深水裸巖高樁承臺鋼吊箱圍堰設計及施工

楊光明

摘 要：鋼吊箱圍堰施工方法是深水承臺施工中的一種主要施工方法。鋼吊箱作為深水承臺施工的主要構件， 其設計的合理與否關系到整個橋梁的施工質量。以羅嶼特大橋高樁承臺施工為例，介紹柱式鋼吊箱圍堰的設計與施工。 重點介紹鋼吊箱圍堰的設計方案、施工工藝及施工要點等技術細節。同時對鋼吊箱圍堰施工中的注意事項進行了闡述。工程實踐表明，該鋼吊箱設計合理， 能滿足工程的需要。

關鍵詞：深水裸巖；高樁承臺；鋼吊箱圍堰；設計及施工

1.工程概況

羅嶼特大橋為跨越羅嶼海峽設計，橋全長765.75m。墩臺基礎采用φ1.25m和φ1.5m鉆孔樁，鉆孔樁共計113根，最長樁長36米；橋臺為矩形空心橋臺，橋墩為圓端形橋墩，最高墩9.75米；橋跨為23-32m預制后張法簡支T梁。湄州灣羅嶼海峽屬于規則半日潮類型，并且低潮位時水位比較低，施工受大風、高潮差的影響較大。橋位區域地質情況從上至下依次為淤泥質土、粉質粘土、全風化混合巖、強風化混合巖、弱風化混合巖。地質資料顯示不均勻性，地質條件比較復雜。

8#-23#墩承臺基礎采用5根鉆孔灌注樁， 樁頂以上設整體式高樁承臺，承臺尺寸為8.7（長）×8.7m（寬）×3m （高），下設封底混凝土設計厚1.5m。橋位位于海中、水深約7-16m。最低水位在-1.5m、最高潮水位在+3.92 m、浪高60cm。承臺設計底高程為- 5.4m。根據施工水位、工程特點及工期要求等綜合考慮， 決定采用有底鋼吊箱圍堰施工。考慮到承臺砼施工后需要進行防腐處理，鋼吊箱圍堰尺寸為10m（長）×10m（寬）×12m （高）。

2、整體式鋼吊箱圍堰設計

（1）鋼圍堰相關參數

護筒外徑D（m）： 1.7m， 承臺樁數n（根）： 5， 設計最高水位（m）： 4.6， 圍堰頂高程（m）：4.6， 圍堰底高程（m）： -6.9， 承臺頂高程： -2.4m， 潮位差H（m）： 6.1， 封底厚度h1（m）：1.5， 圍堰外輪廓底面積A0（m2）：100， 孔面積A1（m2）： 11.4， （去孔后）A= A0- A1（m2）： 88.6

圍堰自重G1（t）：100， 封底自重G2=2.4x A h1（t）：320， 圍堰承受最大浮力（t）：1019

封底砼與鋼護筒粘結力（t）：720， 每平方米18噸

（2）工況分析

鋼吊箱圍堰作業時段， 設計受力狀態可按照以下工況條件進行分析。

工況一： 150 cm厚封底混凝土澆筑完成， 按最低水位-1.5m考慮；

吊掛及底承重系統承受吊箱圍堰自重及封底砼重量（100+320=420噸）

工況二： 150 cm厚封底混凝土澆筑完成， 抽干水階段按最高水位+4.6m考慮；

吊箱圍堰承受浮力1019噸；

工況三： 澆筑承臺混凝土施工階段，按在最低水位-1.5m考慮；

吊掛系統承受圍堰自重及封底砼自重、承臺砼重量、封底砼與鋼護筒粘結力。浮力剩余部分重量（100+320+590-720-434=-144噸）。故吊掛系統不受力無需驗算。

（3）圍堰結構組成及受力體系介紹

①模板：吊箱側模、底模模板采用δ=6mm鋼板，∠80×8mm為組合模板邊框，內肋為8cm槽鋼，間距為30cm。

②側板：側板采用模板組合而成，第一層采用雙16槽鋼豎向布置作為整體背肋（間距為1m）、第二層采用雙32工鋼橫向布置作為加強肋（間距為1.5m×2道+2m×3道），立柱與加強肋采用拉桿螺栓連接并焊接，加強肋與模板背肋采用焊接連接成整體。

（備注說明：考慮到節省吊箱封底砼、吊箱大小重量及后續承臺施工方便，吊箱模板設置在外側為背肋和加強肋結構，因此在封底完成抽干水后吊箱整體結構各個部位焊點處于受拉狀態，故在吊箱整體焊接過程一定要按規范要求做到模板和背肋、背肋和加強肋之間緊密焊接。）

③底模及承重結構：底模采用6mm鋼板拼裝，在護筒處預留孔洞。模板下鋪設12工鋼作為分配梁，間距為20cm，分配梁長度為12米；分配梁下設4道雙拼45cm工字鋼作為主承重梁，每排樁基在護筒兩側各設一道，每道長度均為12m。

④承吊系統：利用鋼護筒作為承吊系統，由于封底混凝土澆筑后要割除鋼護筒，為保證底模及側板正常工作，在護筒內埋設φ500mm鋼管，作為以后體系的轉換。主承重上吊梁采用雙貝雷梁（橫向布置4組8片貝雷片），長度為12m，順路線方向在護筒頂立柱橫梁上安裝，通過50mm圓鋼與底承重梁連接，共設置橫向4個、縱向8個共32個吊點。

⑤內支撐及封底分倉：為防止側板在水壓下內傾及吊箱下沉定位，在鋼護筒與側模之間設置兩道豎向支撐，在封底完成后在為保證吊箱整體穩定性，在吊箱內橫向設置三道內支撐（采用200mm鋼管）間距為1m+4m+4m+1m；豎向設置兩道：一道在承臺頂標高上來50cm處，另一道布置在離第一道頂標高四米處。

（3）吊掛系統檢算

①懸吊用50mm圓鋼

按工況一檢算，總荷載為420t，共設置32根吊桿，考慮吊桿間受力不均勻系數1.2，吊桿承受的最大荷載為1.2×420/32=15t。單根圓鋼25×25×3.14×140=27.4t，滿足要求。

②抗浮，按工況二檢算。

檢算水位+4.6m， 浮力計算水頭差h： 6.1m， 圍堰總計算浮力F總=A*h=1019t

圍堰封底砼重量G1=320t， 圍堰重量G2=100t， 護筒外壁與封底混凝土粘結力G3=720t

抗浮總穩定荷載∑G1=1140t

結論：鋼護筒與封底混凝土抗浮穩定系數K=∑G1/F總，滿足要求

（4）側板模板加強肋施工驗算

結構模式：內支撐三道橫向間距為1m+4m+4m+1m，內支撐直接對頂在模板外側雙拼I32工字鋼的垂直面上。

計算模式：按橫向三根鋼管（橫向間距4m）、管頂雙拼I32工字鋼，按二等跨連續梁計算內力。

受力分析：封底后抽干吊箱內水時最下層I32工字鋼橫梁承受最大水壓力。（此時水頭壓力H=10米）

N=rHs=10KN/m3×10×8×0.26=208KN q=208/8=26kn/m

Mmax=0.125ql2=0.125×26×16=52KN.m Qmax=（0.625+0.625）ql=1.35×26×4=140KN

I32力學特性：Ix=16574cm4，Wx=920.8cm3，Sx=541.2cm3，t=15.8mm

主梁橫梁強度驗算

σ=Mmax/Wo=52×106/（920.8×2×103）=28Mpa<〔σ〕=188Mpa 剪應力τ=Q Sx/（Ixt）=140×1000×1082.4×1000/（33148×10000×30）=16Mpa<[τ]=110 Mpa

故模板加強肋采用雙拼I32工字鋼滿足使用要求。

（5）側板整體內支撐施工驗算

由加強肋計算知道，內支撐最大壓力為140KN，計算200mm鋼管應力。鋼管樁桿件按兩端固結受力模式驗算

鋼管樁截面慣性半徑 i===7.4cm

截面面積：A=0.785（20×20-19.88×19.88）=3.75cm2

柔度λ=0.65l/i=0.65×10×102/7.4=87，查表知縱向彎曲系數∮1=0.60

應力N=140KN/3.75cm2=37MPa<0.60〔σ〕=84Mpa

故橫向布置三道采用200mm鋼管內支撐滿足使用要求。

鋼吊箱圍堰示意圖

3、鋼吊箱圍堰施工

（1）在深水裸巖鉆孔灌注樁樁基完成后， 用浮吊將鋼吊箱逐部分拼裝成整體后， 安裝下放， 然后通過力的轉換， 將整個吊箱重量（及以后封底混凝土重量）懸吊在鉆孔樁主鋼護筒頂部，然后灌注水下混凝土封底，待水下混凝土形成強度后， 鋼吊箱即和封底混凝土結合在一起， 并通過吊桿系統錨固在鋼護筒上，抽干水后，撤去原來的鋼吊箱吊桿系統， 然后進行承臺施工。這時，封底混凝土作為承臺底模。

（2）鋼吊箱圍堰拼裝下放

鋼吊箱圍堰在加工場地加工制造完成后，運至墩位處拼裝，拼裝利用墩位鉆孔平臺進行，在原墩位平臺基礎上加焊支撐型鋼，構成拼裝平臺。圍堰的組拼工作是將各塊件點焊組拼成型，待其高度、傾斜度及結構的對焊焊接情況等進行檢查簽證、驗收合格后方可進行全面焊接。圍堰采用分段拼裝、分段下沉的施工方法，先拼裝底節鋼圍堰，拼焊好后，進行全面質檢，對內外壁板焊縫及隔艙板焊縫進行煤油滲透試驗。對重要焊縫進行超聲波探傷抽查，確保圍堰水密性，結構安全。

（3）鋼圍堰拼裝順序

①首先在作業平臺上放樣劃線；

②拼裝從一個角向兩邊對稱進行，直至合攏；

③第一層圍堰拼完后，利用頂、墊、拉和支撐等方法對之進行校正；

④為加快拼裝速度，可根據吊機的起重能力，在岸上分段預拼裝后吊上工作平臺逐段接長直至合攏。

（4）鋼圍堰起吊

正式起吊前進行試吊，即把鋼圍堰吊起至離開作業平臺面5cm左右，停止起吊，對鋼圍堰進行一次全面檢查，當確認其縱、橫和水平方向情況良好，無大的變形之后，再繼續起吊至離開作業平臺1m左右后停止，鎖定各倒鏈滑車，然后拆除支撐平臺。

底節拼裝完畢，安裝圍堰起吊設備（包括起吊梁、4門滑車組、卷揚機及鋼絲繩等）。卷揚機布置在貝雷梁平臺上，采取措施保證其安全穩固。圍堰起吊下放前嚴格檢查起吊設備，消除安全隱患，確認正常后起吊。滑車組通過下吊點將底節圍堰提升，先提高1m以后割除拼裝平臺，清除有礙于圍堰下放的結構。利用卷揚機將圍堰緩慢下放至水中，下放過程中保證各卷揚機下放的同步，保證各點按相同的下放速度入水。

圍堰底節入水初步階段起吊設施不松鉤，保持起吊下放狀態。大致調整圍堰平面位置，隨圍堰下沉松放起吊鋼絲繩，待圍堰下沉至要求位置后，將圍堰與墩位平臺進行臨時連接。快速運輸、并對稱安裝中節上節鋼圍堰側板。

（5）封堵孔隙

安排潛水員封堵樁和底板之間縫隙， 采用膠墊和鋼板抱箍進行封堵。

（5）鋼吊箱拆除

①首先拆除吊箱側模板外框架， 然后拆除外側模板。

②在底板橫梁上掛上并收緊手動葫蘆， 潛水員水下切割吊桿， 使底板重由卷揚機承受。

③放松卷揚機， 使底板縱橫梁下落脫離承臺。然后拆除縱梁， 最后拆除橫梁。

4 結語

（1） 鋼吊箱不受水流對河床沖刷的影響， 其底標高只需滿足封底混凝土施工的要求即可， 因而吊箱的結構高度變小， 雖然增加了底板及吊桿， 但用鋼總量較鋼套箱少。

（2）鋼吊箱通過傳力桿件吊掛在成樁后的鋼護筒上， 受力明確； 在吊箱底板上進行封底混凝土施工， 風險小。

（3）本鋼吊箱采取分塊制作、分塊現場安裝的制作吊裝工藝， 需要的起重能力相對較小。同時吊裝方法可靠性高、技術風險小， 對吊箱工況下的受力要求相對不高。

（4）該拉壓柱式鋼吊箱圍堰對于承臺體積較小的高樁承臺施工適用性強。利用型鋼制作的拉壓柱既能抵抗部分浮力， 降低封底混凝土高度， 又能起到拉桿的作用承受承臺混凝土的自重。同時采用手拉葫蘆下沉的方法合理地取消了大型浮吊設備。拉壓柱是主要承力構件，其在施工過程中的焊接工作量大， 且焊接質量須嚴格控制。