渝懷鐵路嘉陵江特大橋13#墩承臺(tái)單壁鋼吊箱圍堰設(shè)計(jì)與施工

渝懷鐵路嘉陵江特大橋13#墩承臺(tái)
單壁鋼吊箱圍堰365JT設(shè)計(jì)與365JT施工

張愛(ài)花賈衛(wèi)中
(中鐵大橋局集團(tuán)一公司)

摘要井口嘉陵江特大橋13#主橋墩為深水高樁大體積混凝土承臺(tái)基礎(chǔ),位于嘉陵江主河槽,采用單壁鋼吊箱圍堰施工承臺(tái),速度快,質(zhì)量?jī)?yōu),效益好.
關(guān)鍵詞井口嘉陵江大橋主橋墩基礎(chǔ)承臺(tái)鋼吊箱設(shè)計(jì)施工
1工程概況
井口嘉陵江大橋?yàn)棰窦?jí)鐵路雙線橋,其主橋?yàn)?4+144+84m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)。13#主橋墩基礎(chǔ)采用16根φ2.5m的鉆孔灌注樁，橫橋向共6排，中間四排每排3根，橫向間距除距橋軸線一排為5.6m外，其余為5.2m，縱向間距為6.8m，兩邊各一排，每排2根，與中間樁呈梅花布置，橫向間距為3.94m，與縱向間距為6.8m，樁長(zhǎng)42.0m。承臺(tái)為臺(tái)階式，下臺(tái)階厚4.0m，上臺(tái)階厚3.0m，承臺(tái)橫截面為園端形，下臺(tái)階順橋向?qū)?7.7m，橫橋向總長(zhǎng)29.0m，上臺(tái)階順橋向?qū)?3.2m，橫橋向總長(zhǎng)22.23m，下臺(tái)階承臺(tái)頂面標(biāo)高+165.27m，底面標(biāo)高+161.27m，上臺(tái)階承臺(tái)頂面標(biāo)高+168.27m。13#墩位于嘉陵江主河槽，墩位處河床標(biāo)高142.63～148.38m，按施工水位+173.5m計(jì)，墩位處水深達(dá)30多米，設(shè)計(jì)流速V1/300=3.62m/s.為此，采用鋼吊箱圍堰的施工方法進(jìn)行承臺(tái)施工。
2 鋼吊箱設(shè)計(jì)條件
鋼吊箱圍堰是為承臺(tái)施工而設(shè)計(jì)的臨時(shí)阻水結(jié)構(gòu)，其作用是通過(guò)吊箱圍堰側(cè)板和底板上的封底混凝土圍水，為承臺(tái)施工提供無(wú)水的干處施工環(huán)境。
2.1工況條件
根據(jù)鋼吊箱圍堰施工工作時(shí)段及設(shè)計(jì)受力狀態(tài)，可按以下幾個(gè)工況進(jìn)行分析：
①拼裝下沉階段；
②封底混凝土施工階段；
③抽水后承臺(tái)施工階段。
2.2水位條件
根據(jù)《嘉陵江井口大橋水文資料分析成果報(bào)告》及吊箱施工時(shí)間安排，確定鋼吊箱設(shè)計(jì)抽水水位為＋168.0m。
2.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條件
綜合各工況條件、水位條件確定鋼吊箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條件：
圍堰平面內(nèi)凈尺寸：29.0m×17.7m,圓端形,半徑為14.5m(與承臺(tái)平面尺寸相同,考慮吊箱圍堰側(cè)板兼做承臺(tái)模板)；
側(cè)板頂面設(shè)計(jì)標(biāo)高：168.5m；
底板頂面設(shè)計(jì)標(biāo)高：159.57m；
內(nèi)支承標(biāo)高：165.72m；
設(shè)計(jì)抽水水位：168.0m；
鉆孔平臺(tái)下弦系統(tǒng)線標(biāo)高:172.0m。
2.4工期要求：
該橋?yàn)橛鍛丫€十大重點(diǎn)控制工程之一，工期十分緊張，主墩必須在一個(gè)枯水期內(nèi)施工出水面。只有在二00二年三月底將承臺(tái)灌筑完畢，才能保證墩身在四月底施工到+186m這一洪水期水位之上。
3 設(shè)計(jì)依據(jù)：
3.1《井口嘉陵江特大橋設(shè)計(jì)圖》
3.2《鐵路橋涵設(shè)計(jì)手冊(cè)》（TBJ—96）
3.3《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》（GBJ17—88版）
4 鋼吊箱的構(gòu)造簡(jiǎn)介：
4.1構(gòu)造形式選擇
根據(jù)鋼吊箱使用功能，將其分為側(cè)板、底板、內(nèi)支撐、吊掛系統(tǒng)四大部分。其中，側(cè)板、底板是吊箱圍堰的主要阻水結(jié)構(gòu)，根據(jù)鋼吊箱設(shè)計(jì)條件，我們對(duì)吊箱側(cè)板結(jié)構(gòu)的單壁、雙壁兩種方案進(jìn)行了比較，比較結(jié)果見(jiàn)表１。


吊箱側(cè)板單、雙壁方案比較
表１
內(nèi)容方案 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 選擇方案
單壁結(jié)構(gòu) １、 節(jié)省材料，加工方便，加工質(zhì)量易控制；２、 裝、拆方便，可兼做承臺(tái)施工模板；３、 承臺(tái)施工完畢，拆除側(cè)板又可作為梁部０#塊的施工模板；４、 下沉工藝簡(jiǎn)單、節(jié)省時(shí)間；５、 在鉆孔平臺(tái)下拼裝側(cè)板，焊接工作量小，拼裝容易。６、 側(cè)板材料用量135噸，底板材料用量66.6噸，內(nèi)支撐材料用量40噸，合計(jì)241.6噸 側(cè)板剛度小，內(nèi)支撐材料用量多
雙壁結(jié)構(gòu) １、 吊箱拼裝及下沉充分利用水的浮力；２、 側(cè)板剛度大，內(nèi)支撐材料用量少；３、 下沉不用大型起吊設(shè)備；４、 側(cè)板材料用量200噸，底板材料用量80噸，內(nèi)支撐材料用量20噸，合計(jì)：300噸 材料用量多，加工難度大，在鉆孔平臺(tái)下拼裝側(cè)板難度大；焊接工作量大；下沉工藝復(fù)雜，工期長(zhǎng)

由表１可以看出，側(cè)板單壁節(jié)省材料，加工方便，拼裝簡(jiǎn)單，質(zhì)量容易控制，投入少，工期短，故側(cè)板選用單壁結(jié)構(gòu)。
4.2結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡(jiǎn)介（見(jiàn)圖１）
①底板
吊箱底板由底模托梁和底模組成，底板平面尺寸為18.4m×29.7m，底板高0.361m，重量為66.6噸。底模托梁為井字梁結(jié)構(gòu)，樁間設(shè)置縱、橫梁。縱梁（順橋向）為主梁，共設(shè)10道，每道由通長(zhǎng)2[28a組成，橫梁(順?biāo)较?為次梁,間距為0.77m～1.15m，由I22b組成，橫梁與縱梁用螺栓連接，水封


吊桿設(shè)在縱梁上。底模為肋板式焊接結(jié)構(gòu)，底板為δ＝6mm,肋為δ＝6mm板條，分12種型號(hào)共75塊置于底模托梁上并與其焊接。
②側(cè)板
側(cè)板采用單壁結(jié)構(gòu)，為肋板式焊接結(jié)構(gòu)，由型鋼和8mm鋼板焊接而成。側(cè)板高度方向分為上、中、下三層，分別為3.35m、3.0m、2.58m。每層分為26塊，其中圓端形方向分6塊，直線段方向分7塊，共計(jì)78塊。單塊最重為1.8噸，側(cè)板總重135噸。分塊的原則主要是為了縮短基礎(chǔ)施工周期，在鉆孔樁施工的同時(shí)側(cè)板拼裝要在鉆孔平臺(tái)以下與水面以上凈空為4m范圍內(nèi)進(jìn)行，加上無(wú)法使用大的起吊設(shè)備，所以分塊較小。吊箱下層側(cè)板。與底板及上、中、下層側(cè)板之間的水平縫和豎縫均采用坡口焊縫焊接，以防漏水。側(cè)板的面板為δ＝8mm鋼板，豎楞均為I25a工字鋼，間距為640mm或655mm，水平加勁肋為L(zhǎng)63×40角鋼或δ＝10mm鋼板組焊成“T”字型加勁，間距為500mm～700mm，隨水深而變化。為了保證豎楞I25a外翼緣不失穩(wěn)及全截面受力，且避免在運(yùn)輸過(guò)程中側(cè)板產(chǎn)生超標(biāo)變形，在上、中、下側(cè)板適當(dāng)位置，每層設(shè)了由δ＝10mm鋼板組焊成“T”字型水平加勁兩道，“T”字型的外邊與I25a外翼緣平齊。
③吊箱內(nèi)支撐
內(nèi)支撐由內(nèi)圈梁，水平撐桿及豎向支架三部分組成。
內(nèi)圈梁：內(nèi)圈梁設(shè)一層，設(shè)在吊箱側(cè)板的內(nèi)側(cè)，高程為165.72m，由2I45b或箱形板結(jié)構(gòu)組成的水平環(huán)，安裝在側(cè)板內(nèi)壁牛腿上。內(nèi)圈梁的作用主要是承受側(cè)板傳遞的荷載，并將其傳給水平撐桿。水平撐桿為井字結(jié)構(gòu)，桿端用螺栓與內(nèi)圈梁連接成一體，縱向水平撐桿由2[22b組成，橫向水平撐桿由φ273mm鋼管組成,各桿間均通過(guò)法蘭盤(pán)用螺栓連接,豎向支架為格構(gòu)式結(jié)構(gòu),立桿為∠75×75×8角鋼,綴板為δ＝8mm鋼板,豎向支架的作用主要是支撐水平撐桿。豎向支架的底端焊接到底板上,上端與水平撐桿焊接。
④　吊箱吊掛系統(tǒng)：
吊掛系統(tǒng)由縱、橫梁、吊桿及鋼護(hù)筒組成，吊掛系統(tǒng)的作用是承擔(dān)吊箱自重及封底混凝土的重量。
橫梁：橫梁（順橋向）共計(jì)6排，均設(shè)在鋼護(hù)筒頂，由大榭島斜拉掛籃的主梁、橫梁組拼而成。橫梁的作用是支承縱梁，并將縱梁傳遞的荷載（通過(guò)護(hù)筒）傳遞至基樁。
縱梁：縱梁（順?biāo)较颍┰O(shè)置在橫梁上，共8排，由大榭島斜拉掛籃的主梁、橫梁組拼而成，縱梁的作用是支承吊桿，并將吊桿荷載傳遞給橫梁。
吊桿：吊桿是由l32mm精扎螺紋粗鋼筋及與之配套的連接器、螺帽組成,共80根吊桿，重11.2噸，吊桿下端固定到底板的托梁上，上端固定到吊掛系統(tǒng)的縱梁上。吊桿的作用是將吊箱自重及封底混凝土的重量傳給縱梁。
⑤下沉起吊系統(tǒng)
起吊系統(tǒng)由吊點(diǎn)、吊帶、千斤頂組成，吊點(diǎn)分上吊點(diǎn)、下吊點(diǎn)，上吊點(diǎn)設(shè)在鉆孔平臺(tái)頂面上。下吊點(diǎn)設(shè)在吊箱下層直邊側(cè)板外側(cè)，共4個(gè)下吊點(diǎn)，吊點(diǎn)中心相距11.52m，吊帶為40mm×320mm的鋼帶（16Mn鋼）。
⑥吊箱定位系統(tǒng)
鋼吊箱下沉入水后受流水壓力的作用，吊箱圍堰會(huì)向下游漂移，為便于調(diào)整吊箱位置，確保順利下沉，在吊箱側(cè)板內(nèi)壁與鋼護(hù)筒之間設(shè)上下兩層導(dǎo)向系統(tǒng)，第一層設(shè)在距圍堰底板1.93m處，第二層設(shè)在距圍堰底板4.73m處，每層8個(gè)導(dǎo)向。
5 設(shè)計(jì)計(jì)算
根據(jù)鋼吊箱圍堰施工時(shí)段分析進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)算，利用設(shè)計(jì)計(jì)算程序SAP93進(jìn)行空間模擬計(jì)算，僅就計(jì)算思路簡(jiǎn)單介紹，具體計(jì)算過(guò)程從略。
5.1荷載取值依據(jù)
由《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（TBJ-96）荷載組合V考慮鋼吊箱圍堰設(shè)計(jì)荷載組合。
水平荷載：∑Hj＝靜水壓力+流水壓力+風(fēng)力+其他；
豎直荷載：∑Gj＝吊箱自重+封底混凝土重+浮力+其他；
其中：?jiǎn)挝幻娣e上的靜水壓力按10KN/㎡計(jì)，水壓隨高度按線性分布；
流水壓力按橋址處實(shí)測(cè)流速：V=2.0m/s；
風(fēng)速很小，在此可忽略；
封底混凝土容重;γ=23KN/m3；
水的浮力:γ=10KN/m3；
5.2計(jì)算內(nèi)容
①吊箱拼裝（上、中、下三層逐層入水）下沉計(jì)算；
②吊箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算；
③封底混凝土施工階段計(jì)算；
④抽水后吊箱計(jì)算。
5.3計(jì)算
綜合工況條件分析和計(jì)算內(nèi)容，對(duì)鋼吊箱各部分取最不利受力工況進(jìn)行計(jì)算。
①底板主要承受封底混凝土重量和吊箱自重。荷載組合為混凝土自重+吊箱自重+浮力，此外，還要對(duì)吊箱入水時(shí)底板受力情況進(jìn)行復(fù)算。吊箱吊掛系統(tǒng)與底板一起進(jìn)行驗(yàn)算。
②側(cè)板以承受水平荷載為主，最不利受力工況為抽水階段，側(cè)板計(jì)算包括豎肋、水平加勁肋、面板、豎肋拼接處及焊接的內(nèi)力、變形及應(yīng)力計(jì)算。另外，還要對(duì)吊箱逐層入水及承臺(tái)施工等階段側(cè)板受力情況進(jìn)行復(fù)算。內(nèi)支撐系統(tǒng)與側(cè)板計(jì)算，在側(cè)板驗(yàn)算的同時(shí)完成驗(yàn)算。
③吊箱拼裝下沉階段主要與吊箱自重有關(guān)，以三層拼裝完成下沉?xí)r為最不利進(jìn)行計(jì)算控制，并據(jù)此計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)吊點(diǎn)、吊帶。
④抗浮計(jì)算分兩個(gè)階段：一個(gè)階段是吊箱內(nèi)抽完水后灌筑承臺(tái)混凝土前，另一個(gè)階段是澆筑完承臺(tái)且混凝土初凝前。
吊箱自重+水封混凝土自重+粘結(jié)力>浮力
吊箱自重+承臺(tái)混凝土重+水封混凝土自重<粘結(jié)力+浮力
⑤封底混凝土強(qiáng)度驗(yàn)算：要驗(yàn)算封底混凝土周邊懸臂時(shí)的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力，以及中間封底混凝土的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力。
6鋼吊箱施工
13號(hào)主墩控制全橋施工工期，不僅施工難度大，而且施工工期十分緊張。若采用在鉆孔樁施工完畢后拆除平臺(tái)，在平臺(tái)上拼裝下放鋼吊箱的施工方法，需要大型起吊設(shè)備，且投入多，工期長(zhǎng)，很有可能在一個(gè)枯水期內(nèi)不能把基礎(chǔ)施工出水面。因此，采取非常規(guī)的施工方法：在鉆孔樁施工的同時(shí)交叉作業(yè)拼裝下沉鋼吊箱，不僅減少了施工投入，而且縮短了施工周期，取得了顯著成效。
6.1吊箱拼裝及下沉
吊箱拼裝及下沉分三步。第一步，拼裝底板及第一節(jié)圍堰側(cè)板。在鉆孔平臺(tái)下弦設(shè)滑道，用來(lái)運(yùn)送側(cè)板至拼裝位置。水面以上鋼護(hù)筒外側(cè)焊臨時(shí)支承，拼底板托梁，焊接底模，并在其上拼裝內(nèi)支撐豎向支架，然后拼裝下層側(cè)板、上下吊點(diǎn)、吊帶，第一節(jié)圍堰入水。第二步，拼裝中層側(cè)板及豎向支架，圍堰下沉。第三步，拼裝上層側(cè)板、豎向支架及內(nèi)支撐。圍堰下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高，安裝吊桿進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換，圍堰全部由吊桿吊掛，將吊帶拆除。每塊側(cè)板焊縫均進(jìn)行煤油滲透試驗(yàn)。
圍堰下放主要設(shè)施包括四個(gè)主吊具及其升降系統(tǒng)和八個(gè)輔助吊具。主吊具由主吊點(diǎn)和吊帶組成，吊具升降系統(tǒng)由錨箱、油壓千斤頂、升降梁和穩(wěn)定架組成。輔助吊具采用精軋螺紋鋼吊桿。當(dāng)提升圍堰時(shí)先提升主吊點(diǎn)，后提升輔助吊點(diǎn)；當(dāng)下放圍堰時(shí)先松放輔助吊點(diǎn)，后松放主吊點(diǎn)。主輔吊點(diǎn)交替進(jìn)行，每次升降高度嚴(yán)格控制在50mm以內(nèi)，主輔吊點(diǎn)升降幅度應(yīng)一致，避免圍堰扭曲變形。
6.2吊箱定位與堵漏
由于在圍堰側(cè)板設(shè)有導(dǎo)向定位裝置（該裝置是根據(jù)護(hù)筒的實(shí)際偏位設(shè)計(jì)的），因此，吊箱下沉到位后其平面位置偏差均在施工規(guī)范允許誤差范圍以內(nèi)。用鋼楔將導(dǎo)向與護(hù)筒之間的間隙抄死，用角鋼把圍堰頂口與鋼護(hù)筒焊牢，確保吊箱圍堰在后續(xù)的水封施工中不得有平面位移。然后用兩臺(tái)千斤頂從上下游兩端對(duì)稱(chēng)地逐一對(duì)80根吊桿進(jìn)行調(diào)整，使其受力均勻，調(diào)整吊桿時(shí)油表讀數(shù)達(dá)到10MPa即可。
全部吊桿調(diào)整完畢后，潛水員下水用蛇形袋堵塞鋼護(hù)筒與底板之間的空隙。
6.3灌注封底混凝土
封底混凝土的作用一是作平衡重的主體；二是防水滲漏；三是抵抗水浮力在吊箱底部形成的彎曲應(yīng)力；四是作為承臺(tái)的承重底模。封底混凝土灌注是吊箱圍堰施工成敗的一大關(guān)鍵。主要難點(diǎn)是水下混凝土灌注面積大，而且水位不穩(wěn)定，為了保證混凝土質(zhì)量，在施工中采取了以下幾點(diǎn)措施：
①吊箱定位后至水封前，每天測(cè)量其平面位置，觀察吊箱是否穩(wěn)定。
②水封前潛水員逐一對(duì)16根護(hù)筒四周進(jìn)行認(rèn)真檢查，以確保封底時(shí)圍堰底板不漏混凝土。
③將吊箱圍堰分為三個(gè)倉(cāng)，進(jìn)行兩次水封，先封中倉(cāng)，布置12根水封導(dǎo)管。再封上下游兩個(gè)倉(cāng)，各布置10根水封導(dǎo)管。
④制做兩個(gè)10.0m3儲(chǔ)灰總槽，以確保每根導(dǎo)管砍球后埋深不少于0.5m，并在水封過(guò)程中始終有約5.0m3的混凝土儲(chǔ)存量，在混凝土供應(yīng)中斷時(shí)備用。圍堰封底混凝土厚度1.7m，封底凈面積381m2，采用C30混凝土共計(jì)648m3。
6.4灌注承臺(tái)混凝土
封底完畢七天后，抽干吊箱內(nèi)積水，沒(méi)有漏水現(xiàn)象，說(shuō)明水封很成功。拆除上掛梁、吊桿，割除鋼護(hù)筒，清除高出承臺(tái)面的封底混凝土，用超聲波法和小應(yīng)變法檢測(cè)樁基質(zhì)量，然后按傳統(tǒng)的方法安設(shè)承臺(tái)鋼筋，灌注承臺(tái)混凝土。
7結(jié)束語(yǔ)
井口嘉陵江大橋13#墩基礎(chǔ)承臺(tái)為深水高樁大體積圓端形承臺(tái)，施工難度大，結(jié)合實(shí)際情況，施工采用單壁鋼吊箱圍堰進(jìn)行設(shè)計(jì)施工，取得了顯著成效。
①速度快，節(jié)省工期：邊鉆孔邊拼裝圍堰，2002年2月6日鉆孔樁水封完畢，至2002年2月25日下沉到位并封底成功，僅用19天時(shí)間。
②質(zhì)量?jī)?yōu)：因吊箱圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，定位準(zhǔn)確，無(wú)滲漏現(xiàn)象。
③效益好：因單壁鋼吊箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，節(jié)約了數(shù)十噸鋼材，加之吊箱側(cè)板又兼作承臺(tái)施工模板，節(jié)省了模板費(fèi)用，合計(jì)節(jié)約資金近20萬(wàn)元。
參考文獻(xiàn)
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2.羅邦富.魏明鐘.沈祖炎.陳明輝《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》中國(guó)建筑工業(yè)出版社GBJ17-88版
3.SAP93設(shè)計(jì)計(jì)算程序