水中墩钢套箱围堰施工技术

张 杰 何文胜

(中铁三局二公司，河北石家庄 050031)

1 工程概况

某特大桥跨主河道采用预应力混凝土连续梁，下部为35号～45号墩，其中35号、45号墩位于河道大坝边，36号～44号墩位于河道，40号～42号墩之间两孔为通航航道。

2 施工总体安排

钢套箱采取岸边制作、浮龙门上预拼底节，整体浮运至墩位、下沉就位锚定后向上接高。

根据桥址处的地质水文条件，42号墩、43号墩先搭设水中作业平台进行钻孔桩施工。

施工流程为:制作套箱→覆盖层清除→墩位处岩层渣石清除→拼组浮龙门及拼装平台→在平台上拼组底节套箱→将套箱提升悬吊→拆除拼装平台→底节钢套箱下水→接高第二、三节钢套箱→钢套箱整体下沉→底节套箱着床→水下探摸堵漏→钢套箱上布置平台→护筒埋设固定→封底混凝土施工。

3 水中墩施工方案

3．1 水中作业平台

42号、43号墩施工均采用搭设钢管桩型钢钻孔作业平台施工桩基础。水中作业钻孔平台平面尺寸为21 m×11 m。基础采用φ63×6 mm钢管桩，横桥向间距4．6 m，顺桥向间距最大为6．58 m;钢管桩顶顺桥向布置双拼2Ⅰ45型钢作垫梁，垫梁上横桥向布设贝雷梁，贝雷梁上再布置Ⅰ36作为分布梁，工字钢最大间距为1．0 m，除护筒口外，其余均铺设木板。平台顶面四周设1．1 m高护栏，平台顶面标高为33 m。

钻孔平台计算:

钻机重量按30 t计，按最不利受力，此时钻机所有重量全部集中在前横梁上，前横梁支撑在2根2Ⅰ36工字钢上，取其中一根工字钢进行受力分析，P=15 t。

贝雷梁上按最不利横桥向布置1台钻机，贝雷梁的控制弯矩按600 kN·m。

由于贝雷梁的支撑位置不是正对节点，所以施工中对各个支撑点都用2［20加强，2［20的截面面积远大于贝雷梁的竖杆截面面积，所以抗剪能满足要求。

按最不利，平台上一侧同时集中两台钻机钻进的工况考虑，下横梁承受的最大集中荷载是300 kN，偏安全考虑，抗弯时，认为其作用在跨中;抗剪时作用在支点。φ630 mm钢管最大受力按30 t计。

3．2 钢套箱

3．2．1 钢套箱结构形式

根据桥墩承台的尺寸大小，钢套箱设计为矩形。因钢套箱需要拆除，钢套箱内部尺寸比承台外围尺寸每边放大0．4 m，尺寸为10．4 m×13．6 m的6个承台，双壁围堰均设计成外径13．6 m×16．8 m的矩形;对12 m×14．4 m的1个承台，钢围堰底节节高度为 4．5 m，每节质量约 70 t。

钢围堰的主要材料:围堰壁板为δ6 mm钢板;水平环板12×180;纵向次梁(竖向)L70×70×6;水平斜撑及围堰壁板之间的对撑L80×80×6;竖向环板20×240，设置在斜撑对应的竖撑位置;斜向长支撑为2Ⅰ36b工字钢，支撑连杆连杆为Ⅰ36b工字钢;斜向长支撑端部竖向布置2Ⅰ36工字钢，作为分配梁，顶住围堰内壁;水平环板围堰顶面4 m范围为100 cm，其余均为60 cm。

3．2．2 钢套箱受力简算

1)主动土压力计算。为了简化计算可以采用简化的主动水土压力，简化的水土压力比计算的水土压力稍大些。由于围堰下沉至河床面以下时，围堰外侧的土体实际情况被扰动了，所以采用简化的水土压力是基本合理的。

2)受力计算的结果:钢桁的最大位移为7．4 mm＜17 000/150=113 mm，而面板的局部位移为 8－7．4=0．6 mm ＜400/150=2．7 mm，满足规范要求(GB 50017-2003钢结构设计规范附录A)。混凝土部分的位移为1．2＜17 000/500=34 mm，满足规范要求(《钢筋混凝土设计规范》3．3．2 条)。

内壁板的综合应力偏大，达到了166 MPa，主要是由于内壁板用的是4 mm厚，较外壁板薄，同时，隔舱注水的压力。所以在施工中一定要保证围堰隔舱内外的水位高差不能超过3．6 m。外壁板的最大综合应力为100 MPa，小于Q235钢的容许应力，是可靠的。

竖肋整体上的最大应力为273．5 MPa，超过允许应力，位于与大支撑支顶平面相对应的一圈，这是由于大支撑支顶的平面相对于其余的围堰平面刚度明显偏大，刚度突变，竖肋像连续梁，支撑就像支点，支点位置的应力偏高。这一点从局部应力图上也可以看出来，是在一个很小的范围内。考虑到钢结构局部超过允许应力后的应力重分布现象，应力会很快的降低，所以竖肋的设计是能满足要求的。

水平斜撑采用L63×6角钢，局部采用L80×6角钢加强。其最大应力为210．9 MPa，位于围堰转角位置的水平斜撑，从局部应力图上可以看出超标的范围在水平撑相交的很小的范围，按照钢材的延性设计理念，局部应力的超标，在钢材内部会应力重分布，所以局部的应力超标并不会影响结构的安全。总体上说，水平撑的设计是安全可靠的。大斜撑及分配梁采用2Ⅰ36b工字钢，其最大应力为46 MPa，安全。

混凝土最大拉应力为3．5 MPa，超过混凝土的容许拉应力1．27 MPa，但是属于某个点的急剧增大，这是应力集中现象，可以不考虑。另外，井壁与封底混凝土接触面的外侧，有一块区域最大为1．6 MPa，因为此区域只是考虑了索混凝土受拉，没有考虑围堰壁板及竖肋的受拉，所以是偏保守的，实际的结构受力中，混凝土的拉应力会有很大的下降。综上所述，混凝土受拉时是安全、可靠的。

混凝土最大压应力6．9 MPa，小于混凝土的容许压应力。

计算中考虑围堰中的水全部抽干，此时由于围堰井壁内已经浇筑井壁混凝土，同时可采取注水压重的措施，使围堰本身不上浮。计算中只要考虑桩基与封底混凝土的粘结力能抵抗由于水位差所形成的压力。根据钢结构生产厂家以及查阅论文或者资料，桩基与封底混凝土的粘结力可以取为500 kPa～1 000 kPa。封底混凝土考虑河床底面的不平整，按2 m考虑，水深13．7 m。

浮力:13．7×16．8×13．6×10=31 301 kN。

粘结力:8×3．14×2×2×500=50 240 kN，满足要求。

混凝土最大拉应力为0．95 MPa，小于混凝土容许拉应力1．27 MPa。

墩位处桩基穿过全风化花岗岩位于中风化花岗岩中，抗拔计算中考虑最差的地质，极限摩阻力取为200 kPa，桩长全部按4 m计算。

抗拔力:8×3．14×2×4×200=40 192 kN ＞31 301 kN，满足要求。

3．2．3 钢套箱施工工艺

1)场地平整、钢套箱分节加工。在岸边滩涂上进行场地平整，硬化一块100m×100m的场地作为钢套箱的加工场。每个套箱分三节进行预制，每节分为10片，单片重量8 t以内。

2)挖渣船就位、墩位处清理覆盖层。挖渣船由8个标准舟节组成，先确定墩位处承台轮廓的水面区域，对承台长、宽方向各扩大2 m即为清除面积，用长臂挖掘机对河床覆盖层进行清除。

3)拼组浮龙门、拼装平台、浮吊及运输船。浮吊分为20 t和10 t浮吊两种，20 t浮吊底盘由13节标准舟节组成，10 t浮吊底盘由10节标准舟节组成;器材进场后，先拼装浮吊。运输船由4节标准舟节组成两条舟体，将两条舟体拉开2．7 m空档。通过3片8．1 m公路桥面连接成整体。浮龙门拼组完成后，在浮龙门空挡处安放5组双榀贝雷梁，贝雷梁上面用型钢铺设，组成钢套箱底节拼装平台。

4)底节围堰拼装及下水。钢套箱按施工设计图纸在岸边码头上加工单元，利用浮吊将各单元吊装到拼装平台上进行钢套箱拼组。底节拼组完成后，锁定焊接，全面仔细检查各焊缝有无气孔、夹碴、漏焊等处，并进行水密试验。确认焊接良好并不漏水。经检查验收合格后用机动舟将浮龙门推至墩位处锚定，利用安装在浮龙门浮吊将第一节套箱吊起，拆除拼装平台，缓慢下沉底节钢套箱。

5)钢套箱接高。运输船运输第二节套箱单元壁板至墩位处，用浮吊吊装单元壁板在底节套箱上拼装接高。为确保第二节单元的稳定性，需要在底节内外壁板上各焊接一根18号槽钢进行限位，每个单元均设置一组，露出长度按1．5 m控制。吊装接高时，对称拼装，随时调整，待全部点焊成型后，方可全面焊接。拼接施焊中，先焊环板，后焊内壁，再焊外壁，并按对称施焊要求进行。为保证内、外壁垂直焊透，以碳弧气刨使内外壁封底焊完全见白，然后内外壁焊缝再焊两遍。

6)钢套箱着床及下沉。钢套箱每接高一节即均匀灌水下沉，预留一定的干弦高度，以便接高下一节时的对接施焊作业。当套箱焊接完毕后，对套箱隔舱内灌水同步下沉并纠偏，当距河床标高50 cm左右时即停止灌水下沉，用全站仪定位。

7)刃脚支垫及封堵。刃脚下到标高后，下潜水员用2 cm的钢板焊成楔形盒子支垫钢围堰刃脚，以确保钢围堰的稳定，为保证封底混凝土的可靠性，用袋装水泥封堵围堰内刃脚。

8)搭设平台、安放护筒。支垫完毕后，在钢套箱顶部搭设平台并预留钻孔桩桩位，将护筒从预留孔下放至河床上并与平台连接在一起，待护筒全部沉放固定完毕后，即可进行封底工作。

9)水下混凝土封底。混凝土灌注采用垂直导管水下灌注，根据混凝土的流动半径，在围堰平台上布设导管，准备就绪后进行封底混凝土作业，混凝土由陆地上拌合站供应，通过轮渡运输到墩位处。

4 结语

通过现场实际施工检验，水中墩钢围堰施工技术成熟，能够满足安全要求、保证质量。

［1］赵景方．深水钢板桩围堰设计与施工［J］．山西建筑，2013，39(10):169-170．