蔡 進

（中鐵十一局集團有限公司 湖北武漢 430061）

1 引言

從上世紀50年代修建武漢長江大橋開始，我國橋梁深水基礎技術在逐步發(fā)展精進，越來越多的重難點基礎施工技藝實現(xiàn)突破，其中雙壁鋼圍堰施工技術尤為典型，在跨越大江、大河等深水基礎施工中得到廣泛的應用［1］。

劉云宵等人針對雙壁鋼圍堰在大型橋梁工程中的應用進行了大量的研究［2-6］。本文以廣州南沙港鐵路西江特大橋跨海州水道主跨116 m連續(xù)梁主墩的承臺施工為背景，研究了深水淤泥質(zhì)承臺裝配式混凝土底板鋼吊箱圍堰設計與應用。

2 工程概況

2.1 項目簡介

新建廣州南沙港鐵路站前工程NSGZQ-3標西江特大橋里程范圍 DK12＋962.405～DK28＋744.260（150＃～565＃墩），正線長15.782 km。其中跨海洲水道主橋里程為DK18＋747.505～DK19＋152.305（289?！?94＃墩），孔跨布置為（60 ＋116 ＋116＋65＋46）m連續(xù)梁，連續(xù)梁主墩291＃墩承臺尺寸為19.7 m×13.2 m×4.5 m。

2.2 水文地質(zhì)氣象條件

海州水道地處佛山市境內(nèi)，橋梁與河流夾角為56°。橋址區(qū)域為亞熱帶海洋性氣候環(huán)境，雨量充沛，地表河網(wǎng)、溪流縱橫交錯。每年4～9月是汛期，全年80%以上的降水出現(xiàn)在這段時間里，7～9月是臺風活動的頻發(fā)期。

連續(xù)梁主墩291＃墩設計為低樁承臺，常水位＋1.5 m，河床底標高-12.15 m。291＃墩較為靠近河中，河床以細砂、淤泥、細圓礫土為主，厚約24 m。

3 方案比選

根據(jù)過往的施工經(jīng)驗，291＃墩可選擇的施工方法有鋼板樁圍堰、鋼管樁圍堰、無封底雙壁鋼套箱圍堰、混凝土底板的鋼吊箱圍堰等。針對以上的施工方案進行具體分析：

3.1 普通鋼板樁圍堰

鋼板樁圍堰的優(yōu)點在于施工速度快、成本低。但鋼板樁圍堰穩(wěn)定性、剛性較差，更適合于開挖深度10 m以內(nèi)、基底地質(zhì)較好的環(huán)境。對于291＃墩淤泥質(zhì)土厚達20 m深的地質(zhì)環(huán)境來說，鋼板樁圍堰很難維持內(nèi)外水壓平衡，且混凝土封底難度非常大，容易發(fā)生滲漏，安全隱患數(shù)量居多。

3.2 普通鋼管樁圍堰

鋼管樁圍堰的優(yōu)缺點與鋼板樁圍堰相似，鋼管樁圍堰的剛性較鋼板樁圍堰更好，適合開挖深度可達20 m。但對于291＃墩的地質(zhì)環(huán)境來說，鋼管樁圍堰同樣存在水壓平衡難以維持，封底難度大，容易發(fā)生滲漏的問題。

3.3 普通雙壁鋼套箱圍堰

雙壁鋼套箱圍堰有效滿足了深水環(huán)境下圍堰側(cè)壁的剛度要求，但較前兩者成本投入更高，施工工藝更為復雜，圍堰拆除有限，材料難以回收利用，并且混凝土封底問題依舊難以解決。

由以上分析可知，291＃承臺施工的圍堰需求既能滿足側(cè)壁的剛度要求，又能有效解決封底的問題，同時能較好地保證圍堰的拆除以及拆除后的材料利用，節(jié)省成本。

為此，通過不斷地研究商討，設計優(yōu)化，最終確定了深水淤泥質(zhì)承臺裝配式混凝土底板鋼吊箱圍堰施工方案。

4 裝配式混凝土底板鋼吊箱圍堰設計

4.1 總體設計（見圖1）

圖1 西江特大橋291＃鋼吊箱圍堰

西江特大橋291＃墩承臺鋼吊箱形式為無封底式雙壁鋼吊箱；壁體夾壁共分兩節(jié)，第一節(jié)高10.8 m，夾壁厚為1.8 m，為原155＃墩承臺鋼圍堰壁體；第二節(jié)高為7.024 m，夾壁厚為1.5 m，第二節(jié)壁體為全新加工。夾壁面板為6 mm厚鋼板，面板內(nèi)側(cè)焊接有豎向角鋼豎肋，間距為35 cm，壁體間設置有環(huán)向鋼板以及豎向隔倉板，環(huán)向鋼板為12 mm和18 mm厚鋼板，豎向隔倉板為20 mm厚鋼板。共設置3道圍檁及內(nèi)支撐，圍檁型號為三拼HW400×408型鋼，內(nèi)支撐為φ800×12 mm圓鋼管。鋼護筒四周設置三道拉壓桿，六道剪力板。吊箱底板厚度為t＝40 cm，采用C50混凝土預制而成，鋼護筒四周環(huán)向圈梁尺寸為500 mm×1 000 mm，環(huán)向主梁尺寸為1 880 mm×1000 mm，底板次梁尺寸為400 mm×400 mm。

4.2 受力檢算

圍堰結(jié)構(gòu)采用有限元計算分析，共涉及到五種荷載計算，分別是鋼吊箱自重、靜水壓力、混凝土底板浮力、水流力、混凝土澆筑壓力。圍堰計算工況為整個施工過程中各結(jié)構(gòu)受力最不利情況，各工況具體分析如下：

工況一：鋼吊箱起吊下放；

工況二：高水位時鋼吊箱內(nèi)抽水完畢；

工況三：高水位下澆筑首層承臺混凝土；

工況四：拆除第三層支撐及圍檁后，高水位下澆筑第二層承臺混凝土。

計算可得各工況下各構(gòu)件的最大等效應力值均滿足規(guī)范要求。

除此之外還需進行以下計算［7-9］：

（1）鋼護筒四周握裹力驗算

鋼護筒所能承受最大握裹力960 kN＜1 900.3 kN，超出部分受力考慮由拉壓桿或剪力板承受。

（2）剪力板受力計算

剪力板焊縫受力驗算得37.2 MPa＜160 MPa；焊縫承載力安全系數(shù)k＝4.3＞2.0，剪力板焊接焊縫受力滿足設計要求。

（3）拉壓桿受力驗算

由于鋼吊箱入水較深，為盡量減小拉壓桿長度，鋼吊箱內(nèi)鋼護筒四周水下封堵混凝土澆筑完成并達到設計強度后，圍堰內(nèi)先進行部分抽水，抽水至一定深度后再安裝拉壓桿。

鋼吊箱圍堰內(nèi)抽水3.0 m后，鋼護筒四周最大反力F＝626.8 kN＜960.84 kN，此時鋼護筒四周握裹力滿足圍堰的抗浮要求。

單個鋼護筒四周設置三處拉壓桿，抽水完成后單根拉壓桿承受的最大荷載F＝（1 900.3-960.84）/3＝313.15 kN。拉壓桿截面強度驗算按毛截面屈服考慮，其計算結(jié)果為23.3 MPa＜215 MPa，滿足設計規(guī)范要求。

拉壓桿穩(wěn)定性安全系數(shù)k＝3.11＞2，滿足設計規(guī)范要求。

（4）拉壓桿下支座插銷抗剪驗算

抗剪承載力計算結(jié)果41.5 MPa＜155 MPa，滿足設計規(guī)范要求。

（5）拉壓桿上支座插銷抗剪驗算

焊縫受力計算結(jié)果46.6 MPa＜160 MPa，焊縫承載力安全系數(shù)k＝3.43＞2.0，拉壓桿上支座焊縫受力滿足要求。

（6）下放扁擔梁計算

鋼吊箱下放時單個吊箱最大反力為745.4 kN，鋼絞線吊點于扁擔梁跨中位置，按簡支梁計算，扁擔梁強度及剛度均滿足設計規(guī)范要求。

（7）扁擔梁插銷抗剪計算

抗剪承載力計算結(jié)果滿足設計規(guī)范要求。

（8）下放鋼絞線強度驗算

單根鋼絞線的應力534.2 MPa＜1 860 MPa，安全系數(shù)3.48＞2.0，鋼絞線設計強度滿足規(guī)范設計要求。

（9）下放挑梁及鋼護筒受力驗算

挑梁及鋼護筒最大等效應力114 MPa＜215 MPa，鋼護筒最大橫向變形為4.68 mm＜L/200＝49.65，滿足設計規(guī)范要求。

5 方案實施

291＃墩鉆孔樁施工完畢后，拆除鉆孔平臺，利用抓斗和空氣吸泥機清淤至指定位置處，然后在鋼護筒上開孔焊接安裝挑梁，挑梁安裝完成后把提前預制好的混凝士底板吊裝到挑梁上，組成圍堰拼裝平臺。

鋼吊箱圍堰在場內(nèi)分塊制作，經(jīng)檢驗、試拼合格后采用駁船運輸至291＃墩位處，通過2臺120 t履帶吊拼裝。第一節(jié)拼裝完成后，安裝上下兩節(jié)圍堰的預應力連接精軋螺紋鋼和圍堰下放系統(tǒng)，往圍堰內(nèi)壁進行注水，邊注水邊利用千斤頂下放圍堰，下放至第一節(jié)圍堰距離水面以上1 m后鎖死下放系統(tǒng)，吊裝第二節(jié)圍堰進行拼裝，拼裝完成后再次注水利用下放系統(tǒng)下放圍堰到設計標高位置。

利用導管水下澆筑C35不分散混凝土對底板進行封堵，同時安裝鋼護筒上的剪力件和拉壓桿系統(tǒng)，完成圍堰內(nèi)受力體系轉(zhuǎn)換，圍堰內(nèi)開始抽水施工承臺、墩身。承臺、墩身施工完成后，接通連接管往圍堰內(nèi)通水保持圍堰內(nèi)外水位一致，解除圍堰與混凝土底板間的聯(lián)系，抽出圍堰內(nèi)壁的水使圍堰上浮，拆除圍堰。

5.1 吊箱圍堰加工

（1）圍堰壁板加工

鋼吊箱圍堰壁體主要由外壁板單元件、內(nèi)壁板單元件、隔艙板單元件及支撐角鋼組成，各單元件之間為焊接連接。

鋼吊箱圍堰制造與安裝劃分為三個階段：單元件制造、單元塊加工、工地拼裝焊接。單元件制造、單元塊加工在工廠內(nèi)完成，以便發(fā)揮加工設備先進和施工條件好的優(yōu)勢；單元塊運至工地現(xiàn)場后完成工地焊接拼裝。即鋼吊箱圍堰制造采用的程序為“單元件制造→單元塊加工→單元塊運輸→橋位拼裝”［10］。

291＃鋼吊箱圍堰縱向劃分為三個部分：第一部分為1 m高混凝土底板，第二部分為壁厚1.5 m高為7.034 m的新圍堰（第一節(jié)），第三部分為壁厚1.8 m高為10.8 m的從155＃墩割除的舊圍堰（第二節(jié)）。

鋼吊箱圍堰制作場內(nèi)利用2臺400 t龍門吊完成三個階段的廠內(nèi)加工制造。鋼吊箱圍堰采用1艘400 t駁船運輸，每艘駁船放置4塊，雙層存放，在運輸船甲板安放墊木，駁船運輸至橋位完成拼裝連接。

（2）圍堰底板加工

291＃墩雙壁鋼吊箱圍堰底板采用C50混凝土預制板，預制板合計分作4種型號，預制板在場內(nèi)預制厚度為40 cm，每個分塊底板在場內(nèi)預制并準確安裝預埋件，做好養(yǎng)護措施，保障底板的質(zhì)量。

5.2 吊箱圍堰散拼、下放

（1）底節(jié)鋼吊箱圍堰拼裝

拼裝前拆除鉆孔平臺，對河床進行清理，搭建拼裝平臺。

采用吊機吊裝擱置梁至鋼護筒槽口處安裝，擱置梁標高必須保持一致。挑梁安裝完成后，圍堰底板單元塊通過運輸駁船運輸至平臺處采用吊機進行吊裝，安裝在擱置梁上方。底板各單元塊之間設有濕接縫，底板的平面位置及相對高程復核無誤后，連接底板各單元塊間連接鋼筋并進行濕接縫砼澆筑，將底板各單元塊連接成整體。

鋼吊箱圍堰每節(jié)分為4個單元塊，2臺120 t履帶吊位于支棧橋上，先拼裝上游圍堰單元塊，沿圍堰長邊對稱拼裝鋼吊箱圍堰，最后至下游主棧橋邊合攏。

采用駁船將壁體運輸至墩位處后，采用120 t履帶吊將壁體吊裝至指定位置進行初定位，再對壁體位置進行精確調(diào)位并調(diào)整壁體垂直度，調(diào)整到位后使用臨時支撐進行壁體臨時固定，臨時固定構(gòu)件采用小型型鋼布置于支棧橋上，在壁板安裝的4個角點均設置臨時固定系統(tǒng)；然后安裝與其相連的壁體［11］，采用導向定位裝置使得相連壁體安裝時CIC型鎖扣成功咬合，并進行調(diào)位、臨時固定，逐步安裝完成鋼吊箱底節(jié)拼裝，拼裝完成后，進行底節(jié)圍堰內(nèi)支撐鋼管安裝與焊接［12］。

整個鋼吊箱共布置雙層8個導向架，布置在角點的鋼護筒上。通過安裝在鋼護筒頂部的調(diào)位千斤頂進行調(diào)位，到位后在導向架上安裝橡膠滑動塊，通過鋼護筒進行導向，避免圍堰入水后偏位。定位是在吊箱下沉到位后，為防止水流壓力、波浪力及靠船力等動荷載對自由懸掛的鋼吊箱發(fā)生擾動，影響封底混凝土質(zhì)量而設置固定裝置。定位主要利用鋼護筒的穩(wěn)定性將下沉到位的鋼吊箱通過定位器與最外圍的鋼護筒連成整體達到鋼吊箱的定位。

在鋼吊箱臨時固定完成后，應對鋼護筒上的鋼吊桿安裝焊接。

（2）底節(jié)鋼吊箱圍堰下放

鋼吊箱圍堰下放支架采用在護筒頂上焊接型鋼挑梁作為主要受力構(gòu)件，鋼護筒頂用1 cm鋼板搭設，作為下放挑梁的安裝平臺。

主墩鋼吊箱采用10臺100 t連續(xù)千斤頂下放。在鋼護筒上焊接支撐牛腿與雙拼HN580×300型鋼下放挑梁焊接成整體，吊桿上端與下放挑梁組成的吊掛系統(tǒng)連接，下端與底板的鋼混底縱梁連接。

進行鋼吊箱下放前，拆除拼裝支撐梁，調(diào)節(jié)每個千斤頂?shù)男谐蹋_保每個千斤頂行程一致后，同步頂升千斤頂抬高鋼吊箱，使其底板脫離鋼護筒上的擱置梁后，進行擱置梁拆除。擱置梁拆除后，同步進行千斤頂下落，緩慢下放鋼吊箱圍堰（見圖2）。

圖2 連續(xù)作業(yè)千斤頂安裝、作業(yè)

利用10臺千斤頂同步下放第一節(jié)吊箱至吊箱頂口到水面以上1 m，下放過程中圍堰到達自浮狀態(tài)后開始配合水泵往圍堰壁艙內(nèi)注水下沉，到達位置后鎖定千斤頂，在鋼護筒外圍焊接鎖定裝置，防止圍堰晃動。

（3）第二節(jié)鋼吊箱圍堰接高和下沉

利用120 t履帶吊按照第一節(jié)圍堰拼裝順序和工藝接高第二節(jié)圍堰，檢查圍堰水平接縫和豎向接縫的密閉性，密閉性良好后，解除圍堰與護筒間的平面鎖定，啟動千斤頂繼續(xù)下放圍堰。

（4）吸泥下沉

為防止圍堰下方淤泥發(fā)生溜塌阻礙圍堰的下沉和保證鋼吊箱在流塑狀淤泥內(nèi)順利下沉，在鋼吊箱底板預制時預留24個吸泥孔，拼裝時同步安裝吸泥裝置，在下放過程中待底板進入淤泥后，開啟吸泥裝置進行吸泥下沉，擬定采取吸泥方法為氣舉反循環(huán)吸泥法。

空氣吸泥機主要由空壓機、吸泥管、供氣管、射水管、高壓水泵、吸泥器、閘閥組成。

（5）轉(zhuǎn)換拉壓桿受力

鋼吊箱下放完畢后安裝鋼護筒和鋼管樁上的拉壓桿，拉壓桿采用雙拼 36b槽鋼加工而成。

拉壓桿底部與鋼吊箱底部主梁連接，上部與鋼護筒上的上支座焊接，在封堵砼施工中拉壓桿輔助受力，拉壓桿在抽水過程中主要承受浮力。

鋼吊箱下放到位后，根據(jù)測量的復核結(jié)果對鋼吊箱進行微調(diào)整姿態(tài)，保證鋼吊箱空間位置符合設計及規(guī)范要求。上下調(diào)整采用鋼吊桿上的千斤頂進行微調(diào)，水平方向調(diào)整時采用導向架上的千斤頂進行調(diào)整。在調(diào)整過程中時刻進行監(jiān)測，保證鋼吊箱的位置偏差符合要求。調(diào)整到位后，安裝拉壓桿，拉壓桿上支座頂標高為＋2.5 m。

5.3 圍堰水下封堵

封堵混凝土采用C35水下不離析微膨脹混凝土，采用內(nèi)徑150 mm消防軟管作導管，插入護筒與預制底板間縫隙進行澆筑，混凝土封堵范圍為各鋼護筒與圍堰預制底板間環(huán)向20 cm范圍，封堵混凝土厚度為100 cm。由潛水員在水下進行軟管位置控制，上方布置小料斗，每個護筒間計算出混凝土使用量，定量控制，澆筑平整度由潛水員在水下腳踩、手摸撫平。

5.4 吊箱圍堰抽水

封堵混凝土強度達標后，采用3臺3 kW水泵進行圍堰抽水。在抽水過程中，檢查鋼吊箱側(cè)壁的漏水情況以及拉壓桿的受力情況，發(fā)現(xiàn)拉壓桿異常時應立即停止抽水，進行拉壓桿修補檢查沒有問題時方可繼續(xù)抽水，抽水過程中發(fā)現(xiàn)側(cè)壁漏水時應及時進行封堵，確保鋼吊箱抽水效果，保證圍堰施工質(zhì)量。

5.5 圍堰體系轉(zhuǎn)換

鋼吊箱內(nèi)抽水完成后，在各護筒與預制底板上預埋件之間焊接剪力板，剪力板高度為15 mm，每個鋼護筒處分別焊接6個剪力板，待剪力板焊接完成、焊縫質(zhì)量達標后，依次拆除各拉壓桿，拆除完成后在底板澆筑10 cm厚混凝土墊層，完成圍堰體系轉(zhuǎn)換，即可進行后續(xù)承臺施工。

5.6 圍堰質(zhì)量驗收

各單元加工完成后進行焊縫和結(jié)構(gòu)驗收，出具驗收報告，針對不規(guī)范的地方進行補強；圍堰組拼完成后進行總體驗收。

6 結(jié)束語

西江特大橋291＃墩裝配式混凝土底板鋼吊箱圍堰的成功應用，節(jié)省了大量鋼材和混凝土用量，并實現(xiàn)了材料的循環(huán)利用，節(jié)約成本，提高工效；并且圍堰的拆除方便，內(nèi)支撐拆除完畢后，根據(jù)側(cè)壁拆除的順序拆除側(cè)板與側(cè)板之間相應的連接鎖扣，最后拆除底板與側(cè)板的精軋螺紋鋼即可，拆除出來的材料可進行回收利用。

該吊箱圍堰的設計為今后類似工程提供了較好的借鑒與引導作用。