船閘靠船墩加固維修中鋼筋混凝土套箱的應(yīng)用

◎ 方雄 江西省贛江船閘通航中心

1.工程概況

某船閘建成于2001年，全閘水工建筑物包括上游引航閘、下游引航橋及閘室。其中引航橋設(shè)計(jì)長度為300m，按20m間隔設(shè)置靠船墩，上部通過T梁連接。靠船墩為重力式漿砌塊石結(jié)構(gòu)，墩體底部為設(shè)計(jì)厚度100cm的素混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)，坡腳高度比墩體高120cm；墩身采用棱臺(tái)漿砌塊石結(jié)構(gòu)；墩體頂部為設(shè)計(jì)厚度50cm的素混凝土壓頂，同時(shí)設(shè)置系船柱。

在長期運(yùn)行過程中，因遭受水流沖刷，墩身漿砌石結(jié)構(gòu)已經(jīng)表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)性破壞，靠船墩底部塊石部分缺失和淘空，局部區(qū)域已經(jīng)坍塌。為此，船閘管理部門必須及時(shí)實(shí)施靠船墩加固維修，提升墩體結(jié)構(gòu)抗滑、抗剪穩(wěn)定性能以及防沖刷、防撞能力。

2.施工方案比選

2.1 鋼圍堰

結(jié)合水工建筑物加固維修經(jīng)驗(yàn)，在使用鋼圍堰擋水結(jié)構(gòu)時(shí)，必須結(jié)合結(jié)構(gòu)物實(shí)際尺寸展開鋼圍堰預(yù)制和加工，過程復(fù)雜，造價(jià)高；同時(shí)需要安排潛水人員進(jìn)行水下堵漏，對(duì)于地形、地質(zhì)條件復(fù)雜的深水區(qū)，堵漏效果較難保證，發(fā)生涌水事故的可能性大。該船閘靠船墩設(shè)置在引航道中，水深在8～10m之間，在航道底土層安裝鋼圍堰后，很容易因來往船舶行波及水流沖擊影響而發(fā)生失穩(wěn)。鋼圍堰預(yù)制好后還必須展開組裝、抽水、堵漏和支模澆筑，以上施工環(huán)節(jié)均需在水上完成，必然會(huì)對(duì)航道運(yùn)行造成不利影響；最后，鋼圍堰不作為工程實(shí)體，待靠船墩加固維修結(jié)束后需要拆除，存在較大浪費(fèi)。

2.2 無底鋼混套箱

根據(jù)該船閘靠船墩體底板承載力以及所在航道運(yùn)行實(shí)際，提出靠船墩抗剪、抗滑及抗傾覆要求。考慮到加固維修期間船閘必須保持航運(yùn)狀態(tài)，故鋼筋混凝土套箱應(yīng)在陸地預(yù)制，養(yǎng)護(hù)至設(shè)計(jì)強(qiáng)度后進(jìn)行吊裝，并澆筑浸水混凝土，以有效縮短水上施工時(shí)間。

鋼筋混凝土套箱既能用作船閘靠船墩下部混凝土圍堰及模板，又能作為水下永久性結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)靠船墩防撞性能和耐久性，還能有效避免鋼圍堰方案下水下堵漏技術(shù)難題[1]。

2.3 靠船墩維修方案確定

綜合以上分析，該船閘靠船墩加固維修最終選擇無底鋼筋混凝土套箱施工方案。具體而言，將船墩上部T梁吊離，并將常水位以上墩體全部拆除。套箱在陸地預(yù)制，并在迎水面增設(shè)倒角，通過水上浮吊將預(yù)制好的套箱轉(zhuǎn)運(yùn)后，安裝于靠船墩底板處，安裝高程按22.8m控制。原墩體水下部分必須鑲嵌于套箱中，同時(shí)將預(yù)制套箱內(nèi)徑相應(yīng)放大，以確保原墩體和套箱構(gòu)成整體性結(jié)構(gòu)。常水位以上結(jié)構(gòu)使用C25混凝土澆筑；為滿足大型船舶停靠對(duì)抗滑抗剪等方面的特殊要求，必須將墩體擴(kuò)大處理；并在迎水面增設(shè)鋼板護(hù)面，同時(shí)在靠船墩兩側(cè)增設(shè)倒角。

3.鋼筋混凝土套箱施工

該船閘靠船墩加固維修工程中鋼筋混凝土套箱是工藝主體，膠囊止水是核心技術(shù)。施工過程主要以灌注樁鋼護(hù)筒為支撐，借助吊裝系統(tǒng)進(jìn)行混凝土套箱安裝；此后展開水下膠囊止水、抽水焊接、反壓臨時(shí)系統(tǒng)及吊架拆除；待體系轉(zhuǎn)換完成后進(jìn)行上部防浪鋼套箱安裝，抽水后成為承臺(tái)施工平臺(tái)；待承臺(tái)混凝土澆筑結(jié)束后進(jìn)行溫度及混凝土套箱應(yīng)力、變形等的檢測(cè)。

3.1 套箱預(yù)制

為確保鋼筋混凝土套箱順利安裝，并將中心偏差控制在±20mm以內(nèi)，必須在套箱預(yù)制前展開現(xiàn)場(chǎng)樁位、鋼護(hù)筒橢圓度、樁豎直度等的實(shí)測(cè)，根據(jù)測(cè)試結(jié)果確定鋼混套箱底板預(yù)留樁孔直徑及平面位置。

待確定好鋼混套箱底板預(yù)留孔位后展開套箱安裝施工，同時(shí)安裝應(yīng)力片、傳感器及預(yù)埋件。無底鋼筋混凝土套箱為大體積薄壁結(jié)構(gòu)，自重大，預(yù)制好后需起吊、運(yùn)輸、水下安裝，并作為擋水性結(jié)構(gòu)，如果采用普通竹膠板和對(duì)拉螺栓模板制安工藝，施工質(zhì)量較難保證。為此，該工程選用內(nèi)外整體鋼模板，并通過液壓油缸內(nèi)支撐+外圍檁加固的工藝代替對(duì)拉螺栓[2]的使用，提升套箱預(yù)制效率，并保證施工質(zhì)量。鋼混模板包括內(nèi)模和外模兩部分，模板平面和立面結(jié)構(gòu)見圖1和圖2。套箱底板預(yù)留孔模板組裝成型后分片安裝，并按照先外后內(nèi)的次序支模，完成后進(jìn)行混凝土澆筑和養(yǎng)護(hù)。

圖1 套箱模板平面（單位：mm）

圖2 套箱模板斷面（單位：mm）

3.2 套箱外模驗(yàn)算

鋼筋混凝土套箱外模板采用6mm厚、Q235材質(zhì)的L型鋼模板，因模板高度較大，故僅在模板外圍設(shè)置3層鋼圍檁橫向加固，鋼圍檁嚴(yán)格按要求設(shè)置。外模板和鋼圍檁設(shè)計(jì)抗彎強(qiáng)度均為215N/mm2，通過10#槽鋼支撐。新澆筑混凝土對(duì)模板的標(biāo)準(zhǔn)側(cè)壓力為48.66kN/m，混凝土傾倒時(shí)標(biāo)準(zhǔn)荷載為6.0kN/m，混凝土振搗時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)荷載為4.0kN/m。

3.2.1 鋼模板驗(yàn)算

鋼模板屬于受彎結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行其剛度和抗彎強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，應(yīng)按照鋼圍檁設(shè)計(jì)間距，按照外模板上所支撐的2層鋼圍檁上的三跨連續(xù)梁展開面板強(qiáng)度計(jì)算[3]，公式為：

式中：M為面板最大彎矩計(jì)算值（kN·m）；l為計(jì)算跨度（mm），取300mm；q為模板上所作用的線荷載（kN/m），其中，新澆筑混凝土設(shè)計(jì)側(cè)壓力q1=48.66kN/m，混凝土傾倒時(shí)標(biāo)準(zhǔn)荷載q2=6.0kN/m，混凝土振搗時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)荷載q3=4.0kN/m，則q=1.2q1+1.4（q2+q3）=1.2×48.66+1.4×（6.0+4.0）=72.39kN/m。經(jīng)過計(jì)算，面板最大彎矩為6.52kN·m。面板承受的應(yīng)力按下式確定：

式中：σ為面板承受的應(yīng)力（N/mm2），反應(yīng)面板實(shí)際抗彎強(qiáng)度；M為面板彎矩最大值（k N·m）；W為面板截面抵抗矩，根據(jù)面板截面厚度和寬度計(jì)算得截面抵抗矩為6000mm3。經(jīng)計(jì)算，面板承受的應(yīng)力為109N/mm2<面板設(shè)計(jì)抗彎強(qiáng)度215N/mm2，故面板強(qiáng)度符合要求。

3.2.2 鋼圍檁驗(yàn)算

模板縱向鋼肋以鋼圍檁為支承點(diǎn)，主要承受均布荷載，結(jié)合實(shí)際受力情況按照連續(xù)梁驗(yàn)算。該船閘靠船墩加固維修工程中鋼圍檁以20a#槽鋼為主材料，故肋截面慣性矩和肋截面抵抗矩分別取1780.4cm4和178cm3；新澆筑混凝土的側(cè)壓力為q1=14.60kN/m，混凝土傾倒時(shí)標(biāo)準(zhǔn)荷載q2=1.8kN/m，混凝土振搗時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)荷載q3=1.2kN/m，則肋截面所作用的線荷載q=1.2q1+1.4（q2+q3）=21.72kN/m。最大彎矩取8.795kN，最大變形取0.663mm，最大應(yīng)力σ取49.41N/m m2<鋼肋設(shè)計(jì)抗彎強(qiáng)度2 1 5 N/mm2，故鋼圍檁受力符合要求。

3.3 套箱安裝

為避免鋼混套箱安裝過程中，套箱和鋼護(hù)筒邊緣發(fā)生碰撞，必須在套箱安裝前在各墩臺(tái)鋼護(hù)筒上焊接井字形支撐與導(dǎo)帽結(jié)構(gòu)。

3.3.1 套箱定位

鋼混套箱安裝必須使用吊架，該吊架結(jié)構(gòu)由上吊索、下吊桿、框架梁等部分組成。連接吊桿和套箱底板吊點(diǎn)后進(jìn)行吊桿長度微調(diào)，以確保能達(dá)到安裝高度要求；此后通過起重船起鉤，展開鋼混套箱安裝。安裝期間，為確保中心位置及頂面高程的準(zhǔn)確，必須借助套箱抗浮反壓牛腿系統(tǒng)進(jìn)行套箱臨時(shí)固定，為焊接抗浮剪力體系轉(zhuǎn)換預(yù)留時(shí)間。

為避免鋼混套箱發(fā)生浮動(dòng)，必須在鋼護(hù)筒上安裝4組反壓牛腿抱箍結(jié)構(gòu)。在對(duì)套箱實(shí)施反壓處理后，在套箱各角反壓牛腿下的連接托架上設(shè)置8個(gè)5t水平千斤頂，以調(diào)整套箱橫向和水平加固位置，將套箱位置偏差控制在±20mm以內(nèi)。

3.3.2 膠囊止水

在鋼混套箱底板預(yù)留孔內(nèi)的預(yù)留槽中安裝止水膠囊，為保證安裝的牢固性，還應(yīng)在預(yù)留槽上下邊緣處焊接1圈φ14mm圓鋼。在套箱底部膠囊止水的過程中，必須配備空壓機(jī)、高壓膠管和壓力檢測(cè)裝置。其中，高壓膠管應(yīng)連接膠囊，并借助吊架從鋼混套箱底板處引至河岸；將4個(gè)測(cè)試能力為4.0kg/cm2的壓力表安裝在壓力檢測(cè)裝置上，起到連接高壓膠管和空壓機(jī)進(jìn)氣管的作用；各套箱膠囊同時(shí)充氣，期間進(jìn)行膠囊充氣壓力檢測(cè)。

待完成膠囊止水后應(yīng)在縫隙內(nèi)灌注砂漿，并將預(yù)留槽內(nèi)積水抽干，此后便展開鋼混套箱焊接和體系轉(zhuǎn)換，也就是將套箱抗浮反壓系統(tǒng)及吊架拆除，使鋼混套箱自重從鋼護(hù)筒間接承擔(dān)轉(zhuǎn)換為直接承擔(dān)。

在混凝土套箱頂部安裝鋼套箱，并借助預(yù)埋于套箱頂?shù)膱A臺(tái)螺母將兩者連接成整體，并使內(nèi)部形成水密性腔體，為鋼筋綁扎和混凝土澆筑提供干燥的施工環(huán)境。同時(shí)將泡沫橡膠止水帶設(shè)置在套箱底部（圖3），確保止水效果。

圖3 鋼套箱底部水平接縫止水（單位：mm）

4.應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

通過對(duì)施工過程的分析看出，該船閘靠船墩鋼筋混凝土套箱及水下混凝土使地基承載力增大，因技術(shù)方面的限制，無法對(duì)原基礎(chǔ)實(shí)施加固，故必須通過上部結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，避免基礎(chǔ)遭受破壞。該靠船墩墩體上部最終采用扶壁式輕型結(jié)構(gòu)，使套箱自重大大減輕。

承重板主要起到連接上下部結(jié)構(gòu)的作用，如果原墩體結(jié)構(gòu)和新澆筑承重板結(jié)合不良，必然形成套箱薄壁承受剪應(yīng)力過于集中現(xiàn)象[4]。為此，在澆筑承重板前，必須將原墩體相應(yīng)部位鑿毛處理后適當(dāng)植筋，確保連接牢固。

此外，鋼筋混凝土套箱體積大，質(zhì)量重，吊裝施工必須選用扒桿高度大、起重力強(qiáng)的船舶，加上工程所在航道通航壓力大，施工期間無法完全斷航。故吊裝船存在較大的定位難度和安裝精度控制難度，鋼混套箱發(fā)生偏位的可能性大；此外，在清理不徹底的情況下，基礎(chǔ)存在塊石或高差，同樣會(huì)引發(fā)安裝偏位。為此，項(xiàng)目組先通過角鋼制備1個(gè)與鋼混套箱同尺寸的框架結(jié)構(gòu)展開試吊裝，結(jié)果框架放置較為平穩(wěn)，表明基礎(chǔ)處理較為徹底；就定位方面，在套箱四角預(yù)留拉環(huán)，并借助纜繩鉤住拉環(huán)后微調(diào)，并同時(shí)展開觀測(cè)，確保定位精準(zhǔn)。

5.結(jié)論

無底鋼筋混凝土套箱在該船閘工程靠船墩等水工結(jié)構(gòu)加固維修中的應(yīng)用取得了成功，通過加強(qiáng)混凝土套箱預(yù)制、起吊、安裝等施工過程控制，使施工效率顯著提升，也使水上施工時(shí)間大幅縮短；施工對(duì)航道通航的不利影響降至最低。施工結(jié)束后，套箱將作為永久性水工結(jié)構(gòu)發(fā)揮效用，可進(jìn)一步提升靠船墩體抗沖刷、防撞性能和耐久性。該船閘靠船墩結(jié)構(gòu)維修加固任務(wù)于2020年初結(jié)束，墩體加固后即投入使用，在運(yùn)行期間發(fā)揮出顯著的性能優(yōu)勢(shì)。