鎖口吊箱圍堰在Padma大橋施工的應(yīng)用

熊仕坤

(中鐵大橋局集團(tuán)第四工程有限公司，江蘇 南京 210031)

1 項(xiàng)目概況

孟加拉國(guó)Padma大橋?yàn)殡p層橋面布置，下層為單線鐵路，上層為雙向四車道公路。位于首都達(dá)卡市偏西南約40 km處，橫跨Padma河(恒河)，距印度洋入?？谥本€距離約150 km，是連接Mawa與JanJira的主要交通要道，是連接中國(guó)及“泛亞鐵路”的重要通道之一，也是中國(guó)“一帶一路”倡議的重要交通支點(diǎn)工程。

Padma大橋主橋全長(zhǎng)6.15 km，共40個(gè)水中主墩，每個(gè)水中主墩基礎(chǔ)為6根φ3.0 m的傾斜鋼管樁，壁厚60 mm，鋼樁沿圓周均勻分布，斜度1∶6。樁頂高程+1.75 m，樁底5 m范圍內(nèi)為土塞，需通過(guò)壓漿密實(shí)；土塞上部10 m范圍內(nèi)填充水下混凝土；混凝土上部填充密實(shí)度大于95%的砂至距樁頂15 m處；樁頂15 m范圍內(nèi)填充混凝土，內(nèi)埋與承臺(tái)連接的鋼筋籠；承臺(tái)為現(xiàn)澆C40鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，正六邊形，底面邊長(zhǎng)9.33 m，頂面邊長(zhǎng)8.412 m，底高程+1.0 m，頂高程+6.5 m，高5.5 m，頂面設(shè)1∶10流水坡，承臺(tái)分兩層澆筑，第1層為1.5 m，第2層為剩余部分混凝土?；A(chǔ)布置如圖1所示。

圖1 Padma大橋主橋水中墩基礎(chǔ)布置(單位：除標(biāo)高為m外,其余：cm)

橋位處河面寬約6.15 km，最大水深27 m，平均水位+3.41 m，最大流速4.6 m/s。地處恒河流域沖積區(qū)，水下暗砂較多，局部流向紊亂，較有代表性的地層為含少量云母的密實(shí)粉細(xì)砂地質(zhì)。河床沖刷變化大，最大沖刷深度50.4 m。

2 圍堰設(shè)計(jì)

斜樁樁內(nèi)處理及承臺(tái)施工的圍水結(jié)構(gòu)采用鎖口式鋼吊箱圍堰。圍堰為內(nèi)徑19.1 m、高7.702 m的圓形結(jié)構(gòu)，由底板、側(cè)板、吊架及吊桿等組成。

吊箱圍堰立面布置如圖2所示。

圖2 主墩吊箱圍堰立面布置(單位：除標(biāo)高為m外,其余：cm)

2.1 計(jì)算工況

(1) 封底工況：對(duì)圍堰底板、吊桿、吊架等進(jìn)行計(jì)算(流速2 m/s，水位+4.0 m)。

(2) 抽水工況：對(duì)圍堰側(cè)板、封底混凝土等進(jìn)行計(jì)算(流速4 m/s，水位+6.0 m)。

(3) 澆筑(1.5 m)承臺(tái)工況：對(duì)封底混凝土等進(jìn)行計(jì)算(流速2 m/s，水位+1.3 m)。

2.2 圍堰結(jié)構(gòu)

底板和側(cè)板間的連接處在組裝時(shí)墊10 mm厚膠皮。側(cè)板平面分6塊，各塊之間采用鎖口連接，便于安裝和拆卸。鎖口鋼管間隙內(nèi)抹黃油，鎖口鋼管靠圍堰內(nèi)側(cè)的小腔室采用拌制好的軟黏土條填充，并用鋼筋搗實(shí)，起接縫堵水作用。側(cè)板之間鎖口構(gòu)造見圖3。

圖3 吊箱圍堰側(cè)板鎖口構(gòu)造

2.3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

采用Midas建模，分別對(duì)圍堰在封底工況、抽水工況及澆筑1.5 m承臺(tái)工況下各構(gòu)件受力進(jìn)行驗(yàn)算。封底工況計(jì)算模型如圖4所示。 抽水工況計(jì)算模型如圖5所示。

圖4 吊箱圍堰封底計(jì)算模型

圖5 吊箱圍堰抽水計(jì)算模型

2.3.1 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力計(jì)算

各鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 吊箱圍堰受力計(jì)算結(jié)果

由表1知：吊箱圍堰各鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力滿足要求。

2.3.2 封底混凝土受力計(jì)算

(1) 抽水工況

封底混凝土在抽水工況下受到的主拉應(yīng)力如圖6所示。

圖6 抽水時(shí)封底混凝土主拉應(yīng)力云圖(單位：MPa)

由圖6可知：除封底混凝土與φ3 000 mm鋼樁交界位置處底部局部出現(xiàn)應(yīng)力集中外(最大值為1.96 MPa)，96.1%保證率封底混凝土最大主拉應(yīng)力小于[ft]=1.0 MPa，滿足要求。抽水工況下封底混凝土與單根鋼樁黏結(jié)力合力N=1 550 kN。不考慮鋼樁傾斜對(duì)黏結(jié)應(yīng)力的有利影響，封底混凝土與鋼樁黏結(jié)應(yīng)力τ=1 550/(3.14×3×1.2)=137 kPa<150 kPa，滿足要求。

(2) 澆筑1.5 m承臺(tái)混凝土工況

澆筑(1.5 m)承臺(tái)工況下封底混凝土計(jì)算需考慮施工水位(低水位 )情況。計(jì)算得封底混凝土主拉應(yīng)力如圖7所示。

由圖7可知：除封底混凝土與φ3 000 mm鋼樁交界位置處頂部局部出現(xiàn)應(yīng)力集中外(最大值為1.4 MPa)，98.5%保證率封底混凝土最大主拉應(yīng)力小于[ft]=1.0 MPa，滿足要求。澆筑(1.5 m)承臺(tái)工況下封底混凝土與單根鋼樁黏結(jié)力合力N=1 614 kN。不考慮鋼樁傾斜對(duì)黏結(jié)應(yīng)力的有利影響，封底混凝土與鋼樁黏結(jié)應(yīng)力τ=1 614/(3.14×3×1.2)=143 kPa<150 kPa，滿足要求。

圖7 澆筑1.5 m承臺(tái)時(shí)封底混凝土主拉應(yīng)力(單位：MPa)

綜上所述，鎖口鋼吊箱圍堰結(jié)構(gòu)滿足要求。

3 圍堰施工

3.1 加工制造

(1) 吊架制作

吊架為全鋼管空間桁架結(jié)構(gòu)，桁高3.5 m，質(zhì)量81 t。吊架桿件由鋼結(jié)構(gòu)車間下料制作，分別運(yùn)輸至砂石料碼頭組拼完成，所有結(jié)構(gòu)表面均需涂刷油漆。

(2) 吊桿

吊桿為標(biāo)準(zhǔn)件，根據(jù)設(shè)計(jì)長(zhǎng)度定尺采購(gòu)。

(3) 側(cè)板制造

為保證外型尺寸的準(zhǔn)確性及控制焊接質(zhì)量和變形，側(cè)板制造借助胎架組拼及施焊，胎架應(yīng)具有足夠剛度。側(cè)板制造由鋼結(jié)構(gòu)車間下料制作，每塊側(cè)板之間都需試拼裝并做好編號(hào)，確保6塊側(cè)板結(jié)構(gòu)能順利拼裝成整體。側(cè)板結(jié)構(gòu)外表面均需涂刷油漆。

另外，每套圍堰選定一塊側(cè)板位置布置連通管，連通管標(biāo)高從底部向上1.8 m，通過(guò)在側(cè)板上開洞并焊接一根內(nèi)徑100 mm、長(zhǎng)約300 mm的鋼管，利用塑料軟管進(jìn)行連接，塑料軟管要有一定硬度和韌性，長(zhǎng)度滿足用繩拴住其端部掛到圍堰頂面的要求。

(4) 底板制造

底板由主龍骨、次龍骨、角鋼、鋼底板及堵漏板等構(gòu)成，高度0.402 m，底板最外側(cè)直徑19.5 m。底板結(jié)構(gòu)平分為6塊，由鋼結(jié)構(gòu)車間下料制作，再運(yùn)輸至砂石料碼頭組焊成整體。

3.2 圍堰組拼

為保證拼裝質(zhì)量和拼裝速度，吊箱圍堰在總拼之前，需對(duì)吊掛梁、底部和側(cè)板單元塊件進(jìn)行檢查，確保每塊構(gòu)件均是結(jié)構(gòu)尺寸和焊縫質(zhì)量都合格的部件。 每套鋼吊箱圍堰總拼均在砂石料碼頭進(jìn)行，采用水上浮吊配合施工。

吊箱圍堰組拼時(shí)，先吊裝底板，并抄墊平衡，然后安放底板與側(cè)板的連接處10 mm厚膠皮，吊裝第1塊側(cè)板，需確保側(cè)板位置準(zhǔn)確，安裝側(cè)板與底板連接的精軋螺紋到理論長(zhǎng)度即可，完成第1塊側(cè)板安裝后，順利安裝其他側(cè)板，需對(duì)鎖口部位涂黃油保證鎖口位置安裝順利進(jìn)行。側(cè)板安裝過(guò)程中，注意前面3塊板在每次安裝結(jié)束后均需在內(nèi)側(cè)設(shè)置纜風(fēng)繩，以免側(cè)翻。側(cè)板全部安裝結(jié)束后，按設(shè)計(jì)圖安裝限位檔塊，以防止不利因素造成側(cè)板底部外移而使圍堰漏水。

全部側(cè)板安裝完成后，利用對(duì)稱穿心頂將側(cè)板與底板連接的精軋螺紋收緊，預(yù)拉100 kN左右的力，完成后全面檢查底板與側(cè)板接縫處的密貼情況，確認(rèn)無(wú)問(wèn)題后，再吊架6根主吊掛橫梁與側(cè)板交叉位置側(cè)板頂面，用長(zhǎng)度為744 mm的φ325 mm×8 mm鋼管焊接支撐，然后整體吊裝吊架與圍堰組裝成整體，并安裝其余全部吊桿，調(diào)整到需要的長(zhǎng)度。

各樁位封堵板提前放到孔位附近，封堵板周圍采用鋼板限位。同時(shí)需提前采用兩根φ16 mm圓鋼對(duì)位穿過(guò)封堵板的螺栓孔，并準(zhǔn)備兩個(gè)1 t倒鏈，安排1組共計(jì)兩人水下拼接封堵板，采用1 t倒鏈通過(guò)圓鋼將封堵板對(duì)位，使用φ28 mm普通螺栓連接。

吊箱圍堰拼裝成整體后，鎖口鋼管靠圍堰內(nèi)側(cè)的小腔室采用拌制好的軟黏土條填充，并用鋼筋搗實(shí)，用于防水。

3.3 圍堰現(xiàn)場(chǎng)安裝

(1) 鋼斜樁插打完成后，先在墩位按設(shè)計(jì)位置插打防撞樁，防撞樁上要求安裝警示燈和標(biāo)示牌，嚴(yán)禁外來(lái)船只靠近。

(2) 在每根鋼樁頂部安裝臨時(shí)接高支承柱，支承柱設(shè)計(jì)頂標(biāo)高為7.20 m，再安裝調(diào)整楔塊。調(diào)整楔塊標(biāo)高調(diào)整范圍為±5 cm，如支承柱安裝后頂面標(biāo)高低于理論標(biāo)高5 cm，通過(guò)抄墊鋼板方式進(jìn)行調(diào)整楔塊頂標(biāo)高，確保調(diào)整楔塊頂面標(biāo)高為7.66 m。

(3) 利用500 t浮吊整體起吊圍堰下河，通過(guò)1 800 t平板駁運(yùn)輸?shù)蕉瘴唬?00 t浮吊拋錨就位后，整體起吊鋼吊箱圍堰進(jìn)行安裝。吊箱圍堰安裝時(shí)測(cè)量人員隨時(shí)監(jiān)控圍堰平面位置。圍堰下放入水安裝時(shí)應(yīng)選擇在水流潮汐、波浪力等沖擊作用不明顯的環(huán)境下進(jìn)行，確保圍堰準(zhǔn)確定位。

(4) 松鉤將鋼吊箱圍堰緩慢下放至設(shè)計(jì)標(biāo)高，將吊掛系統(tǒng)與支承鋼護(hù)筒上的墊塊焊接。復(fù)核側(cè)板頂標(biāo)高，側(cè)板頂部設(shè)計(jì)標(biāo)高為+7.0 m。測(cè)量復(fù)核圍堰傾斜度和平面位置，圍堰傾斜度要求控制在1/250以內(nèi)，平面位置控制在100 mm以內(nèi)。同時(shí)在吊掛梁下焊接牛腿，采用楔塊將牛腿和鋼管立柱頂緊，確保6根鋼管立柱和吊架形成一個(gè)穩(wěn)定的整體結(jié)構(gòu)。

(5) 潛水工水下清除底板雜物，使用鋼刷清除鋼樁表面封底區(qū)域的雜質(zhì)。將預(yù)先放于樁孔附近的兩半封堵板連接用于封底底板與樁壁之間的空隙，并用φ80 mm的布袋(內(nèi)裝水泥和細(xì)砂干拌制成的砂)，將鋼樁一周與封堵板之間的小縫隙再進(jìn)行封堵確保圍堰堵漏成功。

3.4 圍堰封底

圍堰封底采用整體式作業(yè)平臺(tái)，整體吊裝到圍堰吊架上。封底混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，厚度為1.3 m，采用常規(guī)水下導(dǎo)管拔球法施工?？紤]混凝土水上運(yùn)輸情況和孟加拉高溫天氣，澆筑導(dǎo)管按混凝土有效擴(kuò)散半徑為3.0 m進(jìn)行設(shè)置，共布置18個(gè)灌注點(diǎn)(圖8)。除1#導(dǎo)管拔球采用泡沫球外，其余導(dǎo)管底部均采用鋼板和橡膠圈封堵，鋼板用鋼筋和鐵絲與導(dǎo)管固定住，導(dǎo)管底口比吊箱圍堰底板上的角鋼高35 cm。待3 m3拔球料斗內(nèi)混凝土灌滿后，根據(jù)指令將鐵絲割斷，導(dǎo)管底部蓋板打開，混凝土開始下流，然后適當(dāng)下放導(dǎo)管，使導(dǎo)管底口距圍堰底板上角鋼20 cm，繼續(xù)灌注混凝土。

圖8 圍堰封底導(dǎo)管布置圖(單位：mm)

封底時(shí)按規(guī)定測(cè)量混凝土頂面高程，并及時(shí)反饋給指揮中心，以全面了解鋼吊箱圍堰內(nèi)各個(gè)點(diǎn)水下混凝土面的標(biāo)高情況。鋼樁周圍50 cm區(qū)域內(nèi)要求達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高，其余區(qū)域按低于10 cm進(jìn)行控制。

3.5 吊掛系統(tǒng)拆除及封底找平

封底混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度90%后抽水，拆除吊掛系統(tǒng)和臨時(shí)立柱，對(duì)封底混凝土進(jìn)行清洗、鑿毛，用C40混凝土找平，找平混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，在圍堰內(nèi)進(jìn)行樁內(nèi)處理及后續(xù)承臺(tái)施工。

3.6 吊箱圍堰拆除

樁內(nèi)處理完成，承臺(tái)施工結(jié)束后，拆除承臺(tái)模板，逐塊解除側(cè)板和底板之間的約束，抽出圍堰側(cè)板，可重復(fù)用于其他圍堰的底板。

4 結(jié)語(yǔ)

孟加拉國(guó)Padma大橋主橋墩位多，工期緊，施工期水位變化大，采用可快速裝拆倒用的鎖口圍堰作為樁內(nèi)處理和承臺(tái)施工擋水設(shè)施，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便，使用較果良好，使用過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)影響現(xiàn)場(chǎng)施工的漏水情況；圍堰設(shè)計(jì)充分利用了鋼斜樁自身作為承載結(jié)構(gòu)，省去了傳統(tǒng)圍堰安裝所需的復(fù)雜臨時(shí)設(shè)施；側(cè)板間鎖口連接及吊掛結(jié)構(gòu)與圍堰間的精軋螺紋連接使得圍堰受力合理，裝拆方便，倒用不易損壞，熟練應(yīng)用后進(jìn)行圍堰拼裝僅需3 d、側(cè)板拆除僅需1 d即可完成，大大減輕了圍堰裝拆所需的機(jī)械設(shè)備和人力資源壓力。鎖口單壁鋼吊箱圍堰在該項(xiàng)目的成功應(yīng)用對(duì)該橋下部結(jié)構(gòu)施工的快速推進(jìn)具有重要意義，可為同類型基礎(chǔ)施工提供借鑒。