水中墩鋼套箱圍堰施工技術(shù)

張 杰 何文勝

(中鐵三局二公司，河北石家莊 050031)

1 工程概況

某特大橋跨主河道采用預應力混凝土連續(xù)梁，下部為35號～45號墩，其中35號、45號墩位于河道大壩邊，36號～44號墩位于河道，40號～42號墩之間兩孔為通航航道。

2 施工總體安排

鋼套箱采取岸邊制作、浮龍門上預拼底節(jié)，整體浮運至墩位、下沉就位錨定后向上接高。

根據(jù)橋址處的地質(zhì)水文條件，42號墩、43號墩先搭設水中作業(yè)平臺進行鉆孔樁施工。

施工流程為:制作套箱→覆蓋層清除→墩位處巖層渣石清除→拼組浮龍門及拼裝平臺→在平臺上拼組底節(jié)套箱→將套箱提升懸吊→拆除拼裝平臺→底節(jié)鋼套箱下水→接高第二、三節(jié)鋼套箱→鋼套箱整體下沉→底節(jié)套箱著床→水下探摸堵漏→鋼套箱上布置平臺→護筒埋設固定→封底混凝土施工。

3 水中墩施工方案

3．1 水中作業(yè)平臺

42號、43號墩施工均采用搭設鋼管樁型鋼鉆孔作業(yè)平臺施工樁基礎。水中作業(yè)鉆孔平臺平面尺寸為21 m×11 m。基礎采用φ63×6 mm鋼管樁，橫橋向間距4．6 m，順橋向間距最大為6．58 m;鋼管樁頂順橋向布置雙拼2Ⅰ45型鋼作墊梁，墊梁上橫橋向布設貝雷梁，貝雷梁上再布置Ⅰ36作為分布梁，工字鋼最大間距為1．0 m，除護筒口外，其余均鋪設木板。平臺頂面四周設1．1 m高護欄，平臺頂面標高為33 m。

鉆孔平臺計算:

鉆機重量按30 t計，按最不利受力，此時鉆機所有重量全部集中在前橫梁上，前橫梁支撐在2根2Ⅰ36工字鋼上，取其中一根工字鋼進行受力分析，P=15 t。

貝雷梁上按最不利橫橋向布置1臺鉆機，貝雷梁的控制彎矩按600 kN·m。

由于貝雷梁的支撐位置不是正對節(jié)點，所以施工中對各個支撐點都用2［20加強，2［20的截面面積遠大于貝雷梁的豎桿截面面積，所以抗剪能滿足要求。

按最不利，平臺上一側(cè)同時集中兩臺鉆機鉆進的工況考慮，下橫梁承受的最大集中荷載是300 kN，偏安全考慮，抗彎時，認為其作用在跨中;抗剪時作用在支點。φ630 mm鋼管最大受力按30 t計。

3．2 鋼套箱

3．2．1 鋼套箱結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)橋墩承臺的尺寸大小，鋼套箱設計為矩形。因鋼套箱需要拆除，鋼套箱內(nèi)部尺寸比承臺外圍尺寸每邊放大0．4 m，尺寸為10．4 m×13．6 m的6個承臺，雙壁圍堰均設計成外徑13．6 m×16．8 m的矩形;對12 m×14．4 m的1個承臺，鋼圍堰底節(jié)節(jié)高度為 4．5 m，每節(jié)質(zhì)量約 70 t。

鋼圍堰的主要材料:圍堰壁板為δ6 mm鋼板;水平環(huán)板12×180;縱向次梁(豎向)L70×70×6;水平斜撐及圍堰壁板之間的對撐L80×80×6;豎向環(huán)板20×240，設置在斜撐對應的豎撐位置;斜向長支撐為2Ⅰ36b工字鋼，支撐連桿連桿為Ⅰ36b工字鋼;斜向長支撐端部豎向布置2Ⅰ36工字鋼，作為分配梁，頂住圍堰內(nèi)壁;水平環(huán)板圍堰頂面4 m范圍為100 cm，其余均為60 cm。

3．2．2 鋼套箱受力簡算

1)主動土壓力計算。為了簡化計算可以采用簡化的主動水土壓力，簡化的水土壓力比計算的水土壓力稍大些。由于圍堰下沉至河床面以下時，圍堰外側(cè)的土體實際情況被擾動了，所以采用簡化的水土壓力是基本合理的。

2)受力計算的結(jié)果:鋼桁的最大位移為7．4 mm＜17 000/150=113 mm，而面板的局部位移為 8－7．4=0．6 mm ＜400/150=2．7 mm，滿足規(guī)范要求(GB 50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范附錄A)?；炷敛糠值奈灰茷?．2＜17 000/500=34 mm，滿足規(guī)范要求(《鋼筋混凝土設計規(guī)范》3．3．2 條)。

內(nèi)壁板的綜合應力偏大，達到了166 MPa，主要是由于內(nèi)壁板用的是4 mm厚，較外壁板薄，同時，隔艙注水的壓力。所以在施工中一定要保證圍堰隔艙內(nèi)外的水位高差不能超過3．6 m。外壁板的最大綜合應力為100 MPa，小于Q235鋼的容許應力，是可靠的。

豎肋整體上的最大應力為273．5 MPa，超過允許應力，位于與大支撐支頂平面相對應的一圈，這是由于大支撐支頂?shù)钠矫嫦鄬τ谄溆嗟膰咂矫鎰偠让黠@偏大，剛度突變，豎肋像連續(xù)梁，支撐就像支點，支點位置的應力偏高。這一點從局部應力圖上也可以看出來，是在一個很小的范圍內(nèi)。考慮到鋼結(jié)構(gòu)局部超過允許應力后的應力重分布現(xiàn)象，應力會很快的降低，所以豎肋的設計是能滿足要求的。

水平斜撐采用L63×6角鋼，局部采用L80×6角鋼加強。其最大應力為210．9 MPa，位于圍堰轉(zhuǎn)角位置的水平斜撐，從局部應力圖上可以看出超標的范圍在水平撐相交的很小的范圍，按照鋼材的延性設計理念，局部應力的超標，在鋼材內(nèi)部會應力重分布，所以局部的應力超標并不會影響結(jié)構(gòu)的安全?？傮w上說，水平撐的設計是安全可靠的。大斜撐及分配梁采用2Ⅰ36b工字鋼，其最大應力為46 MPa，安全。

混凝土最大拉應力為3．5 MPa，超過混凝土的容許拉應力1．27 MPa，但是屬于某個點的急劇增大，這是應力集中現(xiàn)象，可以不考慮。另外，井壁與封底混凝土接觸面的外側(cè)，有一塊區(qū)域最大為1．6 MPa，因為此區(qū)域只是考慮了索混凝土受拉，沒有考慮圍堰壁板及豎肋的受拉，所以是偏保守的，實際的結(jié)構(gòu)受力中，混凝土的拉應力會有很大的下降。綜上所述，混凝土受拉時是安全、可靠的。

混凝土最大壓應力6．9 MPa，小于混凝土的容許壓應力。

計算中考慮圍堰中的水全部抽干，此時由于圍堰井壁內(nèi)已經(jīng)澆筑井壁混凝土，同時可采取注水壓重的措施，使圍堰本身不上浮。計算中只要考慮樁基與封底混凝土的粘結(jié)力能抵抗由于水位差所形成的壓力。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)廠家以及查閱論文或者資料，樁基與封底混凝土的粘結(jié)力可以取為500 kPa～1 000 kPa。封底混凝土考慮河床底面的不平整，按2 m考慮，水深13．7 m。

浮力:13．7×16．8×13．6×10=31 301 kN。

粘結(jié)力:8×3．14×2×2×500=50 240 kN，滿足要求。

混凝土最大拉應力為0．95 MPa，小于混凝土容許拉應力1．27 MPa。

墩位處樁基穿過全風化花崗巖位于中風化花崗巖中，抗拔計算中考慮最差的地質(zhì)，極限摩阻力取為200 kPa，樁長全部按4 m計算。

抗拔力:8×3．14×2×4×200=40 192 kN ＞31 301 kN，滿足要求。

3．2．3 鋼套箱施工工藝

1)場地平整、鋼套箱分節(jié)加工。在岸邊灘涂上進行場地平整，硬化一塊100m×100m的場地作為鋼套箱的加工場。每個套箱分三節(jié)進行預制，每節(jié)分為10片，單片重量8 t以內(nèi)。

2)挖渣船就位、墩位處清理覆蓋層。挖渣船由8個標準舟節(jié)組成，先確定墩位處承臺輪廓的水面區(qū)域，對承臺長、寬方向各擴大2 m即為清除面積，用長臂挖掘機對河床覆蓋層進行清除。

3)拼組浮龍門、拼裝平臺、浮吊及運輸船。浮吊分為20 t和10 t浮吊兩種，20 t浮吊底盤由13節(jié)標準舟節(jié)組成，10 t浮吊底盤由10節(jié)標準舟節(jié)組成;器材進場后，先拼裝浮吊。運輸船由4節(jié)標準舟節(jié)組成兩條舟體，將兩條舟體拉開2．7 m空檔。通過3片8．1 m公路橋面連接成整體。浮龍門拼組完成后，在浮龍門空擋處安放5組雙榀貝雷梁，貝雷梁上面用型鋼鋪設，組成鋼套箱底節(jié)拼裝平臺。

4)底節(jié)圍堰拼裝及下水。鋼套箱按施工設計圖紙在岸邊碼頭上加工單元，利用浮吊將各單元吊裝到拼裝平臺上進行鋼套箱拼組。底節(jié)拼組完成后，鎖定焊接，全面仔細檢查各焊縫有無氣孔、夾碴、漏焊等處，并進行水密試驗。確認焊接良好并不漏水。經(jīng)檢查驗收合格后用機動舟將浮龍門推至墩位處錨定，利用安裝在浮龍門浮吊將第一節(jié)套箱吊起，拆除拼裝平臺，緩慢下沉底節(jié)鋼套箱。

5)鋼套箱接高。運輸船運輸?shù)诙?jié)套箱單元壁板至墩位處，用浮吊吊裝單元壁板在底節(jié)套箱上拼裝接高。為確保第二節(jié)單元的穩(wěn)定性，需要在底節(jié)內(nèi)外壁板上各焊接一根18號槽鋼進行限位，每個單元均設置一組，露出長度按1．5 m控制。吊裝接高時，對稱拼裝，隨時調(diào)整，待全部點焊成型后，方可全面焊接。拼接施焊中，先焊環(huán)板，后焊內(nèi)壁，再焊外壁，并按對稱施焊要求進行。為保證內(nèi)、外壁垂直焊透，以碳弧氣刨使內(nèi)外壁封底焊完全見白，然后內(nèi)外壁焊縫再焊兩遍。

6)鋼套箱著床及下沉。鋼套箱每接高一節(jié)即均勻灌水下沉，預留一定的干弦高度，以便接高下一節(jié)時的對接施焊作業(yè)。當套箱焊接完畢后，對套箱隔艙內(nèi)灌水同步下沉并糾偏，當距河床標高50 cm左右時即停止灌水下沉，用全站儀定位。

7)刃腳支墊及封堵。刃腳下到標高后，下潛水員用2 cm的鋼板焊成楔形盒子支墊鋼圍堰刃腳，以確保鋼圍堰的穩(wěn)定，為保證封底混凝土的可靠性，用袋裝水泥封堵圍堰內(nèi)刃腳。

8)搭設平臺、安放護筒。支墊完畢后，在鋼套箱頂部搭設平臺并預留鉆孔樁樁位，將護筒從預留孔下放至河床上并與平臺連接在一起，待護筒全部沉放固定完畢后，即可進行封底工作。

9)水下混凝土封底。混凝土灌注采用垂直導管水下灌注，根據(jù)混凝土的流動半徑，在圍堰平臺上布設導管，準備就緒后進行封底混凝土作業(yè)，混凝土由陸地上拌合站供應，通過輪渡運輸?shù)蕉瘴惶帯?/p>

4 結(jié)語

通過現(xiàn)場實際施工檢驗，水中墩鋼圍堰施工技術(shù)成熟，能夠滿足安全要求、保證質(zhì)量。

［1］趙景方．深水鋼板樁圍堰設計與施工［J］．山西建筑，2013，39(10):169-170．