內河深水大型雙壁無底鋼套箱設計及施工技術

李業勛，左小永，朱奕帆

（中交第三航務工程局有限公司，上海 200032）

引言

清水塘大橋全長2.175 km，主橋采用跨度為100+408+100 m 的雙層鋼桁架拱橋，上層橋面寬32 m，雙向6 車道，車行道凈寬24.5 m；下層布置慢行人非道，凈寬10.0 m。主橋墩身采用啞鈴型薄壁空心墩；為減少阻水斷面承臺頂面低于河床面，設計為矩形承臺，結構尺寸為41.1×13.6×4.0 m，基礎采用20 根直徑為2.2 m 嵌巖鉆孔灌注樁。擬建橋位處河床面較平坦，河床縱坡降為0.5 ‰左右，無谷底堆積物，巖層為白堊紀系（K）紅砂巖，擬建主墩處為強風化砂巖和中風化砂巖。大橋主橋斷面如圖1。

圖1 清水塘大橋主橋示意

考慮到雙壁無底鋼套箱內承臺、墩柱等結構施工需要，鋼套箱設計尺寸比承臺寬1.0 m，結構尺寸設計為46.1×18.6 m；主墩承臺位于河床面以下，基坑施工需要進行水下爆破，爆破深度大于鋼套箱設計深度0.5 m，后期采用碎石找平層；結合抗浮穩定性計算，封底混凝土厚度設計為3.5 m，套箱底設計高程為16.65 m；為保證工期開展汛期施工，鋼套箱頂設計高程為+37.0 m，通過極端水位水壓力初步估算，設計鋼套箱壁厚1.5 m，采用角鋼斜撐、環向支撐板、豎向支撐角鋼和內外壁板組成。

1 鋼套箱設計

結合承臺結構及歷年水位，雙壁無底鋼套箱內設計為46.1×18.6×20.5 m，壁厚為1.5 m，豎向共分為4 個節段，節段高度自下而上依次為6.35 m（含刃角1.5 m）、5 m、5 m 和4.15 m，采用600 mm×400 mm×12 mm 矩形管制作豎梁、水平圍檁和矩形管撐桿進行加固[1-4]。鋼套箱內外壁板采用8 mm 厚鋼板，水平環板和隔倉板采用厚度為10 mm 的鋼板；隔倉肋、水平對撐和斜撐采用10#角鋼（厚度為8 mm），外壁加勁肋采用7#角鋼（厚度為6 mm），內壁加勁肋5.6#角鋼（采用為5 mm）。鋼套箱隔倉底板和刃腳加強豎板分別采用10 mm 和16 mm 厚鋼板，總重約1 017.6 t。封底采用C30 混凝土，厚度為3.5 m，隔艙澆筑高度為7.5 m 的C20 混凝土，高度和承臺頂面齊平。

圖2 雙壁無底鋼套箱示意

2 復核驗算

雙壁無底鋼套箱隔艙內澆筑C20 隔倉混凝土，封底混凝土高度范圍內鋼套箱剛度較大假定為剛性支撐。利用Midas/Civil 建立雙壁無底鋼套箱有限元分析模型進行計算分析，其中內外壁板、豎向隔倉板和水平環板采用板單元模擬，水平斜桿、水平支撐和豎直支撐采用梁單元模擬，焊接部位采用共節點處理，圍檁和豎向支撐采用剛性連接處理[5-7]。

圖3 雙壁無底鋼套箱Midas/Civil 模型

2.1 流水壓力

雙壁無底鋼套箱迎水面承受的流水壓力，根據《鋼套箱工程技術標準》（GB/T51295-2018）計算：

式中：Fl為流水壓力標準值（kN）；K為形狀系數，矩形取1.3；A為阻水面積（m2），計算至一般沖刷線處；rw為水的容重，取10 kN/m3；v為設計水流速度（m/s），取2.5 m/s；g為重力加速度（m/s2），取10 m/s2。計算求得流水壓力982.3 kN。

假設雙壁無底鋼套箱外部以面荷載的形式承受流水壓力，并在迎水面上平均分布：

最大靜水壓力為：

式中：γ為水的容重，取10 kN/m3；h為靜水壓力作用高度，即圍堰在有限元模型的總高度，取16.85 m。

靜水壓力在水面以下呈三角形分布，表現為底部最大為168.5 kPa，頂部最小為零。

2.2 位移應力

利用Midas/Civil 建立雙壁無底鋼套箱有限元分析模型進行壁板位移分析，計算結果表明：雙壁無底鋼套箱梁單元（含對撐、豎桿、圍檁和加勁肋）最大應力為144.96 MPa，板單元（含壁板、環板及隔倉板）最大應力為81.04 MPa，均小于Q235 鋼材的容許應力215 MPa，強度滿足要求；壁板X向位移（橫橋向）最大位移2.4 mm，壁板Y向位移（順橋向）最大位移6.2 mm，出現在外壁板橫橋向中心位置，其撓度為6.53/16 850=3.88×10-4＜1/400=2.3×10-3，變形滿足規范要求。

圖4 壁板位移計算結果

通過Midas 模型對鋼套箱不同工況下內應力、變形計算結果見表1，通過數據分析可知：雙壁無底鋼套箱的外壁板、內壁板、水平環板、隔倉板、水平圍檁、矩形管撐桿、內外壁板加勁肋內應力、變形、整體強度和剛度均小于容許應力，安全系數大于1.48。

表1 雙壁無底鋼套箱計算結果

2.3 抗浮穩定性驗算

當雙壁無底鋼套箱內封底混凝土達到強度且已抽完水，湘江水位與圍堰頂高程齊平時，此時雙壁無底鋼套箱承受的浮力最大，抗浮力主要由鋼套箱自重、封底混凝土自重、封底混凝土與樁基護筒/鋼套箱間摩阻力的最小值組成。

式中：Kf為抗浮安全系數；Fw為水的浮力標準值（kN）；γw為水容重（kN/m3），取10 kN/m3；hw為圍堰內外水頭差（m）；G為封底混凝土自重（kN）；An為扣除鋼護筒面積后基底凈面積（m2）；γc為混凝土的容重（kN/m3），取24 kN/m3；Vc為基底凈體積，扣除鋼護筒部分（m3）；τ1、τ2為樁基鋼護筒與封底混凝土的粘結力、鋼套箱與封底混凝土的粘結力，取150 kPa；S1、S2為所有樁基鋼護筒與封底混凝土接觸面積、鋼套箱與封底混凝土接觸面積；F1為取樁基鋼護筒與封底混凝土摩阻力（kN），F1=τ1S1；F2為取鋼套箱與封底混凝土摩阻力（kN），F2=τ2S2。

樁基鋼護筒直徑為2.4 m，經計算：雙壁無底鋼套箱最大總浮力15 724 kN，總抗浮力為189 465 kN，抗浮安全系數為1.21，滿足《鋼套箱工程技術標準》（GB/T 51295-2018）的要求。

3 關鍵施工技術

雙壁無底鋼套箱采用分塊制作，首節段在運輸船上進行快件拼裝，分兩船運到施工現場，兩船合并進行總裝，之后采用起重船吊裝下水，剩余三個節段采用起重船分塊體吊裝進行水上拼接。

3.1 加工制作

雙壁無底鋼套箱5.0 m、4.0 m、3.8 m 及3.05 m四種類型，分4 層制作共計28 個塊體，單個塊體重量最大重量為8.3 t。塊體的制作要保證精度，以確保整體拼裝精度，單個塊體外形尺寸容許偏差應小于±3 mm、位置偏差小于5 mm。塊體加工完成后，在運輸船上進行拼裝，每個船上拼裝半幅首節鋼套箱，半幅鋼套箱結構尺寸為46.1 m×9.3 m×6.5 m，拼裝過程中采用工字鋼進行臨時固定，以保證拼裝安全和運輸安全。

鋼套箱運輸到施工現場后，采用2 臺150 t 起重船配合吊裝，運輸船和起重船連接在一起，起重船前端交叉拋錨、后端八字拋錨穩定。運輸船之間利用4 根斜向聯系梁、2 根水平聯系梁將兩船并聯形成水上拼裝平臺，如圖5。聯系梁采用H400 型鋼（Q235B）制作，斜向聯系梁長7.5 m，重1.7 t；水平聯系梁長6.9 m，重1.6 t。圍堰連接處設置焊接工作平臺，工作平臺長9.1 m、寬3 m，單個重5.7 t，主梁為H400 型鋼（Q235B），次梁為I20a（Q235B），間距80 cm（布置），面板采用6 mm花紋鋼板，并設置網高1.2 m 的標準護欄，如圖6。

圖5 雙壁無底鋼套箱分塊

圖6 工作平臺縱斷面

3.2 吊裝下水

首節雙壁無底鋼套箱采用500 t 起重船整體吊裝下水[8]。首先采用起重船起吊雙壁無底鋼套箱，再向運輸船壓載艙內注水，下沉200～400 mm 后雙壁無底鋼套箱脫離后，駛離運輸船，最后移動起重船，將雙壁無底鋼套箱吊入基槽，并系纜錨固。

1）吊點布置

首節雙壁無底鋼套箱自重為259.0 t，采用4 點吊裝下水，橫向吊點間設置兩道600 mm×400 mm×12 mm 矩形管對撐。單個吊點受力為72.84 t，設計吊耳容許吊重為80.0 t，主腹板板厚50 mm，孔徑為120 mm，加強圈直徑為310 mm，板厚為30 mm，加勁板板厚為20 mm，材質均為Q345B 鋼材。吊耳焊接在鋼套箱的隔倉板和內壁板，焊接前必須預熱，且與隔艙板熔透焊，與內壁板深熔焊，確保焊接質量。

圖7 吊耳設計

2）吊耳的驗算

吊耳主腹板孔至頂邊的寬度H和厚度δ為120 mm 和50 mm；吊耳加強圈的寬度H1和厚度δ1分別為95 mm 和30 mm。吊耳圈受力面積：

剪應力為：

安全系數大于3，吊耳強度滿足要求。

吊耳腹板處單個焊縫長L為70 cm，坡高h為0.8 cm，焊縫截面積：

焊條采用J507，屈服強強度為490 MPa，取安全系數為3，則焊縫的容許剪切應力τ3：

安全系數為2.2，吊耳焊縫滿足要求。

3.3 原位接高

22#墩鋼套箱第二、三、四節在原位進行，利用棧橋1 艘80 t 履帶吊（臂長31 m）與1 艘平板駁搭載1 臺150 t 浮吊（臂長40 m）完成接高，為便于施工作業面的開展以及套箱姿態的平衡和傾斜度控制，在鋼套箱4 個位置同時對稱拼接[9]。在鋼套箱接高過程中需進行對稱注水下沉，確保每節接高后鋼套箱露出水面約1.5 m 以上，方便后續分層安裝；在圍堰接高、注水下沉時因同時進行臨時錨固纜索的換纜作業。

3.4 精準下沉

為了提高了大體積雙壁無底鋼套箱的下沉定位精度，開發了整套“內河大型雙壁無底鋼套箱精準定位下沉實時監控系統”。該系統采用2 臺GPS和2 臺傾斜儀對稱安裝在鋼套箱四個角點，對鋼套箱水平位移、豎向垂直度進行實時動態觀測，實現了以下功能：GPS 實時定位、設計位置導入、鋼套箱實際位置和設計位置的偏差實時計算、信息動態傳輸；可視化窗口、形成數據報表、工程回放等。

雙壁無底鋼套箱下沉就位采用隔艙內灌水的方案實施，采取灌水壓重下沉，同時結合定位樁、卷揚錨拉系統和實時監控系統動態調整鋼套箱平面位置和傾斜度，鋼套箱最終安裝誤差小于6.0 cm。

4 結語

根據清水塘大橋無覆蓋層地質條件下大型雙壁無底鋼套箱施工，對鋼套箱的內部受力及施工過程進行了分析，得出主要結論：

1）結合設計了大型雙壁無底鋼套箱，利用Midas 數值模型計算得出結構最大壓應力為81.04 MPa，最大拉應力為144.96 MPa，抗浮安全系數為1.21，滿足設計及相關規范要求；

2）提出了廠內分塊體制作、半幅拼裝分船運輸、水上合船整體組裝的鋼套箱制作工藝，設計驗算了起重吊耳，采用起重船整體吊裝下水，開拓了大型雙壁無底制作下水的新思路；

3）開發了整套“內河大型雙壁無底鋼套箱精準定位下沉實時監控系統”，結合定位樁、卷揚錨拉系統動態調整鋼套箱下沉姿態，安裝平面位置控制在6.0 cm 以內，保證了鋼套箱安裝精度。