李寶東,董正武
(中交一公局第一工程有限公司,北京 102205)
永靖黃河大橋位于甘肅省永靖縣內(nèi),大橋11#~12#為主橋橋墩,位于黃河主河道中,下部結(jié)構(gòu)為混凝土灌注樁群樁基礎(chǔ),樁長(zhǎng)17 m,鋼筋混凝土承臺(tái),承臺(tái)尺寸為7.5×8.5 m。河床表面1~3 m是砂卵石,粒徑在5~60 cm不等,水深7~10 m,河床表面不平,自岸邊逐漸往河中間漸深,樁位兩側(cè)相差80 cm,鋼板樁只能打入土中1~2 m,根據(jù)地質(zhì)情況,采用先沉放雙壁鋼套箱,在套箱上搭設(shè)平臺(tái),水上鉆孔、承臺(tái)、薄壁墩施工。
首先,根據(jù)承臺(tái)的尺寸確定套箱的平面幾何尺寸,永靖黃河大橋承臺(tái)尺寸為7.5×8.5×2 m,根據(jù)承臺(tái)尺寸確定套箱做成圓形,內(nèi)徑12 m,承臺(tái)的四角到圍堰的邊為53 cm;承臺(tái)標(biāo)高在河床面上1.75~2.0 m,套箱下沉到河床面即可,封底混凝土按照2 m考慮;根據(jù)水深在7~9 m,考慮套箱前雍水,確定套箱高度為10 m;由于制作安裝在冬季進(jìn)行,考慮施工人員在套箱雙臂內(nèi)的操作空間,套箱內(nèi)外臂之間的距離確定為90 cm;最后套箱尺寸為:內(nèi)徑12 m,外徑13.8 m,壁厚90 cm,高10 m;套箱內(nèi)壁采用6 mm的鋼板做面板,外壁采用8 mm鋼板做面板,環(huán)肋及縱肋采用δ10×160 mm鋼板,∠63*63*6角鋼作為水平支撐及斜支撐,根據(jù)板材的尺寸1.25 m×6 m,分為3節(jié)加工,第一層、二層為每層3.75 m高,第三層2.5 m,底層套箱設(shè)計(jì)125 cm高刃角,方便套箱下沉;其中第一節(jié)重33.2 t,第二節(jié)重37.3 t,第三節(jié)重21.7 t,共計(jì)重82.2 t。每層分設(shè)多個(gè)4個(gè)橫向互不通水的隔水倉(cāng)。最終套箱設(shè)計(jì)尺寸見(jiàn)圖1。
圖1
由于套箱是雙薄壁,支撐在中間,屬空間立體結(jié)構(gòu),手工計(jì)算工程量較大,且計(jì)算不準(zhǔn),人們采用大型計(jì)算軟件madis進(jìn)行的計(jì)算,計(jì)算時(shí)由于入土不深,沒(méi)有考慮主動(dòng)土壓力,水流速按照1.0 m/s計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2,共計(jì)建模144 402個(gè),環(huán)肋、豎肋、支撐等進(jìn)行了分別計(jì)算,最大的應(yīng)力出現(xiàn)在內(nèi)側(cè)壁底面處,鋼板采用的是A3鋼[δ]=145 MPa>129 MPa,可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。
圖2
由于加工好的套箱體積比較大,不便于運(yùn)輸,所以采用現(xiàn)場(chǎng)分節(jié)加工,然后拼裝工藝;首先在現(xiàn)場(chǎng)制作內(nèi)外胎架,胎架采用槽鋼或工字鋼制作,加工好的胎架要反復(fù)檢測(cè),保證圍堰的加工精度控制在5 mm之內(nèi);在胎架上進(jìn)行內(nèi)外套箱壁的制作,為防止因焊接產(chǎn)生的熱量使圍堰鋼板變形,焊接時(shí)要先連接再跳焊,最后逐段完成滿(mǎn)焊,跳焊的間距控制在30~40 cm,焊縫長(zhǎng)度一次控制在3~4 cm,滿(mǎn)焊完成后要敲掉焊渣,檢查有無(wú)漏焊的地方,每節(jié)套箱完成后要進(jìn)行密封試驗(yàn),由于現(xiàn)場(chǎng)缺少探傷檢測(cè)設(shè)備,可以用涂柴油或柴油內(nèi)加滑石粉的方法進(jìn)行檢測(cè)。
圖3 工人正在外胎架焊接
圖4 外胎架上正在焊接的一節(jié)套箱
圖5 制作好的一節(jié)套箱
3.2.1 拼裝平臺(tái)的搭設(shè)
由于樁位在河道中間,水流較深,流速較急,為施工方便,在距河邊20 m的水面位置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拼裝焊接后,然后采取浮運(yùn)到樁位的辦法進(jìn)行,拼裝水面水深的要求必須滿(mǎn)足以下2節(jié)套箱的要求,即水深不得小于5 m,還要保證可以搭設(shè)螺旋管,并保證螺旋管穩(wěn)定的要求。首先按照60度均分圓,內(nèi)圈直徑10 m,外圈直徑14.8 m,打設(shè)10根14 m高的螺旋管,要求露出水面的高度不小于6 m,頂面要齊平,螺旋管之間用25工字鋼進(jìn)行連接,見(jiàn)圖6。
圖6
工字鋼在距水面1 m的地方進(jìn)行,作為第一層圍堰拼設(shè)的平臺(tái)及承重梁,連接時(shí)要焊接結(jié)實(shí),要水平,自圓心以13.8 m為直徑在工字鋼頂面做好標(biāo)記,作為拼裝套箱的放樣標(biāo)記,要求誤差控制在5 mm范圍之內(nèi),要反復(fù)進(jìn)行校對(duì)。
拼裝流程如下:安裝起吊梁及20 t手拉葫蘆6臺(tái)套→手拉葫蘆起吊套箱,吊離承重梁,拆除承重梁→利用手拉葫蘆循環(huán)操作下沉套箱入水→套箱自浮,拆除起吊梁,固定套箱在鋼管樁牛腿上→拼裝第二層套箱→下沉第二節(jié)套箱,下沉力不足時(shí),向箱式內(nèi)注水,增加套箱下沉自重→下沉到預(yù)定位置,套箱自浮,拼裝第三層套箱。
3.2.2 具體操作流程
第一節(jié)拼裝:首先安放第一節(jié)第1塊圍堰,按照放好的樣進(jìn)行拼設(shè),為保證忍腳處不移動(dòng),必要時(shí)可以在標(biāo)記處焊接擋板,防止圍堰的滑動(dòng),利用靠尺等工具一要保證圍堰的垂直度,拼設(shè)好后一定要固定好,然后依次拼裝焊接第2、3、4塊,拼裝時(shí)只要求簡(jiǎn)單的連接,等4塊全部就位后,校對(duì)無(wú)誤再進(jìn)行焊接,由于是立焊,要選擇技術(shù)程度高且有操作證的電焊工操作,防止漏水。
第一節(jié)拼裝好后,在螺旋管頂面兩兩對(duì)應(yīng)用40工字鋼連接,每道工字鋼懸掛1個(gè)20 t的手拉葫蘆,用這6個(gè)手拉葫蘆把第一節(jié)焊接好的圍堰拉起來(lái),然后割除掉下面的支撐平臺(tái),6個(gè)葫蘆同時(shí)下方,下方時(shí)要相互照顧,統(tǒng)一指揮,保證圍堰下放過(guò)程中的平穩(wěn),第一節(jié)圍堰下沉到水下1.23 m時(shí)可以自浮,等到圍堰達(dá)到可以自浮的狀態(tài)下,解除葫蘆,固定圍堰,固定時(shí)要保持圍堰的垂直,然后在第一層圍堰上焊接第二層圍堰,如果下放后第二層圍堰過(guò)高,造成不穩(wěn),可以在隔艙內(nèi)加水,使第一層圍堰下沉到只露出1~1.5 m的位置,第二節(jié)焊接要求等同于第一節(jié)。
第二節(jié)拼設(shè)完成后,往隔艙內(nèi)注水,下沉第一、二節(jié)套箱,當(dāng)套箱下沉到露出水面1~2 m時(shí),即可以拼設(shè)第三節(jié)套箱。
3.2.3 注意事項(xiàng)
每節(jié)套箱在拼設(shè)完成后都要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)焊接的焊縫進(jìn)行檢測(cè),防止漏水及圍堰出現(xiàn)強(qiáng)度薄弱面,安裝上一節(jié)時(shí)要保持下一節(jié)套箱的垂直。
套箱上下的連接可以采用法蘭螺栓連接或直接焊接的方式,這兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn),螺栓連接便于拆除,但是加工精度要求高,螺栓如果連接不好,還可能漏水,且費(fèi)用較高,直接焊接費(fèi)用較低,對(duì)加工精度相對(duì)要求較低,但拆除比較費(fèi)時(shí),經(jīng)過(guò)比選,我們采用的是直接對(duì)焊連接的方式進(jìn)行。
圖7 第一節(jié)套箱安裝
圖8 套箱拼裝下沉
套箱拼裝完畢后,拆除臨時(shí)拼裝平臺(tái),抽去套箱內(nèi)的水,使套箱上浮,為保證套箱的穩(wěn)定,抽水量使套箱僅僅可以浮在水面上即可;浮運(yùn)時(shí)應(yīng)盡量選擇在河流流速較小的下午進(jìn)行,采用卷?yè)P(yáng)機(jī)配合拖輪進(jìn)行,浮運(yùn)到位后要先用地錨將套箱錨固住、固定好,防止被沖走。
在墩位處、圍堰外打設(shè)4~6根鋼管樁,用4~6個(gè)葫蘆拉住圍堰,在套箱上鋪設(shè)1~2根40工字鋼,找出套箱的中心,然后往圍堰隔艙內(nèi)注水下沉,在下沉過(guò)程中,利用手拉葫蘆及灌水量,根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)隨時(shí)調(diào)整下沉位置,保證下沉位置的準(zhǔn)確。安置位置全部需由測(cè)量班精確定位,保證套箱下沉精度。
注意事項(xiàng):在流水中施工,鋼套箱下沉?xí)r會(huì)受到水平力的作用,在下沉過(guò)程中套箱傾斜度及平臺(tái)位置要求不超過(guò)規(guī)范允許值,采用有效的導(dǎo)向、定位設(shè)施是必須的。本橋套箱定位系統(tǒng)是利用鋼管樁作為定位樁,安裝導(dǎo)向橫撐和滾動(dòng)軸承,布置在前、后、左、右4個(gè)方向,既控制了套箱平面位置,又能控制其傾斜度。套箱定位系統(tǒng)是在露出水面的鋼管樁上對(duì)稱(chēng)焊接兩層導(dǎo)向橫撐,控制套箱斜度。導(dǎo)向橫撐前端安裝滾動(dòng)軸承,以利下沉滑動(dòng)。
套箱的調(diào)整包括水平的調(diào)整、標(biāo)高、位置的調(diào)整。
由于河床面不平整,下沉?xí)r很可能造成圍堰的傾斜,如果發(fā)生傾斜,可以用長(zhǎng)臂挖掘機(jī)或抓斗將高出的河床的砂石挖出,使圍堰水平,在清理砂石時(shí),如果圍堰發(fā)生偏位,可以把隔艙內(nèi)的水抽出,使圍堰重新浮起來(lái)重新就位,直至圍堰水平,位置滿(mǎn)足精度要求。套箱下沉到位經(jīng)檢測(cè)精度滿(mǎn)足求后進(jìn)行固定。
套箱下沉到位固定好后,為防止出現(xiàn)忍腳處懸空的事情發(fā)生,必須使?jié)撍畣T進(jìn)行水下探摸,如果有懸空的情況出現(xiàn),必須進(jìn)行堵漏,堵漏用編織袋裝水泥和砂的比例為1∶2的混合料進(jìn)行圍堵,圍堵的厚度不宜小于60 cm,堵漏完畢后必須反復(fù)進(jìn)行探摸,確保沒(méi)有懸空及缺口。
封底采用2.0 m厚C20混凝土,是承臺(tái)施工的墊層,同時(shí)也是保證套箱內(nèi)能夠干燥施工的主要途徑,因此,封底混凝土必須澆注成功,從而有效地阻止套箱外側(cè)水流涌入套箱。
(1)封底砼厚度設(shè)計(jì)計(jì)算:根據(jù)施工方案,在圍堰上搭設(shè)平臺(tái)進(jìn)行鉆孔樁的施工,樁基施工完畢后進(jìn)行抽水然后再進(jìn)行承臺(tái)施工,所以混凝土封底厚度的驗(yàn)算可由水的浮力控制及樁的錨固力對(duì)厚度進(jìn)行,由于樁基與封底2有護(hù)筒隔開(kāi),所以只對(duì)2 m范圍內(nèi)的封底混凝土的抗上浮力考慮,這樣偏于安全。
K=2 m×π×2(護(hù)筒直徑)×6(6根樁)×50 kPa(摩擦系數(shù))=1 200 t。
水的浮力 F=ρgv=1 t/m3×0.1 t×π×6.92(圍堰外半徑)×7=1 046 t
封底混凝土重量為565 t,抗上浮系數(shù)為(565+1 200)÷1 046=1.68
(2)由砼抗拉強(qiáng)度控制:
H×[σ]×π(R2-6×r2)=rw×9
[σ]為砼拉應(yīng)力,一般取0.1~0.2 MPa考慮到水下封底,局部的混凝土質(zhì)量不好采用0.1 MPa,計(jì)算為h=0.95 m。實(shí)際采用2 m,滿(mǎn)足混凝土抗拉強(qiáng)度要求。
(1)采用水下混凝土方法澆注,為使水下砼灌注質(zhì)量達(dá)到封底要求,其和易性及流動(dòng)性必須達(dá)到要求。套箱內(nèi)面積為扣除6根2 m護(hù)筒,共計(jì)244 m3,按30 m3/h澆注速度計(jì)算,需澆注8 h,必須在混凝土中摻加緩凝劑,防止混凝土凝固過(guò)早,影響混凝土的流動(dòng),保證砼澆注的連續(xù)性。
(2)為保證混凝土的流動(dòng)面積(每根導(dǎo)管最大流動(dòng)范圍為5~6 m)及封底質(zhì)量,考慮到護(hù)筒對(duì)混凝土流動(dòng)的影響,采用1根導(dǎo)管循環(huán)灌注水下封底砼,封底時(shí)首灌方量為3 m3,導(dǎo)管距底不大于15 cm,采用輸送泵泵送砼,導(dǎo)管固定在施工平臺(tái)上。灌注混凝土?xí)r,應(yīng)控制混凝土下落速度,以免速度過(guò)快對(duì)導(dǎo)管口的混凝土造成沖擊,影響質(zhì)量。
(3)用測(cè)繩隨時(shí)測(cè)量各點(diǎn)位的混凝土澆注高度及流動(dòng)面積,必要時(shí)調(diào)整導(dǎo)管位置,移動(dòng)導(dǎo)管位置時(shí),必須慢速挪移,不可脫離砼面,造成砼被水沖刷離析,或直接拔除導(dǎo)管換到其他位置重新封底澆注。為保證澆注封底混凝土的防水效果,在澆注混凝土前,先在側(cè)板上開(kāi)一洞口或澆注時(shí)安放水泵抽水,保證箱內(nèi)外的水位一致,減少套箱內(nèi)的水壓力,以免影響混凝土質(zhì)量。
(4)封底完畢后,立即搭設(shè)鉆孔平臺(tái),連接護(hù)筒,互做泥漿循環(huán)池使用,在封底完畢后3~4天,即可以進(jìn)行水上鉆孔樁施工。
由于地區(qū)差異,此成本對(duì)比是按照甘肅地區(qū)進(jìn)行的計(jì)算:
水中墩數(shù)量為2個(gè),每個(gè)圍堰面積為10 m×8.4 m,每片鋼板樁寬度40 cm,需租賃鋼板樁184片每片長(zhǎng)18 m,重1.370 t,共需租賃252.08 t,鋼板樁租期預(yù)計(jì)為4個(gè)月。
鋼板樁調(diào)遣費(fèi)共計(jì):252.08×1 300×2元=655 408元;
保養(yǎng)費(fèi)共計(jì):252.08×300元=75 624元;
鋼板樁打拔費(fèi)用合計(jì):252.08×1 500=504 160元;
鋼板樁租賃費(fèi)用合計(jì):252.08×13.5元/天×120天=408 370元;
內(nèi)支撐材料費(fèi)合計(jì):22.18 t×(4 100-2 200)=42 142 元;
內(nèi)支撐安裝拆除費(fèi)用合計(jì):22.118×1 500元=33 177元;
鋼板樁合計(jì)費(fèi)用為:171.8萬(wàn)元。
鋼套箱材料費(fèi):82.2×2×4 100=674 040元;
加工下沉費(fèi)用:82.2×2×4 500=739 800元;
可回收價(jià)值:82.2×2×0.5×1 000=82 200元(0.5為回收系數(shù),回收按照200元,回收人工費(fèi)按照1 000元計(jì));
鋼套箱合計(jì)費(fèi)用:133.2萬(wàn)元。
鋼套箱作為橋基施工的臨時(shí)設(shè)施,易裝易拆,可重復(fù)使用,適用性強(qiáng),整體性好,無(wú)需大型起吊設(shè)備即可施工,與鋼板樁的圍堰相比,在深水施工中,更能體現(xiàn)優(yōu)勢(shì),同時(shí),又可作為鉆機(jī)施工的操作平臺(tái),對(duì)橋梁基礎(chǔ)工程施工是一種值得推廣的有效方法。