處理

由于套箱長度較大，安裝前需分節(jié)拼裝，整個套箱分為5塊次安裝，兩頭的短壁各為1個吊裝次，長壁按節(jié)段分為3節(jié)，對面壁板用上下共4個鋼撐固定。

2） 套箱壁板吊裝

鋼套箱的安裝在已搭設(shè)的平臺上進(jìn)行，由履帶式起重機(jī)吊重安裝。鋼套箱分成5個安裝塊，由中間向兩端對稱安裝，從安裝第2塊次起，每塊次要與前次安裝的塊進(jìn)行預(yù)應(yīng)力連接。預(yù)應(yīng)力采用鋼絲繩施加，在套箱節(jié)塊入水前將鋼絲繩安放到位并連接好。

3） 穿索與張拉

預(yù)應(yīng)力鋼絲繩在安裝順?biāo)畟?cè)壁板前從張拉位置穿好，掛在壁板兩端頭的上部，在上游側(cè)或下游側(cè)壁板下落過程中，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)計(jì)位置時，將掛在壁板端頭的鋼絲繩取下，從上游側(cè)或下游側(cè)壁板的固定轉(zhuǎn)向滾動支座上穿出，固定在上下游側(cè)的壁板頂部。待全部壁板安裝完成后，用拉桿連接鋼絲繩，將拉桿穿好后，用2臺穿心千斤頂同時張拉同一高度的鋼絲繩至設(shè)計(jì)的預(yù)應(yīng)力值，張拉到位后將螺母擰緊、固定。

4.4 套箱外黏土封堵止水

鋼套箱張拉完成后，用挖掘機(jī)挖掘套箱周圍河床上的黏土，用黏土填滿鋼套箱四周原有基槽。填筑時不能拋撒，應(yīng)在挖掘機(jī)斗靠近泥面時采用反斗法將斗內(nèi)黏土瀉落在泥面上，到達(dá)一定高度后用挖掘機(jī)斗壓實(shí)。為防止河水沖刷封底黏土，在黏土上部用卵石鎮(zhèn)壓，卵石的厚度控制在500 mm左右。

5 結(jié)語

應(yīng)用“外封堵式預(yù)應(yīng)力組合鋼套箱技術(shù)”僅3個月就成功完成了該項(xiàng)目24個水中承臺施工。此施工技術(shù)優(yōu)點(diǎn)如下：

1）鋼套箱的水下分片拼裝速度快。

2）分片拼裝或拆除無需大型起吊設(shè)備和潛水作業(yè)。

3）預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)及“W+V”接頭可保證套箱壁體水密性和套箱整體剛度。

4） 分片壁體可組合并重復(fù)利用，施工成本較低。

5） 套箱外圍黏土封堵可減少承臺基礎(chǔ)開挖量，且無需封底混凝土。

綜上所述，該技術(shù)對于黏土較豐富的淺水巖基承臺施工具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。