深水基礎(chǔ)鋼套箱圍堰施工技術(shù)研究

鞠瑞才

摘 要：隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國跨越大江大河的橋梁建設(shè)規(guī)模在不斷擴大。同時，相關(guān)企業(yè)修建了很多深水橋梁，這在很大程度上提升了深水基礎(chǔ)的施工水平，且在很多方面已達到國內(nèi)先進水平?；诖?，文章以駙馬長江大橋為例，簡要介紹了深水基坑圍堰的類型、施工工藝流程及其施工技術(shù)要點，希望能夠進一步推動橋梁建設(shè)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：深水基礎(chǔ)；鋼套箱圍堰；施工技術(shù)

引言：隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升，很多先進的施工技術(shù)逐漸融入到各行各業(yè)的發(fā)展中。現(xiàn)階段，深水基坑圍堰施工的形式多種多樣，每種圍堰都具有自身的特點和適用條件。施工技術(shù)人員在施工過程中，應(yīng)根據(jù)橋梁不同的水文、地質(zhì)、材料以及設(shè)備條件，進行綜合考慮。同時，隨著深水橋梁建設(shè)以及設(shè)備的發(fā)展，新材料的應(yīng)用，采用大型低樁承臺的結(jié)構(gòu)形式越來越多，其施工技術(shù)和圍堰形式將得到進一步的發(fā)展。

1工程概況

重慶萬州駙馬長江大橋是重慶萬州至湖北利川高速公路（重慶段）跨長江的重要控制性工程。駙馬長江大橋為全長2030m，主跨1050m的單跨雙塔鋼箱加勁梁懸索橋。主纜分跨為285+1050+345m，中跨為懸吊結(jié)構(gòu)。主纜矢跨比為1/10，主纜橫橋向中心間距為28m，吊索順橋向標(biāo)準(zhǔn)間距為16m。主橋中跨加勁梁采用流線型扁平鋼箱，梁高3.2m（主梁中心線處）。鋼箱梁（含風(fēng)嘴）全寬32.0m。橋面設(shè)2%雙向橫坡。梁高與跨徑比為1：328，與寬度之比為1：10。其中，鋼箱梁全橋共分為66個梁段（3種類型）：標(biāo)準(zhǔn)段（B類）長16.0m，共63個（含兩個合龍段）；跨中段（C類）長14.4m，共1個；特殊梁段（A類）長11.85m，共2個。梁段吊裝重量為200.0t到220.9t，B類梁段吊裝重量最大。其具有以下特點：第一，本橋是懸索橋，截面寬度大，橋梁跨度長，箱梁節(jié)段重量均為國內(nèi)首屈一指；第二，本橋是國內(nèi)首次采用集中排水方式，在外側(cè)車行道設(shè)置橫向排水管，將行車道的雨水排向檢修道，在檢修道路緣附近的集水槽進行收集，通過泄水管排入設(shè)置在風(fēng)嘴內(nèi)的縱向排水管；第三，排水管以法蘭連接，法蘭配套設(shè)置石棉橡膠墊，要求匹配加工精度高，加工難度大，組裝精度要求高。

2鋼套箱圍堰

現(xiàn)階段，圍堰的類型主要有鋼板樁圍堰、混凝土圍堰、鋼套箱圍堰以及鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)圍堰等。其中，鋼板樁圍堰主要為單壁結(jié)構(gòu)；混凝土圍堰分為重力式鋼筋混凝土圍堰和雙層薄壁鋼筋混凝土圍堰；鋼套箱圍堰分為單壁、雙壁以及單雙壁組合式鋼圍堰；鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)圍堰也可分為上鋼下混凝土、下鋼上混凝土形式。每種圍堰都有自身的特點和適用條件，因此，施工技術(shù)人員需根據(jù)各自的水文、地質(zhì)、材料價格以及設(shè)備情況等比選而定。現(xiàn)階段，由于鋼材價格的下降，以及鋼結(jié)構(gòu)加工、運輸、下沉方便等方面的優(yōu)越性，鋼套箱圍堰越來越廣泛地被應(yīng)用于大型深水橋梁的基礎(chǔ)施工中。下文主要介紹了深水基礎(chǔ)鋼套箱圍堰的類型及其施工技術(shù)要點。

2.1結(jié)構(gòu)形式和特點

鋼套箱圍堰按形狀可分為矩形（圓端形）和圓形，其中每種圍堰又有單壁、雙壁以及單雙壁組合式鋼圍堰。圓形圍堰，由于在水壓力作用下，只產(chǎn)生環(huán)向軸力，可不設(shè)內(nèi)支撐，因此，此結(jié)構(gòu)能夠提供足夠的施工空間。另外，由于其截面可以導(dǎo)流，其抗水流能力強，主要適用于流速較大的深水河流低樁承臺的施工中。但是，由于承臺一般是矩形，其封底的截面積較大，封底混凝土的量較大。而矩形或圓端形圍堰可按承臺的尺寸形狀設(shè)計，這在很大程度上減少了圍堰鋼壁的用鋼量以及封底混凝土的用量。但是，由于該圍堰需加設(shè)內(nèi)支撐，為后續(xù)工程的施工帶來諸多不便。并且，其抗水流沖擊能力和整體性較差，不宜在流速較大的河流中使用。除此之外，單、雙壁的構(gòu)造主要是根據(jù)鋼圍堰下沉的需要而設(shè)計，由于鋼圍堰重量輕，在需要入土較深的情況下僅靠自重難以下沉，需灌注配重混凝土，因此，施工企業(yè)必須設(shè)置雙壁結(jié)構(gòu)；而在下沉較淺的情況下，借自重可以實現(xiàn)下沉，可設(shè)計為單壁結(jié)構(gòu)；在滿足下沉需要的前提下，又要節(jié)省材料，可設(shè)計成單、雙壁組合式結(jié)構(gòu)。

除此之外，鋼圍堰結(jié)構(gòu)形式的確定受多種因素的制約，比如，水文、地質(zhì)、起重設(shè)備等。平面形狀的確定主要受承臺平面尺寸的影響以及水深的影響。通過比較發(fā)現(xiàn)，當(dāng)承臺的平面尺寸長寬比小于1.5時，采用圓形圍堰形式更為合理，但水深大于15m的情況下，若采用矩形圍堰，需要加設(shè)多層內(nèi)支撐，難以保證施工空間，且增加了鋼材的用量，此時采用圓形圍堰更為合理。

2.2施工工藝流程（見圖1）

圖1 鋼套箱圍堰施工工藝流程圖

2.3施工要點

通常情況下，為了保證圍堰施工的便利性，施工企業(yè)會選擇船運比較方便的工廠進行加固。其施工工序主要是以下幾點：第一，先分單元在胎具上加工成型，然后在浮體上組拼。由于矩形圍堰的重量較輕，一般情況下，應(yīng)進行分塊加工，一次拼裝成型；第二，圍堰的浮運。施工技術(shù)人員在進行圍堰的浮運時，應(yīng)根據(jù)下沉的設(shè)備情況進行確定，在采用大型浮吊下沉的情況下，可用平駁進行浮運；在采用組拼龍門浮吊下沉的情況下，可直接用浮吊進行浮運；第三，圍堰的下沉。矩形圍堰由于重量較輕，可一次拼裝到位，因此，精確定位后，可一次放置于河床上。而雙壁或單、雙壁組合式圍堰由于體積大，需在水中邊下沉邊接高。其作業(yè)步驟為：將第一節(jié)放入水中定位，利用雙壁所產(chǎn)生的浮力自浮于水中，然后接高第二節(jié)，灌水或混凝土下沉，再繼續(xù)接高下一節(jié)，直至圍堰全高。在圍堰上搭設(shè)吸泥平臺，布置吸泥機進行下沉。相關(guān)技術(shù)人員在圍堰設(shè)計過程中，應(yīng)在雙壁間設(shè)置隔倉，灌注時應(yīng)分倉對稱進行，避免鋼圍堰出現(xiàn)偏移；第四，封底混凝土的施工鋼圍堰沉至設(shè)計標(biāo)高，灌注封底混凝土之前，要求潛水員用高壓水槍進行清理，并對河床面進行整平，與此同時，為了保證封底混凝土與樁身、箱壁的良好結(jié)合，達到相應(yīng)的止水效果，潛水員應(yīng)用高壓水槍將樁身和箱壁上附著的泥漿沖洗干凈，封底混凝土的施工工藝可以采用垂直導(dǎo)管法。并且，水下混凝土靠自身流動性向四周攤開，導(dǎo)管一般采用φ300mm無縫管，頂部設(shè)漏斗，導(dǎo)管數(shù)量應(yīng)根據(jù)鋼圍堰內(nèi)凈空面積確定。除此之外，在矩形鋼圍堰施工過程中，由于封底混凝土數(shù)量巨大，可分成幾個倉，分次灌注封底混凝土?；炷烈话阌砂渡习韬险净虼笮桶韬洗?yīng)，泵送至澆注位置。

2.4圍堰設(shè)計理念

根據(jù)承臺形狀和結(jié)構(gòu)受力分析，圍堰平面可以布置成雙圓組合形（如圖2）。

圖2 鋼圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計平面布置圖

鋼圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2，共分為4個部分：刃腳段、雙壁加強段、單壁段、內(nèi)部橫向支撐梁。其中，刃腳部分面板采用8mm鋼板，角度為30度；雙壁加強段內(nèi)外面板及隔板均采用5mm鋼板，內(nèi)部為空間桁架結(jié)構(gòu)，水平主桁加強圈采用100×100×10或75×75×8角鋼，綴條用63×63×5角鋼，豎向間距按不同的高度荷載計算求得；豎向加勁肋采用50×50×5或63×63×5角鋼，周向間距按不同的高度荷載計算求得；圍堰中支撐桁架用100×100×10或75×75×8角鋼相扣成方管，空間用75×75×6做綴條組成桁架，豎向間距與加強圈相同。

3結(jié)構(gòu)檢算

通常情況下，鋼圍堰的結(jié)構(gòu)驗算主要采用手算法的方式進行。通過對實際施工中鋼套箱結(jié)構(gòu)的受力進行模擬，采用有限元分析軟件進行結(jié)構(gòu)的受力校核，為手算結(jié)果的可靠性提供保障。

3.1建立結(jié)構(gòu)模型

3.1.1手算檢算

手算檢算可以通過對鋼圍堰受力作如下假定來簡化計算：計算水平斜撐和析架時，假定30倍壁板板厚的寬度參與受力；豎向加勁肋簡化為多跨連續(xù)梁計算，也考慮30倍壁板板厚的寬度參與受力；壁板檢算簡化為支撐在豎向加勁肋上的多跨連續(xù)板計算。

3.1.2計算機軟件分析

計算機軟件分析采用空間模型進行計算，內(nèi)外環(huán)板、內(nèi)外壁板采用空間板殼單元，水平析架和豎肋采用空間梁單元，內(nèi)支撐和水平斜桿采用空間析架單元，使空間模型的兩端鉸接于水平析架或環(huán)板。

3.2工況分析及計算荷載

通常情況下，在承臺基礎(chǔ)鋼套箱封底完成后，將鋼套箱內(nèi)的水抽干進行承臺施工，會嚴(yán)重影響工程建設(shè)的整體質(zhì)量。因此，相關(guān)技術(shù)人員必須嚴(yán)格考慮鋼套箱側(cè)面及底面受到的動水壓力、靜水壓力、土壓力和水浮力，并進行以下計算：第一，以鋼套箱外的水壓力、土壓力作為主要荷載，鋼套箱內(nèi)的受力桿件強度、剛度計算以及內(nèi)支撐的穩(wěn)定性計算；第二，計算鋼套箱封底后抽干水鋼套箱的抗浮安全性。

3.3計算結(jié)果

相關(guān)技術(shù)人員采用手算法和電算法對鋼圍堰結(jié)構(gòu)檢算，可以獲得基本一致的計算結(jié)果。通過計算可知，鋼套箱在不利情況下，水平析架、水平加勁肋、隔艙板、內(nèi)外壁板、內(nèi)支撐強度及剛度均滿足相關(guān)要求；內(nèi)支撐的穩(wěn)定性計算滿足要求；鋼套箱封底混凝土的抗上浮檢算也符合規(guī)范要求。因此，相關(guān)計算人員通過應(yīng)用手算法和電算法的相互校核驗證，能夠為計算結(jié)果的準(zhǔn)確性提供保障。

3.4結(jié)論

通過鋼套管的施工工藝及其簡算結(jié)果可知，這種方法具有相應(yīng)的優(yōu)缺點。其中，缺點是模板下部進入河床附著層的深度不夠，洪水期河床底部極易被沖刷成空洞；平模板與封底混凝土在水作用的反復(fù)沖擊下，極易被分離，其封堵和封水效果不明顯。優(yōu)點是施工材料是工地常用的周轉(zhuǎn)材料，平模板、工字鋼、鋼管等重復(fù)利用價值高，淺水區(qū)性價比較好。

結(jié)束語：綜上所述，隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)水平的不斷進步，我國的橋梁建設(shè)規(guī)模在不斷擴大，建設(shè)形式也越來越多樣化，且深水橋梁建設(shè)越來越多。而鋼套箱圍堰施工技術(shù)在深水基礎(chǔ)中的應(yīng)用取得了一定的成就，其不僅最大限度地節(jié)省了施工材料，還能夠利用自身浮力進行回收，為后期深水基坑施工技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展提供了保障。

參考文獻：

[1]于春濤.深水鋼套箱圍堰優(yōu)化設(shè)計及施工實踐[J].國防交通工程與技術(shù)，2016，14（04）：74-77+80.

[2]張利.大型深水基礎(chǔ)單壁鋼套箱圍堰施工技術(shù)[J].鐵道建筑，2011（03）：13-15.