無底鋼套箱圍堰在山區橋梁水下承臺施工中的應用

甘新濤，安 航，駱江紅

貴州省公路工程集團有限公司，貴州 貴陽 550000

1 工程概況

1.1 工程情況

烏江三橋設計為單塔不對稱斜拉橋，設計主跨徑為145m+160m，主跨按三級航道設計規劃設計；3號主塔承臺位于烏江河道的淺灘處，承臺設計為分離式，間距9.7m，尺寸為23.2m×12.8m×6m，承臺底標高為289.328m，承臺頂標高為295.328m。橋塔樁基為群樁，采用C30混凝土，單個承臺設計為8根（Φ2.8m）樁基，主塔樁基共計16根。

1.2 水文情況

橋位的主航道河槽為U形，承臺與主航河底高差約為20m。3號主塔承臺位置的水位受上游沙陀電站泄洪及下游重慶彭水電站蓄水影響，承臺施工正遇冬季，通過對上游沙坨電站及下游重慶彭水電站的調查可知，歷年橋位區最高水位標高為293.00m。橋位區冬期水位調查統計結果如圖1所示。橋位區枯水期及深水位現場如圖2、圖3所示。

圖1 2016年11月14日—12月4日橋位區冬期水位調查統計折線圖

圖2 橋位區枯水期現場

圖3 橋位區深水位現場

2 鋼套箱圍設計

上游沙坨電站及下游重慶彭水電站的歷年橋位區最高水位標高為293m，因此鋼套箱最高施工水位按293m進行設計。河床為裸露基巖，鋼套箱設計采用無刃腳無底套箱。

2.1 結構受力分析

無底鋼套箱圍堰作為臨時結構為承臺施工提供無水的施工環境，同時是承臺施工模板，施工中要承受靜水壓力、新澆混凝土側壓力、上游泄洪和下游蓄水時流水壓力，豎向承受水的浮力和混凝土重力。為了確保鋼套箱施工安全，對以下兩種最不利工況進行受力分析。

（1）工況一：封底混凝土強度滿足要求后，高水位（293m）抽水時鋼套箱因承受外側水壓力而產生的受力和變形。

（2）工況二：低水位（低于承臺底標高）澆筑承臺混凝土時，鋼套箱僅承受內側混凝土壓力而產生的受力和變形。

2.2 無底鋼套箱構造設計

無底鋼套箱圍堰由壁板、內支撐系統、桁架系統等組成，其中壁板結構由壁板、面板加勁肋、水平桁架和鋼箱組成。套箱內設置兩排組合支撐結構體系，該套箱結構設計主要考慮外部水壓力和內部混凝土測壓力產生的荷載。鋼套箱結構示意如圖4所示。

圖4 套箱結構示意圖

（1）面板結構。面板結構包括面板和加勁肋，兩者之間通過焊接連接。面板采用10mm厚鋼板，加勁肋采用L100×6.5mm角鋼，間距為35cm?？紤]套箱下沉需要，在壁板上焊接吊裝扣耳，扣耳采用1cm鋼板組合焊接而成。

（2）水平桁架。壁板上設置8道水平檁條，間距為0.5m+5×1m+1.3m。水平桁架由橫向、縱向斜桿組成，檁條為L100×6.5mm角鋼，縱向斜桿采用2L100×6.5mm等邊角鋼，橫向斜桿采用2L100×6.5mm角鋼，焊縫均按薄板母材厚度控制。

（3）內支撐系統。設置兩層內支撐系統。系統桿件由支撐和圍檁組成，支撐為Φ630mm鋼管，圍檁為3片I36組合工字鋼。下層內支撐不參與受力，主要是輔助套箱下沉，將套箱連接成一個整體，防止套箱下沉時不均勻對套箱各構件造成損傷。套箱下沉到位后及時封堵和封底。

3 鋼套箱施工

3.1 搭建套箱拼裝平臺

主塔樁基施工完成后，拆除既有鋼平臺，在鋼護筒與鋼棧橋鋼管樁間搭建套箱拼裝平臺。

3.2 基礎處理

河床為裸露基巖，河床面凹凸不平，要確保鋼套箱能夠平穩下放至河床底，并能成功封堵套箱底與巖石之間的空隙，需對承臺基底進行爆破調平處理。鋼套箱拼裝平臺搭建完成后，將爆破鉆孔設備吊裝在鋼套箱拼裝平臺上，對承臺基底鉆孔爆破調平，爆破的渣石采用長臂挖機進行清理?；妆铺幚憩F場如圖5所示。

圖5 基底爆破處理現場圖

3.3 鋼套箱加工

（1）鋼套箱加工要求。進行鋼套箱焊接施工前，對各構件的焊接部位應除銹、清污。為了減少和控制焊接應力及焊接變形，對長焊縫采用分段反向跳焊法，每段施焊長度以20～40cm為宜，最后將焊縫填滿。在鋼套箱加工、運輸過程中應防止發生碰撞，避免造成構件的過大變形而影響安裝。

鋼套箱焊接工藝要求：加勁肋與面板之間采用間斷焊接，每段焊接長度為5cm，總的焊縫長度不小于兩者接觸長度的40%；加勁板與面板之間采用間斷焊縫，每段焊縫長度為8cm，總的焊縫長度不小于兩者接觸長度的50%；環板與斜桿、面板加勁肋之間必須滿焊；鋼套箱構件之間必須滿焊。

（2）現場運輸及吊運。鋼套箱材料加工并試拼完成后，采用拖車運輸到現場主棧橋上，采用25t吊車在支棧橋上卸車、現場組裝。各構件在加工和運輸過程中應加強防護，不得損傷和撞擊，在起吊和下放過程中注意輕提輕放，同時注意人員和設備安全，嚴格遵守安全操作規程的相關要求。

（3）鋼套箱安裝。套箱每塊設計高度為6.6m，設計有A、B、C三類，共計22塊，寬度分別為3.3m、2.9m、3.4m。套箱采用高強螺栓連接，拼裝接縫設置厚1cm的橡膠墊。采用25t吊車將鋼套箱逐塊起吊就位，臨時定位固定。采用焊接連接，依次施工完成拼裝，為了避免套箱不均勻下沉，拼裝時需對稱進行。吊裝鋼套箱時，先對鋼套箱進行臨時固定。安裝包含內支撐系統及外側套箱系統，安裝后應詳細檢查，確保無松動。鋼套箱安裝完成后，在樁基鋼護筒套箱內側安裝導向架，導向架采用I25型鋼加工而成。

3.4 懸吊系統安裝

套箱總重量為120t，采用12個吊點，吊點分別為長面側（23.2m）兩側各4個點，短面側（12.8m）各設2個點，長面吊點主要由鋼護筒與鋼便橋支撐受力，短面是設置通長的I36工字鋼組合梁懸挑提升。

懸吊系統主要由支撐架、Φ32mm精軋螺紋鋼、液壓千斤頂組成，設計單個吊點的最大受力不超過200kN。安裝精軋螺紋鋼時，上下吊點應保持垂直，切忌吊桿傾斜，影響正常受力。

3.5 套箱下沉

套箱采用32t千斤頂分多次行程下放，共設12個吊點。下沉現場設12名操作手、1名總指揮、1名技術指導。下放前應進行技術交底，對下放操作人員進行演練示范，每次下放由總指揮統一指揮，確保每次下放行程誤差控制在3mm以下。在鋼套箱下沉過程中，對其頂面、縱、橫橋向的軸線和垂直度進行跟蹤觀測，并做好相關的觀測記錄。鋼套箱下沉至設計標高后，對基底面進行整平，保證水下封底混凝土在基腳處的最小厚度滿足設計要求。鋼套箱下沉至設計標高后，對封底混凝土范圍內的套箱內壁和護筒外壁上的泥污進行清除，以保證封底混凝土與兩者之間的黏結質量。為了防止基底沖刷造成箱體偏斜，下放到設計標高后在套箱外側由潛水員用沙袋碼放封堵。

3.6 封底混凝土

封底混凝土設計厚度為80cm，單個承臺封底混凝土192m3，設計為水下不離析自流平混凝土。設計配合比為水泥∶粉煤灰∶機制砂∶碎石∶水∶外加劑∶絮凝劑=349∶87∶899∶899∶196∶6.10∶13.08。

待套箱安裝完成后，對套箱底封底，由于封底混凝土厚度較薄，為了使混凝土厚度均勻，共設置10處下料點。在澆筑過程中嚴格控制混凝土的拌和和澆筑質量，保證混凝土的流動性，并在澆筑過程中做好標高記錄。

3.7 抽水及割除鋼護筒

封底混凝土強度達到90%后開始抽水，抽水速度不宜過快，抽水過程中需仔細觀察套箱圍堰變形情況，抽水到底部后仔細檢查封底混凝土質量，發現問題應及時處理。

每個承臺有8個鋼護筒，待箱內水抽完成后，開始割除鋼護筒，割除后采用吊車起吊，提升時應控制速度，以防碰撞內支撐系統。待鋼護筒割除后，對箱內封底混凝土表面清掃干凈，做好承臺施工的準備工作。

3.8 鋼筋及冷卻管的安裝

（1）鋼筋安裝。承臺設計高度為6m，分2次澆筑，每次澆筑3m。第一次安裝鋼筋量900t，在鋼筋安裝前，拆除鋼套箱下層內支撐。為了保證鋼筋接頭錯開距離不少于1m，側面鋼筋豎向長度分別加工為3.2m和4.2m，上層內支撐設計在4.2m以上，不影響下層鋼筋施工。鋼筋安裝完成后布設冷卻水管，經過檢驗合格后方可澆筑第一次混凝土。待第一次混凝土強度滿足要求后，拆除鋼套箱上層內支撐。第二次安裝鋼筋678.9t，鋼筋下料應根據下層高度補接達到設計尺寸。冷卻水管接到承臺頂部，并預埋主塔鋼筋，經檢驗合格后，澆筑承臺第二次混凝土。

（2）冷卻管安裝及加工。冷卻管采用外徑為40mm、壁厚2.5mm的鋼管。承臺每層冷卻管設計為“一進兩出”，冷卻管應固定牢固，并在混凝土澆筑前進行灌水檢查。施工振搗時注意保護好冷卻管，避免混凝土漏漿堵塞。

3.9 混凝土澆筑及養護

（1）混凝土澆筑。為了降低混凝土內部溫度，混凝土配合比應進行優化設計，宜采用低熱微膨脹水泥或水化熱較低的礦渣硅酸鹽水泥，且摻入適量Ⅰ級磨細粉煤灰。粉煤灰的摻入量需根據試驗確定，但摻入比例不宜超過水泥用量的20%。澆筑時分4處下料，分層振搗，每層厚度控制在50cm以下。澆筑完成使其獲得一定強度后鑿毛處理表面浮漿，第二層澆筑前應灑水濕潤底層混凝土，混凝土初凝后開始進行養護及循環水。

（2）混凝土養護及水化熱控制。承臺四周被水淹沒，養生自然條件較好，頂面均由循環水養護，養護時間不少于7d。冷卻管進水口應保證有足夠的水壓力，開始循環水后每天24h不間斷地測試水溫，確保內外溫差控制在25℃以下。

3.10 鋼套箱拆除

承臺強度達到75%后，可以拆除鋼套箱，拆除時松開兩側連接螺栓。為了防止鋼套箱變形過大，禁止使用重錘敲打，套箱拆除后可以轉移到另一幅安裝使用。

4 結束語

文章以沿河縣烏江三橋山區水下基礎承臺施工為例，對前期水文資料調查及近期水位變化情況統計進行了分析，結合現場地質實際情況擬定無刃腳無底鋼套箱圍堰施工方案。無底鋼套箱圍堰施工技術在該橋水下承臺施工中的成功應用，取得了施工安全可控、施工精度高的良好效果，為項目節約了一定的施工工期和施工成本，獲得了業主及各上級單位的一致認可，為類似的橋梁基礎施工提供了一定的參考。