深水基礎鋼套箱圍堰施工技術研究

鞠瑞才

摘 要：隨著社會經濟的快速發展，我國跨越大江大河的橋梁建設規模在不斷擴大。同時，相關企業修建了很多深水橋梁，這在很大程度上提升了深水基礎的施工水平，且在很多方面已達到國內先進水平。基于此，文章以駙馬長江大橋為例，簡要介紹了深水基坑圍堰的類型、施工工藝流程及其施工技術要點，希望能夠進一步推動橋梁建設的發展。

關鍵詞：深水基礎；鋼套箱圍堰；施工技術

引言：隨著科學技術水平的不斷提升，很多先進的施工技術逐漸融入到各行各業的發展中。現階段，深水基坑圍堰施工的形式多種多樣，每種圍堰都具有自身的特點和適用條件。施工技術人員在施工過程中，應根據橋梁不同的水文、地質、材料以及設備條件，進行綜合考慮。同時，隨著深水橋梁建設以及設備的發展，新材料的應用，采用大型低樁承臺的結構形式越來越多，其施工技術和圍堰形式將得到進一步的發展。

1工程概況

重慶萬州駙馬長江大橋是重慶萬州至湖北利川高速公路（重慶段）跨長江的重要控制性工程。駙馬長江大橋為全長2030m，主跨1050m的單跨雙塔鋼箱加勁梁懸索橋。主纜分跨為285+1050+345m，中跨為懸吊結構。主纜矢跨比為1/10，主纜橫橋向中心間距為28m，吊索順橋向標準間距為16m。主橋中跨加勁梁采用流線型扁平鋼箱，梁高3.2m（主梁中心線處）。鋼箱梁（含風嘴）全寬32.0m。橋面設2%雙向橫坡。梁高與跨徑比為1：328，與寬度之比為1：10。其中，鋼箱梁全橋共分為66個梁段（3種類型）：標準段（B類）長16.0m，共63個（含兩個合龍段）；跨中段（C類）長14.4m，共1個；特殊梁段（A類）長11.85m，共2個。梁段吊裝重量為200.0t到220.9t，B類梁段吊裝重量最大。其具有以下特點：第一，本橋是懸索橋，截面寬度大，橋梁跨度長，箱梁節段重量均為國內首屈一指；第二，本橋是國內首次采用集中排水方式，在外側車行道設置橫向排水管，將行車道的雨水排向檢修道，在檢修道路緣附近的集水槽進行收集，通過泄水管排入設置在風嘴內的縱向排水管；第三，排水管以法蘭連接，法蘭配套設置石棉橡膠墊，要求匹配加工精度高，加工難度大，組裝精度要求高。

2鋼套箱圍堰

現階段，圍堰的類型主要有鋼板樁圍堰、混凝土圍堰、鋼套箱圍堰以及鋼-混凝土組合結構圍堰等。其中，鋼板樁圍堰主要為單壁結構；混凝土圍堰分為重力式鋼筋混凝土圍堰和雙層薄壁鋼筋混凝土圍堰；鋼套箱圍堰分為單壁、雙壁以及單雙壁組合式鋼圍堰；鋼混凝土組合結構圍堰也可分為上鋼下混凝土、下鋼上混凝土形式。每種圍堰都有自身的特點和適用條件，因此，施工技術人員需根據各自的水文、地質、材料價格以及設備情況等比選而定。現階段，由于鋼材價格的下降，以及鋼結構加工、運輸、下沉方便等方面的優越性，鋼套箱圍堰越來越廣泛地被應用于大型深水橋梁的基礎施工中。下文主要介紹了深水基礎鋼套箱圍堰的類型及其施工技術要點。

2.1結構形式和特點

鋼套箱圍堰按形狀可分為矩形（圓端形）和圓形，其中每種圍堰又有單壁、雙壁以及單雙壁組合式鋼圍堰。圓形圍堰，由于在水壓力作用下，只產生環向軸力，可不設內支撐，因此，此結構能夠提供足夠的施工空間。另外，由于其截面可以導流，其抗水流能力強，主要適用于流速較大的深水河流低樁承臺的施工中。但是，由于承臺一般是矩形，其封底的截面積較大，封底混凝土的量較大。而矩形或圓端形圍堰可按承臺的尺寸形狀設計，這在很大程度上減少了圍堰鋼壁的用鋼量以及封底混凝土的用量。但是，由于該圍堰需加設內支撐，為后續工程的施工帶來諸多不便。并且，其抗水流沖擊能力和整體性較差，不宜在流速較大的河流中使用。除此之外，單、雙壁的構造主要是根據鋼圍堰下沉的需要而設計，由于鋼圍堰重量輕，在需要入土較深的情況下僅靠自重難以下沉，需灌注配重混凝土，因此，施工企業必須設置雙壁結構；而在下沉較淺的情況下，借自重可以實現下沉，可設計為單壁結構；在滿足下沉需要的前提下，又要節省材料，可設計成單、雙壁組合式結構。

除此之外，鋼圍堰結構形式的確定受多種因素的制約，比如，水文、地質、起重設備等。平面形狀的確定主要受承臺平面尺寸的影響以及水深的影響。通過比較發現，當承臺的平面尺寸長寬比小于1.5時，采用圓形圍堰形式更為合理，但水深大于15m的情況下，若采用矩形圍堰，需要加設多層內支撐，難以保證施工空間，且增加了鋼材的用量，此時采用圓形圍堰更為合理。

2.2施工工藝流程（見圖1）

圖1 鋼套箱圍堰施工工藝流程圖

2.3施工要點

通常情況下，為了保證圍堰施工的便利性，施工企業會選擇船運比較方便的工廠進行加固。其施工工序主要是以下幾點：第一，先分單元在胎具上加工成型，然后在浮體上組拼。由于矩形圍堰的重量較輕，一般情況下，應進行分塊加工，一次拼裝成型；第二，圍堰的浮運。施工技術人員在進行圍堰的浮運時，應根據下沉的設備情況進行確定，在采用大型浮吊下沉的情況下，可用平駁進行浮運；在采用組拼龍門浮吊下沉的情況下，可直接用浮吊進行浮運；第三，圍堰的下沉。矩形圍堰由于重量較輕，可一次拼裝到位，因此，精確定位后，可一次放置于河床上。而雙壁或單、雙壁組合式圍堰由于體積大，需在水中邊下沉邊接高。其作業步驟為：將第一節放入水中定位，利用雙壁所產生的浮力自浮于水中，然后接高第二節，灌水或混凝土下沉，再繼續接高下一節，直至圍堰全高。在圍堰上搭設吸泥平臺，布置吸泥機進行下沉。相關技術人員在圍堰設計過程中，應在雙壁間設置隔倉，灌注時應分倉對稱進行，避免鋼圍堰出現偏移；第四，封底混凝土的施工鋼圍堰沉至設計標高，灌注封底混凝土之前，要求潛水員用高壓水槍進行清理，并對河床面進行整平，與此同時，為了保證封底混凝土與樁身、箱壁的良好結合，達到相應的止水效果，潛水員應用高壓水槍將樁身和箱壁上附著的泥漿沖洗干凈，封底混凝土的施工工藝可以采用垂直導管法。并且，水下混凝土靠自身流動性向四周攤開，導管一般采用φ300mm無縫管，頂部設漏斗，導管數量應根據鋼圍堰內凈空面積確定。除此之外，在矩形鋼圍堰施工過程中，由于封底混凝土數量巨大，可分成幾個倉，分次灌注封底混凝土。混凝土一般由岸上拌合站或大型拌合船供應，泵送至澆注位置。

2.4圍堰設計理念

根據承臺形狀和結構受力分析，圍堰平面可以布置成雙圓組合形（如圖2）。

圖2 鋼圍堰結構設計平面布置圖

鋼圍堰結構設計如圖2，共分為4個部分：刃腳段、雙壁加強段、單壁段、內部橫向支撐梁。其中，刃腳部分面板采用8mm鋼板，角度為30度；雙壁加強段內外面板及隔板均采用5mm鋼板，內部為空間桁架結構，水平主桁加強圈采用100×100×10或75×75×8角鋼，綴條用63×63×5角鋼，豎向間距按不同的高度荷載計算求得；豎向加勁肋采用50×50×5或63×63×5角鋼，周向間距按不同的高度荷載計算求得；圍堰中支撐桁架用100×100×10或75×75×8角鋼相扣成方管，空間用75×75×6做綴條組成桁架，豎向間距與加強圈相同。

3結構檢算

通常情況下，鋼圍堰的結構驗算主要采用手算法的方式進行。通過對實際施工中鋼套箱結構的受力進行模擬，采用有限元分析軟件進行結構的受力校核，為手算結果的可靠性提供保障。

3.1建立結構模型

3.1.1手算檢算

手算檢算可以通過對鋼圍堰受力作如下假定來簡化計算：計算水平斜撐和析架時，假定30倍壁板板厚的寬度參與受力；豎向加勁肋簡化為多跨連續梁計算，也考慮30倍壁板板厚的寬度參與受力；壁板檢算簡化為支撐在豎向加勁肋上的多跨連續板計算。

3.1.2計算機軟件分析

計算機軟件分析采用空間模型進行計算，內外環板、內外壁板采用空間板殼單元，水平析架和豎肋采用空間梁單元，內支撐和水平斜桿采用空間析架單元，使空間模型的兩端鉸接于水平析架或環板。

3.2工況分析及計算荷載

通常情況下，在承臺基礎鋼套箱封底完成后，將鋼套箱內的水抽干進行承臺施工，會嚴重影響工程建設的整體質量。因此，相關技術人員必須嚴格考慮鋼套箱側面及底面受到的動水壓力、靜水壓力、土壓力和水浮力，并進行以下計算：第一，以鋼套箱外的水壓力、土壓力作為主要荷載，鋼套箱內的受力桿件強度、剛度計算以及內支撐的穩定性計算；第二，計算鋼套箱封底后抽干水鋼套箱的抗浮安全性。

3.3計算結果

相關技術人員采用手算法和電算法對鋼圍堰結構檢算，可以獲得基本一致的計算結果。通過計算可知，鋼套箱在不利情況下，水平析架、水平加勁肋、隔艙板、內外壁板、內支撐強度及剛度均滿足相關要求；內支撐的穩定性計算滿足要求；鋼套箱封底混凝土的抗上浮檢算也符合規范要求。因此，相關計算人員通過應用手算法和電算法的相互校核驗證，能夠為計算結果的準確性提供保障。

3.4結論

通過鋼套管的施工工藝及其簡算結果可知，這種方法具有相應的優缺點。其中，缺點是模板下部進入河床附著層的深度不夠，洪水期河床底部極易被沖刷成空洞；平模板與封底混凝土在水作用的反復沖擊下，極易被分離，其封堵和封水效果不明顯。優點是施工材料是工地常用的周轉材料，平模板、工字鋼、鋼管等重復利用價值高，淺水區性價比較好。

結束語：綜上所述，隨著社會經濟的快速發展和科學技術水平的不斷進步，我國的橋梁建設規模在不斷擴大，建設形式也越來越多樣化，且深水橋梁建設越來越多。而鋼套箱圍堰施工技術在深水基礎中的應用取得了一定的成就，其不僅最大限度地節省了施工材料，還能夠利用自身浮力進行回收，為后期深水基坑施工技術的可持續發展提供了保障。

參考文獻：

[1]于春濤.深水鋼套箱圍堰優化設計及施工實踐[J].國防交通工程與技術，2016，14（04）：74-77+80.

[2]張利.大型深水基礎單壁鋼套箱圍堰施工技術[J].鐵道建筑，2011（03）：13-15.