外封堵式预应力组合钢套箱施工新技术

严小卫，吴立柱

钢套箱作为桥梁水中承台实现干施工的常用方法，施工方法及施工工艺多种多样。按钢套箱壁体结构分为单壁钢套箱和双壁钢套箱；按套箱安装下放方法分为整体下放和工位分片拼装；按钢套箱壁体连接形式分为焊接和螺栓连接。本文论述的钢套箱施工，利用钢丝绳预应力系统将组合钢套箱4块壁体连接，保证套箱整体刚度及接缝处密水性，其优势是装拆方便、可重复利用、无需潜水作业。同时借助河床表层含有丰富黏土资源的有利条件，利用黏土对套箱进行外围封堵，达到套箱内部无需大开挖且干施工的目的。

1 项目背景

某大桥已建成30余a，急需改建。拓宽改造后的桥梁采用墙式桥墩，基础采用钻孔灌注桩桩基础，墙式桥墩坐落于强风化砾岩上。其中有24个承台位于水中，施工总工期12个月。

工程所处河床地层具有二元结构，上部粉质黏土层，平均厚度1 m左右，以黏粒为主；中部土层平均厚度2 m左右，为砾石加砂层，以花岗岩、安山岩为主；下层为不透水的基岩层，岩石为强风化至中风化砾岩，颜色灰白～深灰、灰褐色，中细粒结构，厚层状构造。土层分布情况见图1所示。

2 承台施工方案比选研究

通过对国内类似工程施工的研究，了解到对于浅水承台施工围堰主要有筑岛围堰、钢板桩围堰及钢套箱围堰3种方案。

图1 桥墩结构示意图Fig.1 Layout of bridgepier structure

1）筑岛围堰主要应用于近岸结构，需通过防洪评价，本工程不适用。

2）钢板桩围堰多应用于易沉桩地质条件，考虑到本工程承台下为强风化砾岩层，钢板桩无法直接打入岩层中，若采用植桩机，成本高且无法满足施工进度要求。

3）钢套箱围堰应用范围广，工艺成熟。但常规的钢套箱方案一般需将钢套箱下沉至承台以下一定的距离，使其满足封底混凝土的要求。对于本工程的承台，则需在钢套箱下放前将基岩挖除1.5 m以上的深度，水下凿除岩石成本高，效率低；水下爆破方式开挖基岩，则程序繁琐，对原桥梁结构安全风险大。

本工程所在河流下游有蓄水坝，河流水位比较稳定，河道平均水深约为2～4 m。该河流不通航，无法采用水上作业船舶。

结合工程实际情况，经综合分析决定研发一套外封堵预应力组合钢套箱技术。该技术利用了预应力组合钢套箱的操作方便性和可周转性，借助于河床表层具有丰富黏土资源的有利条件，利用黏土对套箱进行外围封底，达到密封套箱的目的。

3 预应力组合钢套箱结构

预应力组合钢套箱由若干片板块组成，竖向为整块板结构、设有若干竖向接头缝，板块端头使用型钢焊接成M形和V形，V形插入M形槽，中间垫橡胶片止水。用钢丝绳通过钢管转向形成U形兜住2块M槽模板。钢丝绳两端采用接头套筒与φ25 mm精轧螺纹钢连接将水平力转换为竖向力传出水面，通过张拉将套箱组合成整体[1]，钢丝绳预应力系统见图2。套箱壁体接头部位的处理见图3所示。

图2 套箱转角结构图Fig.2 Structural drawing of the corner of steel cofferdam

图3 套箱壁体接头结构图Fig.3 Structural drawing of steel cofferdam wall joint

由于本结构钢套箱为长方形，长度太大不利于吊装，长边壁板面板间需平行同心连接。为了保证连接的可靠性，在接头处设置接头预应力索和内置撑杆，撑杆用钢管加工，其与面板采用承插式，因此撑杆的规格应与面板上的开孔严格对应，同时撑杆与面板接触处应垫设橡胶止水环，见图4。

预应力组合钢套箱的最大特点是分片拼装无需潜水作业，将需要大型设备施工的工作变成只需小型设备即可完成，将整体式结构变成组合式并且可多次周转使用[2-3]。

图4 套箱长边结构图Fig.4 Structural drawing of the long side of steel cofferdam

4 改为钢套箱施工关键技术

4.1 钢套箱安装工艺流程

在桩基工程完成后，先进行基础（基坑）开挖和整平，然后进行钢套箱的组装拼接及安装，安装完成后进行穿索、张拉和锚固，钢套箱张拉完成后，在套箱周边填筑封堵止水[4-6]。

4.2 基坑开挖、整平

在桩基工程完成后，用长臂挖掘机站位在施工平台上开挖钢套箱围封范围附近的覆盖层，开挖尺寸大于套箱的外形尺寸2 m，一次开挖到设计标高。

4.3 套箱水下拼装

1） 套箱预处理

由于套箱长度较大，安装前需分节拼装，整个套箱分为5块次安装，两头的短壁各为1个吊装次，长壁按节段分为3节，对面壁板用上下共4个钢撑固定。

2） 套箱壁板吊装

钢套箱的安装在已搭设的平台上进行，由履带式起重机吊重安装。钢套箱分成5个安装块，由中间向两端对称安装，从安装第2块次起，每块次要与前次安装的块进行预应力连接。预应力采用钢丝绳施加，在套箱节块入水前将钢丝绳安放到位并连接好。

3） 穿索与张拉

预应力钢丝绳在安装顺水侧壁板前从张拉位置穿好，挂在壁板两端头的上部，在上游侧或下游侧壁板下落过程中，当到达设计位置时，将挂在壁板端头的钢丝绳取下，从上游侧或下游侧壁板的固定转向滚动支座上穿出，固定在上下游侧的壁板顶部。待全部壁板安装完成后，用拉杆连接钢丝绳，将拉杆穿好后，用2台穿心千斤顶同时张拉同一高度的钢丝绳至设计的预应力值，张拉到位后将螺母拧紧、固定。

4.4 套箱外黏土封堵止水

钢套箱张拉完成后，用挖掘机挖掘套箱周围河床上的黏土，用黏土填满钢套箱四周原有基槽。填筑时不能抛撒，应在挖掘机斗靠近泥面时采用反斗法将斗内黏土泻落在泥面上，到达一定高度后用挖掘机斗压实。为防止河水冲刷封底黏土，在黏土上部用卵石镇压，卵石的厚度控制在500 mm左右。

5 结语

应用“外封堵式预应力组合钢套箱技术”仅3个月就成功完成了该项目24个水中承台施工。此施工技术优点如下：

1）钢套箱的水下分片拼装速度快。

2）分片拼装或拆除无需大型起吊设备和潜水作业。

3）预应力系统及“W+V”接头可保证套箱壁体水密性和套箱整体刚度。

4） 分片壁体可组合并重复利用，施工成本较低。

5） 套箱外围黏土封堵可减少承台基础开挖量，且无需封底混凝土。

综上所述，该技术对于黏土较丰富的浅水岩基承台施工具有一定的推广应用价值。