內(nèi)河深水大型雙壁無底鋼套箱設(shè)計(jì)及施工技術(shù)

李業(yè)勛，左小永，朱奕帆

（中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海 200032）

引言

清水塘大橋全長(zhǎng)2.175 km，主橋采用跨度為100+408+100 m 的雙層鋼桁架拱橋，上層橋面寬32 m，雙向6 車道，車行道凈寬24.5 m；下層布置慢行人非道，凈寬10.0 m。主橋墩身采用啞鈴型薄壁空心墩；為減少阻水?dāng)嗝娉信_(tái)頂面低于河床面，設(shè)計(jì)為矩形承臺(tái)，結(jié)構(gòu)尺寸為41.1×13.6×4.0 m，基礎(chǔ)采用20 根直徑為2.2 m 嵌巖鉆孔灌注樁。擬建橋位處河床面較平坦，河床縱坡降為0.5 ‰左右，無谷底堆積物，巖層為白堊紀(jì)系（K）紅砂巖，擬建主墩處為強(qiáng)風(fēng)化砂巖和中風(fēng)化砂巖。大橋主橋斷面如圖1。

圖1 清水塘大橋主橋示意

考慮到雙壁無底鋼套箱內(nèi)承臺(tái)、墩柱等結(jié)構(gòu)施工需要，鋼套箱設(shè)計(jì)尺寸比承臺(tái)寬1.0 m，結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)為46.1×18.6 m；主墩承臺(tái)位于河床面以下，基坑施工需要進(jìn)行水下爆破，爆破深度大于鋼套箱設(shè)計(jì)深度0.5 m，后期采用碎石找平層；結(jié)合抗浮穩(wěn)定性計(jì)算，封底混凝土厚度設(shè)計(jì)為3.5 m，套箱底設(shè)計(jì)高程為16.65 m；為保證工期開展汛期施工，鋼套箱頂設(shè)計(jì)高程為+37.0 m，通過極端水位水壓力初步估算，設(shè)計(jì)鋼套箱壁厚1.5 m，采用角鋼斜撐、環(huán)向支撐板、豎向支撐角鋼和內(nèi)外壁板組成。

1 鋼套箱設(shè)計(jì)

結(jié)合承臺(tái)結(jié)構(gòu)及歷年水位，雙壁無底鋼套箱內(nèi)設(shè)計(jì)為46.1×18.6×20.5 m，壁厚為1.5 m，豎向共分為4 個(gè)節(jié)段，節(jié)段高度自下而上依次為6.35 m（含刃角1.5 m）、5 m、5 m 和4.15 m，采用600 mm×400 mm×12 mm 矩形管制作豎梁、水平圍檁和矩形管撐桿進(jìn)行加固[1-4]。鋼套箱內(nèi)外壁板采用8 mm 厚鋼板，水平環(huán)板和隔倉板采用厚度為10 mm 的鋼板；隔倉肋、水平對(duì)撐和斜撐采用10#角鋼（厚度為8 mm），外壁加勁肋采用7#角鋼（厚度為6 mm），內(nèi)壁加勁肋5.6#角鋼（采用為5 mm）。鋼套箱隔倉底板和刃腳加強(qiáng)豎板分別采用10 mm 和16 mm 厚鋼板，總重約1 017.6 t。封底采用C30 混凝土，厚度為3.5 m，隔艙澆筑高度為7.5 m 的C20 混凝土，高度和承臺(tái)頂面齊平。

圖2 雙壁無底鋼套箱示意

2 復(fù)核驗(yàn)算

雙壁無底鋼套箱隔艙內(nèi)澆筑C20 隔倉混凝土，封底混凝土高度范圍內(nèi)鋼套箱剛度較大假定為剛性支撐。利用Midas/Civil 建立雙壁無底鋼套箱有限元分析模型進(jìn)行計(jì)算分析，其中內(nèi)外壁板、豎向隔倉板和水平環(huán)板采用板單元模擬，水平斜桿、水平支撐和豎直支撐采用梁?jiǎn)卧M，焊接部位采用共節(jié)點(diǎn)處理，圍檁和豎向支撐采用剛性連接處理[5-7]。

圖3 雙壁無底鋼套箱Midas/Civil 模型

2.1 流水壓力

雙壁無底鋼套箱迎水面承受的流水壓力，根據(jù)《鋼套箱工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T51295-2018）計(jì)算：

式中：Fl為流水壓力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）；K為形狀系數(shù)，矩形取1.3；A為阻水面積（m2），計(jì)算至一般沖刷線處；rw為水的容重，取10 kN/m3；v為設(shè)計(jì)水流速度（m/s），取2.5 m/s；g為重力加速度（m/s2），取10 m/s2。計(jì)算求得流水壓力982.3 kN。

假設(shè)雙壁無底鋼套箱外部以面荷載的形式承受流水壓力，并在迎水面上平均分布：

最大靜水壓力為：

式中：γ為水的容重，取10 kN/m3；h為靜水壓力作用高度，即圍堰在有限元模型的總高度，取16.85 m。

靜水壓力在水面以下呈三角形分布，表現(xiàn)為底部最大為168.5 kPa，頂部最小為零。

2.2 位移應(yīng)力

利用Midas/Civil 建立雙壁無底鋼套箱有限元分析模型進(jìn)行壁板位移分析，計(jì)算結(jié)果表明：雙壁無底鋼套箱梁?jiǎn)卧ê瑢?duì)撐、豎桿、圍檁和加勁肋）最大應(yīng)力為144.96 MPa，板單元（含壁板、環(huán)板及隔倉板）最大應(yīng)力為81.04 MPa，均小于Q235 鋼材的容許應(yīng)力215 MPa，強(qiáng)度滿足要求；壁板X向位移（橫橋向）最大位移2.4 mm，壁板Y向位移（順橋向）最大位移6.2 mm，出現(xiàn)在外壁板橫橋向中心位置，其撓度為6.53/16 850=3.88×10-4＜1/400=2.3×10-3，變形滿足規(guī)范要求。

圖4 壁板位移計(jì)算結(jié)果

通過Midas 模型對(duì)鋼套箱不同工況下內(nèi)應(yīng)力、變形計(jì)算結(jié)果見表1，通過數(shù)據(jù)分析可知：雙壁無底鋼套箱的外壁板、內(nèi)壁板、水平環(huán)板、隔倉板、水平圍檁、矩形管撐桿、內(nèi)外壁板加勁肋內(nèi)應(yīng)力、變形、整體強(qiáng)度和剛度均小于容許應(yīng)力，安全系數(shù)大于1.48。

表1 雙壁無底鋼套箱計(jì)算結(jié)果

2.3 抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算

當(dāng)雙壁無底鋼套箱內(nèi)封底混凝土達(dá)到強(qiáng)度且已抽完水，湘江水位與圍堰頂高程齊平時(shí)，此時(shí)雙壁無底鋼套箱承受的浮力最大，抗浮力主要由鋼套箱自重、封底混凝土自重、封底混凝土與樁基護(hù)筒/鋼套箱間摩阻力的最小值組成。

式中：Kf為抗浮安全系數(shù)；Fw為水的浮力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）；γw為水容重（kN/m3），取10 kN/m3；hw為圍堰內(nèi)外水頭差（m）；G為封底混凝土自重（kN）；An為扣除鋼護(hù)筒面積后基底凈面積（m2）；γc為混凝土的容重（kN/m3），取24 kN/m3；Vc為基底凈體積，扣除鋼護(hù)筒部分（m3）；τ1、τ2為樁基鋼護(hù)筒與封底混凝土的粘結(jié)力、鋼套箱與封底混凝土的粘結(jié)力，取150 kPa；S1、S2為所有樁基鋼護(hù)筒與封底混凝土接觸面積、鋼套箱與封底混凝土接觸面積；F1為取樁基鋼護(hù)筒與封底混凝土摩阻力（kN），F(xiàn)1=τ1S1；F2為取鋼套箱與封底混凝土摩阻力（kN），F(xiàn)2=τ2S2。

樁基鋼護(hù)筒直徑為2.4 m，經(jīng)計(jì)算：雙壁無底鋼套箱最大總浮力15 724 kN，總抗浮力為189 465 kN，抗浮安全系數(shù)為1.21，滿足《鋼套箱工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51295-2018）的要求。

3 關(guān)鍵施工技術(shù)

雙壁無底鋼套箱采用分塊制作，首節(jié)段在運(yùn)輸船上進(jìn)行快件拼裝，分兩船運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)，兩船合并進(jìn)行總裝，之后采用起重船吊裝下水，剩余三個(gè)節(jié)段采用起重船分塊體吊裝進(jìn)行水上拼接。

3.1 加工制作

雙壁無底鋼套箱5.0 m、4.0 m、3.8 m 及3.05 m四種類型，分4 層制作共計(jì)28 個(gè)塊體，單個(gè)塊體重量最大重量為8.3 t。塊體的制作要保證精度，以確保整體拼裝精度，單個(gè)塊體外形尺寸容許偏差應(yīng)小于±3 mm、位置偏差小于5 mm。塊體加工完成后，在運(yùn)輸船上進(jìn)行拼裝，每個(gè)船上拼裝半幅首節(jié)鋼套箱，半幅鋼套箱結(jié)構(gòu)尺寸為46.1 m×9.3 m×6.5 m，拼裝過程中采用工字鋼進(jìn)行臨時(shí)固定，以保證拼裝安全和運(yùn)輸安全。

鋼套箱運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)后，采用2 臺(tái)150 t 起重船配合吊裝，運(yùn)輸船和起重船連接在一起，起重船前端交叉拋錨、后端八字拋錨穩(wěn)定。運(yùn)輸船之間利用4 根斜向聯(lián)系梁、2 根水平聯(lián)系梁將兩船并聯(lián)形成水上拼裝平臺(tái)，如圖5。聯(lián)系梁采用H400 型鋼（Q235B）制作，斜向聯(lián)系梁長(zhǎng)7.5 m，重1.7 t；水平聯(lián)系梁長(zhǎng)6.9 m，重1.6 t。圍堰連接處設(shè)置焊接工作平臺(tái)，工作平臺(tái)長(zhǎng)9.1 m、寬3 m，單個(gè)重5.7 t，主梁為H400 型鋼（Q235B），次梁為I20a（Q235B），間距80 cm（布置），面板采用6 mm花紋鋼板，并設(shè)置網(wǎng)高1.2 m 的標(biāo)準(zhǔn)護(hù)欄，如圖6。

圖5 雙壁無底鋼套箱分塊

圖6 工作平臺(tái)縱斷面

3.2 吊裝下水

首節(jié)雙壁無底鋼套箱采用500 t 起重船整體吊裝下水[8]。首先采用起重船起吊雙壁無底鋼套箱，再向運(yùn)輸船壓載艙內(nèi)注水，下沉200～400 mm 后雙壁無底鋼套箱脫離后，駛離運(yùn)輸船，最后移動(dòng)起重船，將雙壁無底鋼套箱吊入基槽，并系纜錨固。

1）吊點(diǎn)布置

首節(jié)雙壁無底鋼套箱自重為259.0 t，采用4 點(diǎn)吊裝下水，橫向吊點(diǎn)間設(shè)置兩道600 mm×400 mm×12 mm 矩形管對(duì)撐。單個(gè)吊點(diǎn)受力為72.84 t，設(shè)計(jì)吊耳容許吊重為80.0 t，主腹板板厚50 mm，孔徑為120 mm，加強(qiáng)圈直徑為310 mm，板厚為30 mm，加勁板板厚為20 mm，材質(zhì)均為Q345B 鋼材。吊耳焊接在鋼套箱的隔倉板和內(nèi)壁板，焊接前必須預(yù)熱，且與隔艙板熔透焊，與內(nèi)壁板深熔焊，確保焊接質(zhì)量。

圖7 吊耳設(shè)計(jì)

2）吊耳的驗(yàn)算

吊耳主腹板孔至頂邊的寬度H和厚度δ為120 mm 和50 mm；吊耳加強(qiáng)圈的寬度H1和厚度δ1分別為95 mm 和30 mm。吊耳圈受力面積：

剪應(yīng)力為：

安全系數(shù)大于3，吊耳強(qiáng)度滿足要求。

吊耳腹板處單個(gè)焊縫長(zhǎng)L為70 cm，坡高h(yuǎn)為0.8 cm，焊縫截面積：

焊條采用J507，屈服強(qiáng)強(qiáng)度為490 MPa，取安全系數(shù)為3，則焊縫的容許剪切應(yīng)力τ3：

安全系數(shù)為2.2，吊耳焊縫滿足要求。

3.3 原位接高

22#墩鋼套箱第二、三、四節(jié)在原位進(jìn)行，利用棧橋1 艘80 t 履帶吊（臂長(zhǎng)31 m）與1 艘平板駁搭載1 臺(tái)150 t 浮吊（臂長(zhǎng)40 m）完成接高，為便于施工作業(yè)面的開展以及套箱姿態(tài)的平衡和傾斜度控制，在鋼套箱4 個(gè)位置同時(shí)對(duì)稱拼接[9]。在鋼套箱接高過程中需進(jìn)行對(duì)稱注水下沉，確保每節(jié)接高后鋼套箱露出水面約1.5 m 以上，方便后續(xù)分層安裝；在圍堰接高、注水下沉?xí)r因同時(shí)進(jìn)行臨時(shí)錨固纜索的換纜作業(yè)。

3.4 精準(zhǔn)下沉

為了提高了大體積雙壁無底鋼套箱的下沉定位精度，開發(fā)了整套“內(nèi)河大型雙壁無底鋼套箱精準(zhǔn)定位下沉實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)”。該系統(tǒng)采用2 臺(tái)GPS和2 臺(tái)傾斜儀對(duì)稱安裝在鋼套箱四個(gè)角點(diǎn)，對(duì)鋼套箱水平位移、豎向垂直度進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)了以下功能：GPS 實(shí)時(shí)定位、設(shè)計(jì)位置導(dǎo)入、鋼套箱實(shí)際位置和設(shè)計(jì)位置的偏差實(shí)時(shí)計(jì)算、信息動(dòng)態(tài)傳輸；可視化窗口、形成數(shù)據(jù)報(bào)表、工程回放等。

雙壁無底鋼套箱下沉就位采用隔艙內(nèi)灌水的方案實(shí)施，采取灌水壓重下沉，同時(shí)結(jié)合定位樁、卷揚(yáng)錨拉系統(tǒng)和實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)整鋼套箱平面位置和傾斜度，鋼套箱最終安裝誤差小于6.0 cm。

4 結(jié)語

根據(jù)清水塘大橋無覆蓋層地質(zhì)條件下大型雙壁無底鋼套箱施工，對(duì)鋼套箱的內(nèi)部受力及施工過程進(jìn)行了分析，得出主要結(jié)論：

1）結(jié)合設(shè)計(jì)了大型雙壁無底鋼套箱，利用Midas 數(shù)值模型計(jì)算得出結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力為81.04 MPa，最大拉應(yīng)力為144.96 MPa，抗浮安全系數(shù)為1.21，滿足設(shè)計(jì)及相關(guān)規(guī)范要求；

2）提出了廠內(nèi)分塊體制作、半幅拼裝分船運(yùn)輸、水上合船整體組裝的鋼套箱制作工藝，設(shè)計(jì)驗(yàn)算了起重吊耳，采用起重船整體吊裝下水，開拓了大型雙壁無底制作下水的新思路；

3）開發(fā)了整套“內(nèi)河大型雙壁無底鋼套箱精準(zhǔn)定位下沉實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)”，結(jié)合定位樁、卷揚(yáng)錨拉系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)整鋼套箱下沉姿態(tài)，安裝平面位置控制在6.0 cm 以內(nèi)，保證了鋼套箱安裝精度。