淮河特大橋19#墩大型深水雙壁鋼吊箱施工技術(shù)

湯 浩

（鐵道戰(zhàn)備舟橋處，山東 德州 251100）

1 工程概況

鋼圍堰是在涉水橋梁建設(shè)中，為建造承臺(tái)、墩身而修建的擋土、擋水的臨時(shí)性圍護(hù)結(jié)構(gòu)，包括鋼板樁、鋼套箱、鋼吊箱等多種形式。其中鋼吊箱為懸吊在水中的有底結(jié)構(gòu)，適用于水中高樁承臺(tái)[2]。

S313頭鋪西至望淮嶺段改線工程淮河特大橋位于安徽省蚌埠市五河縣境內(nèi)，線路東西走向，大橋全長(zhǎng)2 017 m，共計(jì)53跨，18#、19#為主墩，承臺(tái)尺寸為34 m（長(zhǎng)）×19 m（寬）×5 m（高），底標(biāo)高-3.992 m，共24根φ2.5 m鉆孔樁。橋位處水面寬約400 m，常水位約+16.00 m，汛期最高水位+19.00 m，最大流速1.5 m/s。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，19#墩位處河床面順?biāo)鞣较虺尸F(xiàn)不規(guī)則傾斜面，最低處標(biāo)高-9.5 m，最高處-4.95 m，承臺(tái)整體位于河床以上，其施工圍護(hù)結(jié)構(gòu)擬采用雙壁鋼吊箱，見(jiàn)圖1。

圖1 19#墩鋼吊箱

2 總體方案

2.1 圍堰結(jié)構(gòu)

19#墩雙壁鋼吊箱是由底板龍骨、底板、側(cè)板、內(nèi)支撐和下放系統(tǒng)、吊掛系統(tǒng)組成的全焊水密結(jié)構(gòu)，平面尺寸38.2 m×23.2 m，壁間厚度2 m，總高24 m，頂標(biāo)高+16.008 m，底標(biāo)高-7.992 m。圍堰豎向分兩節(jié)，底節(jié)高10.7 m，頂節(jié)高13.3 m，共設(shè)置三道內(nèi)支撐，總重約1 455 t，首次吊放重量（底節(jié)+底板）716.8 t。見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 19#雙壁鋼吊箱圍堰立面/mm

圖3 19#雙壁鋼吊箱圍堰平面/mm

2.1.1 底板龍骨

平面尺寸為38.75 m×23.75 m，采用HM390×300 mm焊接拼裝成整體，按縱橫方向用“#”字型劃分為9塊。預(yù)留孔與護(hù)筒之間的切線距離為175 mm。

2.1.2 底板

采用8 mm面板和L75 mm×50 mm×6 mm小肋組成，和底龍骨焊接成整體。

2.1.3 側(cè)板

壁板采用6 mm鋼板，豎肋采用L75 mm×50 mm×6 mm角鋼，水平環(huán)板采用16 mm鋼板，水平橫撐采用L100 mm×10 mm等邊角鋼，內(nèi)支撐處設(shè)16 mm豎向隔倉(cāng)板和20 mm水平加強(qiáng)板。

2.1.4 內(nèi)支撐

底層、中層中間橫撐為Φ800×20 mm鋼管，長(zhǎng)19.2 m，兩側(cè)橫撐為Φ600×20 mm鋼管，長(zhǎng)19.2 m，斜撐為Φ600×14 mm鋼管，長(zhǎng)9.87 m。頂層橫撐、斜撐均采用Φ600×14 mm鋼管。

2.1.5 下放系統(tǒng)

系統(tǒng)共8個(gè)吊點(diǎn)，每個(gè)吊點(diǎn)4根吊桿，共計(jì)32根Φ32 mm精軋螺紋鋼，單根長(zhǎng)度22 m。采用貝雷梁作為承重橫梁，共四組，單組由8片貝雷梁組成。貝雷片上的上下橫向分配梁采用3拼I45a組成。吊點(diǎn)設(shè)在鋼吊箱隔艙內(nèi)，需加強(qiáng)處理。吊放設(shè)備采用千斤頂，每吊點(diǎn)2臺(tái)200 t千斤頂，共16臺(tái)。見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 下放系統(tǒng)平面/mm

圖5 下放系統(tǒng)縱斷面/mm

2.1.6 吊掛系統(tǒng)

主要由掛樁梁和吊桿構(gòu)成。在鋼護(hù)筒上安裝掛樁梁，再通過(guò)吊桿把底龍骨吊在鋼護(hù)筒上。掛樁梁采用2[40a槽鋼，單個(gè)掛樁梁共8個(gè)吊點(diǎn)，吊桿采用Φ32 mm精軋螺紋鋼，整個(gè)圍堰共計(jì)192根精軋螺紋鋼。

2.2 施工步驟[3]

（1）鉆孔樁施工完成后，在鋼護(hù)筒上安裝支撐牛腿，依次安裝底板、底節(jié)壁板、吊掛系統(tǒng)及下放系統(tǒng)。（2）將圍堰底節(jié)下放入水至自浮狀態(tài)，下放系統(tǒng)在帶勁狀態(tài)下澆筑3 m高隔艙內(nèi)混凝土。（3）拆除吊放系統(tǒng)，拼裝接高頂節(jié)壁板，在隔艙內(nèi)對(duì)稱均勻注水配重下沉，期間依次安裝三層內(nèi)支撐、接高吊掛系統(tǒng)精軋螺紋鋼。（4）圍堰下沉到位后，緊固吊掛系統(tǒng)，澆筑水下封底混凝土，強(qiáng)度達(dá)標(biāo)后，二次澆筑6 m高隔艙內(nèi)混凝土。（5）按設(shè)計(jì)要求抽出隔艙內(nèi)多余的水，再抽干堰內(nèi)的水，割鋼護(hù)筒、破樁頭，準(zhǔn)備施工承臺(tái)。

3 技術(shù)重難點(diǎn)

（1）鋼吊箱設(shè)計(jì)底標(biāo)高-7.992 m，基坑河床近1/3的面積高于此值，需提前開(kāi)挖清理到位，墩位處河床土層黏性較大且水深達(dá)20 m，傳統(tǒng)的長(zhǎng)臂挖機(jī)法、抓斗法等開(kāi)挖工藝，工效低、耗時(shí)長(zhǎng)。（2）鋼吊箱首次吊放入水總重716.8 t，共8個(gè)吊點(diǎn)16臺(tái)千斤頂，同步吊放控制難度大。（3）鋼吊箱下沉總高度約23 m，底板預(yù)留孔與鋼護(hù)筒間最小間距僅17.5 cm，過(guò)程中二者之間易產(chǎn)生刮擦現(xiàn)象，導(dǎo)致鋼吊箱下沉困難。

4 主要工藝

4.1 河床清理

經(jīng)計(jì)算，19#墩基坑凈理論清淤量為4 116 m3，河床坍塌坡度按1:1考慮，清淤量高達(dá)7 814 m3。針對(duì)河床局部黏土層開(kāi)挖難的問(wèn)題，經(jīng)反復(fù)論證和多次嘗試，最終采用了潛水抽沙泵+臥式砂礫泵+反循環(huán)鉆機(jī)的組合方法進(jìn)行清淤。（1）潛水抽沙泵：功率45 kW，揚(yáng)程15 m，用于清除松散土層和表面浮砂。（2）臥式砂礫泵：功率45 kW，配套15 kW高壓射水水泵，揚(yáng)程15 m，用于清除稍密的中細(xì)砂土和被反循環(huán)鉆機(jī)擾動(dòng)后的黏性土層。（3）反循環(huán)鉆機(jī)：功率22 kW，鉆頭直徑1.3 m，用于清除、擾動(dòng)黏性土層。

采用反循環(huán)鉆機(jī)進(jìn)行黏性土層開(kāi)挖，具有定位準(zhǔn)確、速度快等優(yōu)點(diǎn)，依托鋼護(hù)筒搭設(shè)滑道式平臺(tái)后可靈活移動(dòng)位置，實(shí)現(xiàn)了成本低、工效高、清理徹底的目標(biāo)。

4.2 加工制作

4.2.1 底板加工

先在臺(tái)座上放樣構(gòu)件的平面位置，構(gòu)件擺放位后先點(diǎn)焊固定再全面焊接。焊接時(shí)，遵循對(duì)稱原則，構(gòu)件接頭先對(duì)稱花焊再連續(xù)焊接。主梁肋接頭必須頂緊相鄰型鋼腹板，雙面滿焊且不留空隙。

4.2.2 壁板加工

必須在胎架上加工，胎架要能保證分塊的成型精度，且組拼方便、容易翻身、減少仰焊。成型后，應(yīng)檢查焊縫質(zhì)量，并涂抹煤油，檢驗(yàn)水密性。

4.2.3 焊接工藝

（1）壁板的對(duì)接焊縫，應(yīng)先焊橫縫，后焊縱縫。（2）構(gòu)件中同時(shí)存在對(duì)接與角接焊縫時(shí)，應(yīng)先焊對(duì)接縫，后焊角接縫。（3）水平桁架與面板的焊接，其邊緣應(yīng)留20～30 cm暫不焊，待整體裝配后再行焊接。

4.3 首節(jié)拼裝

4.3.1 底龍骨安裝

鉆孔樁完成后，拆除平臺(tái)，在鋼護(hù)筒標(biāo)高+16.0 m處安裝支撐牛腿。先安裝第5塊中間龍骨，再對(duì)稱安裝2、4、6、8塊，最后安裝四角1、3、7、9塊，見(jiàn)圖6。

圖6 底龍骨分塊安裝布置

4.3.2 底板安裝

采用從中間向外側(cè)、對(duì)稱安裝的原則進(jìn)行鋪設(shè)；過(guò)程中注意底板間的縫隙，應(yīng)采用8 mm、鋼板進(jìn)行夾焊。

4.3.3 底節(jié)側(cè)板安裝

（1）應(yīng)對(duì)稱安裝，先安裝4個(gè)角點(diǎn)的C側(cè)板，再安裝短邊D側(cè)板，然后安裝長(zhǎng)邊側(cè)板B，最后在長(zhǎng)邊合龍側(cè)板A。（2）先在底板上放樣出每塊側(cè)板的輪廓線及分段線。（3）拼裝時(shí)，單塊位置確定后先點(diǎn)焊固定，待整個(gè)底節(jié)拼組成型后再全面施焊。（4）側(cè)板內(nèi)外壁板與底板間采用角焊縫環(huán)向焊接，并在底板龍骨位置設(shè)置梯形加勁鋼板，見(jiàn)圖7。

圖7 側(cè)板分塊及安裝順序

4.3.4 吊掛系統(tǒng)安裝

先將鋼護(hù)筒統(tǒng)一割除至設(shè)計(jì)標(biāo)高，在護(hù)筒頂開(kāi)50 cm高“十字”凹槽后安裝掛樁梁。然后安裝吊桿，單根吊桿長(zhǎng)27 m，劃分為12 m+12 m+3 m三段，各段間用接長(zhǎng)套筒連接。3 m段提前預(yù)裝在底龍骨上，掛樁梁安裝完畢后，逐根接長(zhǎng)安裝首個(gè)12 m段。

4.4 吊放入水

4.4.1 吊點(diǎn)檢算

首次吊放總重716.8 t，單根吊桿平均受力22.4 t，吊桿直徑32 mm，拉應(yīng)力為278.7 MPa，小于允許應(yīng)力830 MPa，滿足要求。每個(gè)吊點(diǎn)2臺(tái)200 t千斤頂，每頂平均受力為44.8 t，滿足要求。

4.4.2 下放系統(tǒng)安裝

接高四角的8根護(hù)筒至標(biāo)高+29.00 m，在其頂面橫向鋪設(shè)墊梁3I45a，整體吊裝4組貝雷梁，在貝雷梁上部安裝兩層3I45a吊放分配梁，在分配梁與壁板吊點(diǎn)間安裝吊桿。

4.4.3 下放保障措施

（1）預(yù)留孔防卡鋼筋。鋼護(hù)筒接長(zhǎng)時(shí)除環(huán)向焊縫外還有豎向加強(qiáng)貼板，吊箱下放過(guò)程中，平面偏位較大時(shí)，預(yù)留孔的豎向圈板會(huì)卡在貼板的上端，輕則無(wú)法繼續(xù)下沉，重則導(dǎo)致底板局部撕裂。沿圈板每隔30°豎向焊接一段2 cm圓鋼，呈“l(fā)”形，長(zhǎng)15 cm，一旦二者接觸，可將圈板與貼板間的橫向線接觸變?yōu)辄c(diǎn)接觸，圓鋼底部的圓弧能沿貼板上端順暢滑過(guò)，避免卡頓，見(jiàn)圖8。

圖8 防卡鋼筋

（2）滾軸式限位導(dǎo)向。原設(shè)計(jì)的限位導(dǎo)向共四層，為型鋼構(gòu)件，焊接在圍堰內(nèi)壁板四角處，與鋼護(hù)筒間間隙僅有9 cm。鋼吊箱在吊放入水后至下沉到位前，受上游水流沖擊力作用會(huì)向下游漂移，下游側(cè)限位與鋼護(hù)筒的頂緊現(xiàn)象在所難免，此限位存在與護(hù)筒間間隙過(guò)小和層數(shù)過(guò)多兩大弊端，極易與護(hù)筒及其貼板“擠死”，導(dǎo)致鋼吊箱無(wú)法下沉。將限位導(dǎo)向改成滾輪式，由工字鋼+軸承組成，且僅在底部設(shè)置一層，與鋼護(hù)筒接觸時(shí)可順利滑過(guò)，有效解決了硬接觸問(wèn)題。見(jiàn)圖9。

圖9 滾軸式限位導(dǎo)向

（3）預(yù)埋糾偏鋼絲繩。在底龍骨四角的型鋼上，預(yù)埋鋼絲繩接長(zhǎng)拴系至圍堰頂部，后期下放過(guò)程中，一旦發(fā)生卡頓現(xiàn)象，即在棧橋、支棧橋合適位置處安裝卷?yè)P(yáng)機(jī)，牽拉預(yù)埋鋼絲繩，進(jìn)而牽引鋼吊箱底部對(duì)其平面位置進(jìn)行糾偏。

4.4.4 吊放入水[1]

（1）檢驗(yàn)合格后，啟動(dòng)千斤頂提升鋼吊箱底節(jié)離開(kāi)牛腿10 cm，靜置10 min，檢查吊桿、吊點(diǎn)等是否正常。（2）割除鋼護(hù)筒上的支撐牛腿。（3）下放前，在鋼吊箱四角外壁上劃刻度線；下放時(shí)，安排專人對(duì)四角的下沉高度對(duì)比觀察，如高差超過(guò)20 cm，即暫停下放，采取啟動(dòng)單吊點(diǎn)方式進(jìn)行微調(diào)，以確保下放行程基本一致。（4）隨時(shí)檢查吊桿的松緊情況，確保松緊一致。鋼吊箱入水后，吊桿受力逐漸變小，直至不再下沉達(dá)到自浮，即停止下放。（5）對(duì)壁板進(jìn)行水密試驗(yàn)，如有漏水及時(shí)補(bǔ)焊。

4.4.5 澆筑隔艙混凝土

啟動(dòng)千斤頂將鋼吊箱稍稍提起，對(duì)其平面位置和垂直度進(jìn)行調(diào)整糾偏，在吊桿帶勁狀態(tài)下進(jìn)行隔艙混凝土的首次澆筑，高度3 m。

4.5 接高下沉及內(nèi)支撐安裝

4.5.1 頂節(jié)側(cè)板安裝

啟動(dòng)千斤頂，二次下放鋼吊箱至自浮狀態(tài)，拆除吊放系統(tǒng)，在懸浮狀態(tài)下接高頂節(jié)側(cè)板。拼裝順序與底節(jié)相同。

4.5.2 注水下沉

（1）隔艙內(nèi)注水應(yīng)分階段對(duì)稱進(jìn)行，單個(gè)階段每個(gè)隔倉(cāng)的注水高度要基本一致，過(guò)程中要根據(jù)鋼吊箱的傾斜程度及時(shí)調(diào)整，過(guò)程中四角高差控制在20 cm之內(nèi)，確保平穩(wěn)、均勻下沉。（2）隔艙內(nèi)與河面的水位高差，嚴(yán)格控制在設(shè)計(jì)要求的10 m以內(nèi)。

4.5.3 內(nèi)支撐安裝

注水下沉過(guò)程中，如內(nèi)支撐安裝位置距水面不足1 m時(shí)，即暫停注水，安裝該層支撐。

4.5.4 鋼吊箱固定

（1）注水下沉到位后，先通過(guò)局部隔艙抽排水調(diào)整其垂直度，后通過(guò)預(yù)埋鋼絲繩調(diào)整平面偏差。（2）將掛樁梁與鋼護(hù)筒按設(shè)計(jì)要求連接固定。（3）在鋼吊箱四角上口的鋼護(hù)筒上焊接型鋼限位，頂緊內(nèi)壁板。（4）在每個(gè)隔倉(cāng)內(nèi)再灌入約0.5 m的水，避免河水上漲導(dǎo)致鋼吊箱上浮。

4.6 澆筑水下封底混凝土

4.6.1 底板預(yù)留孔堵漏

為減輕潛水作業(yè)量和確保封堵質(zhì)量，設(shè)計(jì)了環(huán)形堵漏鋼板，板寬40 cm，內(nèi)徑與護(hù)筒外徑相同，為避開(kāi)吊桿位置，環(huán)形鋼板均分為4塊，塊間設(shè)計(jì)“Π”型卡板填補(bǔ)吊桿位置的縫隙，見(jiàn)圖10。塊件提前在護(hù)筒周邊大致擺好，封底作業(yè)前，潛水員先將這些塊件重新擺放至與鋼護(hù)筒密貼，然后在其上密碼一層沙袋，檢查確認(rèn)是后即可開(kāi)始封底。

圖10 底板預(yù)留孔堵漏鋼板

4.6.2 澆筑封底

（1）水下封底采用2套設(shè)備（2根導(dǎo)管、2臺(tái)天泵）按設(shè)計(jì)點(diǎn)位依次進(jìn)行，見(jiàn)圖11，單根導(dǎo)管攤鋪面積半徑按5.0 m考慮。（2）先將所有設(shè)計(jì)點(diǎn)位澆筑至設(shè)計(jì)高度后，再對(duì)堰內(nèi)的封底頂面進(jìn)行測(cè)量摸排，不足之處適當(dāng)補(bǔ)點(diǎn)澆筑。（3）澆筑過(guò)程中加強(qiáng)對(duì)導(dǎo)管底口處混凝面上升高度的測(cè)量，開(kāi)始每隔30 min測(cè)量一次，離距澆筑到位20 cm時(shí)，每5 min測(cè)量一次，以防超灌或欠灌過(guò)多。（4）導(dǎo)管提升時(shí)應(yīng)注意控制幅度，確保導(dǎo)管底口埋入混凝土的深度始終不小于30 m，避免混凝土出現(xiàn)“洗澡”現(xiàn)象。

圖11 澆筑點(diǎn)位及順序

5 結(jié)語(yǔ)

隨著橋梁建設(shè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，深水鋼圍堰的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工工法已不再是關(guān)鍵因素，但因每座涉水橋梁的水文地質(zhì)條件均具有一定的特殊性，故在實(shí)施過(guò)程中具體措施的創(chuàng)新應(yīng)用顯得極為重要。在淮河特大橋19#墩鋼吊箱的施工過(guò)程中，基坑開(kāi)挖的方法及確保順利下沉的各種措施均屬首創(chuàng)，實(shí)踐證明管用有效。