渝懷鐵路嘉陵江特大橋13#墩承臺單壁鋼吊箱圍堰設計與施工

渝懷鐵路嘉陵江特大橋13#墩承臺
單壁鋼吊箱圍堰365JT設計與365JT施工

張愛花賈衛中
(中鐵大橋局集團一公司)

摘要井口嘉陵江特大橋13#主橋墩為深水高樁大體積混凝土承臺基礎,位于嘉陵江主河槽,采用單壁鋼吊箱圍堰施工承臺,速度快,質量優,效益好.
關鍵詞井口嘉陵江大橋主橋墩基礎承臺鋼吊箱設計施工
1工程概況
井口嘉陵江大橋為Ⅰ級鐵路雙線橋,其主橋為84+144+84m預應力混凝土連續剛構。13#主橋墩基礎采用16根φ2.5m的鉆孔灌注樁，橫橋向共6排，中間四排每排3根，橫向間距除距橋軸線一排為5.6m外，其余為5.2m，縱向間距為6.8m，兩邊各一排，每排2根，與中間樁呈梅花布置，橫向間距為3.94m，與縱向間距為6.8m，樁長42.0m。承臺為臺階式，下臺階厚4.0m，上臺階厚3.0m，承臺橫截面為園端形，下臺階順橋向寬17.7m，橫橋向總長29.0m，上臺階順橋向寬13.2m，橫橋向總長22.23m，下臺階承臺頂面標高+165.27m，底面標高+161.27m，上臺階承臺頂面標高+168.27m。13#墩位于嘉陵江主河槽，墩位處河床標高142.63～148.38m，按施工水位+173.5m計，墩位處水深達30多米，設計流速V1/300=3.62m/s.為此，采用鋼吊箱圍堰的施工方法進行承臺施工。
2 鋼吊箱設計條件
鋼吊箱圍堰是為承臺施工而設計的臨時阻水結構，其作用是通過吊箱圍堰側板和底板上的封底混凝土圍水，為承臺施工提供無水的干處施工環境。
2.1工況條件
根據鋼吊箱圍堰施工工作時段及設計受力狀態，可按以下幾個工況進行分析：
①拼裝下沉階段；
②封底混凝土施工階段；
③抽水后承臺施工階段。
2.2水位條件
根據《嘉陵江井口大橋水文資料分析成果報告》及吊箱施工時間安排，確定鋼吊箱設計抽水水位為＋168.0m。
2.3結構設計條件
綜合各工況條件、水位條件確定鋼吊箱結構設計條件：
圍堰平面內凈尺寸：29.0m×17.7m,圓端形,半徑為14.5m(與承臺平面尺寸相同,考慮吊箱圍堰側板兼做承臺模板)；
側板頂面設計標高：168.5m；
底板頂面設計標高：159.57m；
內支承標高：165.72m；
設計抽水水位：168.0m；
鉆孔平臺下弦系統線標高:172.0m。
2.4工期要求：
該橋為渝懷線十大重點控制工程之一，工期十分緊張，主墩必須在一個枯水期內施工出水面。只有在二00二年三月底將承臺灌筑完畢，才能保證墩身在四月底施工到+186m這一洪水期水位之上。
3 設計依據：
3.1《井口嘉陵江特大橋設計圖》
3.2《鐵路橋涵設計手冊》（TBJ—96）
3.3《鋼結構設計手冊》（GBJ17—88版）
4 鋼吊箱的構造簡介：
4.1構造形式選擇
根據鋼吊箱使用功能，將其分為側板、底板、內支撐、吊掛系統四大部分。其中，側板、底板是吊箱圍堰的主要阻水結構，根據鋼吊箱設計條件，我們對吊箱側板結構的單壁、雙壁兩種方案進行了比較，比較結果見表１。


吊箱側板單、雙壁方案比較
表１
內容方案 優點 缺點 選擇方案
單壁結構 １、 節省材料，加工方便，加工質量易控制；２、 裝、拆方便，可兼做承臺施工模板；３、 承臺施工完畢，拆除側板又可作為梁部０#塊的施工模板；４、 下沉工藝簡單、節省時間；５、 在鉆孔平臺下拼裝側板，焊接工作量小，拼裝容易。６、 側板材料用量135噸，底板材料用量66.6噸，內支撐材料用量40噸，合計241.6噸 側板剛度小，內支撐材料用量多
雙壁結構 １、 吊箱拼裝及下沉充分利用水的浮力；２、 側板剛度大，內支撐材料用量少；３、 下沉不用大型起吊設備；４、 側板材料用量200噸，底板材料用量80噸，內支撐材料用量20噸，合計：300噸 材料用量多，加工難度大，在鉆孔平臺下拼裝側板難度大；焊接工作量大；下沉工藝復雜，工期長

由表１可以看出，側板單壁節省材料，加工方便，拼裝簡單，質量容易控制，投入少，工期短，故側板選用單壁結構。
4.2結構構造簡介（見圖１）
①底板
吊箱底板由底模托梁和底模組成，底板平面尺寸為18.4m×29.7m，底板高0.361m，重量為66.6噸。底模托梁為井字梁結構，樁間設置縱、橫梁。縱梁（順橋向）為主梁，共設10道，每道由通長2[28a組成，橫梁(順水方向)為次梁,間距為0.77m～1.15m，由I22b組成，橫梁與縱梁用螺栓連接，水封


吊桿設在縱梁上。底模為肋板式焊接結構，底板為δ＝6mm,肋為δ＝6mm板條，分12種型號共75塊置于底模托梁上并與其焊接。
②側板
側板采用單壁結構，為肋板式焊接結構，由型鋼和8mm鋼板焊接而成。側板高度方向分為上、中、下三層，分別為3.35m、3.0m、2.58m。每層分為26塊，其中圓端形方向分6塊，直線段方向分7塊，共計78塊。單塊最重為1.8噸，側板總重135噸。分塊的原則主要是為了縮短基礎施工周期，在鉆孔樁施工的同時側板拼裝要在鉆孔平臺以下與水面以上凈空為4m范圍內進行，加上無法使用大的起吊設備，所以分塊較小。吊箱下層側板。與底板及上、中、下層側板之間的水平縫和豎縫均采用坡口焊縫焊接，以防漏水。側板的面板為δ＝8mm鋼板，豎楞均為I25a工字鋼，間距為640mm或655mm，水平加勁肋為L63×40角鋼或δ＝10mm鋼板組焊成“T”字型加勁，間距為500mm～700mm，隨水深而變化。為了保證豎楞I25a外翼緣不失穩及全截面受力，且避免在運輸過程中側板產生超標變形，在上、中、下側板適當位置，每層設了由δ＝10mm鋼板組焊成“T”字型水平加勁兩道，“T”字型的外邊與I25a外翼緣平齊。
③吊箱內支撐
內支撐由內圈梁，水平撐桿及豎向支架三部分組成。
內圈梁：內圈梁設一層，設在吊箱側板的內側，高程為165.72m，由2I45b或箱形板結構組成的水平環，安裝在側板內壁牛腿上。內圈梁的作用主要是承受側板傳遞的荷載，并將其傳給水平撐桿。水平撐桿為井字結構，桿端用螺栓與內圈梁連接成一體，縱向水平撐桿由2[22b組成，橫向水平撐桿由φ273mm鋼管組成,各桿間均通過法蘭盤用螺栓連接,豎向支架為格構式結構,立桿為∠75×75×8角鋼,綴板為δ＝8mm鋼板,豎向支架的作用主要是支撐水平撐桿。豎向支架的底端焊接到底板上,上端與水平撐桿焊接。
④　吊箱吊掛系統：
吊掛系統由縱、橫梁、吊桿及鋼護筒組成，吊掛系統的作用是承擔吊箱自重及封底混凝土的重量。
橫梁：橫梁（順橋向）共計6排，均設在鋼護筒頂，由大榭島斜拉掛籃的主梁、橫梁組拼而成。橫梁的作用是支承縱梁，并將縱梁傳遞的荷載（通過護筒）傳遞至基樁。
縱梁：縱梁（順水方向）設置在橫梁上，共8排，由大榭島斜拉掛籃的主梁、橫梁組拼而成，縱梁的作用是支承吊桿，并將吊桿荷載傳遞給橫梁。
吊桿：吊桿是由l32mm精扎螺紋粗鋼筋及與之配套的連接器、螺帽組成,共80根吊桿，重11.2噸，吊桿下端固定到底板的托梁上，上端固定到吊掛系統的縱梁上。吊桿的作用是將吊箱自重及封底混凝土的重量傳給縱梁。
⑤下沉起吊系統
起吊系統由吊點、吊帶、千斤頂組成，吊點分上吊點、下吊點，上吊點設在鉆孔平臺頂面上。下吊點設在吊箱下層直邊側板外側，共4個下吊點，吊點中心相距11.52m，吊帶為40mm×320mm的鋼帶（16Mn鋼）。
⑥吊箱定位系統
鋼吊箱下沉入水后受流水壓力的作用，吊箱圍堰會向下游漂移，為便于調整吊箱位置，確保順利下沉，在吊箱側板內壁與鋼護筒之間設上下兩層導向系統，第一層設在距圍堰底板1.93m處，第二層設在距圍堰底板4.73m處，每層8個導向。
5 設計計算
根據鋼吊箱圍堰施工時段分析進行結構設計驗算，利用設計計算程序SAP93進行空間模擬計算，僅就計算思路簡單介紹，具體計算過程從略。
5.1荷載取值依據
由《鐵路橋涵設計規范》（TBJ-96）荷載組合V考慮鋼吊箱圍堰設計荷載組合。
水平荷載：∑Hj＝靜水壓力+流水壓力+風力+其他；
豎直荷載：∑Gj＝吊箱自重+封底混凝土重+浮力+其他；
其中：單位面積上的靜水壓力按10KN/㎡計，水壓隨高度按線性分布；
流水壓力按橋址處實測流速：V=2.0m/s；
風速很小，在此可忽略；
封底混凝土容重;γ=23KN/m3；
水的浮力:γ=10KN/m3；
5.2計算內容
①吊箱拼裝（上、中、下三層逐層入水）下沉計算；
②吊箱結構設計計算；
③封底混凝土施工階段計算；
④抽水后吊箱計算。
5.3計算
綜合工況條件分析和計算內容，對鋼吊箱各部分取最不利受力工況進行計算。
①底板主要承受封底混凝土重量和吊箱自重。荷載組合為混凝土自重+吊箱自重+浮力，此外，還要對吊箱入水時底板受力情況進行復算。吊箱吊掛系統與底板一起進行驗算。
②側板以承受水平荷載為主，最不利受力工況為抽水階段，側板計算包括豎肋、水平加勁肋、面板、豎肋拼接處及焊接的內力、變形及應力計算。另外，還要對吊箱逐層入水及承臺施工等階段側板受力情況進行復算。內支撐系統與側板計算，在側板驗算的同時完成驗算。
③吊箱拼裝下沉階段主要與吊箱自重有關，以三層拼裝完成下沉時為最不利進行計算控制，并據此計算結果設計吊點、吊帶。
④抗浮計算分兩個階段：一個階段是吊箱內抽完水后灌筑承臺混凝土前，另一個階段是澆筑完承臺且混凝土初凝前。
吊箱自重+水封混凝土自重+粘結力>浮力
吊箱自重+承臺混凝土重+水封混凝土自重<粘結力+浮力
⑤封底混凝土強度驗算：要驗算封底混凝土周邊懸臂時的拉應力和剪應力，以及中間封底混凝土的拉應力和剪應力。
6鋼吊箱施工
13號主墩控制全橋施工工期，不僅施工難度大，而且施工工期十分緊張。若采用在鉆孔樁施工完畢后拆除平臺，在平臺上拼裝下放鋼吊箱的施工方法，需要大型起吊設備，且投入多，工期長，很有可能在一個枯水期內不能把基礎施工出水面。因此，采取非常規的施工方法：在鉆孔樁施工的同時交叉作業拼裝下沉鋼吊箱，不僅減少了施工投入，而且縮短了施工周期，取得了顯著成效。
6.1吊箱拼裝及下沉
吊箱拼裝及下沉分三步。第一步，拼裝底板及第一節圍堰側板。在鉆孔平臺下弦設滑道，用來運送側板至拼裝位置。水面以上鋼護筒外側焊臨時支承，拼底板托梁，焊接底模，并在其上拼裝內支撐豎向支架，然后拼裝下層側板、上下吊點、吊帶，第一節圍堰入水。第二步，拼裝中層側板及豎向支架，圍堰下沉。第三步，拼裝上層側板、豎向支架及內支撐。圍堰下沉至設計標高，安裝吊桿進行體系轉換，圍堰全部由吊桿吊掛，將吊帶拆除。每塊側板焊縫均進行煤油滲透試驗。
圍堰下放主要設施包括四個主吊具及其升降系統和八個輔助吊具。主吊具由主吊點和吊帶組成，吊具升降系統由錨箱、油壓千斤頂、升降梁和穩定架組成。輔助吊具采用精軋螺紋鋼吊桿。當提升圍堰時先提升主吊點，后提升輔助吊點；當下放圍堰時先松放輔助吊點，后松放主吊點。主輔吊點交替進行，每次升降高度嚴格控制在50mm以內，主輔吊點升降幅度應一致，避免圍堰扭曲變形。
6.2吊箱定位與堵漏
由于在圍堰側板設有導向定位裝置（該裝置是根據護筒的實際偏位設計的），因此，吊箱下沉到位后其平面位置偏差均在施工規范允許誤差范圍以內。用鋼楔將導向與護筒之間的間隙抄死，用角鋼把圍堰頂口與鋼護筒焊牢，確保吊箱圍堰在后續的水封施工中不得有平面位移。然后用兩臺千斤頂從上下游兩端對稱地逐一對80根吊桿進行調整，使其受力均勻，調整吊桿時油表讀數達到10MPa即可。
全部吊桿調整完畢后，潛水員下水用蛇形袋堵塞鋼護筒與底板之間的空隙。
6.3灌注封底混凝土
封底混凝土的作用一是作平衡重的主體；二是防水滲漏；三是抵抗水浮力在吊箱底部形成的彎曲應力；四是作為承臺的承重底模。封底混凝土灌注是吊箱圍堰施工成敗的一大關鍵。主要難點是水下混凝土灌注面積大，而且水位不穩定，為了保證混凝土質量，在施工中采取了以下幾點措施：
①吊箱定位后至水封前，每天測量其平面位置，觀察吊箱是否穩定。
②水封前潛水員逐一對16根護筒四周進行認真檢查，以確保封底時圍堰底板不漏混凝土。
③將吊箱圍堰分為三個倉，進行兩次水封，先封中倉，布置12根水封導管。再封上下游兩個倉，各布置10根水封導管。
④制做兩個10.0m3儲灰總槽，以確保每根導管砍球后埋深不少于0.5m，并在水封過程中始終有約5.0m3的混凝土儲存量，在混凝土供應中斷時備用。圍堰封底混凝土厚度1.7m，封底凈面積381m2，采用C30混凝土共計648m3。
6.4灌注承臺混凝土
封底完畢七天后，抽干吊箱內積水，沒有漏水現象，說明水封很成功。拆除上掛梁、吊桿，割除鋼護筒，清除高出承臺面的封底混凝土，用超聲波法和小應變法檢測樁基質量，然后按傳統的方法安設承臺鋼筋，灌注承臺混凝土。
7結束語
井口嘉陵江大橋13#墩基礎承臺為深水高樁大體積圓端形承臺，施工難度大，結合實際情況，施工采用單壁鋼吊箱圍堰進行設計施工，取得了顯著成效。
①速度快，節省工期：邊鉆孔邊拼裝圍堰，2002年2月6日鉆孔樁水封完畢，至2002年2月25日下沉到位并封底成功，僅用19天時間。
②質量優：因吊箱圍堰結構設計合理，定位準確，無滲漏現象。
③效益好：因單壁鋼吊箱結構設計合理，節約了數十噸鋼材，加之吊箱側板又兼作承臺施工模板，節省了模板費用，合計節約資金近20萬元。
參考文獻
1.鐵道部第三堪測設計院《鐵路橋涵設計規范》鐵道部建設司標準科情所組織出版TB10002.1-99
2.羅邦富.魏明鐘.沈祖炎.陳明輝《鋼結構設計手冊》中國建筑工業出版社GBJ17-88版
3.SAP93設計計算程序