張 利
(中鐵十八局集團 第五工程有限公司,天津 300450)
大型深水基礎(chǔ)單壁鋼套箱圍堰施工技術(shù)
張 利
(中鐵十八局集團 第五工程有限公司,天津 300450)
結(jié)合上海至武威高速公路沙坡頭黃河特大橋11號主墩水中承臺施工實例,重點介紹低樁承臺深水基礎(chǔ)特大型單壁鋼套箱圍堰的構(gòu)造、設(shè)計技術(shù)條件,以及鋼套箱的下沉等技術(shù)。
深水基礎(chǔ) 單壁鋼套箱圍堰 施工技術(shù)
沙坡頭黃河特大橋位于寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)縣常樂鎮(zhèn)小灣村西側(cè),系上海至武威公路中寧至孟家灣段跨越黃河的一座特大橋梁。橋址區(qū)屬黃河上中游,主河道寬 250 m,施工常水位1 241.20 m,實測水位1 241.00 m,水深6.0~7.0 m,水位漲落高度 1.0 m,水流平均速度3 m/s。沙坡頭黃河特大橋全長1 341.5 m,主跨采用65 m+2×120 m+65 m的連續(xù)剛構(gòu)箱梁。水中11號墩位于黃河主河道。墩身高度55.4 m,承臺尺寸28.8 m×13.2 m×4.0 m(長 ×寬 ×高)。河床為卵石土,卵石土層8~10 m深,其承載力1 000~1 200 kPa。
由于本套箱在冬季施工,而設(shè)計冬季流冰水位1 241.55 m,所以本套箱頂高程取1 242.00 m。比流冰水位高出0.45 m。
2.2.1 荷載種類
①套箱自重(包括套箱分隔倉、側(cè)板、支撐定位系統(tǒng));②新澆封底混凝土自重(封底混凝土取1.0 m厚);③新澆結(jié)構(gòu)混凝土自重(包括結(jié)構(gòu)混凝土澆筑時的施工荷載);④按3.0 m/s的流速所產(chǎn)生的動水壓力;⑤設(shè)計水深的靜水壓力。
2.2.2 計算工況、荷載組合及計算項目
1)階段一
工況:整體套箱吊裝,荷載組合①,計算內(nèi)容為套箱側(cè)板、吊裝支撐系統(tǒng)受力計算。
2)階段二
工況:套箱封底抽水前,荷載組合為①+④,計算內(nèi)容為套箱側(cè)板、定位系統(tǒng)及加固措施的受力計算。
3)階段三
工況:套箱封底抽水后,荷載組合為①+②+③+④+⑤,計算內(nèi)容為套箱整體穩(wěn)定性驗算;封底混凝土厚度、套箱支撐體系分析。
套箱由側(cè)板、吊裝支撐系統(tǒng)、導向定位系統(tǒng)及分隔倉組成。
3.1.1 套箱側(cè)板
鋼套箱周邊尺寸比承臺設(shè)計尺寸每邊加寬10 cm,鋼套箱底比承臺底低1.5 m,頂面高出實測水位1.0 m,按設(shè)計水深計算,鋼套箱的高度為8.5 m;因此鋼套箱內(nèi)部尺寸為:長29.0 m,寬13.4 m,高8.5 m,鋼套箱作為承臺模板。鋼套箱加工成3節(jié),即最下節(jié)高度2.5 m,相鄰節(jié)高度3 m,最上節(jié)高度3.0 m。橋梁下部結(jié)構(gòu)施工完成后,拆除最上節(jié)鋼套箱,其下2節(jié)不再拆除。鋼套箱構(gòu)造詳見圖1。
3.1.2 吊裝支撐系統(tǒng)
由于鋼套箱尺寸大、水又深,為防止水的側(cè)壓力對鋼套箱產(chǎn)生較大變形,故鋼套箱內(nèi)設(shè)水平支撐2層,支撐骨架橫橋向為 φ500×10 mm鋼管,順橋向為 φ300×10 mm鋼管,每層支撐橫橋向2道,順橋向5道,支撐相交處采用焊接,并用10 mm厚的鋼板進行加固。吊裝支架安設(shè)在鋼護筒上,采用高3.0 m,懸臂長度為1.6 m的支架,支架主撐用 φ220 mm鋼管,附著斜撐用φ100 mm鋼管,主撐頂端安設(shè)導向定滑輪。單壁鋼套箱圍堰吊點支架詳見圖2。
圖1 單壁鋼套箱圍堰結(jié)構(gòu)示意(單位:cm)
圖2 鋼套箱吊點支架系統(tǒng)(單位:cm)
3.1.3 導向定位系統(tǒng)
在每節(jié)鋼套箱的內(nèi)側(cè)以中心為對稱點,焊接長度為2.5 m的定位鋼支撐,鋼支撐用 φ220 mm鋼管、I20a、及∠75×75×10組合焊接而成。施工過程中,應千萬注意支撐外側(cè)角鋼的垂直和水平位置的精確性。為防止鋼套箱在下沉過程中因流水過急受到阻礙,可配備2個20 t的手拉葫蘆進行鋼套箱牽引。
3.1.4 套箱分隔倉
由于鋼套箱尺寸較大,當灌注封底混凝土時,為避免導管下部的混凝土形成錐體狀,擴散不均勻,封底不嚴密,所以在套箱底部設(shè)混凝土分隔倉。分隔倉內(nèi)部平面布設(shè)標準尺寸為2.5 m×2.5 m,高1 m。邊緣空隙大于2.5 m時應增設(shè)分隔倉。分隔倉設(shè)此尺寸一則滿足施工需要,二則避免與樁基礎(chǔ)發(fā)生沖突。分隔倉采用10 mm厚的鋼板焊制而成。
3.2.1 鋼套箱加工與試拼裝
鋼套箱在專用加工場地由專業(yè)人員進行加工。加工完成后,首先在加工場地內(nèi)試拼裝,檢驗產(chǎn)品加工質(zhì)量,如剛度、平整度、接縫錯臺、接縫嚴密性、螺栓孔等是否滿足要求。
3.2.2 箱的定位及加固
由于鋼套箱整體質(zhì)量約145 t,考慮到施工方便易控,在鋼套箱每節(jié)距上端50 cm處共布設(shè)14個主起吊點。吊裝支撐架沿承臺四周14個樁基全部布置,14個主起吊點均設(shè)在吊裝支撐架上。吊裝支撐架與加勁鋼管斜支撐均采用活動鉸連接,鉸只考慮承受豎向拉力,吊裝時吊索所產(chǎn)生的水平力由吊裝支撐架平衡,并且每個支撐桿頂部安裝定滑輪。
3.2.3 鋼套箱拼裝與下沉
作業(yè)平臺二次加固與補強完畢,將鋼套箱板分塊運輸至作業(yè)平臺上,按編號組裝,分塊分節(jié)在平臺上拼裝。拼裝時采用汽車吊吊模,人工配合組裝。
1)依據(jù)設(shè)計圖,首先安裝底節(jié)套箱模板,分塊用螺栓連接緊密。底節(jié)形成封閉的環(huán),上下左右節(jié)與節(jié)之間的接縫采用橡膠墊連接,保證密封不滲水。之后焊接混凝土分隔倉,分隔倉可事先加工,在現(xiàn)場組合焊接成整體。在拼接過程中,可利用鋼護筒的牛腿作為臨時支撐平臺。
2)鋼套箱下沉前,在每節(jié)鋼套箱的內(nèi)側(cè)以中心為對稱點,焊接長度為2.5 m的定位鋼支撐,鋼護筒最外側(cè)按與鋼套箱內(nèi)側(cè)間距設(shè)置導向工字鋼,防止鋼套箱整體下沉時偏位。然后采用14個手拉葫蘆通過定滑輪導向吊裝系統(tǒng)將鋼套箱吊起,使之離開鉆孔平臺,拆除防礙其下沉的搭設(shè)平臺用的木板、工字鋼等,然后用手拉葫蘆逐漸下沉鋼套箱。在整個下沉過程中,采用14個10 t手拉葫蘆同步作業(yè),下沉第一節(jié)時應對鋼套箱四腳點進行精確抄平和定位,從而保證鋼套箱垂直下沉。
3)依據(jù)底節(jié)的拼裝方法,拼接第二節(jié),之后安裝第一層內(nèi)圈梁,內(nèi)圈梁采用2根I20b型工字鋼直接焊接在鋼套箱內(nèi)側(cè)壁上,其作用是將內(nèi)鋼支撐與套箱側(cè)壁聯(lián)結(jié)在一起,避免單根鋼管頂在面板上產(chǎn)生應力集中,該工字鋼在水平上形成封閉的環(huán)狀。依第一節(jié)的方法,下沉鋼套箱。
4)依照第二節(jié)的方法,拼接第三節(jié)鋼套箱與第二層內(nèi)圈梁,下沉鋼套箱。鋼套箱著床后,緩慢下放,使之切入覆蓋層中,穩(wěn)定于河床上。若鋼套箱有偏移傾向,在鋼套箱頂上加配重使之平衡下沉。
鋼套箱穩(wěn)定后,再在四周鋼護筒的外側(cè)壁準確加以固定,拆除鋼套內(nèi)側(cè)所有平臺(鋼護筒吊點支架系統(tǒng)不拆除)和采用汽車吊吊振動錘振動拔除鉆孔平臺鋼管樁,再用長臂挖掘機將河床內(nèi)的大卵石清除;當下沉至離設(shè)計底面高程還有50 cm時,用長挖機進行四周清底,待鋼套箱緩慢下沉到設(shè)計高程后,對鋼套箱切入土層的情況進行檢查,保證切入土層充分。必要時,需要派潛水員下水檢查。經(jīng)檢查合格后,方可進行水下混凝土封底。
為縮短工期,加快施工進度,分隔倉與鋼管內(nèi)支撐均在鋼套箱整體側(cè)模下沉到位后將中間施工平臺及鋼管樁全部拆除后再進行安裝。具體做法是在鋼套箱整體側(cè)模下沉到位后,將河床初步平整(可在鋼套箱內(nèi)外側(cè)拋填小片石或卵石進行填平),然后再搭設(shè)臨時輕型分隔倉拼裝平臺。由于整體分隔倉較輕,質(zhì)量不到2 t,所以將吊點轉(zhuǎn)移至套箱側(cè)模上,通過扁擔梁整體吊起,拆除臨時平臺后再下沉分隔倉。分隔倉下沉到位后,再進行混凝土的封底。當封底混凝土強度達到設(shè)計強度后,邊抽水邊在已焊接好的內(nèi)圈梁上焊鋼管內(nèi)支撐。
3.4.1 用分隔倉法布置導管
導管的平面布置以每個分隔倉為單位,能使各導管有效半徑互相銜接。導管的立面布置是在圍堰頂搭設(shè)灌注支架,以懸掛漏斗及導管。支架頂部設(shè)置灌注平臺,平臺上搭設(shè)有儲存混凝土的料槽。灌注從一端開始,分倉逐個進行,拔出導管向后周轉(zhuǎn)使用。
3.4.2 灌注封底混凝土
封底采用C30早強混凝土,在灌注過程中,須嚴格控制混凝土的分布厚度,確保封底混凝土的質(zhì)量。為了避免水位壓力差破壞尚未達到強度的封底混凝土,在河水面以上5~10 cm處的套箱壁割除直徑為20 cm孔洞,從而保證套箱內(nèi)水位與黃河水位一致,并要求2 d后及時將其孔洞進行堵焊;或用一臺水泵根據(jù)水位差值進行跟班抽水。
封底混凝土灌完后,即可以按正常工序進行承臺施工。當承臺混凝土強度達到設(shè)計強度的75%左右,可安排拆除鋼套箱。
現(xiàn)沙坡頭黃河特大橋已經(jīng)建成,施工實踐證明,單壁鋼套箱圍堰取得了較好的施工效果。
[1]鐘振方.深水基礎(chǔ)圍堰施工方案比選[J].鐵道建筑,2009(2):6-8.
[2]尤丁劍.流灌河1#橋深水樁基礎(chǔ)填充式雙壁鋼圍堰設(shè)計[J].鐵道建筑,2009(5):26-27.
443.16+2
B
1003-1995(2011)03-0013-03
2010-10-14;
2010-12-08
張利(1978— ),女,湖北浠水人,工程師。
(責任審編 孟慶伶)