羅嶼大橋承臺(tái)鋼吊箱圍堰設(shè)計(jì)及施工研究

余金水

(福建省交建集團(tuán)工程有限公司 福建廈門 361021)

0 引言

中國橋梁技術(shù)，在世界有一定的影響力。在橋梁施工技術(shù)逐步深入發(fā)展的今天，深水區(qū)高樁承臺(tái)在橋梁建設(shè)中發(fā)揮著不可小視的作用。

深水區(qū)高樁承臺(tái)，常常運(yùn)用鋼吊箱圍堰工藝來進(jìn)行施工，與在深水區(qū)中用低樁承臺(tái)施工不同，該工藝主要采用鋼吊箱圍堰工藝施工，以巧妙地解決深水中施工設(shè)備下沉困難等問題，有效降低施工難度,提高操作性,保證整個(gè)工程的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，體現(xiàn)建造雙方利益最大化，有力地促進(jìn)了橋梁建設(shè)行業(yè)的發(fā)展[1]?；诖?，本文主要以羅嶼大橋設(shè)計(jì)及施工為工程案例，對(duì)深水區(qū)橋梁承臺(tái)鋼吊箱圍堰施工的具體步驟及其優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)進(jìn)行分析。

1 工程概況

羅嶼大橋位于莆田市湄洲灣海域跨越羅嶼海峽，東連塔林村，西接羅嶼島。羅嶼海峽，其水深為5m～20m之間，平均高潮位2.92m、浪高0.6m，平均低潮水位-2.19m。羅嶼大橋橋梁長749m，修建時(shí)使用預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁及鉆孔灌注樁。因受環(huán)境所限，橋梁設(shè)計(jì)水位為6.53m。1#～4#墩承臺(tái)頂標(biāo)高為0.000m、承臺(tái)底標(biāo)高為-2.500m，其余墩承臺(tái)頂標(biāo)高為-2.000m、承臺(tái)底標(biāo)高為-4.500m。

1#～8#、19#～20#墩承臺(tái)采用鋼板樁圍堰進(jìn)行承臺(tái)施工，其中9#～18#墩因承臺(tái)頂面位于低潮水位以下，承臺(tái)底位于海床面以上的水中，需要采用單壁鋼吊箱圍堰后進(jìn)行承臺(tái)施工。根據(jù)實(shí)際施工情況和周轉(zhuǎn)施工方便，鋼吊箱尺寸為8.25m×22.7m×10m。

2 整體式鋼吊箱圍堰方案設(shè)計(jì)

鋼吊箱結(jié)構(gòu)構(gòu)造：鋼吊箱由底板、側(cè)板、吊掛系統(tǒng)(含抗浮壓桿兼抗浮牛腿、含底托梁)，水平支撐系統(tǒng)組成[2]。

(1) 底板具有兩個(gè)作用：①阻水，其與側(cè)板共同組成阻水結(jié)構(gòu)，使承臺(tái)及部分墩身可以進(jìn)行陸上施工。②承重，是吊箱、承臺(tái)的承重結(jié)構(gòu)。底模托梁和底模共同組成吊箱底板。底板平面尺寸為24.0m×9.0m。井字梁結(jié)構(gòu)構(gòu)成了底模托梁，有4道由通長2I45和每道通長2I32的6道縱橫梁組成。底板采用采用[12b8mm厚鋼板組合。底板分塊如圖1所示。

圖1 底板設(shè)計(jì)分塊示意圖

(2)側(cè)板的作用主要為阻水，其與底板組成了阻水結(jié)構(gòu)，使承臺(tái)及部分墩身可以進(jìn)行陸上施工。側(cè)板高度為10m，分5層制作，每層高度2m，長度方向分3塊制作。側(cè)板采用單壁結(jié)構(gòu)，采用[12槽鋼8mm厚鋼板組合，每層設(shè)置2到2[25圍圇，次肋為[12槽鋼,間距30cm。邊框?yàn)椤?2，采用M27高強(qiáng)度螺栓連接。

(3)吊箱內(nèi)支撐。內(nèi)圈梁和水平斜撐桿兩部分共同組成內(nèi)支撐。

內(nèi)圈梁位于吊箱側(cè)板的內(nèi)側(cè)，共3層。第一道內(nèi)支撐設(shè)置在承臺(tái)面以上50cm處，以便于承臺(tái)施工；內(nèi)支撐由2I25結(jié)構(gòu)組成的水平四邊形，焊在側(cè)板內(nèi)壁鋼板上。

水平斜撐桿焊接內(nèi)圈梁和桿端，使其連接成一體，成為菱形支撐結(jié)構(gòu)。水平撐桿由DN320×10mm無縫鋼管和2I25工字鋼組成。

支撐系統(tǒng)的作用主要是承受側(cè)板傳遞的水壓力荷載，通過水平及斜撐對(duì)等，控制側(cè)板變形。

(4)吊箱吊掛系統(tǒng)，由縱梁、承重橫梁、吊桿和鋼護(hù)筒組成了吊掛系統(tǒng)的上部，底托梁、橫梁組成了吊掛系統(tǒng)的下部。吊掛系統(tǒng)的作用為承重，承受吊箱自身重量以及封底混凝土重量。

設(shè)置3排承重橫梁，全部設(shè)在鋼護(hù)筒頂，每排由3I40工字鋼組成。承重橫梁的作用在于支承縱梁，將全部荷載經(jīng)吊桿、縱梁、承重橫梁(通過護(hù)筒)傳遞至基樁。

縱梁(垂直于橋向)采用2組6排貝雷組成，設(shè)置在3I40工字鋼承重橫梁上，貝雷縱梁上設(shè)2I25橫梁(6道)；橫梁的作用是支撐24根吊桿，并傳遞吊桿荷載到承重橫梁。

吊桿由φ32mm的930級(jí)高強(qiáng)度精扎螺紋鋼及連接器和螺帽組成，在底板的托梁上固定其下端，在吊掛系統(tǒng)的縱梁上固定其上端。

(5)吊箱定位系統(tǒng)，定位孔指的是位于吊箱底板上的前排兩個(gè)護(hù)筒孔。導(dǎo)向鋼板和定位孔的主要作用就是控制下沉吊箱所在的平面位置[3]。調(diào)位千斤頂主要是用來對(duì)吊箱進(jìn)行調(diào)位，而這首先需要對(duì)水下的吊箱進(jìn)行定位。所謂的定位就是指當(dāng)?shù)跸湎鲁恋焦潭ǖ奈恢弥?，為預(yù)防水流壓力和靠船力等動(dòng)荷載對(duì)自由懸掛的鋼吊箱進(jìn)行干擾，影響封底混凝土質(zhì)量，在封底混凝土凝固之前設(shè)置的固定裝置。由于鋼吊箱下沉入水后，漲退潮流水會(huì)讓吊箱發(fā)生漂移，而在吊箱中加上導(dǎo)向系統(tǒng)，既可以讓吊箱順利下沉，同時(shí)還方便了對(duì)吊箱的位置進(jìn)行調(diào)整。通常，該導(dǎo)向系統(tǒng)位于吊箱側(cè)板內(nèi)壁和鋼護(hù)筒之間的上下夾層之中，上面一層主要是通過底板與護(hù)筒控制定位，下面一層主要是通過導(dǎo)向鋼板、定位孔、定位器及調(diào)位千斤頂組成10個(gè)定位系統(tǒng)來進(jìn)行定位。其中，導(dǎo)向鋼板分別位于吊箱4個(gè)角的橫向與縱向梁上，其端部和鋼護(hù)筒的外壁之間留有一定的間隙；具體的定位操作則通過定位器和4個(gè)鋼護(hù)角的整體組合實(shí)現(xiàn)。

(6)設(shè)置抗浮牛腿。吊箱主要由封底混凝土與鋼護(hù)筒的摩阻力來承載，根據(jù)承臺(tái)尺寸加工作空間，吊箱體積巨大。吊箱抽水后將產(chǎn)生巨大的浮力，用加厚封底混凝土的方法解決，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，不太合理，故采用設(shè)置抗浮牛腿與護(hù)筒焊接連接，增加摩阻力的方法解決該項(xiàng)難題。根據(jù)施工水位，鋼吊箱設(shè)計(jì)總高度為10m，為了便于運(yùn)輸，側(cè)板共分5層制作，每層高度2m，長度方向兩側(cè)各分3塊，兩端要各有1塊，且所有的模板之間都使用M27雙排螺栓進(jìn)行連接，拼縫之間墊有止水像膠板(δ=8mm)；底模和側(cè)板之間需要用16根螺栓連接。其中，為了方便后期的拆除，底板使用了相互獨(dú)立的8塊模板拼接而成。吊箱的主要受力結(jié)構(gòu)是頂部承重梁、底托梁和24根φ32精軋螺紋鋼筋。其中，吊箱和封底混凝土的自重是利用精軋螺紋鋼、承重橫梁和鋼護(hù)筒之間力的傳遞最終到達(dá)樁基。

當(dāng)前鋼吊箱是在平臺(tái)上進(jìn)行拼接，總重達(dá)265.8t，由75t履帶吊分體吊裝的方式進(jìn)行施工。施工荷載和自重，主要由吊帶和支承架傳遞給樁基承受。鋼吊箱布置如圖2所示。

圖2 鋼吊箱布置示意圖

3 鋼吊箱圍堰施工

進(jìn)行吊箱圍堰工程施工前，進(jìn)行技術(shù)交底，合理分工，配備齊全的施工機(jī)械和機(jī)具，保證圍堰施工的順利進(jìn)行[4]。

3.1 拼裝下放

鋼吊箱圍堰在加工場(chǎng)地提前生產(chǎn)完成后利用墩位鉆孔平臺(tái)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拼裝。吊箱的拼裝方式，采用分段拼裝和分段下沉方法，主要拼裝流程如下：先將底節(jié)鋼圍堰進(jìn)行分裝，然后將其他部件進(jìn)行依次拼裝，最后對(duì)拼裝的高度和傾斜度等指標(biāo)進(jìn)行檢查，確保重要接縫的水密性及結(jié)構(gòu)安全，驗(yàn)收合格后方可投入使用。

3.2 拼裝要點(diǎn)

①第一步進(jìn)行放樣劃線工作；②拼裝從一個(gè)角向兩邊對(duì)稱進(jìn)行，直至合攏為止；③用頂、墊和支撐等方法對(duì)拼完后的第一層圍堰進(jìn)行校正；④先在岸上進(jìn)行預(yù)拼裝，然后利用吊機(jī)將其吊上工作平臺(tái)進(jìn)行逐段的接長合攏，以加快拼裝速度。

3.3 起吊與安裝

在對(duì)鋼圍堰進(jìn)行正式起吊之前，先進(jìn)行試調(diào)工作，具體操作如下：吊起鋼圍堰距離工作平臺(tái)5cm距離后停止起吊，并仔細(xì)對(duì)鋼吊箱進(jìn)行全面檢查，以確保其縱、橫和水平方向情況良好，沒有發(fā)生形變等情況；再吊起距作業(yè)平臺(tái)約50cm距離后停止起吊，鎖定各倒鏈滑車，然后拆除支撐平臺(tái)。

底節(jié)拼裝完畢后開始安裝起吊設(shè)備。吊箱起吊下放要進(jìn)行嚴(yán)格的檢查工作，再進(jìn)行正常的起吊，以消除安全隱患。先提高50cm，然后割除拼裝平臺(tái)，將阻礙圍堰下放的結(jié)構(gòu)進(jìn)行清除。利用千斤頂將圍堰緩慢下放至水中，下放過程中嚴(yán)格控制千斤頂下放的速度，保證各點(diǎn)按相同的下放速度入水，如圖3所示。

當(dāng)圍堰底節(jié)開始入水后，不要讓起吊設(shè)施松鉤，時(shí)刻保持起吊下放狀態(tài)。對(duì)吊箱的平面位置進(jìn)行部分調(diào)整。當(dāng)?shù)跸湎鲁林梁线m位置之后，將吊箱與墩位平臺(tái)進(jìn)行臨時(shí)連接。

圖3 鋼吊箱起吊和安裝步驟示意圖

3.4 孔隙的封堵

吊箱安裝到指定位置之后，指派潛水員采用膠墊和鋼板抱箍對(duì)護(hù)筒和底板之間的縫隙進(jìn)行封堵。

3.5 封底混凝土澆筑

鋼吊箱施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是——圍堰封底，圍堰施工的成功與否直接由封底質(zhì)量的好壞決定。所以，在施工中采取了以下措施，以確保封底成功:①使用C30混凝土封底，厚1.5m，提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)；②采用導(dǎo)管水下澆筑方法澆筑，避免混凝土出現(xiàn)“離析”現(xiàn)象；③考慮到封底混凝土受潮汐漲落水位變化(2m～6m)影響,為避免水壓對(duì)新澆筑封底混凝土造成破壞，在吊箱-4m處各開4個(gè)φ15 cm的閥門作為平衡孔,平衡吊箱內(nèi)外水壓。

3.6 體系轉(zhuǎn)換

封底混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，將抗浮牛腿與護(hù)筒焊接牢固，使牛腿發(fā)揮加強(qiáng)抗浮作用。保留底橫梁兩端12個(gè)吊點(diǎn)，在兼做立柱的牛腿上架設(shè)縱梁，然后拆除中間吊桿，再將保留的吊點(diǎn)轉(zhuǎn)移到縱梁上進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換，如圖4所示。

圖4 吊裝施工過程體系轉(zhuǎn)換示意圖

3.7 鋼吊箱拆除

(1)先逐層拆除支撐系統(tǒng)， 然后逐層拆除外側(cè)模板，再拆除底板。

(2)側(cè)板拆除后，在底托梁兩端上掛上鋼絲繩，由卷揚(yáng)機(jī)吊緊，再拆除吊桿，用卷揚(yáng)機(jī)來承受底板的重量。

(3)放松卷揚(yáng)機(jī),讓底板縱橫梁下降，并從混凝土中脫離出來。下放到海床后，逐塊抽出底板，然后拆除縱梁, 最后拆除底托梁。

4 結(jié)語

工程實(shí)踐表明，羅嶼大橋深水中承臺(tái)采用鋼吊箱圍堰的設(shè)計(jì)及施工,大大降低了水下工程施工的難度,使施工安全得到保障的同時(shí)節(jié)省了材料，并加快了施工進(jìn)度。筆者將其設(shè)計(jì)與施工付之于文，希冀能為同仁們提供他山之石。