水位變動區(qū)樁-墩結(jié)構(gòu)反吊底模技術(shù)應(yīng)用研究

覃俊鋒，林云，許建武

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引言

由于使用需求或成本的考量，墩臺被設(shè)計到需在水位變動區(qū)進行現(xiàn)澆施工的情況愈發(fā)常見。為保持施工可行和成果質(zhì)量，創(chuàng)造干地條件以滿足施工需要就成了必需。創(chuàng)造干地條件的方法主要有圍堰[1-2]、鋼套箱[3]，也有采用逆向支撐法[4]趁潮施工的情況。對于工程量不大的墩臺，圍堰效費比低且工序復(fù)雜，成本與進度都難以滿足要求；對于臨近海底管線的墩臺，圍堰施工影響范圍大，應(yīng)用風險較高。鋼套箱適合標準化單墩施工，水密性好且質(zhì)量易控，但在墩臺尺寸、形狀變化時通用性較差，進而經(jīng)濟性不佳。逆向支撐法通用性好，但需整體吊裝入水。當模板及鋼筋等重量較大時，需大噸位的水上起重船機進行吊裝。同時，模板在吊裝過程中也極易發(fā)生變形。因此，圍堰、鋼套箱和逆向支撐法在易用性、適用性、經(jīng)濟性上難以兼容各種墩臺施工所需。

1 工程概況

項目位于大亞灣石化區(qū)，為某化工綜合體的配套重件碼頭。根據(jù)項目設(shè)計文件，墩臺TD1-2為樁-墩結(jié)構(gòu)，其設(shè)計底標高+0.804 m，長、寬、高分別為20.0 m、8.3 m、2.0 m。墩臺樁基為8 根?1.4 m、頂標高+0.904 m 的灌注樁。即使是采用抱箍作為底模支撐構(gòu)件，TD1-2 墩臺的施工水位也需低于+0.30 m。但根據(jù)中科院南海所的數(shù)據(jù)[5]，項目所處海域平均水位+1.17 m。因此，墩臺實際施工水位較高，施工存在一定困難。為此，在施工方案設(shè)計時參考既往經(jīng)驗并根據(jù)實際情況，創(chuàng)造性地提出新的反吊底模施工方法，克服了施工中的眾多不利因素帶來的困難，有效保障了項目成功實施。

2 方案設(shè)計

根據(jù)潮位情況和規(guī)范[6]要求并結(jié)合現(xiàn)場供應(yīng)能力，方案中采取分層澆筑，首次澆筑厚度50 cm，澆筑方量80 m3。墩臺模板采用鋼側(cè)模+疊合板底模的形式，平面尺寸為24 m×10.7 m。反吊底模體系平面圖如圖1 所示、反吊底模體系斷面圖如圖2所示。

圖1 反吊底模體系平面圖（mm）Fig.1 Plan of reverse lifting base mould system（mm）

反吊體系的結(jié)構(gòu)組成及受力模式如下：

1） 反吊體系頂部：8 根I36b 工字鋼埋入灌注樁作為立柱，立柱上部2 層共計8 根I36b 雙拼工字鋼作為上部承重主梁，16 根?36 mmPSB930 的高強精軋螺紋鋼（螺紋鋼外側(cè)設(shè)置套管）作為吊桿。

2） 反吊體系底部：下部承重大梁為4 根24 m 長的I45b 雙拼工字鋼；21 根10.7 m 長的I36b工字鋼均勻鋪設(shè)于大梁上方作為次梁。

3） 反吊體系受力模式：通過預(yù)埋立柱支承固定有吊桿的上部主梁，并由吊桿將體系自重及體系所受荷載拉住。灌注樁作為反吊體系自重及荷載的最終承受構(gòu)件。

3 結(jié)構(gòu)驗算

經(jīng)分析，首層混凝土澆筑對應(yīng)反吊體系結(jié)構(gòu)自身強度的最不利工況，第2 層混凝土澆筑對應(yīng)首層混凝土樁周部分抗沖剪能力的最不利工況。施工中反吊體系下放過程緩慢且荷載較小，故也無需考慮動力效應(yīng)。因此，施工前僅需對上述2種最不利工況進行驗算。

3.1 荷載取值

結(jié)合規(guī)范[7]，反吊體系及模板自重、墩臺混凝土重量、施工荷載等取值如下：

1） 混凝土重量：新澆C40 混凝土重度取24 kN/m3，首層總重1 920 kN，二層總重3 072 kN；鋼筋、預(yù)埋件荷載重量按設(shè)計圖紙確定，首層總重294 kN；二層總重184 kN。

2） 反吊體系及模板自重：反吊體系自重398.4 kN；模板重度取0.5 kN/m2，共256.8 m2，總計128.4 kN；木方重度取水的0.8 倍，總重57.6 kN；三者共重584.4 kN。

3） 施工荷載：人員及設(shè)備自重2.5 kN/m2、振搗荷載2.0 kN/m2。澆筑方式采用地泵輸送澆筑，動力荷載參照規(guī)范取值2.0 kN/m2。施工區(qū)域為墩臺面積即200 m2，三者總計1 040 kN。

3.2 荷載分類

荷載分項系數(shù)根據(jù)規(guī)范取值，見表1。

表1 荷載分項系數(shù)表Table 1 Table of partial load coefficients

3.3 反吊體系結(jié)構(gòu)驗算

反吊體系主要承力構(gòu)件有吊桿、立柱、頂部梁系、底部梁。按照材料力學及規(guī)范的要求分別對各構(gòu)件進行結(jié)構(gòu)計算，以驗算是否滿足安全使用的要求。

1） 吊桿驗算

經(jīng)計算，反吊體系最大荷載4 814.08 kN，單根吊桿所受荷載為300.88 kN。若吊桿的抗拉能力和最大伸長率滿足要求，則吊桿滿足使用要求。

拉應(yīng)力和伸長量計算公式[8]如下：

式中：σ1為拉應(yīng)力；F為拉力；A為截面面積；ΔL為伸長量；L為桿件長度；E為桿件材料對應(yīng)彈性模量。

2） 立柱驗算

單根立柱荷載為601.76 kN，I36b 工字鋼截面積為8 364 mm2。壓應(yīng)力計算公式如下：

式中：σ2為壓應(yīng)力；P為壓力；A為截面面積。

立柱計算柔度λ=43.5＜λ235=123，屬于小柔度桿，故壓穩(wěn)應(yīng)力公式如下：

式中：λ 為計算柔度；λ235為分界柔度；σcr為壓桿穩(wěn)定臨界壓應(yīng)力；a=235，b=0.006 68 均為經(jīng)驗系數(shù)。

3） 頂部大梁驗算

反吊體系頂部大梁分為上層頂部大梁和下層頂部大梁。當反吊體系下降時，2 層頂部大梁均存在單層受力情況。分析可知上層頂部大梁峰值彎矩必然小于下層頂部大梁，故僅需對下層頂部大梁進行驗算。

下層頂部大梁固定于立柱頂部，沿軸線有由吊桿施加的對稱于樁中心的荷載，總計1 203.52 kN，等效每延米荷載150.44 kN/m。采用清華大學的結(jié)構(gòu)力學求解器計算可得下層頂部大梁峰值彎矩為281.62 kN·m。

下層頂部大梁彎曲應(yīng)力與撓度計算公式分別如下，容許撓度按規(guī)范[9]取值：

式中：σb為彎曲應(yīng)力；M為構(gòu)件彎矩；W為截面抗彎系數(shù)；γ 為計算撓度；q為均布荷載；I為截面慣性矩。

4） 底部大梁驗算

4 道24 m 長的底部主梁共同承擔荷載，等效為主梁每延米荷載50.15 kN/m，經(jīng)計算可得，底部主梁彎矩為324.97 kN·m。

底部主梁彎曲應(yīng)力、撓度計算公式及容許撓度取值與頂部大梁一致。

5） 驗算結(jié)果

各構(gòu)件驗算結(jié)果見表2。根據(jù)以上計算結(jié)果可知，反吊體系各構(gòu)件均能夠滿足施工安全需求。

表2 驗算結(jié)果Table 2 Verification results

3.4 樁周部分抗沖剪分析

墩臺首層澆筑后，其即與樁基形成樁承臺，樁周區(qū)域在第2 層混凝土澆筑時會明顯處于沖剪狀態(tài)?？紤]到首層澆筑厚度較小，沖剪錐體的高度自然也小，樁周部分的抗沖剪能力是否滿足就值得關(guān)注。同時，混凝土沖剪破壞的發(fā)生往往是無預(yù)兆且迅速的[10]。因此，該工況下的樁周部分沖剪承載能力驗算十分必要。

反吊體系自重由立柱傳遞給灌注樁，故樁周部分的沖剪承載力驗算只需考慮第2 層混凝土自重及施工荷載。考慮荷載系數(shù)，該工況下樁周部分所承受的總荷載為5 363.20 kN。

根據(jù)混凝土強度試驗數(shù)據(jù)，C40 混凝土3 d 時的強度達到設(shè)計值的80%，抗剪強度設(shè)計值即為1.37 MPa。根據(jù)規(guī)范[11]，樁承臺的沖剪承載需滿足如下要求：

式中：Fl為荷載對應(yīng)沖切力；βhp為截面高度影響系數(shù)；β0為柱沖切系數(shù)；um為沖切錐體一半有效高度處的邊長；ft為沖切錐體材料抗拉強度設(shè)計值；h0為沖切錐體有效高度。

經(jīng)計算，樁周部分沖剪承載力為7 288.4 kN，大于5 363.20 kN，首層澆筑50 cm 滿足要求。

4 施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 施工流程

施工流程總體可以分為以下4 個部分：

1） 立柱預(yù)埋：灌注樁澆筑時埋入立柱→灌注樁檢測→拆除鋼平臺→鑿除樁頭。

2） 反吊體系搭建：反吊體系下層頂部大梁定位焊接→吊桿安裝→安裝底部主梁及次梁→鋪設(shè)墩臺底模→放置液壓千斤頂→反吊體系上層頂部大梁安裝。

3） 鋼筋模板布置：根據(jù)設(shè)計圖紙布置首次澆筑所需鋼筋→安裝側(cè)模并設(shè)置止水。

4） 后續(xù)施工：反吊體系下降至施工標高→檢查模板間止水情況→首層混凝土澆筑→墩臺澆筑完成→拆除反吊體系。

4.2 底模下降

底模下降是本方法能夠?qū)崿F(xiàn)的重要環(huán)節(jié)，方案采用16 臺行程為150 mm 的100 t 液壓千斤頂，每個千斤頂荷載僅約30 t，每次下降約100 mm，荷載和行程均遠小于允許限值，滿足安全要求。千斤頂泵站選用4 臺統(tǒng)一型號電動泵站，并配合加強油路密封、中心布置、一人一站、作業(yè)前試頂升等措施以保證反吊底?？煽叵陆?。

為充分利用潮位窗口期，底模下降作業(yè)可在落潮時即同步開展，利用吊桿的螺母配合千斤頂將底模下降到施工標高。底模下降過程步驟如下：

1） 如圖3（a）所示，首先保持C 組、B 組螺母鎖緊。當千斤頂頂升時，頂部上層大梁上升，并松開A 組螺母，使得吊桿頂端自由長度減少為底模下降提供行程。

圖3 反吊底模作業(yè)示意圖Fig.3 Diagram of reverse lifting base mould operation

2） 如圖3（b）所示，當千斤頂頂升至接近活塞行程70%時，鎖緊A 組、C 組螺母，松開B 組螺母，回油千斤頂，底模即隨千斤頂一起下降，直至A 組螺母鎖死吊桿。

3） 如圖3（c）所示，千斤頂回油完畢后，重復(fù)1），直至反吊體系下降至施工標高。

經(jīng)復(fù)核底模標高滿足施工要求后，保持B 組、C 組螺母鎖緊并移除千斤頂，完成底模下降。

4.3 模板止水施工

模板止水分為兩部分，一方面是底模與側(cè)模間的止水，另一方面是底模與灌注樁間的止水。對于底模與側(cè)模間的止水，可在底模下降前將其與側(cè)模接縫設(shè)置等腰直角三角形截面的橡膠條，并在橡膠條兩直角邊貼上雙面膠用以固定于模板上。底模與灌注樁間的止水通過預(yù)先準備的與底模等厚的橡膠條配合聚氨酯泡沫膠實現(xiàn)。經(jīng)試驗，2 種措施止水效果良好。

由于千斤頂個體存在細微差異且泵站由人為控制，底模下降過程中可能出現(xiàn)輕微變形并導(dǎo)致止水出現(xiàn)錯縫、漏水。因此，底模下降完成后需對模板止水進行檢查并對有縫隙處采取措施。例如，采用聚氨酯泡沫膠對錯縫、漏水處進行填充、抹平，并依據(jù)模板內(nèi)進水情況采用抽水泵結(jié)合油氈的方式除水。以上工序完成后即可進行墩臺首層澆筑。

首層混凝土強度達到設(shè)計值80%后，即可進行第2 層施工。由于側(cè)模采用鋼模，具有較好的隔水性。第2 層施工受水位影響較小，仍能具有較高工效。第2 層澆筑完成后，后續(xù)施工受水位影響將會更小。通過采取反吊底模施工方法，整個墩臺施工過程均能有效避免水位過高的影響，從而具有較高的工效并滿足質(zhì)量要求。

4.4 反吊體系拆除

墩臺澆筑完成后，即可拆除反吊體系。首先，拆除側(cè)模固定件并逐片拆除側(cè)模。側(cè)模拆除后，將千斤頂及上層頂部大梁裝回并按照前文中反吊底模下降的方法進一步下降反吊底模，使得底部主梁、次梁及模板、木方等與墩臺脫離。疊合板、木方等輕質(zhì)材料漂出可直接回收。然后，按照先底部次梁、主梁、上層頂部大梁、千斤頂、吊桿、下層頂部大梁的順序依次拆除反吊體系各部分。

5 應(yīng)用效果

由于技術(shù)人員缺少反吊底模施工方法應(yīng)用層面的經(jīng)驗，為避免施工中出現(xiàn)意外情況影響總體進度，對項目另一離海底管線較遠的墩臺采用圍堰進行施工。同一項目相似墩臺上應(yīng)用不同施工方法也為分析反吊底模施工方法的應(yīng)用效果提供了實證。

1） 實施難度上，海上圍堰作業(yè)對船機設(shè)備要求較高，對所處海域的風浪、地質(zhì)、埋藏等條件也有一定的要求。同時，圍堰還必須在堰內(nèi)水深和水上施工做取舍。堰內(nèi)水面高，堰內(nèi)作業(yè)仍需水上作業(yè)，工效較低。堰內(nèi)水面低，對于圍堰入土深度和止水能力就有更高的要求。作為對比，反吊底模施工方法安裝及拆除時均可分部進行，對水上吊裝能力要求較低，方法實施門檻低。此外，該方法還可充分利用灌注樁，避免了諸如牛腿焊接、抱箍安裝等低效水上工序。

2） 經(jīng)濟效果方面，2 種方法在模板搭設(shè)、墩臺澆筑方面的成本是相近的，主要區(qū)別在于措施成本方面。根據(jù)成本數(shù)據(jù)，僅單個圍堰本身的措施成本就超過35 萬元。若不考慮模板搭設(shè)的費用，反吊底模施工方法的成本就僅由立柱、吊桿、頂部梁系、千斤頂及人工等組成，總花費不到10萬元。若考慮到所用材料還可以在后續(xù)施工中重復(fù)利用，反吊底模施工方法的凈成本就更具優(yōu)勢。

3） 進度工期方面，即使圍堰尺寸僅與底模一致為24 m×11 m（實際上圍堰尺寸一定會更大），兩者在進度上也存在較大差異。不考慮圍堰前期調(diào)遣及后期拆除，僅考慮至澆筑工序前，圍堰各工序所花時間：鋼板樁打入（3 d）+內(nèi)撐安裝（1 d）+鋼板樁止水（2 d）+抽水至施工標高（1 d）+底模施工+鋼筋綁扎+側(cè)模安裝。從底模施工開始，反吊底模法與圍堰耗時基本可視為一致。反吊底模法前置工序如入埋設(shè)立柱及底模下降并不會顯著增加時間（兩者累計只需1 d）。因此，圍堰用時比反吊底模法要多6～7 d。若墩臺面積增大、圍堰內(nèi)外水位差增大，圍堰前置工序用時將更長，反吊底模法在進度上的優(yōu)勢將更明顯。

6 結(jié)語

反吊底模施工方法經(jīng)驗算在理論上可行，并助力墩臺如期高質(zhì)完成，證明了該方法在實施上的可行性。該方法較傳統(tǒng)的圍堰對客觀條件要求更低，理論上也比其他方法更廣泛適用。綜合實施難度、經(jīng)濟、進度等方面的對比結(jié)果，反吊底模施工方法比圍堰實施門檻更低，且可有效節(jié)約成本、加快進度，在所涉墩臺的施工中相較于圍堰有明顯的優(yōu)勢。綜上所述，反吊底模施工方法對同類項目的實施具有參考意義，可廣泛適用于以灌注樁為基礎(chǔ)的樁-墩結(jié)構(gòu)的施工之中。