常德沾天湖東岸棧橋單壁鋼套箱施工技術(shù)分析

劉意中 趙 恒 李 政

常德學(xué)院 湖南 常德 415000

由于水中橋梁承臺(tái)施工廣泛采用單壁鋼套箱、雙壁鋼套箱、吊箱圍堰等方案，因此有關(guān)套箱施工圍堰的文獻(xiàn)比較多。文獻(xiàn)[1]研究了橋梁深水基礎(chǔ)通過設(shè)置雙壁鋼圍堰保證安全度汛。文獻(xiàn)[2]研究了橋梁雙壁鋼圍堰在大高差河床狀態(tài)下的下沉施工。文獻(xiàn)[3]研究了橋梁水中墩樁基礎(chǔ)與鋼圍堰同步施工，縮短工期，為圍堰安全度汛提供時(shí)間保證，解決了圍堰定位難的問題。文獻(xiàn)[4]研究了橋梁圓形無內(nèi)支撐雙壁鋼圍堰制作、下放、下沉、封底等施工研究分析。以上研究都是保證雙壁鋼圍堰套箱如何確保制作、下放、下沉以及封底等滿足設(shè)計(jì)要求，并沒有給出鋼套箱如何快速拆除并多次合理利用。本文在達(dá)到以上要求的同時(shí)，通過在機(jī)動(dòng)駁船上焊接貝雷梁門架系統(tǒng)，可以快速拼接、下沉、轉(zhuǎn)運(yùn)以及在板船上修復(fù)單壁鋼套箱，同時(shí)不需要對(duì)鋼套箱進(jìn)行水下切割，既省時(shí)省力還經(jīng)濟(jì)環(huán)保。因此，在內(nèi)陸湖或者水流不急的河流上建造橋梁時(shí)，通過駁船起吊、下放、修復(fù)鋼套箱的施工方案在全面推廣上有很大的借鑒意義。

1 工程概況

常德沾天湖棧橋以“山水”為核心，巧妙利用周邊的山水環(huán)境與生態(tài)、景觀資源，通過抽象造型的橋梁藝術(shù)，營造“桃花源里水城”、“龍脈”的巧妙構(gòu)思。棧橋整體由車行橋、人行橋、朱雀廣場三部分組成，以湖面的車行橋?yàn)榍帻?，東側(cè)山體為白虎、玄武，仙人洞河汊汊口處的朱雀廣場為朱雀，構(gòu)筑了“青龍、白虎、玄武、朱雀”的風(fēng)水布局意象，并實(shí)現(xiàn)了“山水合一，龍鳳呈祥”的祥和美景，為柳葉湖旅游度假區(qū)創(chuàng)造了獨(dú)特的風(fēng)水旅游景點(diǎn)。

常德沾天湖東岸棧橋分車行橋與人行橋，其中車行橋橋長2100m，人行橋橋長1500m。橋梁基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁，車行橋共有樁基礎(chǔ)312根、承臺(tái)134個(gè)、花瓶型橋墩墩身131個(gè)。其中4#承臺(tái)尺寸為30×10×2.5m（長×寬×高），采用C25混凝土。62#、63#承臺(tái)尺寸為19.5×10.5×2.5m（長×寬×高），采用C25混凝土。其余承臺(tái)尺寸均為6.1×2.6×2.0m（長×寬×高），采用C25混凝土。普通承臺(tái)施工采用單壁鋼套箱圍堰施工方案，4#、62#、63#墩臺(tái)圍堰采用雙壁鋼套箱圍堰施工方案。圍堰施工期間湖水面標(biāo)高31.0m左右，最高洪水位32.58m，鋼套箱圍堰設(shè)計(jì)頂標(biāo)高33.18m。地勘資料顯示，橋位鉆探所達(dá)深度范圍內(nèi)，場地地層屬第四系全新統(tǒng)（Q4）淤泥、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)粘土、圓礫、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和白堊系（K）砂巖、礫巖、泥質(zhì)粉砂巖。根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告顯示及現(xiàn)場施工情況來看，該橋土層情況大致為：6m深水+2m深淤泥+3m深淤泥質(zhì)土+4m深粉質(zhì)粘土。

本文主要分析單壁鋼套箱圍堰的下放、下沉施工、封底以及圍堰整體取出與轉(zhuǎn)運(yùn)。

2 施工方案

橋梁水中墩樁基均為鉆孔樁，設(shè)計(jì)施工常水位為30.58m，最高洪水位32.58m，根據(jù)當(dāng)年沾天湖的實(shí)測水位變化情況以及最高洪水位32.58m，同時(shí)結(jié)合本項(xiàng)目上現(xiàn)有材料如鋼板、φ630×8mm鋼管等材料的最大利用綜合比較后，對(duì)車行橋承臺(tái)施工采取單壁鋼套箱圍堰方案，即駁船貝雷門架系統(tǒng)將單壁鋼套箱拼裝、下放、下沉到位并將套箱平面位置測量無誤后，通過駁船上的汽車吊吊起振動(dòng)錘先對(duì)鋼套箱進(jìn)行下沉振打，然后用全站儀進(jìn)行套箱平面位置測量復(fù)核無誤后，再在鋼套箱內(nèi)壁四周緊鄰、逐根打設(shè)一排φ630×8mm鋼管樁。振打時(shí)需要對(duì)打設(shè)的鋼管樁的平面位置復(fù)核，一旦偏差較大需及時(shí)調(diào)整，其鋼管樁偏斜控制在1%以內(nèi)，鋼管樁的主要作用是防止鋼套箱在圍堰內(nèi)抽水后、澆筑封底砼前圍堰的變形破壞，起對(duì)鋼套箱的支撐作用。

鋼套箱下沉到位后其頂標(biāo)高按33.18m考慮，高于沾天湖最高洪水位60cm，確保承臺(tái)施工安全。

2.1 單壁鋼套箱圍堰設(shè)計(jì)

棧橋車行橋承臺(tái)除4#、62#、63#承臺(tái)外，平面尺寸均為6.1m×2.6m，單壁鋼套箱尺寸設(shè)計(jì)為13.1m×9.6m。鋼套箱圍堰設(shè)計(jì)高14m，鋼套箱內(nèi)鋼管樁振入深度18m左右。將圍堰與鋼管樁結(jié)合成整體，單壁鋼圍堰鐵板主要起防水作用，而鋼管樁主要防止基坑淤泥及淤泥質(zhì)土的隆起。圍堰在下放過程中無法進(jìn)入基巖，鋼管樁振入深度比圍堰多3m左右。

鋼套箱內(nèi)鋼管樁打設(shè)完成后，開始對(duì)圍堰進(jìn)行抽水，抽水至鋼套箱圍堰頂下100cm時(shí)加設(shè)順橋向第一道雙肢型鋼I45b支撐，然后每間隔100cm加設(shè)第二道支撐，鋼套箱順橋向支撐共設(shè)5道。順橋向支撐避開承臺(tái)與墩身鋼筋安裝位置，同時(shí)在鋼套箱每層I36b橫向聯(lián)結(jié)桿上焊接角撐，鋼套箱共設(shè)置5層雙肢I(xiàn)36b橫向聯(lián)結(jié)桿，對(duì)撐I45b直接撐在I36b上并焊接牢固，每層橫向聯(lián)結(jié)桿上的角撐材料采用H型鋼HN300×150mm。

2.2 鋼套箱圍堰加工

鋼套箱圍堰鋼壁采用10mm厚熱軋鋼板制作，壁體總高14m，分3節(jié)制作，設(shè)計(jì)每塊尺寸高度為6m+6m+2m。整個(gè)壁體背面采用10#槽鋼加勁，槽鋼縱橫間距30cm。壁體每塊鋼板之間均采用滿焊焊透，圍堰下水前，對(duì)所有結(jié)構(gòu)焊縫進(jìn)行檢查，內(nèi)、外壁板對(duì)接焊縫必須通過煤油滲透試驗(yàn)，即在對(duì)接焊縫的正面刷上煤油，反面不允許有滲油痕跡，否則滲漏處必須補(bǔ)焊。

套箱采用現(xiàn)場制作，現(xiàn)場制作場地經(jīng)整平后硬化。套箱制作完成后及時(shí)進(jìn)行預(yù)拼，以盡早檢查發(fā)現(xiàn)制作過程中出現(xiàn)的偏差并修改，確保結(jié)構(gòu)的完好。

在板船上利用30t汽車吊進(jìn)行套箱焊接、吊裝等相關(guān)作業(yè),分塊鋼套箱通過汽車從制作車間運(yùn)至碼頭，再通過機(jī)動(dòng)舶配合板船運(yùn)至施工現(xiàn)場安裝。

2.3 鋼套箱圍堰拼裝

每節(jié)套箱分為4塊，圍堰在下沉前，將每一節(jié)圍堰在板船上進(jìn)行拼裝，即將每一節(jié)4塊套箱之間用螺栓連接固定。鉆孔樁施工完成后，撤離鉆機(jī)，整理施工平臺(tái)，利用30T汽車吊配合350T板船進(jìn)行吊裝然后分塊組拼、分節(jié)接高等相關(guān)吊裝作業(yè)，為了便于現(xiàn)場施工，拼裝6套單壁鋼套箱循環(huán)利用以滿足施工需要。

每節(jié)套箱在下沉過程中，對(duì)套箱內(nèi)四角用HN300×150mm的H型鋼做斜內(nèi)角支撐，型斜角支撐豎向間距為100cm，共設(shè)5道。

2.4 鋼套箱下沉

單個(gè)套箱總重168噸，套箱分節(jié)重量見下表：

表1 套箱分節(jié)塊重量表

鋼套箱的下沉采用導(dǎo)向船設(shè)備施工。

（1）導(dǎo)向船根據(jù)本工程項(xiàng)目中鋼套箱的規(guī)格采用兩艘350噸鐵駁船，兩艘鐵駁船通過聯(lián)結(jié)梁連接為一整體，其連接強(qiáng)度在可能達(dá)到的荷載時(shí)能保持基準(zhǔn)面不致變動(dòng)。聯(lián)結(jié)梁采用I22b型鋼焊接拼裝而成，分別設(shè)在鐵駁船的兩側(cè)，并將其焊接在鐵駁船上。

（2）鋼套箱的起吊系統(tǒng)由導(dǎo)向船上的主吊點(diǎn)及塔架組成。起吊塔架由6根φ630×8mm鋼管焊接在鐵駁船上，630×8mm鋼管設(shè)計(jì)3排，每排2根，縱橫向間距均為2m，形成格構(gòu)柱，每艘鐵駁船上共設(shè)計(jì)2個(gè)格構(gòu)柱，然后在格構(gòu)柱頂上各架設(shè)一榀雙拼的321貝雷梁形成塔架立柱系統(tǒng)。起吊設(shè)備由4臺(tái)25T卷揚(yáng)機(jī)、千斤頂、滑車組等電器設(shè)備組成。

（3）鋼套箱的下沉通過鐵駁船上的塔架立柱系統(tǒng)整體吊放到設(shè)計(jì)位置后，再利用板船上的汽車吊配合振動(dòng)錘先將鋼套箱振打至鋼套箱不再下沉為止，開始在套箱內(nèi)按設(shè)計(jì)打設(shè)鋼管樁。

2.5 鋼管樁施工

鋼套箱下放完畢后利用板船上汽車吊吊起振動(dòng)錘對(duì)鋼套箱進(jìn)行下沉振打，鋼套箱振打到位后再在套箱內(nèi)壁四周振滿一排φ630×8mm的鋼管樁，鋼管樁打設(shè)時(shí)鋼管樁之間盡量緊挨，鋼管樁詳細(xì)布置見圖1。

圖1 鋼套箱、鋼管樁及聯(lián)結(jié)桿件與承臺(tái)平面尺寸關(guān)系圖

圖2 駁船上塔架立柱立面圖

鋼管樁由機(jī)動(dòng)駁配350T板船運(yùn)至施工現(xiàn)場，鋼管樁施工采用30T汽車吊和板船配合60T振動(dòng)錘進(jìn)行振打下沉，鋼管樁中心軸線與振動(dòng)錘中心軸線確保一致。若鋼管樁在沉放時(shí)發(fā)生偏差，需將鋼管樁拔出重新進(jìn)行沉放。沉放到位的鋼管樁及時(shí)進(jìn)行連接，確保樁體穩(wěn)定。

2.6 清淤及混凝土封底

由于該橋?yàn)榈蜆冻信_(tái)，均處于淤泥面以下，單壁鋼套箱下放完畢后對(duì)套箱內(nèi)進(jìn)行抽水并對(duì)基坑內(nèi)的淤泥進(jìn)行清除，淤泥清除先用挖機(jī)進(jìn)行初步清理，然后再用高壓水槍配合長臂細(xì)斗挖機(jī)進(jìn)行清淤，清出的淤泥用自卸汽車運(yùn)出。

淤泥到承臺(tái)設(shè)計(jì)底標(biāo)高1.5m以下后澆筑1.5m厚C25封底混凝土。若清淤到設(shè)計(jì)標(biāo)高后的基底地質(zhì)與設(shè)計(jì)不符，及時(shí)對(duì)基底進(jìn)行換填片石等加固處理后，在澆筑封底混凝土之前在基坑的630×8mm上盡快加設(shè)2層縱、橫內(nèi)支撐，間距1m，確保鋼套箱與鋼管樁形成整體受力，內(nèi)支撐采用雙排45#工字鋼，縱橫間距均為2.0m。封底砼采取水下澆筑法，待砼達(dá)到齡期后對(duì)鋼套箱進(jìn)行抽水，進(jìn)入承臺(tái)施工。

2.7 單壁鋼套箱下放、取出與轉(zhuǎn)運(yùn)

鐵駁船塔架立柱系統(tǒng)將單壁鋼套箱運(yùn)至圍堰施工現(xiàn)場，整體下放至承臺(tái)設(shè)計(jì)位置并經(jīng)測量合格后，利用350T板船上的汽車吊配合60T振動(dòng)錘將套箱振打至不再下沉。墩臺(tái)施工完成后，通過板船上的汽車吊夾住振動(dòng)錘振動(dòng)鋼套箱，將鋼套箱與封底砼剝離，然后在橋梁墩（臺(tái)）身蓋梁上利用貝雷梁搭設(shè)鋼套箱拔除支架，支架頂部配備4臺(tái)200T液壓千斤頂，且在套箱四周用4個(gè)50T手拉葫蘆配合汽車吊將套箱吊住，利用千斤頂、手拉葫蘆及汽車吊一起將鋼套箱整體吊出。吊出的鋼套箱利用鐵駁船塔架立柱系統(tǒng)運(yùn)至下個(gè)施工的圍堰處，倘若對(duì)鋼套箱進(jìn)行修復(fù)、加固等工序，直接通過駁船將鋼套箱卸至350T板船上，而不必再將鋼套箱轉(zhuǎn)運(yùn)至加工場。如圖3所示。

圖3 鐵駁船塔架立柱系統(tǒng)整體轉(zhuǎn)運(yùn)鋼套箱圖

2.8 單壁鋼套箱施工驗(yàn)算

本文中通過矩形321貝雷梁桁架將單壁鋼套箱起吊或下放的荷載，經(jīng)塔架立柱傳遞至鐵駁船。所采用的321貝雷梁桁架梁高1.5m，弦桿由雙10#槽鋼組成；塔架立柱由6根截面為φ630×8mm的鋼管間距2m組合形成，每艘駁船支撐2個(gè)鋼格構(gòu)柱，鋼格構(gòu)柱與駁船通過焊接連接形成整體，格構(gòu)柱截面為2000×4000mm。貝雷桁架梁和塔架立柱均采用Q235B鋼材材質(zhì)，桁架梁計(jì)算跨度為24m，塔架立柱計(jì)算高度為12m，單壁鋼套箱最大起吊重量為168噸，采用SAP2000軟件模擬單壁鋼套箱起吊與下沉施工過程，得到施工過程中桁架梁桿件最大應(yīng)力比為0.73，格構(gòu)柱桿件最大應(yīng)力比為0.52，均小于1；桁架梁最大豎向變形為32.4mm，小于施工規(guī)范要求的容許變形值60mm（跨度l/400），說明在整個(gè)施工過程中能滿足承載能力要求。

3 結(jié)論

（1）單壁鋼套箱下沉到位對(duì)套箱內(nèi)抽水、清淤前，必須對(duì)鋼套箱的下部加頂撐、上部加頂撐和角撐來減少傾覆力矩，保證圍堰體系的整體穩(wěn)定性。

（2）基坑底有較厚的淤泥質(zhì)土，抗隆起穩(wěn)定性較差，對(duì)基坑底淤泥質(zhì)土采用1.5m厚C25混凝土墊層封底后，抗隆起穩(wěn)定性大大增強(qiáng)，滿足現(xiàn)場施工需要，保證了施工安全。

（3）通過鐵駁船塔架立柱系統(tǒng)整體下放、取出與轉(zhuǎn)運(yùn)鋼套箱的形式大大提高了橋梁墩（臺(tái)）身施工進(jìn)度，降低鋼套箱單塊吊裝、拼裝時(shí)的安全隱患，節(jié)約了項(xiàng)目施工與管理成本，該套箱的整體下放、取出與轉(zhuǎn)運(yùn)的施工方案在同類型的內(nèi)陸湖或者水流不急的河中有借鑒意義，值得推廣。