强涌潮水域钢吊箱围堰设计与施工

    蒋春晖

    摘 要：本文以嘉绍大桥南岸引桥钢吊箱施工为背景，介绍了强涌潮条件下承台钢吊箱的设计与施工经验。对强涌潮水文条件下双壁钢吊箱的设计参数的取值探讨与确定，并对涌潮条件下进行大型钢吊箱施工工艺进行了阐述，尤其对下放时机选择、沉放工艺、体系转换工艺等关键技术进行了重点介绍，为后续恶劣水位条件下进行大型钢吊箱施工提供借鉴。

    关键词：强涌潮水域；钢吊箱围堰；设计与施工

    中图分类号：U655 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2017）07-0050-03

    钢吊箱作为桥梁施工的辅助措施目前已经被广泛应用。钢吊箱需要经历安装、下沉和封底等多个工序。在常规河流中，流速不大，钢吊箱施工的各个工序风险较小。但是在强涌潮条件下，受剧烈的涨落潮水文影响，各个工序存在较大的偏位和结构失稳风险。如何在强涌潮和大流速条件下进行钢吊箱结构的设计和施工存在较大困难。本文结构嘉绍大桥的施工管理经历，以嘉绍大桥钢吊箱的成功经验供借鉴。

    1 工程背景

    嘉绍大桥位于举世闻名的钱塘江大桥起潮点附近，桥位区河床宽浅、潮强流急、涌潮汹涌，桥区水域涨落潮流路分歧，河床变化剧烈。根据桥址断面短期观测资料，历时，平均涨潮历时3h34min，平均落潮历时8h51min；测点最大涨潮流速为6.65m/s，测点最大落潮流速为4.40m/s。100年一遇设计涌潮高度为3.0m，5年一遇设计涌潮高度为2.5m。涌潮试验得到桥位附近涌潮流速可达9.0～10.0m/s。涌潮产生的水动力对桥墩建筑物的作用主要集中在低水位以上1倍涌潮高度范围内。

    南岸跨规划大堤引桥桩基础采用群桩基础，承台采用对水流适应性较强的圆形承台。承台直径13.2m，顶面标高设计为-2m，承台混凝土厚4m，封底混凝土厚2m。承台混凝土厚4m。

    2 钢吊箱设计及验算

    2.1 钢吊箱设计

    考虑钱塘江涌潮及水深的影响，承台采用双壁钢吊箱结构；根据前期的水文勘测资料和过程的观测资料，钢吊箱按下列条件进行取值设计。

    2.1.1 设计条件

    A.水位

    施工期最高水位： +7.36m（20年一遇） 施工期最低水位： -2.91m（20年一遇）

    B.设计高程

    钢护筒顶标高：+10.0m 吊箱顶标高：+8.0m

    吊箱底标高： -8.0m 泥面标高：-9.0m

    2.1.2 钢吊箱结构

    钢吊箱总高均为16m，壁厚1.2m，一次性下放重量最大，约170t。钢吊箱为全焊水密结构，由双壁结构和1.3m单壁防浪板组成，钢吊箱双壁结构的高度均为17.3m。

    钢吊箱沿高度方向不分节。单节最大重量不超过30t重量。根据现有80t履带吊的性能参数和现场钢平台的结构布置形式，现场钢吊箱拼装配置80t履带吊满足拼装要求。

    各个钢吊箱结构布置如下图：

    2.2 钢吊箱结构验算

    2.2.1 设计工况

    将钢吊箱从起吊下放施工开始到钢吊箱的使用分为以下四个状态：起吊下放、浇注封底混凝土、抽水以及浇筑承台。本次计算将壁体与底板分开计算，计算内容以及各对应的控制工况如下表所示：

    2.2.2 结构计算

    A.浇注水下封底混凝土

    建立有限元模型如下图所示：

    经计算，底板构件均满足受力要求。其中以底板面板受力最不利，其综合应力经计算可达145Mpa，主梁和次梁综合应力较小。拉压杆作为封底混凝土浇注时最主要受力构件，经验算其低潮时最大拉力达200KN，满足结构受力要求。

    B.钢吊箱抽水计算：

    建立钢吊箱及封底混凝土有限元模型。经计算，查得各构件综合应力及位移如下表所示：

    C.拉压杆计算：

    采用2[8作为拉压杆主材， ，拉压杆抽水时其计算长度按一端固定，一端铰支计算。计算长度：

    拉压杆的稳定性满足要求。

    通过结构计算可知，钢吊箱在吊箱和承台施工的过程满足各个控制工况的受力要求，结构安全可靠。

    3 鋼吊箱安装施工

    3.1 安装总体工艺

    钢吊箱总高度16m，单个钢吊箱最大重量约170t。受桥位水域水流流速、流向、水深和潮位的影响，大型起重船无法进驻现场，无法采用常规起重船整体下放工艺。综合考虑钢吊箱重量、水文及波浪等条件，均采用分片加工，用现场布置的80t履带吊在钢牛腿（安装在钢护筒上）上安装，然后用千斤顶整体起吊，割除牛腿，下放入水；然后注水下沉的施工工艺。安装工艺流程如下：

    吸泥进行泥面预处理→钢平台拆除→钢吊箱支撑钢牛腿安装→分片吊装、焊接钢吊箱（吊箱下放导向装置安装）→安装悬挂承重架→安装吊装千斤顶及吊挂装置（吊箱密封性能检查验收）→整体吊起钢吊箱并割除钢牛腿→钢吊箱整体下放入水→吊箱内注水→钢吊箱继续下沉就位→安装拉压杆→浇注封底混凝土。

    3.2 关键施工技术

    3.2.1 吊箱安装准备

    （1）泥面处理：根据承台泥面标高监测情况，受强涌潮影响，泥面在钢吊箱下放前出现波动，自-8m抬升至-6m。因此，施工前采用搅吸式挖泥机进行吸泥强排，降低泥面标高。

    （2）强涌潮区的导向装置安装：导向装置是钢吊箱能否顺利下沉到位的关键。尤其是强涌潮条件下，导向装置是钢吊箱能否满足下沉精度的前提。为了保证钢吊箱准确定位安装，在钢护筒外侧+2m～+8m区间设置导向限位装置，较常规导向长度提高一倍，确保钢吊箱下沉的倾斜度和平面位置。护筒上的导向采用Φ426×6钢管制作；导向钢管内灌注C30自密实混凝土，提高导向刚度。同时，钢护筒导向与钢吊箱整体起吊下放的挂腿有机结合成一体，挂腿在钢吊箱下沉后不割除，由于设置在封底混凝土标高以上，可在封底抽水以后割除。挂腿和护筒导向平面布置见下图：

    （3）承重架安装和沉放设备配置：①沉放设备安装前安装吊挂装置即承重架，焊设承重架的钢护筒和焊设导向的钢护筒错开设置。同时焊设在钢吊箱内壁的挂腿兼做钢吊箱下沉的下层导向。为确保承重架底口挂腿（封底完成后拆除）在钢吊箱封底时不埋入封底混凝土内，挂腿标高为+7.806m，下放到位后挂腿仍处于封底混凝土顶面以上。因此，承重架直接放置于钢护筒顶口，标高为+10m。钢护筒无需接高。钢吊箱4个承重架，单个承重架承受的荷载（含动载）超过100t以上，因此承重架即接高的钢护筒顶口需要做加强处理。具体做法是在护筒的顶口设置承重桩帽，桩帽外侧设置加劲板内侧设置加劲肋，然后在桩帽上布置由钢板加工的箱型构造的承重梁。同时，对钢吊箱挂腿处须进行壁体加强，确保吊箱整体受力。②采用4个吊挂点每点1台，共4台350t的液压千斤顶进行沉放作业。选用1套主从随动控制液压提升系统，该系统主要由提升千斤顶，液压系统和同步控制系统构成，它具有激光精密测距和计算机准确控制的功能。适用于超大、超重、超高结构的整体吊装，其同步精度达毫米级。

    3.2.2 双壁钢吊箱现场拼装

    （1）钢吊箱壁体分块运输：钢吊箱在后场加工基地加工厂分块加工制作（分块重量均小于30t），平板车运抵拼装现场。

    （2）测量控制及吊装设备准备：①为减小竖向拼缝的错台，在拼装之前需对焊设在钢护筒上的所有钢牛腿的高程进行二次精确复测调控；并在钢牛腿上测设出壁体的理论外廓线（刃脚部位）和装配定位线。并用油漆标记每个块件安装线，注明分块编号，拼装时严格按安装线进行块件就位。②壁板采用1台80t履带吊对称拼装。即拼装时应按上下游或南北方向对称的次序依次吊装，对称焊接。

    3.2.3 钢吊箱下放

    （1）整体下放：①钢吊箱均采用千斤顶下放。下放时采用4点吊，钢围堰整体拼装到位后，开始安装千斤顶和下放钢绞线束。②首先在4个承重架上分别安装1只350t穿心千斤顶并安装好撑脚和工具锚。然后开始穿下放钢绞线束。钢吊箱下放最不利工况为吊箱内注水后经历低潮位。偏安全按吊箱内注水9m而吊箱无浮力。吊箱自重加注水总重以580t计。③Φ15.24mm钢绞线公称抗拉强度1860Mpa，单根受力控制在15t 左右。一个牛腿需布设钢绞线按20根计。校核时，按单点失效，三点受力验算。则钢绞线的安全系数为K=15t×20/（580/3）=1.55，受力满足要求。④下放过程中用1台油泵控制2台千斤顶，尽可能保证下放同步，确保各顶受力均匀。发现个别顶受力过大时，需停止排查出故障后继续下沉，切忌盲目快速下沉。

    （2）下放时机的选择：①在强涌潮条件下，合理选择下放时机可有效规避不利的水文条件，对钢吊箱下放能否成功至关重要。钢吊箱下放千斤顶单个顶行程按30cm控制，12.5m下放高度需经历42个下放行程，单个行程平均按3min控制，则整个围堰下沉入水到位，可控制在2小时左右完成。②综合考虑吊箱受力和钱塘江潮水情况。考虑吊箱下放时千斤顶始终受力。避免出现吊箱浮力大于吊箱自重工况的出现。故采取高潮位时下放。整个下放过程在一个潮水内（下一个涨潮开始前）完成。有效规避了钱塘江大桥涨落潮对下沉过程的影响。

    （3）注水下沉。钢吊箱拼装完毕后，采用千斤顶整体提升至拼装平台以上20cm处。割除拼装平台，整体下放至自由状态。根据设计计算，整体下放自浮入水4.63m。钢吊箱入水自浮后，钢吊箱夹壁内注水约4.28m（施工水位+1.0m），即可下沉至设计标高。

    （4）安装拉压杆及临时固定：①钢吊箱下沉就位后，及时对钢吊箱进行有效固定，防止受钱塘江潮水过快上涨，围堰因浮力过大而出现上浮。单个迎潮面采用6根HM588临时固定在钢护筒和钢吊箱之间。临时固定完成，迅速安装拉压杆。拉压杆安装时，宜选择潮位较低时进行。拉杆安装应遵循对称均衡的原则进行。②拉压杆采用双拼[8槽钢制作。经计算，单个拉杆受拉为40t。按吊箱最不利情况，即钢吊箱注水后经历低潮位时，需装配14根拉杆即可进行千斤顶卸载。③拉压杆装配完毕后，开始进行钢护筒表面泥皮处理，确保后续混凝土浇注后与钢护筒有良好的握裹力。泥皮清理完毕，通过封边板对钢护筒与吊箱空隙处进行封边固定。

    4 结语

    嘉绍大桥南岸跨规划大堤引桥主墩承台桥址处于钱塘江强涌潮区，水位环境恶劣，且受桥位水域水流流速、流向、水深和潮位的影响，大型起重船无法进驻现场。结合实际情况和施工经验，采用双壁钢吊箱围堰，现场分节组拼，千斤顶整体下放的形式进行设计与施工，施工质量、安全可控。且相比较常规钢吊箱下放，强涌潮条件下进行钢吊箱下放需关注导向设置和下放时机的选择。嘉绍大桥引桥进行钢吊箱下放时，采用加长导向，导向钢管内灌注混凝土提高刚度等措施，提高了钢吊箱下放位置的准确性，使吊箱一次下沉就位；且有效地适应了钱塘江高水头和大潮差以及桥位区强涌潮的影响。上述措施可为后续恶劣水位条件下类似工程施工提供宝贵经验。

    参考文献：

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