深水裸露基巖庫(kù)區(qū)長(zhǎng)大承臺(tái)鋼套箱分段組合施工技術(shù)*

金仁貴

(中鐵十六局集團(tuán)第三工程有限公司，浙江 湖州 313000)

0 引言

鋼套箱作為橋梁水中承臺(tái)施工的常用方法[1-3]，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[4-8]，按套箱安裝下放方法分為整體下放和分片拼裝，按鋼套箱壁體連接形式分為焊接和螺栓連接，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和水文地質(zhì)條件的不同，所采取的方案也有所不同[9-12]。

1 工程概況

本項(xiàng)目石浦大橋4號(hào)墩距離東河岸70m，橋墩處水深4～5m，河床有淺層卵石覆蓋層1.0～1.2m；5號(hào)墩距離西河岸50m，橋墩處水深5m，該處河床為裸露基巖，傾斜狀，無(wú)法插打鋼板樁形成圍堰，且承臺(tái)設(shè)計(jì)為啞鈴形，長(zhǎng)度達(dá)40.9m，寬7.5m，中部最窄處3.0m，厚度3.5m，設(shè)計(jì)頂面標(biāo)高37.5m，如采用整體鋼套箱圍堰，套箱總重將在130t左右，需要較大噸位起重設(shè)備，受工地便橋載重影響，一次性起吊鋼套箱的設(shè)備無(wú)法到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，受上下游船閘影響，較大浮吊設(shè)備也不能到達(dá)，且一次性起吊超長(zhǎng)鋼套箱需制作特殊的桁架扁擔(dān)，復(fù)雜且不經(jīng)濟(jì)。因此采用了大型鋼套箱圍堰分體組合施工技術(shù)，將鋼套箱進(jìn)行分體組合，施工時(shí)將鋼套箱劃分為4個(gè)節(jié)段吊裝，設(shè)置2個(gè)隔倉(cāng)板(3個(gè)隔倉(cāng))，該方法既滿足采用一般吊裝設(shè)備進(jìn)行鋼套箱施工又減輕了封底混凝土施工組織壓力，有效解決了深水裸巖及淺層覆蓋大型鋼套箱圍堰施工問(wèn)題。

橋墩距離河岸較近，水深相對(duì)較淺，經(jīng)過(guò)防洪影響評(píng)價(jià)并征得當(dāng)?shù)厮畡?wù)部門同意，采取對(duì)橋墩處進(jìn)行筑島，筑島完成進(jìn)行樁基礎(chǔ)施工，樁基礎(chǔ)采用“先樁后堰法”施工。鉆孔樁施工完畢，在承臺(tái)處反開(kāi)挖基坑，通過(guò)下放鋼套箱圍堰進(jìn)行后續(xù)施工。

2 鋼套箱設(shè)計(jì)

2.1 鋼套箱結(jié)構(gòu)布置

鋼套箱尺寸為10m(寬)×43.0m(長(zhǎng))×4.5m(高)。面板采用5mm厚鋼板，橫肋為[6.3，間距30cm，豎肋采用[18a，設(shè)2根圍檁為2 [25a，第1道圍檁軸線標(biāo)高為39.000m，第2道圍檁軸線標(biāo)高為41.700m，內(nèi)支撐采用φ273×6.5螺旋鋼管。套箱底部采用C30混凝土，厚度1.0m。具體布置如圖1所示。

圖1 鋼套箱示意(單位：cm)

2.2 箱體結(jié)構(gòu)

為了后期拆卸方便，鋼套箱箱體結(jié)構(gòu)采取朝內(nèi)設(shè)計(jì)，即面板在圍堰外側(cè)面，箱體結(jié)構(gòu)由5mm面板+[6.3水平肋+雙拼[20a豎向背楞組成，面板同水平肋之間采用間隔焊接，水平肋沿豎向以30cm間距布置，豎向背楞沿水平方向布置間距為100cm，如圖2所示。各單元由豎向板塊組拼，豎向又分為兩部分，下部 1.2m 高，上部 3.3m高(后期拆除重復(fù)使用)，豎向板塊上下部分之間采用雙拼5mm鋼板，通過(guò)雙排螺栓連接板，連接板內(nèi)夾密封橡膠條用以止水。

圖2 鋼套箱構(gòu)造示意(單位：cm)

3 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

鋼套箱位于筑島平臺(tái)基坑內(nèi)，計(jì)算時(shí)只考慮靜水壓力的影響。在箱內(nèi)未抽水前，鋼套箱內(nèi)外水壓平衡，當(dāng)封底混凝土施工達(dá)到強(qiáng)度且抽水完畢后，為最大受力工況。

3.1 面板驗(yàn)算

取10mm寬面板條作為計(jì)算單元，以封底混凝土頂面處受力最大，計(jì)算最高水位38.000m(在歷年最高水位的基礎(chǔ)上加0.5m)，則單位寬板承受的荷載為0.4kN/m。

偏于安全考慮，不考慮橫肋板對(duì)面板的加強(qiáng)作用，將面板受力狀況簡(jiǎn)化為以豎向槽鋼為支點(diǎn)的三跨連續(xù)梁，跨徑0.3m。根據(jù)《路橋施工計(jì)算手冊(cè)》進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果均滿足要求。

3.2 橫肋驗(yàn)算

橫向背楞布置間距為30cm，以封底混凝土頂面處受力最大，作用在背楞上的荷載寬度取0.3m，則以豎向背楞作為支點(diǎn)，每塊模板寬3.0m，則計(jì)算跨徑為0.3m(懸臂)+3×0.8m+0.3m(懸臂)，采用Midas civil軟件進(jìn)行計(jì)算。

經(jīng)計(jì)算，彎曲應(yīng)力σ=40.5MPa<[σ]=170MPa，滿足要求；剪切應(yīng)力為τmax=19.5MPa<[τ]=100MPa，滿足要求；懸臂段撓度：fmac=0.1mm<300/250=1.2mm，滿足要求；跨中撓度：fmac=0.2mm<800/250=3.2mm，滿足要求。

3.3 豎肋驗(yàn)算

豎向背楞受力簡(jiǎn)化為以封底混凝土頂面處作為下支點(diǎn)，頂端橫撐作為上支點(diǎn)的簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)。作用在豎向背楞上的荷載寬度0.8m，水壓力P0為0，P1max=0.8γH2=32kN/m。受力模型如圖3所示。

圖3 鋼套箱受力模型

經(jīng)計(jì)算，彎曲應(yīng)力：σ=114.2MPa<[σ]=170MPa，滿足要求；剪切應(yīng)力τmax=19.96MPa<[τ]=100MPa，滿足要求；撓度計(jì)算：f=10mm<400/250=16mm，滿足要求。

3.4 圍檁驗(yàn)算

作用在圍檁上的力為R=21.3kN，簡(jiǎn)化為均布荷載為q=21.3/0.8=26.6kN/m。

經(jīng)計(jì)算，彎曲應(yīng)力：σ=158.2MPa<[σ]=170MPa，滿足要求；剪切應(yīng)力τmax=19.96MPa<[τ]=100MPa，滿足要求；支撐鋼管軸向應(yīng)力σ=38.3MPa<[σ]=170MPa，滿足要求。

3.5 封底混凝土抗傾覆驗(yàn)算

封底混凝土采用C30混凝土，有效計(jì)算厚度1.0m，圍堰最大尺寸43.0m×10m，13根樁基，基坑深度取6.0m。鋼與混凝土的粘結(jié)力取150kN/m2，混凝土容重取24kN/m3。

計(jì)算得：水的浮力P=ρvg=16 856kN，封底混凝土自重G=ρv=29 526kN，封底混凝土與樁基黏聚力：N1=11 021.4kN，封底混凝土與套箱黏聚力：N2=15 900kN。

抗傾覆安全系數(shù)K=2.2>1.1，抗浮滿足要求。

4 鋼套箱施工技術(shù)

4.1 施工工藝流程

施工工藝流程：施工準(zhǔn)備→筑島施工→樁基施工→開(kāi)挖基坑→拼裝鋼套箱→節(jié)段安裝→鋼套箱調(diào)至設(shè)計(jì)位置→箱外穩(wěn)定箱回填→箱內(nèi)超挖回填→封底混凝土施工→封閉接頭→混凝土養(yǎng)護(hù)→抽水→承臺(tái)施工→圍堰拆除。

4.2 鋼圍堰施工

在承臺(tái)位置，利用石碴填筑樁基施工場(chǎng)地，滿足樁基施工要求。樁基施工完成，用挖掘機(jī)等設(shè)備開(kāi)挖基坑，沉放鋼套箱。將鋼套箱 “化整為零”，鋼套箱在平面上根據(jù)結(jié)構(gòu)物形狀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等情況進(jìn)行節(jié)段劃分，各節(jié)段的單元壁板于岸邊加工場(chǎng)地進(jìn)行加工，在基坑附近組拼成節(jié)段，各節(jié)段內(nèi)根據(jù)封底混凝土施工組織能力設(shè)置隔倉(cāng)板，節(jié)段拼裝完成，按照預(yù)定順序吊裝入水，沉放時(shí)通過(guò)穩(wěn)箱支腿和回填石碴臨時(shí)固定套箱，各節(jié)段之間通過(guò)接頭裝置進(jìn)行組合，組合完成后灌注各倉(cāng)封底混凝土，最后灌注接頭混凝土，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求后，抽水形成圍堰。

4.2.1節(jié)段預(yù)拼與組合安裝

鋼套箱單元拼裝在墩旁筑島上進(jìn)行，各節(jié)段按照安裝順序進(jìn)行預(yù)拼依次排好，為保持起吊平衡和吊裝時(shí)定位精度要求，鋼套箱吊裝采用2臺(tái)180t汽車式起重機(jī)抬吊，套箱起吊入水后，進(jìn)行測(cè)量定位，施放套箱支腿并將支腿同箱壁焊接臨時(shí)穩(wěn)定套箱，箱體兩側(cè)對(duì)稱回填石碴，待箱體同石渣之間形成足夠摩擦力，吊裝設(shè)備松鉤，后續(xù)單元逐次吊裝就位。鋼套箱安裝完畢，測(cè)量箱內(nèi)深度，對(duì)超深較多部位回填細(xì)粒石料調(diào)整高度，直至滿足要求。

鋼套箱各節(jié)段單元端頭接頭板和壁板之間必須焊接嚴(yán)密，單元上下和左右連接位置，嚴(yán)格放置硅膠質(zhì)防水材料，內(nèi)外各1道，鋼套箱接頭裝置鋼管縱縫基本寬度為5～8cm，施工時(shí)寬度宜寬不宜小，且縫寬要求均勻，上下一致，接頭管和縱縫垂直度偏差控制在0.5%之內(nèi)，鋼套箱接頭裝置鋼管縱縫之間距離和對(duì)應(yīng)接頭H型鋼之間距離在預(yù)拼時(shí)要進(jìn)行測(cè)量，寬度誤差需控制在3cm之內(nèi)。

4.2.2筑島反開(kāi)挖

基坑反開(kāi)挖前進(jìn)行場(chǎng)地平整，測(cè)量放樣開(kāi)挖輪廓，開(kāi)挖機(jī)械采用CAT320挖掘機(jī)和長(zhǎng)臂挖掘機(jī)配合使用，為了保證鋼套箱安裝時(shí)能夠滿足要求，開(kāi)挖深度超出設(shè)計(jì)圍堰底部0.5～0.8m。

基坑開(kāi)挖時(shí)嚴(yán)格按照既定順序進(jìn)行，宜采用由一端向另一端的順序，先采用普通挖機(jī)進(jìn)行深挖，為了保證基本挖掘深度能夠達(dá)到要求，在挖掘機(jī)大臂上標(biāo)注挖深刻度線，用于控制大致深度，由于基坑內(nèi)有樁基樁頭，樁間空間較小，樁基呈梅花形布置，基坑挖掘時(shí)，宜多方向進(jìn)行挖掘，不能有漏挖，長(zhǎng)臂挖掘機(jī)用于對(duì)初步挖掘后的基坑進(jìn)行補(bǔ)挖，補(bǔ)挖時(shí)需同步進(jìn)行深度探測(cè)。探測(cè)時(shí)測(cè)量人員在小型浮船上用探尺逐點(diǎn)控制一定的超挖深度，以確保鋼套箱安裝時(shí)的高度位置能夠到位，控制水下基坑底周邊不小于鋼套箱輪廓外2.0m寬的開(kāi)挖寬度，以確保鋼套箱安裝時(shí)的平面位置能夠到位。

4.2.3鋼套箱下水

首節(jié)鋼套箱定位是整個(gè)鋼套箱安裝的關(guān)鍵，需按照提前放出的縱橫向軸線和高程刻度標(biāo)線嚴(yán)格定位，平面位置和高程偏差不得超過(guò)10cm，鋼套箱在接續(xù)安裝時(shí)可以通過(guò)接頭裝置進(jìn)行縱向距離和方向調(diào)整，以彌補(bǔ)前節(jié)段鋼套箱安裝的位置偏差。施工時(shí)為確保鋼套箱下沉過(guò)程中不偏移中線并輔助下沉，在鋼套箱外側(cè)接頭管附近設(shè)置穩(wěn)定支腿。穩(wěn)定支腿由φ273×6鋼管組成，單個(gè)穩(wěn)箱支腿同套箱壁板之間焊接長(zhǎng)度不得小于50cm。套箱定位后，采用振動(dòng)錘在穩(wěn)定支腿頂部施打，確保下沉到位，必要時(shí)借助長(zhǎng)臂挖機(jī)輔助下沉。套箱下沉到位后，在箱外回填石碴過(guò)程中，起重機(jī)不得松鉤，回填石碴需兩側(cè)對(duì)稱進(jìn)行，隨時(shí)觀測(cè)套箱位移偏差。

4.2.4鋼套箱封底施工

封底時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)混凝土供應(yīng)能力和設(shè)備、人員情況，確定組織封底施工次數(shù)，可以連續(xù)將3個(gè)倉(cāng)灌注完成，組織單倉(cāng)灌注，間歇性施工，間隔時(shí)間無(wú)特殊要求。封底采用單導(dǎo)管水下混凝土，灌注過(guò)程中設(shè)專人采用探桿探測(cè)封底厚度，確保無(wú)遺漏和厚度達(dá)到設(shè)計(jì)要求的95%以上，封底混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間不得少于3d。

5 注意事項(xiàng)

1)變形觀測(cè)

在鋼套箱每個(gè)節(jié)段設(shè)置水平位移和豎向位移觀測(cè)點(diǎn)，鋼套箱封底完成，抽水過(guò)程中對(duì)鋼套箱水平和豎向位移進(jìn)行觀測(cè)，出現(xiàn)異常情況立即停止抽水，分析原因制定處理方案后方可進(jìn)一步施工。

2)堵漏

由于鋼套箱封底是在水下灌注而成，存在不可預(yù)見(jiàn)性，大面積的水下混凝土施工難免有部分角落灌注遺漏，封底厚度灌注偏差較大、接頭板螺栓缺失、壁板焊縫漏水等各種情況發(fā)生，漏水點(diǎn)會(huì)在抽水過(guò)程中逐一顯現(xiàn)，施工中采取二次補(bǔ)封、木塞堵孔、拋灑水泥鋸末拌合粉等措施進(jìn)行漏水封堵，施工中取得了良好的效果。

6 結(jié)語(yǔ)

由于施工現(xiàn)場(chǎng)處于深水庫(kù)區(qū)，大型吊裝設(shè)備難以抵達(dá)，因此采用分段拆裝的思路通將承臺(tái)鋼套箱進(jìn)行分體組合，施工時(shí)將鋼套箱劃分為4節(jié)段吊裝，設(shè)置2個(gè)隔倉(cāng)板(3個(gè)隔倉(cāng))，該方法既滿足采用一般吊裝設(shè)備進(jìn)行鋼套箱施工要求又減輕了封底混凝土施工組織壓力，且適用于近岸裸巖河床水域不嵌巖承臺(tái)大型鋼圍堰施工，大大降低施工對(duì)吊裝設(shè)備、運(yùn)輸條件、場(chǎng)地布置的要求，同時(shí)材料重復(fù)利用率高，節(jié)約成本。