海域條件下新型裝配式水下無封底鋼混組合吊箱圍堰施工技術(shù)

孫剛

摘要：本文依托廣州明珠灣大橋29#墩承臺施工，對采用的新型裝配式水下無封底鋼混組合吊箱圍堰從總體設(shè)計、受力檢算、加工裝配、圍堰下放受力體系轉(zhuǎn)換等方面作了介紹，以期能為類似工程提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：新型裝配式;水下無封底;設(shè)計與檢算;加工;裝配;驗收;下放

1 工程概況

1.1 項目簡介

明珠灣大橋位于廣州市南沙區(qū)，主橋為三主桁鋼桁拱雙層橋梁，最大跨度達(dá)436m，居世界首位。橋?qū)?3.2m，上層為雙向八車道城市主干道，下層兩側(cè)為預(yù)留輕軌車道，中間為管線走廊。29#墩為主橋邊墩，單個承臺尺寸8.5×8.5×3.5m，基礎(chǔ)由4根φ1.8m直徑端承樁構(gòu)成，單個承臺C40混凝土設(shè)計方量252.87m?，單個承臺鋼筋29.56t。承臺頂設(shè)置高2.5m，寬2.7m系梁，系梁C50混凝土174.8m?，鋼筋56.65t。

1.2 水文地質(zhì)氣象條件

明珠灣大橋跨越龍穴南水道，水域?qū)挾?300m，水道呈NW向流經(jīng)場區(qū)，29#墩位處水深約7.5米。橋位附近流線較順直，流速縱向沿程變化不大。主流表面最大流速為1.2m/s，龍穴南水道南沙站最大漲潮潮差為2.90m，最大落潮潮差為3.15m。河床以淤泥細(xì)砂、淤泥（流塑）、砂質(zhì)粘性土為主，厚17～20m，底部有9～12m的全風(fēng)化巖。南沙區(qū)為臺風(fēng)影響區(qū)，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)顯示，臺風(fēng)一般發(fā)生在7月～9月，平均2.85次/年，最多為5次/年。

2 施工技術(shù)方案研究與比選

根據(jù)以往施工經(jīng)驗，對于29#墩常規(guī)施工方法有普通鋼板樁圍堰和鋼吊箱圍堰施工，但通過對本項目實際情況認(rèn)真調(diào)查與分析發(fā)現(xiàn)，以上兩種方案均不適用于該工程施工，具體分析如下：

2.1 普通鋼板樁圍堰分析

普通鋼板樁圍堰施工速度快并且成本較低，但是由于河床存在較厚流塑狀淤泥層，圍堰剛性較差很難保證內(nèi)外土壓平衡，容易造成圍堰“包餃子”。在流塑狀淤泥河床上進(jìn)行混凝土封底難度極大，容易造成淤泥與混凝土包裹，形成薄弱層，并且淤泥容易形成泥皮粘附于圍堰內(nèi)壁及護(hù)筒外壁，澆筑封底混凝土后，易在以上兩個位置發(fā)生滲漏，并且難以處理，給后續(xù)施工帶來安全隱患。

2.2 普通鋼吊箱圍堰分析

鋼吊箱圍堰雖然解決了側(cè)壁剛度要求及混凝土封底問題，但施工工藝復(fù)雜，需要搭設(shè)精度要求較高的加工平臺及胎具，施工完成后，僅承臺標(biāo)高以上位置圍堰側(cè)壁可拆除，拆除后的側(cè)壁很難回收再利用，并且需要水下作業(yè)，成本投入大，安全風(fēng)險較高。由于橋址位于臺風(fēng)影響區(qū)，工期控制尤為重要，鋼吊箱圍堰施工工期長，無法保證在臺風(fēng)期前完成承臺施工。

根據(jù)以上分析可知，本工程需要一套既能滿足圍堰側(cè)壁剛度要求、解決封底問題、節(jié)省工期和成本，又安全可靠的施工技術(shù)。最終，通過不斷創(chuàng)新探索、設(shè)計與優(yōu)化，確定了采用新型裝配式水下無封底鋼混組合吊箱圍堰施工技術(shù)。

3 新型裝配式水下無封底鋼混組合吊箱圍堰設(shè)計與檢算

3.1 總體設(shè)計

明珠灣大橋29#墩鋼混組合吊箱圍堰總體平面尺寸46.092×9.892×9.423m，壁體采用拉森 IV 型鋼板樁+鋼板組合而成，樁長為 L=9.0m，設(shè)計頂標(biāo)高為+8.083m，設(shè)計高水位為+6.500m。

鋼混組合吊箱圍堰底板結(jié)構(gòu)采用 C50 混凝土預(yù)制而成，厚度為25cm，底板環(huán)向主梁尺寸為700×500mm，鋼護(hù)筒四周環(huán)向圈梁尺寸350×500mm，底板次梁尺寸為350×500mm。壁體面板選用δ6mm厚鋼板兼做承臺側(cè)模板。壁體內(nèi)圍檁型號為 3×I36b型的工字鋼，外圍檁為雙拼I25b型工字鋼。底板共設(shè)置四根輔助樁，輔助樁為φ820×10mm 圓鋼管。共十六組扁擔(dān)梁，每組扁擔(dān)梁設(shè)置兩個下放吊點預(yù)埋件。內(nèi)支撐選用Φ426×8mm以及3×I36b型工字鋼。每個鋼護(hù)筒四周設(shè)3道拉壓桿和6組剪力板。

3.2 受力檢算

考慮吊箱結(jié)構(gòu)自重、壁體承受的靜水壓力、工作狀態(tài)風(fēng)荷載、水流壓力、設(shè)計高水位下抽水時底板所承受的浮力、底板主梁上承受的壁體自重。吊箱在最不利荷載作用下，通過有限元分析，各工況下鋼混組合吊箱圍堰各構(gòu)件的最不利受力情況如下所示：

由以上計算可知，鋼混組合吊箱圍堰各構(gòu)件受力均滿足設(shè)計及規(guī)范要求。

4 施工方案

29#墩鉆孔樁施工完成后，拆除鉆孔平臺，施工圍堰輔助樁，承臺圍堰采用裝配式水下無封底鋼混組合吊箱圍堰，圍堰內(nèi)壁作為承臺施工側(cè)模板，圍堰底板、壁板及其它構(gòu)件在岸上硬化場地內(nèi)分塊、分件加工，利用履帶吊在支棧橋上裝配圍堰，千斤頂及下放裝置下放圍堰，施工圍堰底板與護(hù)筒四周止水膠囊及封堵混凝土，焊接拉壓桿轉(zhuǎn)換圍堰受力體系，圍堰內(nèi)抽水后焊接剪力板進(jìn)行二次受力體系轉(zhuǎn)換，干法分二層同步施工3個獨立承臺，承臺施工完成后整體施工系梁，待墩柱施工完成后拆除吊箱圍堰。

5 吊箱圍堰加工

5.1 底板預(yù)制

由于一次性將底板加工成一個整體吊裝難度較大，現(xiàn)將底板按照結(jié)構(gòu)形式分4種類型（底板A/B/C/D）共計16塊。如下圖所示：

為了保證預(yù)制底板安裝及下放過程中不與鋼護(hù)筒發(fā)生干擾，在底板預(yù)制之前，首先根據(jù)事先對鋼護(hù)筒位置及垂直度的測量結(jié)果，精確確定吊箱底板開孔位置，保證開孔富余量為25cm。如果樁位偏差較大，影響到梁位，則應(yīng)對梁位進(jìn)行調(diào)整。每塊預(yù)制好的底板需進(jìn)行編號，方便后期吊裝。

5.2 側(cè)壁加工

壁體采用拉森IV型鋼板樁+δ6mm鋼板（Q235-b）組合而成。由于壁板兼做承臺側(cè)模，因此加工質(zhì)量要求較高。壁板的加工在直線段臺座上進(jìn)行，由于每一塊壁板的尺寸較小，因此采取不開坡口雙面焊接，加工成一個整體。

5.3 鎖扣、扁擔(dān)梁、拉壓桿加工

兩塊相鄰壁板連接采用鎖扣連接，鎖扣通過圓鋼管開口，插入工字鋼的方式進(jìn)行連接，中間部分填充棉絮及黏土混合物進(jìn)行止水。此種鎖扣安裝及拆除方便，工字鋼頂端焊接吊耳，通過吊車可輕松實現(xiàn)插入及拔除。施工中需注意鋼管開口位置的準(zhǔn)確性及平滑度，開口完成后應(yīng)將鋼管兩個斷面打磨光滑。

扁擔(dān)梁采用2I45b，中間設(shè)有加勁板，上下為15mm蓋板，利用蓋板與下放吊點支座、吊耳連接，嚴(yán)格控制各焊縫強(qiáng)度及吊耳間距。

拉壓桿采用2[20，總長度5.5m，保證后期安裝時頂端露出常水位。雙面共14塊加勁板，下支座與底板吊點通過銷軸連接，頂部通過腹板、翼板與護(hù)筒加強(qiáng)板連接，所有焊縫均按Ⅲ級焊縫質(zhì)量要求施工。

6 吊箱圍堰裝配施工

6.1 吊箱底板安裝

6.1.1 底板吊裝定位

在常水位以上標(biāo)高進(jìn)行鋼護(hù)筒開孔，每根護(hù)筒穿插2根I45b工字鋼支撐梁，通過牛腿焊接在護(hù)筒上作為臨時承重結(jié)構(gòu)，輔助樁則在護(hù)筒兩側(cè)焊接支撐梁。通過85t履帶吊將底板按照對應(yīng)編號進(jìn)行吊裝，安裝順序從一端開始逐塊安裝。待所有底板均吊裝完成后，測量人員進(jìn)行定位放線，對有偏差的底板進(jìn)行調(diào)整，經(jīng)反復(fù)測量調(diào)整最終精定位完成。

6.1.2 濕接縫施工

將底板間濕接縫鋼筋調(diào)整焊接，進(jìn)行剩余主筋及箍筋的焊接綁扎工作，后通過料斗進(jìn)行濕接縫C40混凝土澆筑，及時養(yǎng)生，使底板分塊連接成一個整體。

6.1.3 環(huán)型鋼板安裝

護(hù)筒環(huán)向圈梁內(nèi)放置三塊環(huán)形封堵鋼板，板寬20cm，角度為150°，內(nèi)徑與護(hù)筒外徑相同。保證三塊鋼板能完全覆蓋底板與護(hù)筒間縫隙。

6.2 吊箱側(cè)壁組拼

側(cè)壁組拼前在底板環(huán)向主梁上進(jìn)行標(biāo)高測量，設(shè)置5cm砂漿找平層并鋪設(shè)防水膠條。側(cè)壁利用85t履帶吊吊裝就位，從頂端至底吊垂線觀測垂直度。第一塊側(cè)板水平位置根據(jù)測量放樣確定，其后組拼側(cè)板時相對前一側(cè)板定位，測量復(fù)核。待所有側(cè)壁吊裝完成后，向鎖扣內(nèi)填入黏土及水泥混合物并用振搗棒搗實，以起到止水效果。

6.3 導(dǎo)向設(shè)施安裝

整個鋼吊箱共布置16個導(dǎo)向架，布置在最外圍的鋼護(hù)筒上。定位導(dǎo)向架由I20b型鋼+鋼板焊接而成;調(diào)位時用調(diào)位千斤頂進(jìn)行，調(diào)整完畢后安裝導(dǎo)向架上的橡膠滑動塊，保證導(dǎo)向架傳力給鋼護(hù)筒。

6.4 拉壓桿、下放裝置安裝

在吊箱下放前按照圖紙位置安裝拉壓桿，安裝下放平臺，千斤頂進(jìn)場檢驗，依次安裝下放千斤頂。

7 吊箱圍堰下放

下放系統(tǒng)由連續(xù)千斤頂、液壓泵站、控制系統(tǒng)三大部分組成。16臺千斤頂采用統(tǒng)一的液壓系統(tǒng)，千斤頂采用200t的連續(xù)千斤頂，最大行程為25cm。

鋼吊箱在下放前，要同時頂升千斤頂，使鋼吊箱脫離鋼護(hù)筒上的牛腿，拆除裝配牛腿，完成后同時同步下放千斤頂。下放過程中通過調(diào)整對應(yīng)部位的千斤頂組，保證吊箱處于水平狀態(tài)。

8 封堵砼施工

封堵混凝土采用微膨脹水下不離析混凝土封堵法，封堵范圍為鋼筋混凝土預(yù)制底板與各鋼護(hù)筒之間環(huán)向25cm范圍包裹混凝土、封堵厚度為60cm。封堵前向止水膠囊內(nèi)壓漿止水，然后采用豎向?qū)Ч芊ㄗ陨舷掠螌ΨQ澆筑封底混凝土。封堵混凝土施工是及時、有效形成承臺干施工環(huán)境的關(guān)鍵工序，要確保封堵施工的成功，必須嚴(yán)控施工工藝流程。

待水下不離析混凝土達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，選擇低水位期間吊箱內(nèi)抽水至標(biāo)高+4.07m，在護(hù)筒上安裝拉壓桿支座，并將拉壓桿與上支座焊接固定，拆除挑梁、千斤頂和鋼絞線，將受力體系轉(zhuǎn)化為拉壓桿受力。

9 吊箱圍堰受力體系轉(zhuǎn)換

9.1 第一次轉(zhuǎn)換

將拉壓桿焊接在護(hù)筒上，關(guān)閉連通器，吊箱抽水，吊箱受力體系由千斤頂受拉轉(zhuǎn)為拉壓桿受壓。

9.2 第二次轉(zhuǎn)換

待水抽干后焊接剪力板、拆除拉壓桿，每焊接完成兩個剪力板可拆除一個拉壓桿，最終將吊箱受力體系轉(zhuǎn)換為剪力板受力。

10 吊箱圍堰質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)

各分塊加工完成后應(yīng)對分塊的結(jié)構(gòu)尺寸和焊縫進(jìn)行檢查驗收，不足處補(bǔ)強(qiáng)或返工;吊箱圍堰組拼完成后進(jìn)行總體的質(zhì)量驗收。

11 結(jié)語

明珠灣大橋29#墩采用的新型裝配式水下無封底鋼混組合吊箱圍堰，將常規(guī)鋼吊箱鋼結(jié)構(gòu)底板和封底混凝土改為格構(gòu)式預(yù)制鋼筋混凝土底板，大幅度節(jié)省了鋼材和混凝土用量，提高了工效，保證了施工質(zhì)量與安全;吊箱側(cè)板采用鋼板樁+鋼板組合結(jié)構(gòu)，可周轉(zhuǎn)使用，大大節(jié)約成本;吊箱側(cè)板與底板采用精軋螺紋鋼連接，較常規(guī)的螺栓連接方法，避免了水下拆除作業(yè)。該施工技術(shù)在明珠灣項目得到了成功應(yīng)用，希望今后能夠為類似條件下的施工提供借鑒和參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50017-2017）

[2] 《簡明施工計算手冊》（第四版）

[3] 《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》（GB50205-2001）

[4] 《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2015》

[5] 《城市橋梁工程施工與質(zhì)量驗收規(guī)范》（CJJ2-2008）