無(wú)底鋼套箱圍堰在山區(qū)橋梁水下承臺(tái)施工中的應(yīng)用

甘新濤，安 航，駱江紅

貴州省公路工程集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550000

1 工程概況

1.1 工程情況

烏江三橋設(shè)計(jì)為單塔不對(duì)稱斜拉橋，設(shè)計(jì)主跨徑為145m+160m，主跨按三級(jí)航道設(shè)計(jì)規(guī)劃設(shè)計(jì)；3號(hào)主塔承臺(tái)位于烏江河道的淺灘處，承臺(tái)設(shè)計(jì)為分離式，間距9.7m，尺寸為23.2m×12.8m×6m，承臺(tái)底標(biāo)高為289.328m，承臺(tái)頂標(biāo)高為295.328m。橋塔樁基為群樁，采用C30混凝土，單個(gè)承臺(tái)設(shè)計(jì)為8根（Φ2.8m）樁基，主塔樁基共計(jì)16根。

1.2 水文情況

橋位的主航道河槽為U形，承臺(tái)與主航河底高差約為20m。3號(hào)主塔承臺(tái)位置的水位受上游沙陀電站泄洪及下游重慶彭水電站蓄水影響，承臺(tái)施工正遇冬季，通過(guò)對(duì)上游沙坨電站及下游重慶彭水電站的調(diào)查可知，歷年橋位區(qū)最高水位標(biāo)高為293.00m。橋位區(qū)冬期水位調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1所示。橋位區(qū)枯水期及深水位現(xiàn)場(chǎng)如圖2、圖3所示。

圖1 2016年11月14日—12月4日橋位區(qū)冬期水位調(diào)查統(tǒng)計(jì)折線圖

圖2 橋位區(qū)枯水期現(xiàn)場(chǎng)

圖3 橋位區(qū)深水位現(xiàn)場(chǎng)

2 鋼套箱圍設(shè)計(jì)

上游沙坨電站及下游重慶彭水電站的歷年橋位區(qū)最高水位標(biāo)高為293m，因此鋼套箱最高施工水位按293m進(jìn)行設(shè)計(jì)。河床為裸露基巖，鋼套箱設(shè)計(jì)采用無(wú)刃腳無(wú)底套箱。

2.1 結(jié)構(gòu)受力分析

無(wú)底鋼套箱圍堰作為臨時(shí)結(jié)構(gòu)為承臺(tái)施工提供無(wú)水的施工環(huán)境，同時(shí)是承臺(tái)施工模板，施工中要承受靜水壓力、新澆混凝土側(cè)壓力、上游泄洪和下游蓄水時(shí)流水壓力，豎向承受水的浮力和混凝土重力。為了確保鋼套箱施工安全，對(duì)以下兩種最不利工況進(jìn)行受力分析。

（1）工況一：封底混凝土強(qiáng)度滿足要求后，高水位（293m）抽水時(shí)鋼套箱因承受外側(cè)水壓力而產(chǎn)生的受力和變形。

（2）工況二：低水位（低于承臺(tái)底標(biāo)高）澆筑承臺(tái)混凝土?xí)r，鋼套箱僅承受內(nèi)側(cè)混凝土壓力而產(chǎn)生的受力和變形。

2.2 無(wú)底鋼套箱構(gòu)造設(shè)計(jì)

無(wú)底鋼套箱圍堰由壁板、內(nèi)支撐系統(tǒng)、桁架系統(tǒng)等組成，其中壁板結(jié)構(gòu)由壁板、面板加勁肋、水平桁架和鋼箱組成。套箱內(nèi)設(shè)置兩排組合支撐結(jié)構(gòu)體系，該套箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮外部水壓力和內(nèi)部混凝土測(cè)壓力產(chǎn)生的荷載。鋼套箱結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

圖4 套箱結(jié)構(gòu)示意圖

（1）面板結(jié)構(gòu)。面板結(jié)構(gòu)包括面板和加勁肋，兩者之間通過(guò)焊接連接。面板采用10mm厚鋼板，加勁肋采用L100×6.5mm角鋼，間距為35cm。考慮套箱下沉需要，在壁板上焊接吊裝扣耳，扣耳采用1cm鋼板組合焊接而成。

（2）水平桁架。壁板上設(shè)置8道水平檁條，間距為0.5m+5×1m+1.3m。水平桁架由橫向、縱向斜桿組成，檁條為L(zhǎng)100×6.5mm角鋼，縱向斜桿采用2L100×6.5mm等邊角鋼，橫向斜桿采用2L100×6.5mm角鋼，焊縫均按薄板母材厚度控制。

（3）內(nèi)支撐系統(tǒng)。設(shè)置兩層內(nèi)支撐系統(tǒng)。系統(tǒng)桿件由支撐和圍檁組成，支撐為Φ630mm鋼管，圍檁為3片I36組合工字鋼。下層內(nèi)支撐不參與受力，主要是輔助套箱下沉，將套箱連接成一個(gè)整體，防止套箱下沉?xí)r不均勻?qū)μ紫涓鳂?gòu)件造成損傷。套箱下沉到位后及時(shí)封堵和封底。

3 鋼套箱施工

3.1 搭建套箱拼裝平臺(tái)

主塔樁基施工完成后，拆除既有鋼平臺(tái)，在鋼護(hù)筒與鋼棧橋鋼管樁間搭建套箱拼裝平臺(tái)。

3.2 基礎(chǔ)處理

河床為裸露基巖，河床面凹凸不平，要確保鋼套箱能夠平穩(wěn)下放至河床底，并能成功封堵套箱底與巖石之間的空隙，需對(duì)承臺(tái)基底進(jìn)行爆破調(diào)平處理。鋼套箱拼裝平臺(tái)搭建完成后，將爆破鉆孔設(shè)備吊裝在鋼套箱拼裝平臺(tái)上，對(duì)承臺(tái)基底鉆孔爆破調(diào)平，爆破的渣石采用長(zhǎng)臂挖機(jī)進(jìn)行清理?；妆铺幚憩F(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。

圖5 基底爆破處理現(xiàn)場(chǎng)圖

3.3 鋼套箱加工

（1）鋼套箱加工要求。進(jìn)行鋼套箱焊接施工前，對(duì)各構(gòu)件的焊接部位應(yīng)除銹、清污。為了減少和控制焊接應(yīng)力及焊接變形，對(duì)長(zhǎng)焊縫采用分段反向跳焊法，每段施焊長(zhǎng)度以20～40cm為宜，最后將焊縫填滿。在鋼套箱加工、運(yùn)輸過(guò)程中應(yīng)防止發(fā)生碰撞，避免造成構(gòu)件的過(guò)大變形而影響安裝。

鋼套箱焊接工藝要求：加勁肋與面板之間采用間斷焊接，每段焊接長(zhǎng)度為5cm，總的焊縫長(zhǎng)度不小于兩者接觸長(zhǎng)度的40%；加勁板與面板之間采用間斷焊縫，每段焊縫長(zhǎng)度為8cm，總的焊縫長(zhǎng)度不小于兩者接觸長(zhǎng)度的50%；環(huán)板與斜桿、面板加勁肋之間必須滿焊；鋼套箱構(gòu)件之間必須滿焊。

（2）現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)輸及吊運(yùn)。鋼套箱材料加工并試拼完成后，采用拖車(chē)運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)主棧橋上，采用25t吊車(chē)在支棧橋上卸車(chē)、現(xiàn)場(chǎng)組裝。各構(gòu)件在加工和運(yùn)輸過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)防護(hù)，不得損傷和撞擊，在起吊和下放過(guò)程中注意輕提輕放，同時(shí)注意人員和設(shè)備安全，嚴(yán)格遵守安全操作規(guī)程的相關(guān)要求。

（3）鋼套箱安裝。套箱每塊設(shè)計(jì)高度為6.6m，設(shè)計(jì)有A、B、C三類，共計(jì)22塊，寬度分別為3.3m、2.9m、3.4m。套箱采用高強(qiáng)螺栓連接，拼裝接縫設(shè)置厚1cm的橡膠墊。采用25t吊車(chē)將鋼套箱逐塊起吊就位，臨時(shí)定位固定。采用焊接連接，依次施工完成拼裝，為了避免套箱不均勻下沉，拼裝時(shí)需對(duì)稱進(jìn)行。吊裝鋼套箱時(shí)，先對(duì)鋼套箱進(jìn)行臨時(shí)固定。安裝包含內(nèi)支撐系統(tǒng)及外側(cè)套箱系統(tǒng)，安裝后應(yīng)詳細(xì)檢查，確保無(wú)松動(dòng)。鋼套箱安裝完成后，在樁基鋼護(hù)筒套箱內(nèi)側(cè)安裝導(dǎo)向架，導(dǎo)向架采用I25型鋼加工而成。

3.4 懸吊系統(tǒng)安裝

套箱總重量為120t，采用12個(gè)吊點(diǎn)，吊點(diǎn)分別為長(zhǎng)面?zhèn)龋?3.2m）兩側(cè)各4個(gè)點(diǎn)，短面?zhèn)龋?2.8m）各設(shè)2個(gè)點(diǎn)，長(zhǎng)面吊點(diǎn)主要由鋼護(hù)筒與鋼便橋支撐受力，短面是設(shè)置通長(zhǎng)的I36工字鋼組合梁懸挑提升。

懸吊系統(tǒng)主要由支撐架、Φ32mm精軋螺紋鋼、液壓千斤頂組成，設(shè)計(jì)單個(gè)吊點(diǎn)的最大受力不超過(guò)200kN。安裝精軋螺紋鋼時(shí)，上下吊點(diǎn)應(yīng)保持垂直，切忌吊桿傾斜，影響正常受力。

3.5 套箱下沉

套箱采用32t千斤頂分多次行程下放，共設(shè)12個(gè)吊點(diǎn)。下沉現(xiàn)場(chǎng)設(shè)12名操作手、1名總指揮、1名技術(shù)指導(dǎo)。下放前應(yīng)進(jìn)行技術(shù)交底，對(duì)下放操作人員進(jìn)行演練示范，每次下放由總指揮統(tǒng)一指揮，確保每次下放行程誤差控制在3mm以下。在鋼套箱下沉過(guò)程中，對(duì)其頂面、縱、橫橋向的軸線和垂直度進(jìn)行跟蹤觀測(cè)，并做好相關(guān)的觀測(cè)記錄。鋼套箱下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，對(duì)基底面進(jìn)行整平，保證水下封底混凝土在基腳處的最小厚度滿足設(shè)計(jì)要求。鋼套箱下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，對(duì)封底混凝土范圍內(nèi)的套箱內(nèi)壁和護(hù)筒外壁上的泥污進(jìn)行清除，以保證封底混凝土與兩者之間的黏結(jié)質(zhì)量。為了防止基底沖刷造成箱體偏斜，下放到設(shè)計(jì)標(biāo)高后在套箱外側(cè)由潛水員用沙袋碼放封堵。

3.6 封底混凝土

封底混凝土設(shè)計(jì)厚度為80cm，單個(gè)承臺(tái)封底混凝土192m3，設(shè)計(jì)為水下不離析自流平混凝土。設(shè)計(jì)配合比為水泥∶粉煤灰∶機(jī)制砂∶碎石∶水∶外加劑∶絮凝劑=349∶87∶899∶899∶196∶6.10∶13.08。

待套箱安裝完成后，對(duì)套箱底封底，由于封底混凝土厚度較薄，為了使混凝土厚度均勻，共設(shè)置10處下料點(diǎn)。在澆筑過(guò)程中嚴(yán)格控制混凝土的拌和和澆筑質(zhì)量，保證混凝土的流動(dòng)性，并在澆筑過(guò)程中做好標(biāo)高記錄。

3.7 抽水及割除鋼護(hù)筒

封底混凝土強(qiáng)度達(dá)到90%后開(kāi)始抽水，抽水速度不宜過(guò)快，抽水過(guò)程中需仔細(xì)觀察套箱圍堰變形情況，抽水到底部后仔細(xì)檢查封底混凝土質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題應(yīng)及時(shí)處理。

每個(gè)承臺(tái)有8個(gè)鋼護(hù)筒，待箱內(nèi)水抽完成后，開(kāi)始割除鋼護(hù)筒，割除后采用吊車(chē)起吊，提升時(shí)應(yīng)控制速度，以防碰撞內(nèi)支撐系統(tǒng)。待鋼護(hù)筒割除后，對(duì)箱內(nèi)封底混凝土表面清掃干凈，做好承臺(tái)施工的準(zhǔn)備工作。

3.8 鋼筋及冷卻管的安裝

（1）鋼筋安裝。承臺(tái)設(shè)計(jì)高度為6m，分2次澆筑，每次澆筑3m。第一次安裝鋼筋量900t，在鋼筋安裝前，拆除鋼套箱下層內(nèi)支撐。為了保證鋼筋接頭錯(cuò)開(kāi)距離不少于1m，側(cè)面鋼筋豎向長(zhǎng)度分別加工為3.2m和4.2m，上層內(nèi)支撐設(shè)計(jì)在4.2m以上，不影響下層鋼筋施工。鋼筋安裝完成后布設(shè)冷卻水管，經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)合格后方可澆筑第一次混凝土。待第一次混凝土強(qiáng)度滿足要求后，拆除鋼套箱上層內(nèi)支撐。第二次安裝鋼筋678.9t，鋼筋下料應(yīng)根據(jù)下層高度補(bǔ)接達(dá)到設(shè)計(jì)尺寸。冷卻水管接到承臺(tái)頂部，并預(yù)埋主塔鋼筋，經(jīng)檢驗(yàn)合格后，澆筑承臺(tái)第二次混凝土。

（2）冷卻管安裝及加工。冷卻管采用外徑為40mm、壁厚2.5mm的鋼管。承臺(tái)每層冷卻管設(shè)計(jì)為“一進(jìn)兩出”，冷卻管應(yīng)固定牢固，并在混凝土澆筑前進(jìn)行灌水檢查。施工振搗時(shí)注意保護(hù)好冷卻管，避免混凝土漏漿堵塞。

3.9 混凝土澆筑及養(yǎng)護(hù)

（1）混凝土澆筑。為了降低混凝土內(nèi)部溫度，混凝土配合比應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，宜采用低熱微膨脹水泥或水化熱較低的礦渣硅酸鹽水泥，且摻入適量Ⅰ級(jí)磨細(xì)粉煤灰。粉煤灰的摻入量需根據(jù)試驗(yàn)確定，但摻入比例不宜超過(guò)水泥用量的20%。澆筑時(shí)分4處下料，分層振搗，每層厚度控制在50cm以下。澆筑完成使其獲得一定強(qiáng)度后鑿毛處理表面浮漿，第二層澆筑前應(yīng)灑水濕潤(rùn)底層混凝土，混凝土初凝后開(kāi)始進(jìn)行養(yǎng)護(hù)及循環(huán)水。

（2）混凝土養(yǎng)護(hù)及水化熱控制。承臺(tái)四周被水淹沒(méi)，養(yǎng)生自然條件較好，頂面均由循環(huán)水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于7d。冷卻管進(jìn)水口應(yīng)保證有足夠的水壓力，開(kāi)始循環(huán)水后每天24h不間斷地測(cè)試水溫，確保內(nèi)外溫差控制在25℃以下。

3.10 鋼套箱拆除

承臺(tái)強(qiáng)度達(dá)到75%后，可以拆除鋼套箱，拆除時(shí)松開(kāi)兩側(cè)連接螺栓。為了防止鋼套箱變形過(guò)大，禁止使用重錘敲打，套箱拆除后可以轉(zhuǎn)移到另一幅安裝使用。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章以沿河縣烏江三橋山區(qū)水下基礎(chǔ)承臺(tái)施工為例，對(duì)前期水文資料調(diào)查及近期水位變化情況統(tǒng)計(jì)進(jìn)行了分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)實(shí)際情況擬定無(wú)刃腳無(wú)底鋼套箱圍堰施工方案。無(wú)底鋼套箱圍堰施工技術(shù)在該橋水下承臺(tái)施工中的成功應(yīng)用，取得了施工安全可控、施工精度高的良好效果，為項(xiàng)目節(jié)約了一定的施工工期和施工成本，獲得了業(yè)主及各上級(jí)單位的一致認(rèn)可，為類似的橋梁基礎(chǔ)施工提供了一定的參考。