深水高桩承台钢吊箱围堰设计与施工

󰀀54。黑龙江交通科技2002年深水高桩承台钢吊箱围堰设计与施工宋文明，吴学武，傅松岩(龙建路桥股份有限公司)摘要:通过南京长江二桥工程实践，比较了单壁无底和双壁有底钢吊箱的优缺点，阐述了钢吊箱的设计和施工全过程，对双壁有底钢吊箱进行了全面介绍。关键词:钢吊箱;围堰设计;施工中图分类号二U445.556文献标识码:A文章编号:1008一3383(2002)09一0054一04DesignandconstructionofsteelsuspendboxcofferdamofbaseslabforhighpegindeepwaterSONGWen一ming,WUXue一wu,FUSong一yanAbstract二ThroughpracticeofprojectsofthesecondChangjiangRiverBridgeinNanjingtooomparewithsingle一wallnon一bottomsteelsuspendbox,anditexpatiateswholeprocessofdesignandconstructionofsteelsuspendbox,andfullyintroducefordouble一wallhavebottomsteelsuspendbox.Keywords:steelsuspendbox;baseslabdesign;oonstruction1钢吊箱研制目的十90m的钢筋混凝土连续梁桥，钻孔灌注桩基础，南京长江第二大桥北汉主桥混凝土承台施工是主墩承台底标高一4.0m，顶标高一0.5m。常水位全桥控制工期的关键所在，也是该桥的主要质量控时在25#---24#墩处河床标高为(一0.8一0.9m)之制点，为了有效地解决在水深流急的河流上进行水间，26#墩处河床标高一0.7m左右，洪峰期一般冲下大体积混凝土施工问题，确保工程施工质量，减少刷4.36m，实际一般冲刷超过10.0m，施工时水深工程造价，我公司组织专门的领导小组对该工况进超过20m。为此，采用钢吊箱围堰进行承台施工。行认真的调查研究，博采众长，确立了采用双壁有底3.2钢吊箱的设计钢吊箱围堰的施工工艺。钢吊箱围堰的作用是通过吊箱侧壁与底板封底2研制现状混凝土封闭隔断江水，为承台施工提供近似陆地的采用有底钢吊箱围堰进行深水高桩承台的施工干体施工环境，在桥梁完工前拆除。钢吊箱设计要技术是我国研究开发的。在以往的工程施工中，钢考虑水文条件、施工条件、工期要求和经济性等诸多吊箱的体积相对较小，单边最大尺寸不超过25m,因素。而且都采用单壁结构。我公司在南京长江第二大桥3.2.1水文条件北汉桥的基础施工中，为节省用钢量增加施工的安通过南京水文站潮水位折算的桥址处潮水位全可靠性，根据承台结构尺寸大(30.02mx14m),(黄海高程)特征统计见表to水流条件和河床位置等实际情况，采用了体积巨大表1的双壁有底沉浮式钢吊箱围堰。月份水位1234567891011123研制的过程及方法多年平均潮位1.231.391.882.723.934.675.435.224.934.313.111.873.1工程概况南京长江第二大桥是南京环城高速公路的一部上述资料统计年限为1950一1987年。潮水位分。分为南汉大桥和北汉大桥。长江在二桥桥址处时的最大水流速度为1.5m/s.被江心岛八卦洲分成南北两汉，常水位北汉水面宽3.2.2施工及工期条件度955m。主河槽位于24#一25#墩之间。北汉桥(1)满足承台施工支拆模板工作宽度0.80m.位于八卦洲与大厂区之间，主桥为90m+3x165m(2)24#,25#墩首节吊箱浮运后整体吊装到位。2002年第9期总第(103)期黑龙江交通科技󰀀55。(3)计划工期要求承台施工在5月底结束，考虑涌浪影响0.5m，在经过支撑加固后，吊箱围堰顶标高4.5m。充分考虑到钻孔施工可能遇到的困难，在经过支撑加固后，吊箱围堰应能保证在潮水位5.43m时的安全使用，此时围堰顶标高6.0m。单壁吊箱按施工水位4.5m设计，双壁吊箱按施工水位4.5m设计，内支撑加强后，按施工水位6.0m校核，据以上条件拟定吊箱外形的尺寸长x宽x高为34.02mx17.60mx12.08m，内部净平面尺寸为32.02mx15.60m.3.2.3钢吊箱构造及设计原理根据钢吊箱设计条件，选择构造形式，我们对吊箱围堰侧板结构的单壁、双壁两种方案进行了比较，比较结果详见表20表2吊箱侧板单、双壁方案比较方案内容优点缺点备注结构简单，方便加现场拼装，下沉钢吊箱用工。难度大，施工过钢量455to单壁围堰程出现问题难控制，施工主动性差，材料较多。吊箱拼装、下沉充分结构复杂，加工钢吊箱用双壁围堰利用水的浮力，主动性高，同时可解施工难度大。钢量364to决无大型起吊设备的困难。由表2可以看出，侧板双壁结构充分利用了水的浮力，通过调节隔仓内水的重量来调整吊箱的位置，这一工作原理使吊箱施工具有明显的主动性，故水位较深的240,25#岛侧板选用双壁结构。钢吊箱的结构构造由底板、侧板、内支撑、悬吊及定位系统五大部分组成。各系统结构构造简述如下。(1)底板。底板结构形式有型钢网格分配梁底板和空间析架式底板，其优缺点和特点见表3.表3吊箱底板型钢分配梁与空间析架方案比较方案内容优点缺点备注加工量小，底板底板刚度小，难底板型钢分配安装快捷。以满足侧板悬梁用量52t,面拼需要，封底混板46t,合计用凝土质量不易量粥to保证。空间析架底板刚度大，能底板加工工作底板小型角式底板满足侧板悬拼需量大，速度慢。要，封底混凝土钢用量面板用量63t,29质量易得到保t，合计92to证。由表3可见型钢网格分配梁底板加工量小，底板安装快捷，材料数量却不增加，故底板采用型钢网格分配梁形式，由T字板和320mm工字钢形式分配梁，厚6rrnm的底板面上焊接75~等肢角钢增强底板的局部刚度。悬吊系统的下吊点设在分配梁上。(2)侧板。双壁吊箱侧板壁厚1.0m，面板厚6mm，面板背肋横肋用75mm等肢角钢，背肋间距50cm，横肋间距100cm，形成50cmx100cm的网格结构骨架，增加侧壁的强度和刚度。内骨架每间隔100cm由水平直杆、斜撑组成一道析架，与背肋焊接成整体。在计算得以满足的基础上，为满足高水位作业不利施工条件时的安全要求，在支撑处增加一道水平析架，在四角处的背、横肋及背肋析架均增加一倍设置。(3)内支撑。吊箱底高程一5.8m，顶高程为5.0m。内支撑利用钻孔桩钢平台支撑桩，管桩直径75cm，壁厚8mm。双壁钢吊箱在4.5m水位以下施工时沿高度方向设两道水平支撑。底支撑位置的确定既考虑了在水流冲击和静水压力作用下侧板受力最不利位置，又兼顾承台施工便利，设置标高为+0.4rn位置。上支撑设置在高程+4.6m处，用钢管析架与底支撑连接。在水压力作用下，吊箱四角应力集中，为增加吊箱四角处强度，沿高度方向每间隔100cm设一道长200cm双250mm工字钢角支撑。承台施工完成后，在承台预留板与吊箱内壁间焊接支撑取代底层支撑，向吊箱内注水至承台顶面以下，然后将底层支撑割除，进行墩身施工。(4)悬吊系统。双壁吊箱的悬吊系统以18根钻孔桩钢护筒为依托，将首节钢吊箱悬挂其上进行次节钢吊箱的拼装和浇筑封底混凝土等工作，利用水泵抽注水上浮或下沉。起吊系统包括承重梁及吊杆。吊杆为32mm精轧螺纹钢。双壁吊箱整体起吊的四个吊点设置在底节侧板的双壁仓内，每个吊点由两块厚12mm的衬板、加强板及吊点钢棒组成，单吊点的竖向起吊力按140t进行控制设计。(5)定位系统。吊箱底节下沉选择在流速较小的平潮期，水流冲击力小于10t，即使在流速1.5m/s时，水流对吊箱的冲动力也只有28t。使用导链牵引及抽注水等常规方法能够纠偏，因此没有采用定位船克服水流冲击力来纠偏，只设置了导向定位器控制吊箱下沉时的偏位。导向定位器由两部分组成。一首先将360mm槽钢焊接在吊箱侧板的设计位置上做导向轨道，然后在吊箱底板人水时将撑架滑轮焊接在护筒对应位置上做定位支撑。󰀀56.黑龙江交通科技2002年3.2.4钢吊箱结构的设计与施工验算根据钢吊箱施工作业期间各工况对吊箱整体及局部进行结构设计验算。现将计算思路及主要数据取值和主要使用公式介绍如下。(1)荷载取值依据按《公路桥涵设计规范》荷载组合V考虑钢吊箱设计荷载组合。基本水平荷载=静水压力十流水压力+其它基本竖直荷载=吊箱自重十混凝土重+浮力+其它各工况荷载组合根据实际情况进行取舍。其它项包括风力、施工荷载、撞击力等。主要数据取值:静力压力9.81kN/m2;水流速度1.5m/s;钢材容重78kN/m3，混凝土容重24kN/m3，水容重10kN/m3;风压200Pa，折减系数取1;船只冲撞考虑交通船W二5kN(按50%取值);混凝土与护筒粘结力取79t/m2o(2)计算工况①底节吊箱浮运到位后从水中起吊阶段;②吊箱拼装下沉阶段;③吊箱浇筑封底混凝土阶段;④吊箱抽水后及承台施工阶段。(3)主要计算部位①吊箱整体结构计算;②底、侧板局部强度和刚度计算;③内支撑计算;④抗上浮计算;⑤悬吊系统计算。双壁吊箱还需进行浮吊起吊吊点计算和抽、注水下沉计算。双壁吊箱底板的最不利工况是在封底混凝土浇筑将完成时，此时底板受竖向组合荷载M=封底混凝土重量+吊箱自重+浮力+部分仓内水重。实际计算中将面荷载简化为线荷载。侧板最不利工况是抽水完成及承台施工阶段，此时荷载组合M二静水压力十水流冲击力+船冲击力。实际施工中此工况隔仓中注水高程控制在2.5m左右，使侧板受力状态优于计算状态。内支撑最不利工况与侧板相同，除验算抽水完成阶段受力情况外，还需进行整体起吊时内支撑受力验算。钢吊箱在承台施工时的抗上浮计算是钢吊箱设计计算中的重要内容。在钢吊箱封底抽水后的上浮力F主要由钢吊箱重G,,隔仓注水重G2、封底混凝土重G3以及封底混凝土与钢护筒的粘结力f共同来克服，即GI+G:十G3+f>F。经验算，钢吊箱抽水所承受的浮力小于抵抗力，钢吊箱抽水后进行承台施工是安全的。上述部位在不利工况时经验算均是安全的。4施工工艺流程(见下图)预制工厂加工分块检验合格运至施工工地驳船浮运至施工桩位向隔仓内注水箱顶低于护筒顶下沉至吊面安装吊箱的悬吊系统接高吊箱调整导向及定位系统下沉至设计高程加固、堵漏进行封底混凝土浇注钢吊箱施工工艺流程图5钢吊箱施工双壁吊箱长34.02m，宽17.60m，高10.8m,不包括内支撑重量，计296t。水平、竖直方向分别分设二个隔仓。双壁钢吊箱在码头分块制作。底板与1,2,3,4号块预先焊接成一体，浮运至现场，成为首节。首节吊箱高度6.8m，重量为216t。次节吊箱由4块5号块和8块6号块组成，高度4.0m，重量80t。另有高度2.0m的顶节根据施工时水位情况备用。吊箱内支撑及角支撑重量68t，吊箱高度为10.8m时重量364t。吊箱单块重量均小于15t，以适合现场吊机及小浮吊的吊装能力。5.1钢吊箱加工5.1.1钢吊箱底板加工2002年第9期总第(103)期黑龙江交通科技。57。钢吊箱的底板是在工作平台上加工制作的。首先将底板的各种梁及肋焊接成骨架，然后在骨架上铺装钢板，钢板与梁、肋接触处全部焊接。最后根据实测的护筒的平面位置，在底板上放样，采用气割的方法进行割孔。5.1.2狈吐壁加工根据设计要求，钢吊箱的侧壁是分块制作的，每个块件的制做都在胎具上进行。首先将各种肋及内支杆制作成龙骨，然后将钢板点焊到龙骨上，并进行校正，使各部的相对位置准确，以克服翘曲，最后全部焊接牢靠。5.1.3首节钢吊箱拼装首节钢吊箱在工作平台上采用吊车拼装，首先由吊车将块件吊装就位，然后焊接两侧钢板，最后焊接龙骨。5.1.4质量控制钢吊箱在加工制做及拼装过程中，严格按照有关规范的要求进行质量检查，主要检查以下几个方面。(1)外型及各部尺寸的检查，主要采用尺量法。(2)焊缝的检查，主要检查焊缝是否饱满，是否咬边;同时对焊缝进行渗透检查。(3)底板预留孔检查，主要检查预留孔的位置及孔直径。同时将吊杆用涂胶的螺母紧固在底板分配梁上。首节吊箱浮运前，焊接底层内支撑，将上层内支撑临时焊接在底层内支撑上。5.2首节吊装就位钢吊箱的首节就位是采用300t浮吊吊装完成的。首节吊箱起吊前，潜水员将高程一5.8m附近护筒外表面钢肋和杂质清除干净，保证封底混凝土与钢护筒有效粘结。300t浮吊抛锚定位后，推轮将首节吊箱推至浮吊作业区，浮吊起吊首节吊箱，按实测筒位情况切割护筒预留孔后，将吊箱套人18根护筒中，底板人水。焊接撑架滑轮，调整吊箱平向位置后，吊箱人水自浮，300t浮吊撤离。5.3拼装及下沉向隔仓内注水下沉至吊箱顶面低于护筒顶面位置后，安装悬吊系统，将上层内支撑吊起悬挂在承重梁上。抽注水调平吊箱顶面，并将吊杆上端紧固在承重梁上。在吊箱侧板两侧搭设操作平台，然后用25t浮吊先短边后长边地对称拼装第二节吊箱。第二节吊箱拼装完毕焊缝检查合格后，抽水上浮吊箱，松开吊杆螺栓，注水下沉至设计高程，调平吊箱，将吊杆逐根拉紧到划线处后紧固。焊接16#块定位板将吊箱与护筒相对位置固定，割除撑架滑轮。向隔仓注水至江水高程，焊接上层内支撑。5.4堵漏所谓堵漏是指封堵钢吊箱底板与钢护筒之间的缝隙。钢吊箱堵漏是一项关键的施工环节。其施工质量直接影响到钢吊箱封底的成败。钢吊箱堵漏采用环形卡盘配以砂袋的方法。环形卡盘用5mm厚钢板加工而成，其外径大于底板预留孔直径50cm;内径与钢护筒外径相等。堵漏工作由潜水员在水中进行。首先安装卡盘，然后用砂袋封堵卡盘与底板以及卡盘与护筒之间的缝隙。全部封堵完成后，最后全面仔细地检查每一个部位，确认无误后进行下道工序。5.5封底混凝土浇注(1)利用上层内支撑搭设混凝土浇筑平台，水下混凝土采用直升导管分仓浇筑，先浇筑下游仓后浇筑上游仓。每仓设5根、共设10根直径300mm导管。(2)潜水员下水检查堵漏钢板和堵漏砂袋的位置是否准确。(3)用江上和水上拌合站同时供料浇筑水下封底混凝土，四角处导管分别冲球浇注，监测混凝土上升高度合格后，中间导管冲球浇注。(4)浇注及养生过程中注意使江面、吊箱仓内、吊箱内的水位基本一致，避免水压力造成封底混凝土品质下降，导致漏水。5.6内支撑平联养生期结束后，抽水至下层内支撑时，焊接平联上、下层内支撑，再抽水至封底混凝土。将隔仓内水位降至十2.5m左右，进行承台施工。6结论根据施工条件采用的施工方案，24#,25#墩采用双壁钢围堰，在实际施工中充分体现了其优越性。现就双壁钢围堰施工体会简要总结如下。(1)因地质条件复杂在钻孔桩工期延后的情况下，25#墩在洪水期进行围堰施工，因采用双壁钢围堰，经验算和对局部支撑加固，加高吊箱使顶面高程至7.0m，在施工水位+6.5m条件下，完成围堰施工，避免施工被动。(2)首节整体吊装解决了工期和吊装能力的矛盾，节省了7一10d。拆除钻孔桩平台后，24#,25#墩分别用44d和35d完成了封底混凝土浇筑。(3)双壁钢吊箱利用水浮力上升和下沉，便于操作和控制。(4)与单壁无底吊箱相比，减少用钢量91t、封底混凝土750耐。收稿日期:2002-03-19