【摘要】南京長江二橋北汊大橋主橋墩基礎承臺為深水高樁大體積混凝土承臺施工，位處長江北汊主河槽，采用單壁鋼吊箱圍堰進行設計施工，速度快，質量優，效益好。
【關鍵詞】南京長江二橋 北汊大橋 主橋墩承臺 鋼吊箱 設計 施工
一、工程概況
北汊大橋為預應力連續箱梁橋，全長2172m，主橋為90m+3*165m＋90m三跨變截面預應力連續箱梁橋，主跨目前在同類橋梁中亦居國內第一。
北汊橋22號（23號）主橋墩基礎采用18根φ2.50m的鉆孔灌注樁，橫橋向6排，縱橋向3排成矩形布置，縱間跨為5.0m，橫間距除橋軸線一排為6．40m外，其余均為5.0m，樁長（承臺以下）70.0m。承臺設計為高樁承臺，承臺尺寸為30.42m（長）*
14.00m寬）*3.50m（高），承臺頂面標高-0．50m，底面標高一4．00m。受基礎樁影響，橋位處河床斷面標高為
-9．00～-14.00m，為此，承臺施工采用鋼吊箱圍堰的方法施工。
二、鋼吊箱設計
用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。
1．設計條件
（1）工況條件
根據鋼吊箱圍堰施工作業時段，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）水位條件
南京河段距入海口約450km，位于長江下游感潮區內，非正規半日潮型，流量以雨水經流為主，同時受潮汐影響，每年5～10月為洪汛期，11月至次年單月為枯水期，洪峰出現在6～8月份。根據南京下關水文站統計多年水位資料推算本橋橋址潮位特征如表1。
由表1可以看出：橋址多年平均潮最高為6月份5．54m，平均潮最低為1月份1．28m，而根據吊箱施工時間安排，吊箱圍堰抽水將在3月份以后進行，此地平均潮位為3月份3.18m，基于此，我們確定鋼吊箱設計抽水潮位為+4.00m，以此潮位條件控制鋼吊箱設計。
（3）結構設計條件
綜合各工況條件，潮位條件確定鋼吊箱結構設計條件：
圍堰平面內凈尺寸：30.42m*14.00m（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+5．00m；
底板頂面設計標高-5．70m；
側板高10.70m；
底層內支撐標高±0.00m（承臺高度范圍內無支撐）；
設計抽水潮位+4．00m。
2．設計依據
（1）《南京長江第二大橋北汊橋第三階段施工圖設計》；
（2）《公路橋涵設計通用規范》（JTJ021-89）；
（3）《公路橋涵鋼結構及木結構設計規范》（JTJ025-86）；
（4）《鋼結構設計手冊》（GB17-88版）；
3．鋼吊箱構造簡介
（1）構造形式選擇
由鋼吊箱使用功能，將其分為側板、底板、內支撐、支吊系統四大部分。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2內容。
由表2可以看出，側板單壁節省材料，加工方便，質量容易控制，節省模板資金，下沉時間短，盡管需用大型起吊設備，但時間較短（兩個吊箱共需5～7d時間），綜合考慮，優點優于雙壁結構，故側板選用單壁結構。
（2）結構構造簡介（見圖1）
①底板
吊箱底板為井字梁結構，由型鋼梁和δ＝8mm鋼板焊接而成。底板平面尺寸為30．956m*14．536m，底板高0.328m，重量為49.47t。樁間設置縱、橫。
［32al字鋼梁，縱梁（順橋向）為主梁，除中梁因間距大、承載重設置3[32a工字鋼外，其余均為2[32a工字鋼，兩端各設置2[32a槽鋼。橫梁（順水方向）為次梁，中梁各設置2[32a槽鋼。縱、橫梁之間設置的斜撐（除端部吊桿梁外）為[16槽鋼。縱、橫梁之間設置[75*50*6角鋼加勁肋。吊桿梁設焊在縱梁（端吊桿梁除外）上為2[32a槽鋼。頂板為δ＝8mm鋼板，頂板與18根鋼護筒相交平面位置各留有直徑為3．064m圓孔洞，以利于下沉吊箱。
②側板
側板采用單壁結構，由型鋼和8mm厚鋼板焊制而成。側板高度方向分為下、上兩層，各層高度分別為6．20m和4．50m。每層分為10塊，其中長邊方向各3塊，短邊方向各2塊。兩層共計20塊。下層長邊側板分塊尺寸為10．135m*6．20m，每塊重量為
8．55t，短邊分塊尺寸為 7.181m*6．20m，每塊重 6．51t，下層側板總重 77．34t；上層長邊側板分塊尺寸為
10．135m*4．50m，每塊重4．62t，短邊分塊尺寸為7．181m*4．50m，每塊重3．32t，上層側板總重41．00t；上、下兩層側板總重124．56t。分塊的原則主要是便于加工及運輸，避免產生超標變形。吊箱下層側板與底板及上、下層側板之間的水平縫和豎縫均采用螺栓連接，縫間設置10mm（壓縮后為3～4mm）泡沫橡膠墊以防漏水。下層側板的豎楞（接縫角鋼除外）均為［25a工字鋼，間距為640mm；上層側板的豎楞為［12工字鋼，間距與下層側板相同。側板的水平加勁肋為（接縫角鋼除外）［75*50*6角鋼，間跨450～750mm，隨水深而變化。面板為8mm鋼板。側板的作用是與底板（包括封底混凝土）共同組成阻水結構，變承臺及部分墩身水上施工為陸上施工，另一用途是兼作承臺施工的外模板。
③吊箱內支撐
內支撐由內圈梁、水平支撐柱及豎向支撐柱三部分組成：
內圈梁：內圈梁分為上、中、下三層，設在吊箱側板內側，高程分別為+4.40m，+2.00m，±0.00m。分別為2[14、2［36a和4[45b工字鋼，內圈梁的作用主要是承受側板傳遞的荷載，并將其傳給水平支撐柱。另一用途作為拼裝側板的靠模。除下層內圈梁與側板之間采用連接焊縫焊接外，其余均采用間斷焊接；圈梁與水平鋼管支撐柱之間采用連續焊縫焊接。水平鋼管支撐柱：分為上、中、下三層，分別支撐在三層內圈梁上，承受圈梁傳遞的荷載。分別為φ203mm*8mm，φ245mm*8mm和φ299mm*10mm鋼管；水平鋼管支撐柱縱、橫方向交叉設置，縱向（順橋向）為通長鋼管，縱、橫向水平鋼管支撐柱相交處用支撐連接件連接。豎向支撐柱：豎向支撐柱分為中支撐柱和邊支撐柱。中支撐柱為桁架結構，立桿為4L100*100*10角鋼，水平桿及斜桿均為L75*50*6角鋼。邊支撐柱豎桿為2[18工字鋼，承重水平桿為［16a槽鋼（支承鋼管的），非承重水平桿及斜桿均為L75*50*6角鋼，牛腿水平桿及斜桿均為[18工字鋼。豎向支撐柱的作用主要是支撐水平支撐柱及內圈梁。豎向支撐柱底端焊接到底板上，上端分別與上、中、下三層水平鋼管支撐柱的連接件焊接。
④吊箱支吊系統
支吊系統由縱、橫梁、吊桿及鋼護筒組成。支吊系統的作用是承擔吊箱自重及封底混凝土的重量。
橫梁：橫（順水方向）梁，共計三排，分別設在鋼護筒頂上，每排橫梁由兩片貝雷組成。貝雷橫梁支點設專用支座（牛腿）焊接于護筒內側，采用U型螺栓將貝雷固定在鋼護筒內側的專用支座（牛腿）上。貝雷橫梁的作用是支承縱梁，并將縱梁傳遞的荷載（通過護筒）傳給基樁。
縱梁：縱（順橋向）梁設置在貝雷橫梁上，共12排，每排由2[56b工字鋼（搭設工作平臺用過的）組成。縱梁的作用是支承吊桿，并將吊桿荷載傳給貝雷橫梁。
吊桿：吊桿由φ32mm精軋螺紋粗鋼筋及與之配套的連接器、螺帽等組成，每個吊箱72根吊桿，重量6.5t。吊桿下端固定到底板的吊桿梁上，上端固定到支架的縱梁上。吊桿的作用是將吊箱自重及封底混凝土的重量傳給支架縱梁。
⑤下沉吊點系統
吊點系統供300t浮吊船安裝吊箱入水時使用。吊點設在吊箱底層長邊側板內側內圈梁處，每個吊箱設4個吊點，吊點中心相距15．25m，每個吊點設兩塊厚度δ＝40mm吊耳板、一根直徑φ115mm承重銷和4[28a加強帶。兩塊耳板中心相距640mm，焊于側板及內圈梁上，并用加勁板加強，耳板上設直徑φll8mm的圓孔，供安裝承銷使用，4根加強吊帶呈雙
"人'字開布置，焊于側板外側豎楞（[25a）上。安裝吊箱時，將一根長吊索（鋼絲繩）分別掛于300t浮吊船的主鉤及吊箱一側的2個吊點上，將2根短吊索分別掛于對價浮吊船的2個副構及吊箱另一側的2個吊點上。
③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，為便于及時調整吊箱位置，確保順利下沉，我們在鋼吊箱圍堰上設定位系統。定位系統由導向鋼板、定位孔、定位器（短型鋼）及調位千斤頂組成。導向板為厚度δ＝16mm鋼板，端部制成圓弧，分別焊于吊箱4個角部位的縱、橫內圈梁上，導向板端部至鋼護筒外壁之間留一定的空隙；定位孔是利用吊箱底板上靠上游的前排3個護筒孔洞作為定位孔，其位置必須和護筒-5．70m處位置保持一致；導向鋼板及定位孔的作用是控制下沉吊箱的平面位置。調位時用調位千斤頂進行。定位是在吊箱下沉到位后，封底混凝土凝固前，為防止水流壓力、波浪力及靠船力等動荷載對自由懸掛的鋼吊箱發生撓動，影響封底混凝土質量而設置固定裝置。定位主要利用鋼護筒的穩定性將下沉到位的鋼吊箱通過定位器與4個角的鋼護筒連成整體達到鋼吊箱的定位。
4．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。限于篇幅，在此僅就計算思路簡單介紹，具體計算過程從略。
（1）荷載取值依據
由《公路橋涵設計通用規范》（JTJ021-89）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／平方米 計，水壓隨高度按線性分布；
流水壓力按橋址斷面設計流速：V設=1．00m/s；
風速取設計風速： V風＝2．50m／s；
封底混凝土容重：γ=24kN／立方米；
水的浮力γw=10kN／立方米。
（2）計算內容
①吊箱拼裝（包括滑移入水、浮運）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抽水后吊箱止浮計算。
（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。底板受力以豎向荷載為主，其最不利受力工況應為封底混凝土澆注階段，此時底板受力荷載組合取封底混凝土重+吊箱自重+浮力進行驗算。此外還要對首節吊箱滑移入水及整體起吊下沉等階段底板受力情況進行復算。
②側板以承受水平荷載為主，其最不利受力工況為抽水階段，取此工況受力荷載組合進行側板計算。側板計算包括楞、水平加勁肋、面板、接縫螺栓及側板焊縫等物件的內力、變形及應力計算。另外，還要對吊箱滑移入水、整體起吊下沉、吊箱混凝土封底及承臺施工等階段側板受力情況進行復算，進行多重控制設計。
③內支撐系統與吊箱側板計算相關，所以在側板驗算的同時完成內支撐的驗算。
④吊箱支吊系統和底板一樣，以承受豎向荷載為主，受力驗算亦與底板計算一起完成。
⑤吊箱滑移入水階段除驗算吊箱底板及側板外，還要通過計算結果確定滑移設備，并對不良地基進行加固處理。
③吊箱浮運主要與流水壓力、風力、波浪及靠船力等因素有關，同樣以水平荷載為主，設計計算以此幾種荷載組合為最不利的情況下進行計算控制。并且還要對吊箱浮運穩定性進行驗算。
⑦吊箱拼裝下沉階段主要與吊箱自重有關，以豎向荷載為主，以整體起吊下沉為最不利進行計算控制，并以據計算結果設計吊點、吊具，選擇安裝設備。
⑧抗浮計算分兩個階段：一個階段是吊箱內抽完水后澆筑承臺混凝土前，另一個階段是澆筑完承臺混凝土后承臺混凝土初凝前；分別計算封底混凝土與鋼護筒間粘結力及吊箱圍堰的上浮力，使其滿足下式要求：
⑨封底混凝土強度驗算：封底混凝土主要承受吊箱、封底混凝土、承臺混凝土的自重和浮力，以豎向荷載為主。驗算分兩階段進行，階段劃分同抗浮計算，選取最不利荷載組合進行控制，驗算封底混凝土周邊懸臂時之拉應力和剪應力，以及中間混凝土之拉應力和剪應力。
三、施工工藝流程
施工工藝流程見圖2。
四、鋼吊箱施工
22號（23號）主墩承臺施工鋼吊箱圍堰結構尺寸大、自重大，目前在單壁鋼吊箱中位居國內第一，受加工、運輸和現場環境制約，造成施工環節多、施工難度高。針對現場實際，在完善結構設計、工藝設計的同時，我們對鋼吊箱的施工采用了靈活多變的施工方法，取得了顯著成效。
1．鋼吊箱加工
以鋼吊箱的結構構造看，底板、側板是吊箱加工的主要部分，而內支撐、支吊系統多以標準件為主，加工量較小。根據施工組織要求，吊箱要提前進行設計和加工。吊箱加工場地選在橋址上游江邊的修船廠，廠內有加工車間，距江邊150m，江邊并有簡易修船船臺可供利用。底板加工在簡易船臺滑道上進行，加工前在船臺滑道搭設加工平臺，在平臺上加工底板，底板加工首先將整個底板的縱、橫型鋼梁焊成井字梁，然后在井字梁頂面焊接δ＝8mm鋼板；為了便于吊箱浮運，底板上護筒及吊桿的孔洞暫不開孔；底板平面尺寸30.956m*14.536m，高度為0．328m，重量（未開孔時）為57.80t，因塊件較大，加工時按程序分區焊接，防止超標變形；底板加工完后直接在其上面拼裝底層內支撐系統及底層側板。側板加工在加工車間前面的混凝土地面的場地上進行，加工前在地面上用型鋼及鋼板搭設加工平臺，在平臺上加工側板，加工時嚴格按施工圖分塊尺寸進行加工，為防焊接時翹曲變形，采用型鋼梁、定位卡及螺旋千斤頂均勻施壓焊接；側板加工完試拼檢驗合格后，分塊裝車（或裝船）運至拼裝現場。內支撐系統的豎向支撐柱及連接件均在加工車間內加工，內圈梁及水平支撐
鋼管均購買成品。吊箱支吊系統的貝雷梁、工字鋼梁均為鉆孔施工平臺舊料，吊桿為φ32mm精軋螺紋粗鋼筋購買成品。現場拼裝時直接調用。吊相加工質量以《鋼模板質量標準》為依據。為保證加工質量，制定了嚴格的加工工藝規程和質量體系。
2．吊箱拼裝及下沉
吊箱拼裝及下沉均分兩次進行。吊箱底板、底層側板及底層內支撐加工完后，即可在加工場地的船臺的滑道上拼裝底層鋼吊箱，并安設滑移設備，拼裝完畢，起動滑移設備將底層吊箱滑移入水，并用1200馬力拖輪頂推浮運至橋位，然后用300t浮吊船安裝下沉。底層吊箱下沉到預定位置后，安裝支吊系統并將吊箱懸掛其上（300t浮吊移位至另一個墩位，準備
下沉另一個鋼吊箱，隨后利用50t浮吊拼裝中、上層內支撐及上層側板，拼裝完后，待另一個底層吊箱下沉完后，300t浮吊移來再下沉整體吊箱至設計高程。使用一套設備安裝下沉兩個鋼吊箱，先、后穿插施工。
3．吊箱定位與堵漏
吊箱沉至設計高程后，復核其平面位置，如不滿足要求，可將千斤頂安放在四個角的4個護筒外壁與吊箱側板之間調整吊箱位置，待其滿足要求后，在四個角的4個護筒與吊箱側板之間用定位器（短型鋼）焊接定位。然后潛水員下水，將底板堵漏封板緊固到護筒上。每個護筒孔洞堵漏封板由4塊弧形鋼板用螺栓拼成一個環形板，下沉吊箱前，將封板初步安設在底板護筒洞口周圍，此時封板的內徑應大于底板洞口直徑以利于吊箱下沉。
4．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，而且水位深，在吊箱混凝土封底中，采用單根導管的灌注方式，無法達到設想的效果，而混凝土隨時可能被水沖刷稀釋而解散，質量難以保證。針對這些問題，施工中我們采取了以下幾點措施：
①吊箱下沉前，用自行研制的大型圓筒形鋼絲刷清除封底混凝土高度范圍護筒表面氧化層及附著物，確保封底混凝土與鋼護筒間粘結力；
②提高封底混凝土坍落度及強度級別，將混凝土坍落度控制在18～20cm；并將原設計C25混凝土按C50配制，另外摻加粉煤灰和高效緩凝型減水劑，提高混凝土的流動性和延長混凝土的初凝時間；
③封底采用泵送混凝土法多點快速灌注，整個封底利用3排（每排4根）12根導管，根據計算首盤混凝土方量，加工大型儲料斗，按水下混凝土灌注方法進行封底施工；根據現場實際情況，為方便施工，混凝土灌注采用從下游端開始依次倒移向上游前進施工；
④為了防止封底時吊箱內水位高于箱外水位，可預先在吊箱上節側板（箱外水位處）開孔，封底時排出箱內封底混凝土置換出的水量。吊箱內抽水時，用鋼板封焊堵孔。
5．灌注承臺混凝土
封底完畢五天后，抽干吊箱內積水后，發現混凝土表面比較平整無滲漏現象效果很佳，然后拆除吊桿梁、割除鋼護筒、吊桿及底層水平內支撐鋼管以下的豎向支撐柱，清除高出承臺面的封底混凝土。然后按傳統的方法安設承臺鋼筋（包括預埋墩身鋼筋及其他預埋件），灌注承臺混凝土。
結束語
南京長江二橋北汊大橋主橋墩基礎承臺為深水高樁大體積矩形承臺，施工難度大，結合實際情況，施工采用單壁銅吊箱圍堰進行設計施工，取得了顯著效果。
①速度快：2個鋼吊箱圍堰從1998年11月20日開始加工，至1999年2月26日下沉到位，并封底成功，僅用3個月的時間。
②質量優：因吊箱圍堰結構設計合理，定位準確，僅1．70m厚的封底混凝土抽水后無滲漏現象，且封底混凝土表面比較平整，無泥砂，封底混凝土質量好。
③效益好：因單壁銅吊箱結構設計合理，節約了數十噸鋼材。加之吊箱側板又兼做承臺施工模板，節省了模板費用。合計節約資金100多萬元。
參考文獻
［1］公路橋涵設計通用規范（JTJ021-89）
［2］公路橋涵鋼結構及木結構設計規范（JTJ025-86）
［3］鋼結構設計手冊（GB17-88版）
［4］公路橋涵施工技術規范（JTJ041-89）
［5］劉成宇主編．土力學和基礎工程（下冊）．北京：中國鐵道出版社，1981
［6］建設結構靜力計算手冊編寫組．建筑結構力計算手冊．北京：中國建筑工業出版社，1975．6
