鎖口吊箱圍堰在Padma大橋施工的應用

熊仕坤

(中鐵大橋局集團第四工程有限公司，江蘇 南京 210031)

1 項目概況

孟加拉國Padma大橋為雙層橋面布置，下層為單線鐵路，上層為雙向四車道公路。位于首都達卡市偏西南約40 km處，橫跨Padma河(恒河)，距印度洋入?？谥本€距離約150 km，是連接Mawa與JanJira的主要交通要道，是連接中國及“泛亞鐵路”的重要通道之一，也是中國“一帶一路”倡議的重要交通支點工程。

Padma大橋主橋全長6.15 km，共40個水中主墩，每個水中主墩基礎為6根φ3.0 m的傾斜鋼管樁，壁厚60 mm，鋼樁沿圓周均勻分布，斜度1∶6。樁頂高程+1.75 m，樁底5 m范圍內為土塞，需通過壓漿密實；土塞上部10 m范圍內填充水下混凝土；混凝土上部填充密實度大于95%的砂至距樁頂15 m處；樁頂15 m范圍內填充混凝土，內埋與承臺連接的鋼筋籠；承臺為現澆C40鋼筋混凝土結構，正六邊形，底面邊長9.33 m，頂面邊長8.412 m，底高程+1.0 m，頂高程+6.5 m，高5.5 m，頂面設1∶10流水坡，承臺分兩層澆筑，第1層為1.5 m，第2層為剩余部分混凝土?；A布置如圖1所示。

圖1 Padma大橋主橋水中墩基礎布置(單位：除標高為m外,其余：cm)

橋位處河面寬約6.15 km，最大水深27 m，平均水位+3.41 m，最大流速4.6 m/s。地處恒河流域沖積區，水下暗砂較多，局部流向紊亂，較有代表性的地層為含少量云母的密實粉細砂地質。河床沖刷變化大，最大沖刷深度50.4 m。

2 圍堰設計

斜樁樁內處理及承臺施工的圍水結構采用鎖口式鋼吊箱圍堰。圍堰為內徑19.1 m、高7.702 m的圓形結構，由底板、側板、吊架及吊桿等組成。

吊箱圍堰立面布置如圖2所示。

圖2 主墩吊箱圍堰立面布置(單位：除標高為m外,其余：cm)

2.1 計算工況

(1) 封底工況：對圍堰底板、吊桿、吊架等進行計算(流速2 m/s，水位+4.0 m)。

(2) 抽水工況：對圍堰側板、封底混凝土等進行計算(流速4 m/s，水位+6.0 m)。

(3) 澆筑(1.5 m)承臺工況：對封底混凝土等進行計算(流速2 m/s，水位+1.3 m)。

2.2 圍堰結構

底板和側板間的連接處在組裝時墊10 mm厚膠皮。側板平面分6塊，各塊之間采用鎖口連接，便于安裝和拆卸。鎖口鋼管間隙內抹黃油，鎖口鋼管靠圍堰內側的小腔室采用拌制好的軟黏土條填充，并用鋼筋搗實，起接縫堵水作用。側板之間鎖口構造見圖3。

圖3 吊箱圍堰側板鎖口構造

2.3 結構計算

采用Midas建模，分別對圍堰在封底工況、抽水工況及澆筑1.5 m承臺工況下各構件受力進行驗算。封底工況計算模型如圖4所示。 抽水工況計算模型如圖5所示。

圖4 吊箱圍堰封底計算模型

圖5 吊箱圍堰抽水計算模型

2.3.1 鋼結構構件受力計算

各鋼結構構件受力計算結果如表1所示。

表1 吊箱圍堰受力計算結果

由表1知：吊箱圍堰各鋼結構構件受力滿足要求。

2.3.2 封底混凝土受力計算

(1) 抽水工況

封底混凝土在抽水工況下受到的主拉應力如圖6所示。

圖6 抽水時封底混凝土主拉應力云圖(單位：MPa)

由圖6可知：除封底混凝土與φ3 000 mm鋼樁交界位置處底部局部出現應力集中外(最大值為1.96 MPa)，96.1%保證率封底混凝土最大主拉應力小于[ft]=1.0 MPa，滿足要求。抽水工況下封底混凝土與單根鋼樁黏結力合力N=1 550 kN。不考慮鋼樁傾斜對黏結應力的有利影響，封底混凝土與鋼樁黏結應力τ=1 550/(3.14×3×1.2)=137 kPa<150 kPa，滿足要求。

(2) 澆筑1.5 m承臺混凝土工況

澆筑(1.5 m)承臺工況下封底混凝土計算需考慮施工水位(低水位 )情況。計算得封底混凝土主拉應力如圖7所示。

由圖7可知：除封底混凝土與φ3 000 mm鋼樁交界位置處頂部局部出現應力集中外(最大值為1.4 MPa)，98.5%保證率封底混凝土最大主拉應力小于[ft]=1.0 MPa，滿足要求。澆筑(1.5 m)承臺工況下封底混凝土與單根鋼樁黏結力合力N=1 614 kN。不考慮鋼樁傾斜對黏結應力的有利影響，封底混凝土與鋼樁黏結應力τ=1 614/(3.14×3×1.2)=143 kPa<150 kPa，滿足要求。

圖7 澆筑1.5 m承臺時封底混凝土主拉應力(單位：MPa)

綜上所述，鎖口鋼吊箱圍堰結構滿足要求。

3 圍堰施工

3.1 加工制造

(1) 吊架制作

吊架為全鋼管空間桁架結構，桁高3.5 m，質量81 t。吊架桿件由鋼結構車間下料制作，分別運輸至砂石料碼頭組拼完成，所有結構表面均需涂刷油漆。

(2) 吊桿

吊桿為標準件，根據設計長度定尺采購。

(3) 側板制造

為保證外型尺寸的準確性及控制焊接質量和變形，側板制造借助胎架組拼及施焊，胎架應具有足夠剛度。側板制造由鋼結構車間下料制作，每塊側板之間都需試拼裝并做好編號，確保6塊側板結構能順利拼裝成整體。側板結構外表面均需涂刷油漆。

另外，每套圍堰選定一塊側板位置布置連通管，連通管標高從底部向上1.8 m，通過在側板上開洞并焊接一根內徑100 mm、長約300 mm的鋼管，利用塑料軟管進行連接，塑料軟管要有一定硬度和韌性，長度滿足用繩拴住其端部掛到圍堰頂面的要求。

(4) 底板制造

底板由主龍骨、次龍骨、角鋼、鋼底板及堵漏板等構成，高度0.402 m，底板最外側直徑19.5 m。底板結構平分為6塊，由鋼結構車間下料制作，再運輸至砂石料碼頭組焊成整體。

3.2 圍堰組拼

為保證拼裝質量和拼裝速度，吊箱圍堰在總拼之前，需對吊掛梁、底部和側板單元塊件進行檢查，確保每塊構件均是結構尺寸和焊縫質量都合格的部件。 每套鋼吊箱圍堰總拼均在砂石料碼頭進行，采用水上浮吊配合施工。

吊箱圍堰組拼時，先吊裝底板，并抄墊平衡，然后安放底板與側板的連接處10 mm厚膠皮，吊裝第1塊側板，需確保側板位置準確，安裝側板與底板連接的精軋螺紋到理論長度即可，完成第1塊側板安裝后，順利安裝其他側板，需對鎖口部位涂黃油保證鎖口位置安裝順利進行。側板安裝過程中，注意前面3塊板在每次安裝結束后均需在內側設置纜風繩，以免側翻。側板全部安裝結束后，按設計圖安裝限位檔塊，以防止不利因素造成側板底部外移而使圍堰漏水。

全部側板安裝完成后，利用對稱穿心頂將側板與底板連接的精軋螺紋收緊，預拉100 kN左右的力，完成后全面檢查底板與側板接縫處的密貼情況，確認無問題后，再吊架6根主吊掛橫梁與側板交叉位置側板頂面，用長度為744 mm的φ325 mm×8 mm鋼管焊接支撐，然后整體吊裝吊架與圍堰組裝成整體，并安裝其余全部吊桿，調整到需要的長度。

各樁位封堵板提前放到孔位附近，封堵板周圍采用鋼板限位。同時需提前采用兩根φ16 mm圓鋼對位穿過封堵板的螺栓孔，并準備兩個1 t倒鏈，安排1組共計兩人水下拼接封堵板，采用1 t倒鏈通過圓鋼將封堵板對位，使用φ28 mm普通螺栓連接。

吊箱圍堰拼裝成整體后，鎖口鋼管靠圍堰內側的小腔室采用拌制好的軟黏土條填充，并用鋼筋搗實，用于防水。

3.3 圍堰現場安裝

(1) 鋼斜樁插打完成后，先在墩位按設計位置插打防撞樁，防撞樁上要求安裝警示燈和標示牌，嚴禁外來船只靠近。

(2) 在每根鋼樁頂部安裝臨時接高支承柱，支承柱設計頂標高為7.20 m，再安裝調整楔塊。調整楔塊標高調整范圍為±5 cm，如支承柱安裝后頂面標高低于理論標高5 cm，通過抄墊鋼板方式進行調整楔塊頂標高，確保調整楔塊頂面標高為7.66 m。

(3) 利用500 t浮吊整體起吊圍堰下河，通過1 800 t平板駁運輸到墩位，500 t浮吊拋錨就位后，整體起吊鋼吊箱圍堰進行安裝。吊箱圍堰安裝時測量人員隨時監控圍堰平面位置。圍堰下放入水安裝時應選擇在水流潮汐、波浪力等沖擊作用不明顯的環境下進行，確保圍堰準確定位。

(4) 松鉤將鋼吊箱圍堰緩慢下放至設計標高，將吊掛系統與支承鋼護筒上的墊塊焊接。復核側板頂標高，側板頂部設計標高為+7.0 m。測量復核圍堰傾斜度和平面位置，圍堰傾斜度要求控制在1/250以內，平面位置控制在100 mm以內。同時在吊掛梁下焊接牛腿，采用楔塊將牛腿和鋼管立柱頂緊，確保6根鋼管立柱和吊架形成一個穩定的整體結構。

(5) 潛水工水下清除底板雜物，使用鋼刷清除鋼樁表面封底區域的雜質。將預先放于樁孔附近的兩半封堵板連接用于封底底板與樁壁之間的空隙，并用φ80 mm的布袋(內裝水泥和細砂干拌制成的砂)，將鋼樁一周與封堵板之間的小縫隙再進行封堵確保圍堰堵漏成功。

3.4 圍堰封底

圍堰封底采用整體式作業平臺，整體吊裝到圍堰吊架上。封底混凝土強度等級為C40，厚度為1.3 m，采用常規水下導管拔球法施工?？紤]混凝土水上運輸情況和孟加拉高溫天氣，澆筑導管按混凝土有效擴散半徑為3.0 m進行設置，共布置18個灌注點(圖8)。除1#導管拔球采用泡沫球外，其余導管底部均采用鋼板和橡膠圈封堵，鋼板用鋼筋和鐵絲與導管固定住，導管底口比吊箱圍堰底板上的角鋼高35 cm。待3 m3拔球料斗內混凝土灌滿后，根據指令將鐵絲割斷，導管底部蓋板打開，混凝土開始下流，然后適當下放導管，使導管底口距圍堰底板上角鋼20 cm，繼續灌注混凝土。

圖8 圍堰封底導管布置圖(單位：mm)

封底時按規定測量混凝土頂面高程，并及時反饋給指揮中心，以全面了解鋼吊箱圍堰內各個點水下混凝土面的標高情況。鋼樁周圍50 cm區域內要求達到設計標高，其余區域按低于10 cm進行控制。

3.5 吊掛系統拆除及封底找平

封底混凝土達到設計強度90%后抽水，拆除吊掛系統和臨時立柱，對封底混凝土進行清洗、鑿毛，用C40混凝土找平，找平混凝土達到設計強度后，在圍堰內進行樁內處理及后續承臺施工。

3.6 吊箱圍堰拆除

樁內處理完成，承臺施工結束后，拆除承臺模板，逐塊解除側板和底板之間的約束，抽出圍堰側板，可重復用于其他圍堰的底板。

4 結語

孟加拉國Padma大橋主橋墩位多，工期緊，施工期水位變化大，采用可快速裝拆倒用的鎖口圍堰作為樁內處理和承臺施工擋水設施，其結構簡單、安裝方便，使用較果良好，使用過程中未發現影響現場施工的漏水情況；圍堰設計充分利用了鋼斜樁自身作為承載結構，省去了傳統圍堰安裝所需的復雜臨時設施；側板間鎖口連接及吊掛結構與圍堰間的精軋螺紋連接使得圍堰受力合理，裝拆方便，倒用不易損壞，熟練應用后進行圍堰拼裝僅需3 d、側板拆除僅需1 d即可完成，大大減輕了圍堰裝拆所需的機械設備和人力資源壓力。鎖口單壁鋼吊箱圍堰在該項目的成功應用對該橋下部結構施工的快速推進具有重要意義，可為同類型基礎施工提供借鑒。