深水鋼套箱圍堰優(yōu)化設計及施工實踐

于春濤

(中鐵十八局集團有限公司，天津 300222)

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深水鋼套箱圍堰優(yōu)化設計及施工實踐

于春濤

(中鐵十八局集團有限公司，天津 300222)

摘要：鋼套箱圍堰在橋梁深水基礎施工中應用廣泛。依托新建沂沭鐵路南古沭河特大橋工程，結合其工程地質條件制定了雙壁鋼套箱圍堰施工方案，并在傳統(tǒng)設計和施工工藝基礎上進行了優(yōu)化設計，達到了大部分鋼套箱材料可循環(huán)利用的目的，經(jīng)過現(xiàn)場施工實踐證明該優(yōu)化設計安全可靠、經(jīng)濟實用和施工便捷。為深水基礎鋼套箱圍堰設計和施工提供有益的借鑒。

關鍵詞：深水基礎；鋼套箱圍堰；優(yōu)化設計

現(xiàn)代工程水中基礎施工通常可采用圍堰法進行，水深在5～6 m以下的情況，可采用普通鋼板樁圍堰進行施工，水深在6 m以上的深水基礎通常采用鋼套箱圍堰技術施工。鋼套箱圍堰具有強度高、剛度大、結構安全可靠等特點[1，2]，因此，在深水橋梁基礎施工中鋼套箱圍堰的應用越來越廣泛。本文結合沂沭鐵路南古沭河特大橋14#～25#墩承臺施工，闡述鋼套箱圍堰的優(yōu)化設計思想，即部分鋼套箱圍堰通過調整尺寸大小可循環(huán)使用，并通過模擬計算和工程實踐證明該鋼套箱結構安全、實用、施工便捷。

1 工程背景

南古沭河特大橋全橋長457.8 m，上部結構為14×32.6 m預應力混凝土簡支梁，墩身采用變截面，全橋孔跨結構的布置形式為單線32.6 m簡支T梁，基礎及墩臺形式為單線T型橋臺，采用單線圓端型實體橋墩。水中墩為13#～27#計15個，均為低樁承臺鉆孔灌注樁，樁徑為1.25 m。14#～25#墩承臺均為雙層承臺，其中14#～16#墩承臺截面尺寸為9.1 m×10.3 m×2.5 m+5.2 m×7.2 m×1.0 m，承臺底面標高為38.42 m；17#～23#墩承臺截面尺寸9.1 m×10.3 m×2.5 m+5.2 m×7.2 m×1.0 m，承臺底面標高為35.42 m；24#～25#墩承臺截面尺寸9.1 m×14.3 m×2.5 m+5.2 m×10.0 m×2.0 m，承臺底標高為34.42 m。14#～23#墩每個承臺下設9根?1.25 m的鉆孔灌注樁，截面圖如圖1所示；24#～25#墩每個承臺下設12根?1.25 m的鉆孔灌注樁,截面圖如圖2所示。圍堰施工水位為+50.90 m。

圖1 14#～23#墩立面圖和俯視圖(單位：cm)

2 鋼套箱優(yōu)化分析及總體概念設計

2.1 確定施工方案

2.1.1 工程地質條件

新建鐵路工程臨沂～臨沭的南古沭河特大橋處于水深和水位變化快的環(huán)境，該橋施工處地質情況為細沙、粉土、粗砂(沖刷線以下大多為礫砂，其地基承載力是σ0=550 kPa)。沭河流域年降水量分布十分不均易發(fā)生連旱連澇，因此承臺施工方案的制定有較高的要求，施工組織面臨一定考驗。

2.1.2 基礎施工方案確定

跨越江河的橋梁，其基礎施工普遍采用鋼套箱圍堰，鋼套箱圍堰具有承受較大的水壓力且施工工序不受外界季節(jié)水位變化影響的優(yōu)點，從而能加快施工進度。結合現(xiàn)場水文地質條件，經(jīng)過論證，最終確定南古沭河特大橋施工方案為：14#～25#墩利用雙壁鋼套箱圍堰施工水面以下墩身和承臺, 鉆孔樁利用沖擊鉆成孔。

2.2 鋼套箱圍堰結構形式及優(yōu)化設計

2.2.1 鋼套箱圍堰結構形式

根據(jù)墩尺寸大小以及河流最高水位等因素確定主橋上24#墩、25#墩的鋼套箱尺寸為：17.9 m(長)×12.7 m(寬)×22.78 m(高)，高度方向分4節(jié)制造，第1節(jié)為6.5 m，第2節(jié)為5.0 m，第3節(jié)為5.0 m，第4節(jié)為6.28 m。水平環(huán)板尺寸為250 mm×10 mm，水平桁架選用∠75×75×8 mm的角鋼。豎向加勁肋采用∠75×50×8 mm的角鋼，間距為0.5 m布置，角鋼長邊與壁板之間焊接。雙壁艙體內(nèi)填充的混凝土和封底混凝土型號均為C30混凝土，厚度是3.0 m的封底混凝土，作為承臺的模板使用。

24#、25#墩的鋼套箱圍堰平面圖、橫橋方向的布置圖及順橋向的布置圖分別如圖3所示。

17#～23#鋼套箱圍堰具體尺寸如下：刃腳處底高程+32.92 m，頂面標高為+54.20 m，設計水位為50.90 m，尺寸為13.9 m(長)×12.7 m(寬)×21.28 m(高)，總重270.0 t；高度分4節(jié)制造，第1節(jié)為6.0 m，第2節(jié)為4.0 m，第3節(jié)為5.0 m，第4節(jié)為6.28 m，一節(jié)圍堰分為10個塊區(qū)；豎向加勁肋采用的角鋼，每隔0.5 m布置，長邊與壁板焊接；無內(nèi)支撐,雙壁艙體內(nèi)填混凝土和封底混凝土均采用C30混凝土，封底混凝土厚度為2.5 m。

14#～16#墩的鋼套箱圍堰刃腳處底高程+35.92 m，頂面標高為+54.20 m，尺寸為13.9 m(長)×12.7 m(寬)×18.28 m(高)，總重220.0 t；高度分3節(jié)制造，第1節(jié)為6.0 m，第2節(jié)為6.0 m，第3節(jié)為6.28 m；豎向加勁肋采用的角鋼，每隔0.5 m布置，長邊與壁板焊接；無內(nèi)支撐。雙壁艙體內(nèi)填混凝土和封底混凝土均采用C30混凝土，封底混凝土厚度為2.5 m。

圖3 鋼套箱圍堰布置圖(單位：cm)

2.2.2鋼套箱圍堰優(yōu)化設計

設計鋼套箱圍堰需要考慮如下因素：鋼套箱分塊和整體的運輸方式、下沉施工工藝等。本文結合以往的施工經(jīng)驗進行比對分析最終確立了雙壁鋼套箱圍堰施工方案，并在傳統(tǒng)鋼套箱圍堰基礎上做了一定程度上的優(yōu)化設計，具體如下：

24#和25#墩的鋼套箱通過去掉內(nèi)部支撐和去掉長邊中間節(jié)塊調整第3節(jié)和第4節(jié)的高度可應用到14#～23#墩。這種優(yōu)化設計有利于節(jié)約成本、降低工程投資。

第1節(jié)鋼套箱和第2節(jié)鋼套箱之間由第2節(jié)底板相互隔離開，割除第1節(jié)鋼套箱后，流水不能進入第2節(jié)鋼套箱，故可以順利上浮第2節(jié)、第3節(jié)、第4節(jié)鋼圍堰。第1節(jié)和第2節(jié)鋼套箱內(nèi)部隔板如圖4所示。

圖4 鋼套箱立面圖(單位：cm)

本文以24#墩設內(nèi)支撐的雙壁鋼套箱圍堰進行結構計算分析。

3結構分析

3.1 有限元分析

采用有限元分析軟件MIDAS 進行建模，針對不同施工階段，對最不利荷載工況下鋼套箱圍堰結構模型進行了強度、剛度、穩(wěn)定性檢算[3,4]。

3.2 荷載工況

為保證鋼套箱圍堰下水后到完成封底混凝土灌注均滿足設計要求，需對該鋼套箱圍堰在施工過程中遇到的各種情況進行模擬檢算[5]。 鋼套箱圍堰計算模型中，對于內(nèi)、外壁板及隔艙板和工字鋼利用板單元建立，水平桁架利用桁架單元建立，豎向加勁肋、水平環(huán)板、內(nèi)支撐等構件采用梁單元建立。工況一～工況四荷載作用時，鋼套箱已經(jīng)著床，對刃角底部的節(jié)點進行x軸、y軸和z軸三個方向上的平移自由度的約束即進行固結。進行不同工況圍堰結構驗算時，計算考慮荷載包括動水壓力，靜水壓力、土壓力、結構的自重、封底混凝土等，建立計算工況如下：

工況一，鋼套箱下沉落床混凝土封底完成后，封底混凝土強度達到規(guī)范要求，鋼套箱抽水安裝第1道內(nèi)部支撐。

工況二，抽水安裝第2道內(nèi)部支撐。

工況三，抽水安裝第3道內(nèi)部支撐。

工況四，抽水至封底混凝土。

3.2.1 工況一荷載作用下圍堰檢算

在工況一荷載作用下，各構件應力如圖5所示。

圖5 工況一荷載作用下鋼套箱各構件應力圖

由圖5(a)可知，壁板最大應力發(fā)生在第2節(jié)的下半部分，最大應力為38.97 MPa<[σ]=170 MPa，滿足要求。

由豎向加勁肋應力云圖(圖5(b))可知，最大應力為106.47 MPa<[σ]=170 MPa，滿足要求。

由水平環(huán)板應力云圖(圖5(c))可知，環(huán)板最大應力發(fā)生在中下部拐角處，此處存在應力集中，最大應力為123.89 MPa<[σ]=170 MPa，滿足要求。

在工況一荷載作用下鋼套箱圍堰變形如圖6所示。

由圍堰各部分變形圖可知，圍堰整體最大變形為11.4 mm，滿足變形要求。

3.2.2 工況二荷載作用下圍堰檢算

經(jīng)計算，在工況二荷載作用下，鋼套箱圍堰各構件應力、變形均滿足要求。

工況二荷載作用下內(nèi)支撐所受軸力如圖7所示。

圖6 工況一荷載作用下鋼套箱各構件變形圖

4雙壁鋼套箱圍堰施工

4.1 鋼套箱加工制作

依據(jù)施工設計圖紙，在鋼結構加工廠分節(jié)分塊制造鋼套箱圍堰結構。鋼結構加工場地設置在施工現(xiàn)場，方便進行鋼套箱圍堰的加工制作。

在鉆孔平臺上進行鉆孔樁施工。設置牛腿于鋼護筒外側水面之上，并與頂部的三拼工字鋼焊為整體，底節(jié)鋼圍堰拼裝平臺得以形成，如圖8所示。

4.2 圍堰拼裝

把加工完成的底節(jié)圍堰板塊，利用運輸船運送至指定墩位，并分節(jié)分塊在拼裝平臺上進行拼裝焊接，用吊掛系統(tǒng)完成鋼套箱平臺下水。底節(jié)圍堰下水的同時進行測量糾偏，保證鋼套箱位置精準。

對稱進行鋼套箱拼裝接高，要隨拼裝、隨調整，待點焊全部成型后，方可全面焊接，其接高圖如圖9所示。

圖7 工況二荷載作用下圍堰內(nèi)支撐軸力圖圖8 底節(jié)圍堰拼裝平臺 圖9 鋼圍堰接高圖

4.3 鋼套箱圍堰下沉

順橋向布置雙拼鐵路棧橋梁兩組，同鋼護筒牢固焊接，利用滑輪組提起鋼套箱圍堰，利用卷揚機下放鋼圍堰至水中自浮，拆掉吊掛系統(tǒng)，采用向套箱隔倉內(nèi)澆注混凝土、圍堰吸砂方法使鋼套箱圍堰下沉。

為了確保鋼圍堰的穩(wěn)定性，潛水員用鋼板支墊鋼圍堰刃腳。用袋裝水泥封堵圍堰內(nèi)刃腳與著床面之間的空隙，隨后進行封底混凝土的澆筑。

待混凝土強度達到規(guī)范要求后，需進行圍堰內(nèi)部抽水及施工，放線測出墩身施工位置和承臺位置。

4.4 雙壁鋼套箱圍堰拆除

在墩身施工完成后，拆除鋼圍堰，派潛水員進行水下割除工作。在割除分塊時應參考安裝的逆順序并沿拼裝焊縫進行。

鋼圍堰上浮至水面，將鋼圍堰進行分塊拆開、存儲，分塊整理進行循環(huán)利用。

5 結束語

經(jīng)過結構的優(yōu)化設計，雙壁鋼套箱圍堰的施工循環(huán)利用了部分鋼套箱材料，使得施工成本大大降低，收到了良好的經(jīng)濟效益。

參考文獻

[1]李陸平，尤繼勤，王吉連.蔡家灣漢江特大橋深水基礎鋼套箱圍堰施工技術[J].橋梁建設，2010(1):23-28

[2]吳建軍.深水雙壁鋼圍堰施工[J].鐵道建筑，2002(2):31-33

[3]鐘振云.深水基礎圍堰施工方案比選[J].鐵道建筑，2009(1):25-28

[4]王長山.深水基礎特大型單壁鋼套箱圍堰施工技術[J].企業(yè)技術開發(fā)，2009(12):7-12

[5]趙順濤，潘軍.南京大勝關長江大橋6號主墩超大型鋼套箱圍堰下沉控制技術[J].世界橋梁,2008(3):22-24

收稿日期：2016-04-21

作者簡介：于春濤(1982—)，男，工程師，主要從事交通土建工程施工、水中橋梁施工技術管理工作

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.04.019

中圖分類號：U443.132

文獻標識碼：B

文章編號：1672-3953(2016)04-0074-05

On the Optimization of the Design for and the Practical Construction of a Deep-Water Steel Boxed Cofferdam

Yu Chuntao

(18th Bureau Group Co. Ltd. of China Railway,Tianjin 300222,China )

Abstract:Steel boxed cofferdams are widely used in the foundation construction for bridges in deep water.With the newly-built Nangushuhe Mega Bridge Project of the Yi-Shu Railway as a practical example,and with the specific geological conditions of the project taken into consideration,a double-walled steel boxed cofferdam construction scheme is made,with the design optimized upon the basis of the traditional designs and construction processes,as a result of which most of the materials for the steel boxes may be recycled and put to use time and again.Construction practice proves that the optimized design is safe,reliable,economically practical and convenient in construction.The success of the project may also serve as a technical reference for the construction of other steel boxed cofferdams.

Key words:deep-water foundation；steel boxed cofferdam；optimization of the design