淺海區(qū)跨海大橋鋼吊箱圍堰施工技術(shù)研究

劉恩龍

（中鐵二十二局集團(tuán)第一工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

鋼吊箱圍堰施工技術(shù)廣泛應(yīng)用于橋梁基礎(chǔ)工程建設(shè)中，很好地解決了水中承臺的施工問題。目前，主要采用整體式吊裝鋼吊箱的施工方法進(jìn)行施工。鋼吊箱圍堰對海（河）底地質(zhì)環(huán)境要求較高，在深淤泥層中應(yīng)用相對困難。若利用鋼護(hù)筒搭設(shè)鋼橫梁，材料不便于拆除、周轉(zhuǎn)，不適用于淺海區(qū)、深淤泥層、小體積承臺施工。本文通過采用鉆孔樁施工平臺鋼橫梁懸掛鋼吊箱的施工方法，解決了傳統(tǒng)鋼吊箱圍堰鋼材用量大、施工工期長、周轉(zhuǎn)率低的問題，且此方法適用淺海區(qū)、深淤泥層區(qū)、小體積承臺施工，在惠州港荃灣特大橋淺海承臺施工中取得良好的實(shí)效。

1 工程概況

專用線起于惠大進(jìn)港線（黃浪角淺海填充區(qū)域），終點(diǎn)為純洲島，其位于白壽灣和荃灣港淺海水域內(nèi)，水深1.0～2.5m，屬淺海區(qū)，海域潮汐類型為不規(guī)則半日混合潮型，海水流速不大。專用線全長2.715km，其中荃灣特大橋橋長1 430.02m。橋梁孔跨樣式為8.5mT型橋臺+84×16.7m單門剛構(gòu)+11.0mT型橋臺。橋梁樁基礎(chǔ)為C40水下鉆孔灌注樁，小里程橋臺和橋墩基礎(chǔ)樁徑125cm，大里程橋臺基礎(chǔ)樁徑150cm，樁身伸入承臺20cm；全橋除大亞灣臺、1號墩小里程側(cè)、12、13、14號墩、83號墩大里程、純洲承臺以外，其他承臺均采用鋼吊箱施工方法。承臺混凝土強(qiáng)度為C50，每孔剛構(gòu)梁有2個(gè)承臺，尺寸為2.25m×6m×1.5m；全橋共160個(gè)承臺采用鋼吊箱施工方法。

2 鋼吊箱設(shè)計(jì)

2.1 施工條件

（1）施工期間水位為1.56～2.02m，平均水深1.0～2.5m。

（2）承臺頂設(shè)計(jì)高程1.95m，高度為1.5m。

（3）施工便道為8m寬鋼棧橋。

（4）鉆孔樁采用鉆孔鋼平臺施工，并采用Φ1.45m鋼護(hù)筒支護(hù)到巖面。

2.2 鋼吊箱設(shè)計(jì)思想

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際條件及承臺體積較小、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，確定鋼吊箱承臺施工工藝如下：

（1）利用鉆孔平臺，在6.25m范圍內(nèi)采用鉆孔鋼管樁和I45a工字鋼下橫梁，新增2[40b雙拼槽鋼縱梁吊掛Φ32mm精軋螺紋鋼作為懸持支撐體系，下放鋼吊箱。

（2）鋼吊箱拼裝完成后，利用吊車整體吊裝鋼吊箱直至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

（3）混凝土封底施工的封底混凝土厚20cm，主要作用是阻水。

（4）采用鋼吊箱作為承臺模板，承臺應(yīng)一次澆筑成型。

2.3 總體結(jié)構(gòu)

鋼吊箱圍堰主要由底模托梁、底模、側(cè)模A、側(cè)模B、精軋螺紋鋼、上部提吊梁、吊架等組成，總高度2.3m（不含底板和龍骨），圍堰內(nèi)不設(shè)支撐。為方便加工、運(yùn)輸和圍堰側(cè)板倒用，將圍堰沿周長分4塊，圍堰側(cè)板兼做承臺側(cè)模。側(cè)板A寬度為5.992m，單塊最大吊重約1.767 8t；側(cè)板B寬度為2.462m，單塊最大吊重為0.732 6t；側(cè)板各單元塊之間采用5.6級M20普通螺栓連接（設(shè)置雙墊片，螺帽、螺母位置各設(shè)置1個(gè)墊片），側(cè)板與底板之間采用5.6級M20普通插銷連接（一端有螺帽，一端無螺栓、螺母，上部用鐵絲綁住，防止丟失）。

側(cè)模和底模由面板、橫縱加勁筋板、背楞槽鋼、加強(qiáng)工字鋼、加強(qiáng)角鋼等組成，其面板材料為6mm厚鋼板；底模采用δ6mm×50mm扁鋼作為橫縱加勁筋板，采用∠50×6mm等邊角鋼作為橫縱加強(qiáng)角鋼；側(cè)模采用δ6mm×100mm扁鋼作為橫縱加勁筋板，2[10槽鋼作為背楞。底模托梁采用2根長7.3m的2I25a雙拼工字鋼，在雙拼工字鋼上、下翼緣板處分別加焊δ10mm×220mm×7 300mm補(bǔ)強(qiáng)鋼板，兩端預(yù)留Φ52mm孔，用于安裝吊架，連接精軋螺紋鋼吊桿。上部提吊梁由2根長6.7m的2[40b雙拼槽鋼組成，雙拼槽鋼沿雙面翼緣板共焊接10塊δ10mm×300mm×300mm綴板后，拼接一體。吊桿采用4根5m長、Φ32mm的PSB930精軋螺紋鋼，從上部提吊梁懸掛底模托梁組成懸持支撐體系。

2.4 主要結(jié)構(gòu)計(jì)算

2.4.1 提吊梁吊桿計(jì)算

提吊桿選用Φ32mm的PSB930精軋螺紋鋼，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為790MPa，截面積A=804.2mm2。4根吊桿承擔(dān)一個(gè)吊箱模板及混凝土的重量。

鋼吊箱重量G1=75kN；

混凝土的容重取26kN/m3；

混凝土重量G2=(2.25×6-2×1.45×1.45×3.14/4）×1.7×26=450.79kN(減去鋼護(hù)筒頂部混凝土重量)；

4根提吊桿的拉力G=1.2(G1+G2)=1.2×(75+450.79)=630.95kN(1.2為安全系數(shù))；

單根提吊桿的拉力F=1.5×625.0/4=234.38kN(1.5為安全系數(shù))；

結(jié)果滿足2倍的安全系數(shù)。

2.4.2 上部提吊梁計(jì)算

上部提吊梁如圖1所示。

圖1 上部提吊梁示意圖

分配梁受力簡化如圖2所示(取160kN)。

圖2 分配梁受力簡化示意圖

上部提吊梁選用雙拼[40b槽鋼，其截面慣性矩I=37 280×104mm2，截面系數(shù)W=1 864×103mm2。

①強(qiáng)度驗(yàn)算：通過結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器建模，求得最大彎矩。

結(jié)果滿足要求。

②撓度驗(yàn)算：通過結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器建模，求得最大撓度。

右側(cè)吊桿處ωmax=15mm

結(jié)果滿足要求。

2.4.3 鋼吊箱浮力計(jì)算

經(jīng)現(xiàn)場觀測海水水面高程在1.56～2.02m之間。主要參數(shù)有混凝土容重26kN/m3，水的浮力10kN/mm3，鋼護(hù)筒與封底混凝土的摩阻力取150kN/m2，鋼吊箱質(zhì)量7.5t。受力分析：封底混凝土為2.04m3，受力=2.04×26=53.04kN。封底混凝土與鋼護(hù)筒摩阻力：每個(gè)鋼護(hù)筒與封底混凝土的接觸面積為0.910 6m2，總合計(jì)受力為0.910 6×2×150=273.18kN，鋼吊箱自重7.5×10=75kN。

①工況一：在澆筑封底混凝土前，假設(shè)鋼吊箱上浮的水位高程為H1，極限狀態(tài)為鋼吊箱自重=浮力。

承臺設(shè)計(jì)底高程0.45m+0.56m=水位高程1.01m

因此，在封底混凝土澆筑前，海水水位高程＞1.01m時(shí)，鋼吊箱上浮。

②工況二：封底混凝土澆筑完成后，假設(shè)鋼吊箱上浮的水位高程為H2，極限狀態(tài)為鋼吊箱自重+封底混凝土重力+摩阻力=浮力。

因此，在封底混凝土澆筑完成后，鋼吊箱不會上浮。

3 施工方案及控制要點(diǎn)

3.1 施工工藝流程

拆除指定位置平臺→護(hù)筒周邊清淤至提吊梁以下至少0.5m（退潮時(shí)）→吊車或手拉葫蘆安裝I25a提吊梁和精軋螺紋鋼（退潮時(shí)）→吊車安裝[40b提吊分配梁，精確定位后，將其點(diǎn)焊在平臺I45a工字鋼上→在岸上將鋼吊箱側(cè)模、底模拼裝連接成整體→利用吊車將拼裝成整體的底模側(cè)模吊裝、安放在I25a底模托梁上（退潮時(shí)）→測量人員校模（模板四周安放手拉葫蘆定位）→進(jìn)行底模與護(hù)筒間的焊接環(huán)形加固，加固側(cè)模外側(cè)與周邊護(hù)筒或鋼管立柱，防止浮箱→澆筑20cm厚封底混凝土（抽水后澆筑）→打磨模板、涂刷脫模劑→安裝事先加工好的承臺鋼筋、墩身鋼筋（安裝鋼筋保護(hù)層墊塊）→澆筑承臺混凝土（退潮時(shí)）→拆模、養(yǎng)護(hù)。

3.2 施工平臺

樁基施工完成后，拆除鉆孔鋼平臺6.25m×10.20m范圍內(nèi)平臺鋼板、I20a工字鋼橫梁、I36a工字鋼縱梁，將鉆孔鋼平臺中間未拆區(qū)域作為鋼吊箱施工平臺，如圖3所示。

圖3 施工平臺示意圖

3.3 吊架設(shè)計(jì)與制作

結(jié)合體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，需要一種結(jié)構(gòu)輕巧、合理且實(shí)用的連接構(gòu)件來連接精軋螺紋鋼與底模托梁，使底模托梁承受的荷載全部傳遞到精軋螺紋鋼吊桿上。吊架由2塊耳板、1塊墊板、2塊豎板和1個(gè)銷軸組成。耳板為16mm×220mm×735mm鋼板；墊板為δ20mm×220mm×250mm鋼板，豎板采用δ16mm×160mm×250mm鋼板；銷軸為Φ50mm×350mm圓鋼。按照吊架結(jié)構(gòu)圖焊接完成后，再按照設(shè)計(jì)位置安裝到底模托梁上。圖4為底模托梁示意圖。

圖4 底模托梁示意圖

3.4 體系安裝

首先通過測量放樣，在鉆孔鋼平臺2I45a工字鋼間安裝上部提吊梁，而后將φ32mm精軋螺紋鋼底端控制在水面以上，進(jìn)行臨時(shí)固定，再將底模托梁與吊架連接固定后吊裝就位，與精軋螺紋鋼底端連接固定，確定底模托梁位置，保證精軋螺紋鋼吊帶處于垂直受力狀態(tài)。

3.5 鋼吊箱組拼

（1）根據(jù)鋼護(hù)筒實(shí)測位置將底模切割與側(cè)模拼裝成整體鋼吊箱，側(cè)模與側(cè)模之間用螺栓連接，螺栓拼接縫處需使用8mm厚、100mm寬的橡膠墊，螺栓擰緊后橡膠墊厚度壓縮至2mm左右，用于拼接縫止水。

（2）安裝鋼吊箱模板時(shí)，側(cè)模與側(cè)模之間的螺栓連接必須設(shè)置墊片，1個(gè)螺栓配2個(gè)墊片（一端1個(gè)），側(cè)模與底模的連接采用插銷連接的方式。在鋼吊箱下放前，底模與側(cè)模四周分別用2個(gè)螺栓臨時(shí)連接固定，待鋼吊箱封底混凝土澆筑完成后，拆除螺栓，并在拼接縫處填塞玻璃膠止水。

3.6 鋼吊箱下放

在海水落潮時(shí)可人工配合機(jī)械清淤至鋼吊箱設(shè)計(jì)底高程以下0.5m，待鋼吊箱拼裝整體成型后，由一人指揮同時(shí)下放，吊裝至底模托梁頂。精軋螺紋鋼吊帶底模托梁和上部提吊梁均采用栓接的方式，兩端必須配雙螺母。鋼吊箱下放后，四角均設(shè)置手拉葫蘆進(jìn)行限位固定，在鋼吊箱精調(diào)時(shí)可以通過手拉葫蘆完成。

待鋼吊箱下放到位后，測量復(fù)核鋼吊箱平面位置和高程位置，同時(shí)封堵鋼吊箱底模與鋼護(hù)筒間的縫隙，為澆筑封底混凝土做準(zhǔn)備。在底模切割后與側(cè)模連接前，需沿著切口周長設(shè)置8根長度40cm、Φ20mm的鋼筋，焊縫采用雙面5d，另一端待鋼吊箱精調(diào)完成后焊接在鋼護(hù)筒封底混凝土20cm范圍內(nèi)，以增加鋼護(hù)筒與底模間的摩擦力，如圖5所示。同時(shí)，采用∠75×75mm×5mm角鋼一端與鋼護(hù)筒焊接固定，另一端支撐鋼吊箱底模，以防止鋼吊箱上浮。圖6為鋼吊箱下放示意圖。

圖5 鋼吊箱與鋼護(hù)筒焊接示意圖

圖6 鋼吊箱下放示意圖

3.7 封底混凝土施工

封底混凝土的主要作用是阻水，以其厚度與鋼護(hù)筒的摩阻力來抵消海水對鋼吊箱的浮力作用，通過計(jì)算，封底混凝土厚度為0.2m。鋼吊箱未澆筑封底混凝土前，根據(jù)鋼吊箱浮力計(jì)算，當(dāng)海水水面高程達(dá)到1.01m時(shí)鋼吊箱會上浮，因此，鋼吊箱封底混凝土施工需在海水水面高程1.01m以下時(shí)完成。

封底混凝土采用C40混凝土，鋼護(hù)筒與底模之間的縫隙需由人工采用發(fā)泡劑等有效措施進(jìn)行封堵，同時(shí)，應(yīng)將封底混凝土的坍落度控制在180～220mm之間。封底施工應(yīng)在無水的條件下干封作業(yè)，宜選擇在海水落潮時(shí)進(jìn)行，從而保證封底混凝土有足夠的凝結(jié)時(shí)間，若鋼吊箱內(nèi)存有少量積水，需人工清理干凈。鋼吊箱內(nèi)四周及鋼護(hù)筒上需清晰標(biāo)示封底混凝土頂面位置，在施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制混凝土厚度。

3.8 割除鋼護(hù)筒

待封底混凝土強(qiáng)度不小于2.5MPa后，按設(shè)計(jì)高程人工切割鋼護(hù)筒。鋼護(hù)筒切割宜采取分段切割的方式，以保證施工安全，切割后的鋼護(hù)筒可重復(fù)使用。鋼護(hù)筒切割后，需及時(shí)清除護(hù)筒內(nèi)的泥漿，并裝車外運(yùn)。

4 結(jié)語

實(shí)踐證明，在淺海潮汐地區(qū)、承臺體積小、數(shù)量多、施工空間較小的情況下，采用鋼吊箱圍堰施工方法能夠有效縮短承臺的施工工期，提高鋼吊箱的周轉(zhuǎn)利用率和工作效率，保證承臺質(zhì)量，從而大幅降低施工成本。單個(gè)鋼吊箱除底模無法回收外，其余材料均可周轉(zhuǎn)使用。由于施工技術(shù)合理，使得施工難度小、機(jī)械要求低、安裝和拆除快捷、操作方便、經(jīng)濟(jì)效益高，能夠達(dá)到預(yù)期效果。