大型鋼套箱圍堰多點智能同步下放技術研究及應用

周 游

（廣東省長大公路工程有限公司，廣東番禺511431）

0 引言

潮連西江橋主墩承臺設計為八邊形結構，整體尺寸為21.4 m×29 m×5 m，采用有底鋼套箱進行施工，鋼套箱重量約700 t，下放高度約6.5m。同時，該項目承臺為整體式高樁承臺，承臺面積大，施工時水位高、水流急，且河床面上覆蓋淤泥層較厚，不利于采用無底套箱和鋼板樁施工，故考慮采用有底鋼套箱進行施工。

國內對于有底鋼套箱下放施工技術主要有大噸位千斤頂少點下放、多點人工整體下放、大型浮吊下放三種，三種方法各有利弊，在實際工程的運用實例也很多。根據該橋項目特點，經過方案比選后建議采用進口PLC同步頂升控制系統多點進行下放，該系統獨特的多點下放技術充分利用人工智能，實現了少人力、省工時、高質量的目標。本文即以潮連西江斜拉橋主墩承臺施工為背景，總結整套系統、安全、經濟的鋼套箱下放工藝，重點介紹鋼套箱設計構造和PLC同步頂升控制系統，并對施工工藝要點進行概括，以將成套的技術運用在今后類似工程中。

1 工程概況

潮連西江橋為獨柱雙塔中央雙索面半漂浮體系混凝土斜拉橋。主橋跨徑為（50+115+320+115+55）m。大橋效果圖如圖1所示，總體立面見圖2所示。

圖1 潮連西江橋效果圖

圖2 潮連西江橋立面布置圖（單位：cm）

潮連西江橋C3、C4主墩都位于西江流域上，兩個主墩基礎均采用18根直徑3 m的嵌巖樁，樁長70 m～89 m，樁基頂面標高為-1.426 m，其中設計樁身埋入承臺20 cm。主墩承臺為整體式高樁承臺，設計樁身埋入承臺20 cm，承臺設計為八邊形結構，整體尺寸為21.4 m×29 m，承臺厚5 m。承臺下設2m封底混凝土，其上設高3 m的多邊形塔座。承臺混凝土為C40，封底混凝土采用C20。

2 鋼套箱智能下放技術研究

2.1 國內鋼套箱下放方案比選

目前國內常用的大型鋼套箱的下放工藝有以下幾種：

（1）大噸位千斤頂少點下放。如蘇通長江大橋，首節吊箱重約3 000 t，采用16個吊點整體吊放。該方法的優點是下放速度快、平穩，但此下放方式對套箱結構的要求高，要求吊架系統具備較大的剛度，鋼材用量大。

（2）多點人工整體下放。如金塘大橋東通航孔橋，套箱重約1 600 t，采用54個32 t液壓千斤頂整體下放。該方法單點下放受力小，結構簡單，但人為控制因素影響較大，安全風險大，且下放過程需組織較多人員進行，勞動強度大，下放速度較慢。

（3）大型浮吊下放。如南京長江第四大橋，采用兩臺大型浮吊抬吊的方法下放套箱。該方法下放速度快，但需要使用大型浮吊，費用較高，對套箱結構的整體性要求也高。

結合該橋的實際情況，利用橋梁頂升的PLC同步控制系統進行多點下放，該工藝具備以下特點：

（1）與大噸位千斤頂少點下放相比，該工藝下放點多，單點受力小，吊架系統和套箱結構要求簡單，鋼材用量小，裝拆、下放方便快捷，套箱結構中主要采用現有的周轉材料。且該系統千斤頂為200 t，具備足夠的頂升力，可根據施工需要選擇下放點的數量，潮連西江橋采用24個千斤頂進行套箱下放。

（2）與多點人工整體下放相比，該工藝同步控制性強，下放過程平穩、迅速，安全風險低。下放過程通過計算機智能控制，同步性好，各吊點的受力情況可通過計算機讀取，可更好地監控套箱下放情況并進行調整。同步液壓千斤頂的頂升及回縮通過計算機智能控制，其操作只需一人即可完成，勞動力大大減少，下放只需一天即可完成（采用人工下放一般為3～5 d）。

（3）與大型浮吊下放相比，采用該工藝的施工單位已有設備，節約了現金支出。

2.2 多點智能同步下放系統

PLC同步控制系統主要由電控系統、泵站系統、油缸及附件系統組成。有線電腦同步控制臺控制泵站，單個泵站控制8臺千斤頂，千斤頂上配置傳感器，將數據傳送至控制臺。圖3為PLC同步控制系統流程圖，圖4為PLC同步控制系統軟件界面圖。

2.3 鋼套箱構造設計

考慮承臺底面和河床面高差較大，承臺面積較大，施工時水位高、水流急，且河床面上覆蓋淤泥層較厚，不利于采用無底套箱和鋼板樁施工。結合施工條件、經濟指標、施工工藝等綜合考慮，該橋采用有底鋼套箱進行施工。根據橋位處河道的情況，在該橋鋼套箱設計時按照如下設計原則進行：

圖3 PLC同步控制系統流程圖

圖4 PLC同步控制系統軟件界面圖

（1）承臺分兩次澆注，第一次2 m，第二次3 m。封底分兩次澆注，第一次1.2 m，第二次0.3 m。

（2）模板為大塊鋼模，分塊制作，共加工2套，套箱高度均為7.8 m，共設有2種標準模板，2種轉角模板。模板塊與塊之間通過法蘭螺栓連接，中間墊3 mm橡膠墊止水。

（3）底承重系統采用混凝土結構：底板采用20 cm厚的預制底板，主梁采用40 cm×60 cm的預制混凝土梁，次梁采用現澆混凝土尺寸為40 cm×40 cm，底板和主梁都采用C30混凝土結構。

（4）體系轉換前上承重系統直接采用在樁基鋼護筒鋪設2I45工字鋼梁，體系轉換后采用焊接在樁基鋼護筒上的2I25牛腿代替。支承力柱始終采用樁基鋼護筒。

（5）套箱內支撐采用螺旋鋼管，共設有兩道，圈梁采用工字鋼，其位置跟內撐梁對應，圈梁間采用法蘭連接。

（6）套箱下放時需要穿好吊桿，吊桿考慮采用Ф32精扎螺紋鋼。套箱下放時設12個千斤頂同步下放，下放采用200 t螺旋千斤頂。

（7）套箱拼裝時采用在鋼護筒上焊接I25工字鋼牛腿作為支撐。

承臺鋼套箱主要由四部分組成，分別為上吊系統、下吊架系統（上吊架、底板、底板主梁、次梁等）、模板系統、內側及圈梁系統（見圖5）。下面介紹各部分的具體構造。

圖5 潮連主墩承臺套箱吊架側面圖

2.3.1 上吊架系統

體系轉換前：通過在樁基鋼護筒上設置的2I45a工字鋼(面梁)作為直接的受力結構，套箱下放時利用千斤頂對反力梁的反頂作用將套箱下放至制定標高。面梁和反力梁可利用平臺鉆孔區拆除的材料制作。為防止面梁標高不統一，樁基施工完成后需將護筒割至統一標高（+4.5 m）。

體系轉換后：承臺第一層封底完成后，通過在樁基鋼護筒上焊接2I25a工字鋼牛腿，將工字鋼組合梁的受力轉換到牛腿上。

2.3.2 吊桿

吊桿采用Ф32精軋螺紋鋼，吊桿從上承重梁及承重底梁中穿過，將上下承重結構聯系在一起，支承點以螺母、墊板固定。套箱下放時采用24根吊桿，下放完成后采用44根吊桿。注意體系轉換的螺母、墊板需預先穿設好。

2.3.3 預制底板主梁

底板主梁所受荷載主要有套箱模板自重、預制底板自重、封底混凝土自重、第一層承臺混凝土自重、浮力、施工動荷載。主梁采用40 cm×60 cm的混凝土梁，采用C30混凝土。主梁在預制場內加工好，利用平板車或貨船轉運至現場安裝。

2.3.4 底板次梁

為增加套箱底架的整個體穩定性，次梁考慮采用C30混凝土現場立模澆筑。其結構尺寸為40 cm×40 cm。

2.3.5 底板

底板承受上部封底混凝土和套箱側板傳來的荷載，根據計算確定采用20 cm厚的鋼筋混凝土板，每個承臺底板按實測樁位平面尺寸分塊在岸上預制場預制。單個承臺共34塊底板，底板混凝土強度等級采用C30。底板縱向鋪設在混凝土底梁上，相互之間，以及與護筒之間預留有8 cm的安裝間隙，作為施工縫處理，在進行封底混凝土前處理好各道施工縫。

2.3.6 側模

套箱側模的總高度為7.8 m，橫向進行分塊預制，每個主墩考慮各加工1套。各塊套箱側板通過法蘭螺栓連接起來。模板面板采用6 mm的鋼板，法蘭部分采用L7.5等邊角鋼，豎向加勁采用I12a工字鋼，工字鋼間采用75×5 mm鋼帶作為加勁肋。

2.3.7 內撐梁及圈梁

根據受力需要，套箱共設置2道內撐，均采用螺旋鋼管制作。其中第一道內撐采用Ф820 mm鋼管，標高為+1.0m。第二道內撐采用Ф426 mm鋼管，標高為+4.0 m。套箱的圈梁共設兩道，其設置位置跟內撐位置對應。其中第一道圈梁采用2I56a工字鋼加工，第二道圈梁采用2I25a工字鋼加工。

3 鋼套箱下放施工工藝

3.1 施工工藝流程

該橋承臺施工采用有底套箱的施工方案，兩次封底，體系轉換后利用牛腿反吊。先利用在樁基鋼護筒上的上承重吊架實現套箱的下放和第一次封底混凝土施工。第一層封底完成后，抽干水后在樁基護筒上焊接牛腿，將上承重系統轉換到牛腿上。避免眾多吊桿的存在，使得承臺的施工空間大大增加而提高施工速度。鋼套箱總體施工工藝流程如圖6所示。

圖6 鋼套箱施工流程圖

3.2 鋼套箱下放施工具體工藝

該橋鋼套箱多點智能同步下放施工具體作法為：

（1）根據每次10 cm的下放行程，先將所有反力梁錨固螺母上擰10 cm，然后計算機控制千斤頂同步頂升0.5～1 cm，此時套箱的重量已轉換為千斤頂承受。在下放前先將套箱向上頂起5 cm，記錄下此時每個千斤頂的壓力讀數，以此作為壓力控制的基準，在后面的下放過程中，千斤頂的壓力讀數不斷與基準讀數進行對比，當偏差超過10%時，對有偏差千斤頂進行調整以確保整體平衡。

（2）將所有面梁錨固螺母上擰10 cm，準備套箱下放。為避免下放過程中行程的誤差累積，在下放初始位置往上2 m處畫好刻度，按每10 cm行程下放后，均用卷尺從2 m刻度處往下量至最終位置進行復核，如：下放第一個10 cm行程后，從2m刻度處往下量至最終位置應為1.9 m。

（3）計算機控制千斤頂活塞同步下落，進行套箱的整體下放，直至面梁錨固螺母貼緊面梁，完成一個行程的下放。如此反復，直至下放到指定的位置。

現場施工實景如圖7所示。

3.3 鋼套箱同步下方施工要點

（1）下放時要有專人統一指揮，統一協調下放的行程。

（2）下放時吊桿預先統一做好刻度，刻度以10 cm為標準間距，由于下放的行程較長，每下放50 cm的行程需要復測整個套箱模板頂面的標高，及時調整整個套箱的水平，避免吊桿和底梁受力不均勻。

（3）整個下放過程分為兩步走，第一步為下放2 m的行程后，將螺母擰緊；第二步為再次下放2m的行程，將螺母擰緊；第三步為用螺旋千斤頂直至將套箱下放到指定的標高，擰緊承重螺母；然后拆除反力梁，同時派潛水員下水將樁基護筒和底板間的空隙使用鋼圍箍封死，準備進行承臺封底。

圖7 鋼套箱同步下放現場施工實景

4 結語

本文以潮連西江斜拉橋主墩承臺施工為背景，對鋼套箱下放工藝進行了總結和對比，針對該橋承臺施工的特點，采用PLC同步控制系統進行鋼套箱下放。此項工藝摒棄了傳統的多人工人力操作同步頂升，創新性的選擇了智能化控制系統。

目前潮連西江橋兩座特大斜拉橋全部主墩的套箱下放工作已完成，下放過程輕松簡單，速度快，同步性好，保證了后面的封底質量，套箱的封底都一次成功，無任何漏水現象,不論是在工期還是施工質量上都得到了極大的保證，且此套工藝可操作性強，取得了良好的施工效果、經濟效益和社會效益，創造了新的橋梁施工工藝，可供同類型承臺施工參考。