大型鋼吊箱圍堰設計及施工關鍵技術

江羽習　韋權　陳家海

摘要：深水高樁承臺施工通常采用的方法包括無底鋼圍堰和有底鋼吊箱等。文章結合都安至巴馬高速公路主線紅水河特大橋主墩承臺施工實例，研究鋼吊箱圍堰設計及施工關鍵技術。通過科學嚴謹?shù)脑O計及施工，該工程主墩承臺順利完成施工，且特大橋已建成通車，可為同類橋梁主墩承臺施工提供參考。

關鍵詞：高樁承臺;鋼吊箱;封底混凝土;圍堰設計

中圖分類號：U443.16+2

0 引言

對于深水高樁承臺施工，目前通常采用的方法包括無底鋼圍堰和有底鋼吊箱等，其中鋼套箱若增設底板后，即成為鋼吊箱。賀州至巴馬高速公路（都安至巴馬段）三分部主線紅水河特大橋3#墩和4#墩承臺位于紅水河中，施工工期緊，是該項目的控制性工程[1]。

項目結合現(xiàn)場施工的實際情況，經(jīng)與雙壁鋼吊箱進行技術、經(jīng)濟比較，采用了單壁鋼吊箱施工工藝。為了最大化節(jié)省施工成本，在設計鋼吊箱結構時，引入灰色關聯(lián)分析原理[2]，對鋼吊箱系統(tǒng)進行結構設計優(yōu)化，鋼吊箱底板、壁板均可采用裝配式安裝，壁板作為擋水的同時，兼做承臺的側模板，施工速度快，結構安全可靠，具有較大的推廣前景，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

1 工程概況

賀州至巴馬高速公路（都安至巴馬段）主線紅水河特大橋主橋跨徑分布為（100+185+100） m預應力混凝土連續(xù)剛構箱梁，主橋全長385 m。其中，該特大橋的3#墩、4#墩位于水中，設計為高樁承臺下接群樁基礎，采用搭設棧橋及鋼平臺方式施工樁基，再利用鋼平臺進行鋼吊箱圍堰施工。主線紅水河特大橋布置圖如下頁圖1所示。

2 鋼吊箱結構設計

鋼吊箱設計為單壁、單室、有底結構，其原理是通過鋼吊箱的壁板和封底混凝土，為承臺施工提供無水的施工環(huán)境，滿足承臺在水中進行施工，鋼吊箱壁板兼做承臺的側模板[3]。鋼吊箱整體結構采用型鋼和鋼板的組合結構，鋼吊箱結構形式由底板系統(tǒng)、側板系統(tǒng)、內支撐系統(tǒng)、抗拉壓桿系統(tǒng)和懸吊系統(tǒng)等五部分組成[4]。

2.1 鋼吊箱結構組成

底板系統(tǒng)：底板設計橫橋向主梁為雙Ⅰ40a工字鋼，順橋向次梁為Ⅰ32a工字鋼，底板鋼板厚度為8 mm，作為封底混凝土澆筑的承重結構。

側板系統(tǒng)：鋼吊箱沿周長方向單節(jié)共分為22塊單元，其中單節(jié)長邊分7塊，寬邊分4塊，在發(fā)揮止水作用的同時，兼做承臺的側模。側板鋼板、背肋（角鋼、槽鋼）和鋼板焊接，大背楞與背肋連接。

內支撐系統(tǒng)：由雙拼Ⅰ32#b工字鋼圍檁和529×10 mm鋼管支撐構成，抵抗側板水壓力，確保結構的安全可靠。

抗拉壓桿系統(tǒng)：由雙拼[20a槽鋼抗拉壓桿將鋼護筒和底板系統(tǒng)連接成整體，在不同的施工階段起到抗拉、抗壓的安全儲備及鋼吊箱的定位作用。

懸吊系統(tǒng)：將32精軋螺紋鋼、雙拼Ⅰ40#a工字鋼橫梁、扁擔梁、千斤頂設在樁基鋼護筒上，通過懸吊系統(tǒng)將整個鋼吊箱下放到設計的標高。

連接件：側板間、底板和側板間采用螺栓連接，側板底部法蘭于底板鋼板，并在側板法蘭間夾橡膠止水條[5]。

2.2 鋼吊箱結構計算

以相關規(guī)范作為設計依據(jù)資料，并根據(jù)鋼吊箱下放就位采用現(xiàn)場拼裝，懸吊下放的特點，分別對鋼吊箱的安裝、下放、澆筑封底混凝土、圍堰內抽水完成和澆筑承臺混凝土五個工況的結構安全性進行驗算[6]。采用Midas Civil有限元軟件進行結構計算，有限元計算模型如圖2所示。

2.2.1 拼裝鋼吊箱工況

荷載組合1：1.1鋼吊箱自重+1.4施工荷載。

本工況施工內容為焊接拼裝平臺的牛腿、安裝吊箱底板、吊裝系統(tǒng)和鋼吊箱壁板，支撐系統(tǒng)為每個鋼護筒上的牛腿結構，底板分塊安裝，吊裝到位后安裝懸吊系統(tǒng)。荷載為底板自重（包括圍邊桿件）和底板安裝的施工荷載。結構自重由軟件按照材料密度和桿件截面大小以及長度自動計算，牛腿與鋼護筒的連接采用固結邊界條件，底板搭接在牛腿上，模型的邊界條件采用彈性連接，模擬工字鋼牛腿與底板骨架梁的接觸。本工況主要對拼裝平臺牛腿結構、焊縫、底板縱橫梁、底板鋼板構件的強度和剛度進行驗算。

2.2.2 下放鋼吊箱工況

荷載組合2：1.1鋼吊箱自重。

此工況主要考慮鋼吊箱結構各桿件及其整體的安全性，分別對鋼吊箱的底板縱橫梁、底板鋼板、側壁板、側壁板的加勁肋和背楞、支撐系統(tǒng)的鋼管支撐和圍檁、下放懸吊系統(tǒng)的上扁擔梁和吊桿的強度和剛度進行驗算。

2.2.3 澆筑封底混凝土工況

荷載組合3：1.1鋼吊箱自重+1.1封底混凝土重。

此工況主要考慮鋼吊箱結構各桿件及其整體的安全性，分別對鋼吊箱的底板縱橫梁、底板鋼板、鋼護筒、側壁板、側壁板的加勁肋和背楞、支撐系統(tǒng)的鋼管支撐和圍檁、抗拉壓桿的強度和剛度進行驗算。

2.2.4 高水位圍堰內抽水工況

荷載組合4：1.0鋼吊箱自重+1.0壁板水壓力+1.0動水壓力。

此工況主要考慮鋼吊箱結構各桿件及其整體的安全性，分別對鋼吊箱側壁板、側壁板的加勁肋、背楞、支撐系統(tǒng)的鋼管支撐和圍檁的強度和剛度進行驗算。

2.2.5 低水位澆筑承臺混凝土工況

荷載組合5：1.1鋼吊箱自重+1.1封底混凝土重+1.1承臺混凝土濕重+1.0低水位浮力。

此工況主要驗證在鋼吊箱自重、封底混凝土重和承臺混凝土濕重作用下鋼吊箱抗下滑力是否滿足要求。

2.2.6 封底混凝土強度計算

混凝土強度計算考慮的工況有：（1）高水位圍堰內抽水完成：高水位浮力+封底混凝土自重;（2）低水位澆筑承臺混凝土：低水位浮力+封底混凝土自重+承臺混凝土重荷載。這兩種工況主要驗證在外荷載作用下，封底混凝土的面板是否會出現(xiàn)開裂的情況。

封底混凝土標號為C30，鋼護筒的中心間距為6.25 m，鋼護筒直徑為2.4 m。按照單向板模型計算，計算跨度為6.25-2.4=3.85 m，寬度為1 m，截面高度為1.3 m。兩端邊界條件均為約束三個方向的平動，偏安全計算，不考慮底板型鋼骨架的作用[7]。

混凝土強度計算考慮的工況有：

（1）高水位圍堰內抽水完成：高水位浮力+封底混凝土自重。

（2）低水位澆筑承臺混凝土：低水位浮力+封底混凝土自重+承臺混凝土重。

高水位浮力為70 kN/m，低水位浮力為60 kN/m，承臺混凝土重為52 kN/m，封底混凝土重為33.8? kN/m。

高水位圍堰內抽水完成工況下的封底混凝土內力如圖3所示。

由計算結果可得，跨中的彎矩最大，最大值為67.1 kN/m。

抗彎慣性矩：

I=bh312=1×1.3312=0.183 m3

板頂拉應力為：

σ=MmaxyI=0.183 MPa <1.43 MPa

板頂不會開裂，滿足要求。

低水位澆筑承臺混凝土工況下的封底混凝土內力如圖4所示：

由計算結果可得，跨中的彎矩最大，最大值為47.8 kN/m。

抗彎慣性矩：

I=bh312=1×1.3312=0.183 m3

板底拉應力為：

σ=MmaxyI=0.131 MPa<1.43 MPa

板底不會開裂，滿足要求。

針對不同工況，采用Midas Civil軟件進行施工階段分析，各工況下各構件的應力應變均滿足規(guī)范要求，鋼吊箱結構和懸吊系統(tǒng)以及封底混凝土的強度剛度均在安全狀態(tài)以內。自重工況下有限元模型位移等值線如圖5所示[8]。

3 鋼吊箱施工關鍵技術

3.1 鋼吊箱工作平臺的搭設

拆除水上樁基施工平臺，利用鋼護筒搭設鋼吊箱施工作業(yè)平臺。先在主墩每個鋼護筒設計標高處順橋向兩側焊接型鋼牛腿，作為底板定位拼裝的臨時支撐平臺，下放后的底板可直接作為工人后續(xù)施工作業(yè)的操作平臺。

3.2 鋼吊箱加工

鋼吊箱構件在現(xiàn)場附近硬化的水平地面上制作，必須確保地基承載力及平整度滿足要求。制作鋼吊箱構件加工專用胎架，保證結構尺寸的精準，提高鋼吊箱加工質量。

在加工現(xiàn)場對鋼吊箱側板、抗拉壓柱、內支撐構件進行精準加工。在調運至現(xiàn)場進行拼裝前，為防止單壁鋼吊箱漏水，應對其進行水密性檢驗;下沉前，檢查焊縫質量，將焊渣除去后，檢驗焊接處是否有孔洞，并在焊縫處涂煤油，檢驗其背面是否有滲出。若出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，應重新補焊。

側板加工尤其要控制焊接熱應變導致的結構變形，變形過大則容易導致后期安裝時法蘭螺栓孔無法對上，影響側板的安裝。控制焊接熱應變的方法是：（1）先將大背楞焊接在組合鋼模板上，通過大背楞本身的剛度來限制模板的變形;（2）要采取跳焊、對稱焊的方式，防止局部焊接熱應變過大導致側板扭曲。

3.3 底板安裝

底板施工采用汽車吊將縱橫主、次梁下放安裝，再在底板次梁上安裝鋼板，安裝完第一塊底板后，接著采用同樣方法安裝相鄰的底板，將相鄰的底板精確調平后，形成鋼吊箱的底板。

為保證封底混凝土在鋼護筒連接處的厚度，發(fā)明了一種鋼吊箱底板與鋼護筒間空隙堵漏結構，專利號為：201921859649。

該裝置采用常用的型鋼板材加工安裝，結構簡潔，安裝方便。砂袋堆放標高比鋼吊箱底板標高低，保證了封底混凝土與鋼護筒之間的接觸面積滿足設計要求，砂袋位置不會造成封底混凝土握裹力的損失，保證了圍堰結構的安全。將砂袋在下放鋼吊箱前裝填到凹槽中，使砂袋可在下放鋼吊箱前裝填固定在鋼吊箱底板上，減少了大量的水下封堵工作，保證了作業(yè)人員的安全，提升了作業(yè)效率。

3.4 鋼吊箱抗拉壓柱裝置的安裝

抗拉壓柱采用雙拼槽鋼制作，與鋼護筒通過槽鋼進行連接，拉壓柱底端與吊箱底板焊接，上部在每個鋼護筒標高為157.5 m處設置滑槽，待吊箱下放到位并糾偏、定位準確后，上部連接槽鋼與拉壓柱及鋼護筒再進行焊接固定，連接時均要采用雙面滿焊焊接?？估瓑褐O在鋼護筒上、下游側，在不同的施工階段起到抗拉、抗壓的安全儲備及鋼吊箱的定位作用。

3.5 懸吊系統(tǒng)的安裝

在樁基鋼護筒頂部設置懸吊系統(tǒng)。懸吊系統(tǒng)由千斤頂及精軋螺紋鋼組成，進行鋼吊箱下放。懸吊系統(tǒng)底吊點與底板主梁連接，根據(jù)結構受力分布共設置8個單個頂升力為80 t的液壓千斤頂。

3.6 鋼吊箱側板的拼裝

鋼吊箱在加工廠分塊加工好，經(jīng)檢驗合格后，用平車轉運到拼裝現(xiàn)場，在作業(yè)平臺上用吊車起吊拼裝。

先調平底板，復核底板的平面尺寸和平整度，在已經(jīng)安裝好的吊箱底板上精確放樣出鋼吊箱壁的位置，用吊車將鋼吊箱側壁逐塊吊裝就位。在吊裝過程中要對每塊壁板進行精確定位，控制垂直度。每塊壁板調整到位后要先采用槽鋼把壁板與鋼護筒進行點焊臨時固定，槽鋼上下各兩根與壁板組成穩(wěn)定結構，對壁板進行初步固定。通過預先開好的螺栓孔把側板和底板通過螺栓連接穩(wěn)固，側板與側板、側板與底板間設置PEF泡沫板止水條。側板的拼裝順序是采取對稱拼裝，嚴格控制側壁板的垂直度和平面位置，按照序號先后進行對稱安裝，編號相鄰的板塊可同時安裝。

3.7 鋼吊箱下放

鋼吊箱安裝完側板圍檁后，在樁基鋼護筒上用千斤頂和精軋螺紋設置懸吊系統(tǒng)。用沙袋封堵底板與鋼護筒間的縫隙，割除牛腿和臨時固定構件，將鋼吊箱試提5 cm，確保懸吊系統(tǒng)的工作性能后進行鋼吊箱的下放。在下放過程中，為確保懸吊系統(tǒng)下放的同步性，在鋼吊箱四周的側板處用全站儀精準放樣，用油漆畫出不同標高的水平橫線，以觀察橫線的標高來確定鋼吊箱下放是否同步。同時，在懸吊系統(tǒng)的每個千斤頂處，采用鋼卷尺來測量每次下放的高程，確保每次下放高程的一致性。每次下放偏差控制在1 cm以內，并在下一個下放行程進行及時糾偏。

3.8 鋼吊箱內施工

鋼吊箱下放到位并調整位置符合要求后，將抗拉壓桿的上端與鋼護筒焊接，將側板與鋼護筒焊接（不能將側板與施工平臺焊接，防止平臺振動，擾動鋼吊箱側板或未凝固的混凝土）。下放前在鋼護筒側板水位標高下游處開兩個孔，在澆筑封底混凝土期間維持鋼吊箱內外水頭的平衡。封底采用C30水下混凝土，采用兩臺天泵澆筑。封底混凝土澆筑期間對已澆筑混凝土的標高進行勤量測，確保封底的施工質量。封底混凝土靜養(yǎng)7 d后進行鋼吊箱內抽水、設置內支撐、樁頭破除、承臺鋼筋綁扎及混凝土澆筑施工等工序[9]。

4 結語

本項目采用的單壁、單室、有底鋼吊箱結構，其壁板直接作為承臺模板使用，并發(fā)揮阻水創(chuàng)造內部無水施工環(huán)境的作用。承臺施工完成后，壁板可以回收再利用，節(jié)省了鋼材的用量。下放過程中采用千斤頂，結構輕便，人工操作即可，可以節(jié)省機械臺班費用。

鋼吊箱各結構部件通過在標準胎架上生產(chǎn)加工，加工尺寸精準度高，側板之間通過高強螺栓連接，拼裝簡單。經(jīng)過合理設計與理論計算，結構簡單，各構件的受力明確，結構安全可靠。

在鋼吊箱圍堰加工過程中需格外關注焊接應變問題，在澆筑封底混凝土過程中需要防止結構受到擾動。本項目在封底混凝土實施過程中出現(xiàn)局部裂紋，有滲水情況，通過研究大量實例發(fā)現(xiàn)封底混凝土滲水情況普遍存在，因此未來可以創(chuàng)新設計，考慮少澆筑封底混凝土甚至不澆筑封底混凝土，使圍堰的施工更加安全可靠。

參考文獻

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[9]趙 明，胡乙民，邱 明，等.雙壁鋼吊箱在深水基礎中的應用[J].公路，2016，61（6）：199-202.

作者簡介：

江羽習（1969—），高級工程師，主要從事路橋施工技術研究工作;

韋 權（1994—），工程師，主要主要從事道路橋梁施工技術管理工作;

陳家海（1991—），碩士，工程師，主要從事道路橋梁施工技術管理工作。