超大直徑圓形鋼圍堰設(shè)計(jì)與安裝關(guān)鍵技術(shù)*

尚 龍,楊勇敢

(1.中交第二航務(wù)工程局第四工程有限公司,安徽 蕪湖 241000; 2.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

1 工程概況

蕪湖長(zhǎng)江公路二橋跨江主橋?yàn)?100+308+806+308+100)m五跨分肢柱式塔分離鋼箱梁四索面斜拉橋,全飄浮體系,塔高262.48m。其中南主墩基礎(chǔ)采用直徑39.0m圓形承臺(tái),承臺(tái)厚8.0m,底標(biāo)高-6.000m,頂標(biāo)高+2.000m,下設(shè)3.0m厚封底混凝土,底標(biāo)高-9.000m。承臺(tái)下設(shè)30根直徑3.4～3.0m變截面鉆孔灌注樁,樁長(zhǎng)80.2m,承臺(tái)底面至局部沖刷線以下10m范圍采用3.4m樁徑,余下樁基采用3.0m樁徑,鉆孔樁直徑3.4m范圍內(nèi)鋼護(hù)筒設(shè)計(jì)為永久鋼護(hù)筒。該位置河床面標(biāo)高約為-28.300m。橋位處設(shè)計(jì)最高通航水位為+11.980m,設(shè)計(jì)最低通航水位+0.790m,多年平均水位為+5.120m。橋位處南主墩處于長(zhǎng)江深泓區(qū),墩位處水流表面最大流速為2.17m/s,覆蓋層厚8m(包括卵礫石層),最大水深約40m。

2 鋼圍堰設(shè)計(jì)

結(jié)合圍堰適用范圍和現(xiàn)場(chǎng)情況,設(shè)計(jì)采用雙壁鋼吊箱圍堰[1]。通過(guò)吊箱側(cè)板和底板上的封底混凝土擋水和圍水,為深水高樁平臺(tái)施工提供可靠的隔水結(jié)構(gòu)和無(wú)水的施工環(huán)境。與鋼套箱相比,鋼吊箱圍堰具有施工工期短、水流阻力小、利于通航、不需要沉入河床、施工難度小、材料用料少、經(jīng)濟(jì)合理等特點(diǎn)[2-4]。

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)已有承臺(tái)設(shè)計(jì)資料及防撞要求,結(jié)合地質(zhì)水文情況確定鋼吊箱的基本設(shè)計(jì)參數(shù): ①設(shè)計(jì)最高水位+9.500m; ②設(shè)計(jì)最低水位+0.410m; ③設(shè)計(jì)最大流速2.17m/s; ④鋼吊箱頂面標(biāo)高+13.000m(考慮百年一遇的洪水位+11.640m,再增加1.5m安全儲(chǔ)備),其中標(biāo)高+10.500m以下為雙壁形式,標(biāo)高+10.500m以上為單壁形式,底板頂面標(biāo)高-9.000m; ⑤鋼吊箱總高度22m,內(nèi)徑39.0m,外徑42.0m; ⑥封底混凝土設(shè)計(jì)厚度3.0m,強(qiáng)度等級(jí)為C25; ⑦隔艙混凝土設(shè)計(jì)高度11.5m; ⑧抽水后最大水頭15.500m。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙壁圓筒形鋼吊箱主要由底板(水平主桁)、側(cè)壁(豎肋、隔艙板)、懸吊系統(tǒng)、導(dǎo)向裝置及吊箱頂平臺(tái)等組成。鋼吊箱結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

圖1 鋼吊箱布置Fig.1 Layout of steel hanging box

1)底板 底板面板為厚度10mm的鋼板,設(shè)置HN400×200型鋼和HN200×100型鋼縱橫系梁骨架加勁結(jié)構(gòu)。底板直徑42m,底板范圍內(nèi)按樁基設(shè)計(jì)位置設(shè)置30個(gè)鋼護(hù)筒預(yù)留孔,預(yù)留孔直徑3.8m。

2)側(cè)壁 側(cè)壁總高度22.0m,厚度1.5m,側(cè)壁內(nèi)、外壁板厚度6mm,壁板豎肋為└70×6等邊角鋼,間距30cm。豎向分3節(jié),從下至上分節(jié)高度為(16+3.5+2.5)m(單壁防浪板)。側(cè)壁板與底板采用“底包側(cè)”的形式,內(nèi)外壁體與底板均采用全斷面焊接連接,壁體內(nèi)側(cè)與底板連接設(shè)置加勁板。

3)懸吊系統(tǒng) 鋼吊箱懸吊吊桿共136個(gè),單個(gè)懸吊桿由上部φ32精軋螺紋鋼、下部雙拼└90×8不等邊角鋼以及與吊箱底板頂面設(shè)置的連接支座組成。

4)導(dǎo)向裝置及吊箱頂平臺(tái) 為方便吊箱精確就位,在吊箱內(nèi)壁軸線上下對(duì)稱布置8處導(dǎo)向裝置,高度方向設(shè)置2個(gè),主要由10mm肋板、HN300×150m型鋼和600mm×8mm鋼管組成。吊箱頂平臺(tái)利用壁體及內(nèi)部支撐,頂面鋪設(shè)木板形成環(huán)向通道。

2.3 鋼吊箱制作、安裝融合設(shè)計(jì)

1)根據(jù)鋼吊箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),為方便側(cè)壁板分塊和標(biāo)準(zhǔn)化制作,考慮到壁體與夾壁混凝土組成防撞系統(tǒng),因此廠內(nèi)制作下料設(shè)計(jì)時(shí),側(cè)壁沿周長(zhǎng)方向分12個(gè)塊段,每個(gè)塊段設(shè)1道隔艙板。

2)鋼吊箱在30個(gè)鋼護(hù)筒孔壁周圍各布置4根吊桿,共120根吊桿。為增加安全儲(chǔ)備,在底板縱橫骨架連接處增設(shè)16根吊桿,一端連接在鋼吊箱底板上,另一端連接在鋼護(hù)筒上,連接方式為鉸接。

3)一般的吊桿系統(tǒng)采用精軋螺紋鋼、鋼絞線或型鋼,鋼吊箱吊桿系統(tǒng)原采用型鋼,但考慮到安裝時(shí)的水流力和鋼護(hù)筒偏位影響,吊桿分為兩部分,標(biāo)高+8.700m以下為下拉桿,由雙拼└90×8不等邊角鋼構(gòu)成,長(zhǎng)度約17.5m;標(biāo)高+8.700m以上為上拉桿,由φ32精軋螺紋鋼、錨具及墊板等構(gòu)成,長(zhǎng)度約2.4m。上、下拉桿通過(guò)2個(gè)連接接頭進(jìn)行銷接,可快速安裝且具有自適應(yīng)性。

2.4 鋼吊箱工況計(jì)算

根據(jù)上述融合設(shè)計(jì)情況,結(jié)合安裝步驟,重點(diǎn)對(duì)4個(gè)工況進(jìn)行分析計(jì)算:①工況1 鋼吊箱第1節(jié)16m壁體吊裝階段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算;②工況2 鋼吊箱封底階段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算;③工況3 抽水階段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算;④工況4 承臺(tái)第1次澆筑混凝土階段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算及封底混凝土承載力驗(yàn)算[5]。各工況有限元模型如圖2所示。

圖2 鋼吊箱各工況計(jì)算模型Fig.2 Calculation model of steel hanging box under various working conditions

工況1計(jì)算最大應(yīng)力為160MPa,在6mm外壁板位置;工況2計(jì)算最大應(yīng)力為166MPa,在T梁位置,最大變形為42.3mm,在底板面板位置;工況3計(jì)算最大應(yīng)力為184MPa,在外壁板位置,最大變形為9.8mm,在水平橫撐位置;工況4封底混凝土的局部最大拉應(yīng)力為0.52MPa,最大壓應(yīng)力為1.18MPa。計(jì)算結(jié)果表明,鋼吊箱壁板、豎肋、水平主桁、隔艙板、底板、吊桿等均滿足規(guī)范及安全要求,且厚3m、強(qiáng)度等級(jí)為C25的封底混凝土滿足抽水后的封底混凝土抗彎和鋼護(hù)筒握裹力設(shè)計(jì)要求。承臺(tái)第1次澆筑混凝土?xí)r封底混凝土所受荷載較抽水時(shí)小,封底混凝土強(qiáng)度以及鋼護(hù)筒所能提供的握裹力能夠滿足要求。

3 鋼圍堰施工

3.1 施工方案

鋼圍堰制作采取工廠化胎膜加工,考慮到其尺寸和安裝需要,制作時(shí)壁體沿周長(zhǎng)分為12個(gè)塊段,然后在底板上拼接,首節(jié)段高16m,廠內(nèi)通過(guò)模塊化運(yùn)輸車轉(zhuǎn)場(chǎng),滾裝至雙體運(yùn)輸船舶,浮運(yùn)至安裝橋位,通過(guò)大型浮吊直接起吊安裝,自浮后壁體注水下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高(提前安裝好吊桿)。第2節(jié)及第3節(jié)采用平板駁船運(yùn)輸至橋位,采用小型浮吊分塊安裝第2節(jié),第3節(jié)安裝視水位情況[6-7]。最后采用多導(dǎo)管法進(jìn)行水下封底,分次澆筑夾壁混凝土,抽水后進(jìn)行承臺(tái)施工。

3.2 鋼吊箱制作

鋼吊箱制作工藝流程為:板材預(yù)處理下料→零件制作與加工→單元件制作→塊件匹配制造→塊件工廠涂裝→鋼吊箱總拼裝。

鋼吊箱設(shè)計(jì)時(shí)已充分考慮其制作分塊和焊接需求,結(jié)合結(jié)構(gòu)形式,壁體外側(cè)板、內(nèi)側(cè)板、隔艙板、圓環(huán)板在上胎前制作成板單元,然后上胎同槽組裝成12個(gè)塊段,以流水化的作業(yè)方式,保證其弧度大小一致。

鋼吊箱底板結(jié)構(gòu)為面板+型鋼加勁結(jié)構(gòu),按加工工藝及運(yùn)輸、吊裝要求,可等分1/4塊體進(jìn)行制作,其加工過(guò)程為:下料→結(jié)構(gòu)安裝線刻劃→面板上胎架定位→加勁結(jié)構(gòu)上胎架裝焊。在鋼吊箱塊件制作過(guò)程中,按照外壁板單元→隔艙板單元→水平桁架單元→內(nèi)壁板單元的順序,實(shí)現(xiàn)塊件的臥式階梯形組裝與焊接。組裝時(shí),以胎架為組裝平臺(tái),以隔板、壁板單元為內(nèi)胎,重點(diǎn)控制鋼吊箱塊件圓弧段的線形、幾何形狀和尺寸精度、相鄰接口的精確匹配等,如圖3所示。由于塊體是均分的12等份,底板和第1節(jié)壁體為整體單元,將兩單元組裝在一起(見(jiàn)圖4),檢查其垂直度、高差、直線度、平面度,確保其滿足質(zhì)量要求,為保證承臺(tái)結(jié)構(gòu)尺寸,底板及壁體制作和拼裝時(shí)按照正公差控制,外放20mm。

圖3 鋼吊箱塊段胎架制作Fig.3 Fabrication of steel suspension box block jig

圖4 整體組拼Fig.4 Overall assembly

鋼吊箱承臺(tái)頂以下部分為防撞結(jié)構(gòu),需進(jìn)行防腐處理。鋼吊箱標(biāo)高+3.000m以下鋼板內(nèi)外表面噴砂Sa2.5+無(wú)機(jī)硅酸鋅車間底漆(20μm),底面采用耐磨環(huán)氧漆(3道×150μm)。

鋼吊箱底部鉆孔樁鋼護(hù)筒位置需開孔,一般孔徑比鋼護(hù)筒直徑大40cm,以確保鋼吊箱能夠順利下放。該橋南主墩位于深泓區(qū),長(zhǎng)期受沖刷影響,覆蓋層較淺,鋼護(hù)筒無(wú)法一次施振到位,需二次跟進(jìn)施工,鋼護(hù)筒存在滑移傾斜的情況,造成鋼護(hù)筒位置較理論位置可能出現(xiàn)較大偏差,因此需對(duì)每一個(gè)鋼護(hù)筒偏位和傾斜度進(jìn)行測(cè)量,從而計(jì)算鋼護(hù)筒相對(duì)于鋼吊箱底的投影形狀,然后將鋼護(hù)筒實(shí)際的投影形狀在鋼吊箱底板上測(cè)放出來(lái),修正鋼吊箱底板開孔位置,確保鋼吊箱后續(xù)順利下放。

3.3 鋼吊箱運(yùn)輸

考慮運(yùn)輸條件及現(xiàn)場(chǎng)起吊能力,3節(jié)壁體均在工廠分塊制作,第1節(jié)16m與底板整體組拼運(yùn)至橋位,第2節(jié)3.5m與第3節(jié)2.5m單個(gè)塊體運(yùn)至橋位進(jìn)行接高拼裝。鋼吊箱運(yùn)輸分為場(chǎng)內(nèi)運(yùn)輸和水上運(yùn)輸[8]。主要運(yùn)輸步驟為: ①場(chǎng)內(nèi)下胎及轉(zhuǎn)運(yùn)通過(guò)平板車縱向運(yùn)輸,平板車支撐在鋼吊箱壁板側(cè)箱體上; ②運(yùn)輸至臨時(shí)堆放區(qū)布置鋼墩,使用木楔將鋼吊箱調(diào)平后,平板車平緩?fù)顺? ③通過(guò)平板車及專用運(yùn)輸托架運(yùn)送至碼頭指定位置,平板車不撤離,卸載20%,安放支墩,等待滾裝上船; ④運(yùn)輸船在碼頭進(jìn)行拋錨定位,待漲潮時(shí)平板車進(jìn)行滾裝上船; ⑤平板車到達(dá)運(yùn)輸船甲板指定位置,布置好鋼墩,平板車卸載、退離運(yùn)輸船甲板; ⑥對(duì)鋼吊箱進(jìn)行綁扎固定,以保證航行安全; ⑦運(yùn)輸船安全起航(起航前采用鋼絲繩索網(wǎng)結(jié)構(gòu)固定吊桿)。

拼裝時(shí)充分考慮場(chǎng)內(nèi)運(yùn)輸和轉(zhuǎn)場(chǎng),支墩設(shè)置高度和位置預(yù)留了運(yùn)輸車空間。場(chǎng)內(nèi)運(yùn)輸采用2臺(tái)MDE55型NICOLAS大型液壓平板車,每輛車配備6個(gè)模塊,1個(gè)主動(dòng)模塊,5個(gè)從動(dòng)模塊,各平板車上安放2個(gè)4 000mm×15 000mm的承載梁,如圖5所示。

圖5 鋼吊箱場(chǎng)內(nèi)運(yùn)輸Fig.5 Transportation of steel hanging box in yard

鋼吊箱滾裝上船時(shí),需選擇適宜的潮位,利用漲潮的時(shí)間,船尾頂靠碼頭,并由船上的壓載系統(tǒng)調(diào)平船位,使船尾擱置于碼頭前沿的支墩上,同時(shí)使船與碼頭系結(jié)牢固,等待裝載鋼吊箱節(jié)段的平板車上船。根據(jù)漲潮或落潮速度及運(yùn)梁船的調(diào)載能力,運(yùn)梁船始終進(jìn)行浮態(tài)調(diào)整。

水上運(yùn)輸采用“金虹”號(hào)雙體運(yùn)輸船,配備2套全回轉(zhuǎn)舵槳裝置,為自航船舶。船體總長(zhǎng)56m,型寬26.5m,載重量1 389t。在運(yùn)輸船后方配備1艘拖輪進(jìn)行助推及后方瞭望。為保證運(yùn)輸安全,鋼吊箱在裝船后,由2根φ21.5鋼絲繩將鋼吊箱與船體牢固系結(jié)在一起。另外,在運(yùn)輸船的首尾鋼吊箱外側(cè)分別增設(shè)12個(gè)靠檔以保證其穩(wěn)定性。

3.4 鋼吊箱安裝

3.4.1安裝準(zhǔn)備

鉆孔樁全部施工完成后,對(duì)影響鋼吊箱沉放的所有臨時(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆除,并及時(shí)完成成樁后鋼護(hù)筒最終平面偏位及傾斜度測(cè)量,為鋼吊箱底板開孔及導(dǎo)向裝置設(shè)置提供參考。鋼吊箱運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)后,設(shè)置4個(gè)測(cè)量控制點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量放樣,為下放過(guò)程中控制其平面偏差、高程及傾斜度做好準(zhǔn)備。

3.4.2吊裝設(shè)備

首節(jié)16m鋼吊箱重960t,選擇1 200t浮吊進(jìn)行吊裝?？紤]工期安排,取平均水位為+5.500m,拆除后的鉆孔平臺(tái)頂標(biāo)高為+10.500m,要求浮吊從水面起吊的最小起吊高度為5m;浮吊最小吊幅應(yīng)大于平臺(tái)最外側(cè)距吊箱中心距離,約26.8m,則浮吊扒桿達(dá)到最大吊重角度為59°,采用1 200t浮吊整體吊裝鋼吊箱滿足施工要求。

3.4.3鋼吊箱吊裝及下放

選擇風(fēng)力小于4級(jí)、無(wú)雨雪的天氣進(jìn)行鋼吊箱起吊安裝,吊裝前先進(jìn)行試吊,再開始正式吊裝。起吊應(yīng)分級(jí)進(jìn)行加載,每增加1級(jí),檢查無(wú)任何問(wèn)題后施加下一級(jí),直至鋼吊箱被吊起。鋼吊箱被吊起后,浮吊絞錨前移,鋼吊箱準(zhǔn)確位于下沉區(qū)域上方時(shí),浮吊停止移動(dòng)。

鋼吊箱下水前將連通器打開,使鋼吊箱內(nèi)、外水位始終保持一致。鋼吊箱吊裝就位后,檢查其平面位置,然后沉放入水自浮,吃水深度約5.90m。

鋼吊箱整體入水自浮穩(wěn)定后,對(duì)稱均勻注水下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高。注水過(guò)程觀測(cè)鋼吊箱頂面標(biāo)高,平穩(wěn)下沉。在鋼吊箱內(nèi)壁設(shè)置上、下2層共8處導(dǎo)向裝置,確保鋼吊箱下沉過(guò)程中姿態(tài)平穩(wěn)、準(zhǔn)確。在導(dǎo)向裝置各布置1個(gè)50t或30t千斤頂,用于調(diào)節(jié)鋼吊箱平面位置。

首節(jié)鋼吊箱下沉到位并固定后,在鋼護(hù)筒頂口焊接牛腿和挑梁,挑梁焊接完畢后,將吊桿上端錨固在挑梁上,用力矩扳手將拉桿螺母擰緊,并拆除鋼吊箱頂固定吊桿的鋼絲繩索網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

3.4.4鋼吊箱封底及抽水

封底混凝土為C25水下混凝土,厚3m,總方量為2 766m3。為確保封底質(zhì)量,整個(gè)承臺(tái)封底混凝土一次澆筑完成。封底混凝土施工采用移動(dòng)式集料斗,多導(dǎo)管布置的水下混凝土封底工藝。

封底前對(duì)底板與鋼護(hù)筒之間的間隙設(shè)置自適應(yīng)的封堵裝置進(jìn)行封堵,該裝置由多個(gè)圓弧板組成,各圓弧板之間通過(guò)螺栓連接件連接,圓弧板在內(nèi)弧位置設(shè)置密封膠條。在水上將封堵裝置連成整體后順鋼護(hù)筒滑落至吊箱底板位置,工人在水下用棘輪快速扳手將連接裝置收緊即可完成封堵,大大減少水下工作量,并提高施工可靠性。

封底導(dǎo)管布置綜合考慮吊箱尺寸、鉆孔樁樁位和導(dǎo)管的作用范圍,設(shè)計(jì)“八卦形”導(dǎo)管布置。考慮導(dǎo)管作用半徑、混凝土的流動(dòng)性及施工時(shí)間,施工平臺(tái)上預(yù)留了8個(gè)備用位置,可進(jìn)行二次混凝土澆筑,達(dá)到精細(xì)化控制封底高程的目的。利用Excel編制封底混凝土澆筑實(shí)時(shí)高程監(jiān)控和導(dǎo)管布料時(shí)間間隔控制系統(tǒng),輔助處理數(shù)據(jù)[9]。從封底施工開始,歷經(jīng)34h,封底混凝土達(dá)到強(qiáng)度后抽水,未發(fā)現(xiàn)漏水,混凝土頂面高差小,無(wú)需二次找平。

4 結(jié)語(yǔ)

蕪湖長(zhǎng)江公路二橋南主墩采用圓形雙壁鋼吊箱圍堰,既減少內(nèi)支撐,又提高施工效率。鋼吊箱設(shè)計(jì)與制作安裝相融合,使得鋼吊箱制作更加標(biāo)準(zhǔn)化,形成流水作業(yè)。鋼吊箱滾裝上船、雙體船運(yùn)輸簡(jiǎn)單易操作,效率高。針對(duì)鋼吊箱安裝,及時(shí)在設(shè)計(jì)與制造階段進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整,使得整個(gè)鋼吊箱從開始起吊至完全自浮僅用6h,過(guò)程中無(wú)須對(duì)底板預(yù)留孔切割,沉放精度也滿足規(guī)范要求。采用自適應(yīng)的封堵板、科學(xué)設(shè)置封底導(dǎo)管布置和高程時(shí)間控制系統(tǒng),使得一次封底成功。鋼吊箱于當(dāng)年10月25日開始吊裝沉放,至當(dāng)年11月下旬完成承臺(tái)封底及抽水,抽水后無(wú)一處漏水,結(jié)構(gòu)安全可靠。