郝建光

(中鐵十二局集團(tuán)第四工程有限公司，陜西西安 710021)

1 工程概況

廣珠鐵路北江特大橋位于廣東省佛山市境內(nèi)，全橋長(zhǎng)為13.38 km，主跨為(73.9+138+73.9)m連續(xù)剛構(gòu)，橫跨北江東平水道。本橋所跨北江東平水道為珠江水系二級(jí)航道，最大水深25 m，設(shè)計(jì)最高通航水位為9.784 m，主墩123號(hào)、124號(hào)墩采用雙壁吊箱鋼圍堰進(jìn)行承臺(tái)施工，為典型的大型深水基礎(chǔ);為減小承臺(tái)阻水比采用圓端形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)尺寸為:2 200 cm×1 180 cm，圓端半徑為737.5 cm，基礎(chǔ)為φ2.2 m鉆孔樁，樁長(zhǎng)90 m。設(shè)計(jì)水文資料:Q1/100=24 037 m3/s，V1/100=2.95 m/s，H1/100=10.474 m，H1/300=11.074 m。

2 地理?xiàng)l件

1)地質(zhì)條件:表層3 m為淤泥，下覆卵石層、細(xì)沙層。2)設(shè)計(jì)水位、水深:取20年一遇高水位6.52 m，水深21 m。3)設(shè)計(jì)流速: v=2.15 m/s(按20年一遇標(biāo)準(zhǔn)取)。

3 鋼圍堰施工特點(diǎn)

1)承臺(tái)幾何尺寸大，要求工期緊、質(zhì)量高、施工難度大。2)圍堰處于江流中心，水深流急，落差7.0 m的水頭差對(duì)圍堰剛度要求高。3)北江東平水道水位受上游和西江的共同影響，水位、水流變化相互疊加，定位難度大。4)水上連續(xù)澆筑時(shí)間長(zhǎng)，封底混凝土方量達(dá)2 109 m3，安全風(fēng)險(xiǎn)高。

4 鋼吊箱設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

4.1 鋼吊箱結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)及加工

依據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范及以往施工經(jīng)驗(yàn)，驗(yàn)算在水文條件下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，重點(diǎn)考慮吊箱封底后的水頭差造成的偏壓。在制作過(guò)程中重點(diǎn)監(jiān)控圓端形結(jié)構(gòu)的加工質(zhì)量控制。設(shè)計(jì)施工圖:根據(jù)承臺(tái)入水深度，水流量，混凝土重量及吊箱自身重量計(jì)算出吊箱的受力情況，設(shè)計(jì)出吊箱施工圖紙。分段加工:為加快鋼吊箱加工進(jìn)度和提高質(zhì)量，對(duì)吊箱在岸上進(jìn)行分塊分層加工。圓端形承臺(tái)，圍堰為滿(mǎn)足均勻受力的要求，除底板龍骨外，在圓弧處增加放射形支撐骨架，各支撐骨架及鋼板切割，均按照實(shí)際弧度進(jìn)行，保證了焊接的密合性。為消除鋼板內(nèi)部應(yīng)力，圓端形鋼板的弧度均用卷板機(jī)加工成設(shè)計(jì)弧度要求。各需焊接的鋼板邊均按規(guī)定角度傾角度數(shù)(10°～15°)切割為斜面，保證了鋼板間的焊接質(zhì)量(見(jiàn)圖1)。

4.2 鋼吊箱的構(gòu)造特點(diǎn)

4.2.1 整體吊裝工藝對(duì)結(jié)構(gòu)的要求

因吊點(diǎn)處局部荷載較大，吊箱在總體設(shè)計(jì)時(shí)必須兼顧整體的平衡性和結(jié)構(gòu)的布局。為保證荷載均勻，起吊吊點(diǎn)均勻設(shè)置在底部縱向龍骨上。

1)吊點(diǎn)試?yán)?為確保吊裝安全，在碼頭上拼裝好第一層鋼吊箱，設(shè)置好吊點(diǎn)，并對(duì)吊點(diǎn)進(jìn)行試?yán)?/p>

2)密水性試驗(yàn):對(duì)吊箱所有焊縫進(jìn)行試驗(yàn)。

3)為減少水上作業(yè)時(shí)間，在吊箱底部按實(shí)際樁位預(yù)留孔位，定位精度控制在40 mm。

4.2.2 鋼吊箱下水、浮運(yùn)

在鋼吊箱的下水和浮運(yùn)過(guò)程中，由于吊箱下部為密閉結(jié)構(gòu)，底板承受較大荷載，易產(chǎn)生拱底而影響使用效果。為了減少在浮運(yùn)過(guò)程中的受力和確保浮運(yùn)安全，浮吊船在轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中，采用半浮式，即浮吊提升系統(tǒng)承擔(dān)1/3的箱體重力，減小吊箱所受浮力，減小底板受力。

圖1 圓端形承臺(tái)示意圖

5 鋼吊箱結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

5.1 工況分析

鋼吊箱受力體系轉(zhuǎn)換:鋼吊箱主要承受自重、浮力、水壓力、水流沖力、施工荷載等作用，在施工過(guò)程中受力體系在不斷轉(zhuǎn)換，鋼吊箱受力主要有3個(gè)時(shí)段:1)吊箱起吊安裝時(shí)段:主要有浮吊提升力和吊箱自身所受浮力，下沉到位后把吊桿懸掛在護(hù)筒扁擔(dān)梁上，確保每根扁擔(dān)梁都受到一定的力。該時(shí)段主要決定起吊形式、吊桿長(zhǎng)度角度、吊點(diǎn)局部受力加固等。2)封底混凝土施工時(shí)段:混凝土的重量通過(guò)吊桿由護(hù)筒扁擔(dān)梁承受，通過(guò)吊箱泄水孔保持箱內(nèi)外水壓力相同，該時(shí)段主要決定:封底時(shí)吊點(diǎn)的結(jié)構(gòu)和數(shù)量、底板的受力情況、吊點(diǎn)系統(tǒng)受力與變形。3)抽水后承臺(tái)施工時(shí)段:混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后其與護(hù)筒的錨固力加其自身的重力大于吊箱的浮力，此時(shí)吊桿所受的力由護(hù)筒與混凝土的錨固力和混凝土自身重量代替，此時(shí)可將吊掛系統(tǒng)拆除，完成體系轉(zhuǎn)換。該時(shí)段主要決定:吊箱壁板的結(jié)構(gòu)與受力、內(nèi)支撐的結(jié)構(gòu)、數(shù)量與受力。

5.2 設(shè)計(jì)荷載取值

1)鋼吊箱結(jié)構(gòu)自重(G1):657 t。2)承臺(tái)封底混凝土自重(G2):5 061 t。3)首層承臺(tái)自重(G3):1 687 t。4)水浮力(F1): ρgV排。5)靜水壓力(F2):rh(水面以下呈正三角形分布)。6)水流壓力(F3):根據(jù)設(shè)計(jì)流速計(jì)算得4.2 kPa，水面下均勻分布。

5.3 各設(shè)計(jì)工況荷載組合及結(jié)構(gòu)驗(yàn)算內(nèi)容

荷載組合及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容見(jiàn)表1。

表1 荷載組合

5.4 結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算及強(qiáng)度復(fù)核

由于鋼吊箱為空間受力結(jié)構(gòu)，尤其在吊裝過(guò)程中，吊索、吊桿與豎直面呈一定角度，吊箱地面、空中、水中受力變化較大，較為復(fù)雜。因此采用SAP2000有限元程序?qū)Φ跸湔w建模計(jì)算。

根據(jù)在不同的工況下對(duì)結(jié)構(gòu)的加載，計(jì)算出內(nèi)力及變形，按照《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》相關(guān)規(guī)定進(jìn)行結(jié)構(gòu)復(fù)核。經(jīng)過(guò)計(jì)算，吊箱各部位最大應(yīng)力、變形和對(duì)應(yīng)的荷載工況見(jiàn)表2。

表2 計(jì)算結(jié)果

從表2可以得出，此鋼吊箱圍堰的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)定性滿(mǎn)足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

5.5 吊箱抗浮、抗滑穩(wěn)定性計(jì)算

承臺(tái)混凝土封底澆筑時(shí)段和抽水完成時(shí)段分別計(jì)算吊箱抗下滑和抗上浮的穩(wěn)定性。封底混凝土與鋼護(hù)筒的握裹力按120 kPa計(jì)算。經(jīng)計(jì)算分析:兩種條件下的穩(wěn)定系數(shù)均在1.2以上。

6 鋼吊箱圍堰施工關(guān)鍵工藝

6.1 整體吊裝

為減少河面操作施工時(shí)間，鋼吊箱采用分塊加工，整體吊裝組合的模式。分塊原則:重量大致平衡，對(duì)稱(chēng)組合。

6.1.1 吊點(diǎn)布置

根據(jù)吊裝受力分析和結(jié)構(gòu)驗(yàn)算計(jì)算，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)跨距及吊高要求，選取300 t浮吊進(jìn)行吊裝。浮吊主鉤掛20個(gè)吊點(diǎn)，共在吊箱底龍骨位置對(duì)稱(chēng)布置20個(gè)吊點(diǎn)(見(jiàn)圖2)。鋼絲繩直徑為26 mm，經(jīng)計(jì)算單根鋼絲繩可承受28 kN，安全系數(shù)為4.2。

6.1.2 試吊

因?yàn)殇摰跸涞讍喂?jié)重近150 t，浮吊最大起吊重量為300 t，安全系數(shù)為2.0。為確保鋼吊箱吊裝過(guò)程安全，在吊裝前必須進(jìn)行試吊。試吊過(guò)程中必須梯次增加提升力，并嚴(yán)格觀測(cè)起吊鋼絲繩、卸扣、吊耳、壁板、內(nèi)支撐等關(guān)鍵部位的變形情況，浮吊主鉤荷重刻度盤(pán)讀數(shù)情況，確保各吊點(diǎn)受力均勻。

6.1.3 吊裝就位

試吊各項(xiàng)數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，在樁位設(shè)計(jì)位置進(jìn)行開(kāi)孔，孔徑要比設(shè)計(jì)大+40 cm，以利于克服鋼護(hù)筒偏位，保證下沉順利。待吊箱浮運(yùn)至承臺(tái)位置后，浮吊緩慢起鉤，吊箱底高出護(hù)筒頂面60 cm時(shí)，前移達(dá)到鋼吊箱圍堰設(shè)計(jì)位置。當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)計(jì)位置正上方后，通過(guò)4個(gè)角處的導(dǎo)向頭，由吊箱內(nèi)外的指揮員根據(jù)承臺(tái)13個(gè)鋼護(hù)筒與底板開(kāi)孔的參照位置共同指揮浮吊微調(diào)到位。當(dāng)承臺(tái)13個(gè)護(hù)筒完全套入吊箱底板后，浮吊緩慢落鉤，每下降30 cm，觀測(cè)一次護(hù)筒與底板間隙情況，調(diào)整吊箱平面位置，使吊箱中心線與承臺(tái)中心線重合，保證誤差在規(guī)范允許范圍內(nèi)，焊接定向滑輪;為了保證吊箱下沉?xí)r不偏位，在吊箱4個(gè)轉(zhuǎn)角及中部設(shè)置導(dǎo)向滑輪，導(dǎo)向滑輪直徑為27.5 cm，距離護(hù)筒邊3 cm～5 cm。

具體施工工藝見(jiàn)圖2。

6.2 鋼吊箱定位

由于受海潮影響，北江江面日水位差近0.5 m，高度定位較難。施工中采用了豎向限位型鋼反壓措施進(jìn)行豎向鎖定;利用側(cè)邊滑輪系統(tǒng)進(jìn)行水平鎖定。壁倉(cāng)注水加砂下沉接高吊箱，接高過(guò)程中嚴(yán)格控制焊接質(zhì)量，在規(guī)定位置焊接好支撐鋼管;吊架的掛設(shè):在護(hù)筒上口放置扁擔(dān)梁，吊桿通過(guò)銷(xiāo)軸懸掛在扁擔(dān)梁上;吊箱定位后，平面最大偏差僅27 mm，小于允許值100 mm;高程最大偏差35 mm，小于允許值50 mm;精度達(dá)到設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

具體操作見(jiàn)圖3。

圖2 施工現(xiàn)場(chǎng)

圖3 鋼吊箱定位實(shí)際操作

6.3 鋼吊箱封底

1)底板封堵。根據(jù)施工工藝的要求，在護(hù)筒與底板之間留有20 cm的空隙，利用封堵板及麻袋裝干混凝土封堵嚴(yán)實(shí)。預(yù)先將已預(yù)制的封堵板布置在護(hù)筒周?chē)?，吊箱下放到位并鎖定后，潛水員進(jìn)行水下作業(yè)，將封堵板貼緊護(hù)筒，連接好固定螺栓，再用袋裝干混凝土封堵剩余的空隙。水下作業(yè)完畢后，要進(jìn)行交叉檢查，以免遺漏，影響封底混凝土施工進(jìn)度及施工質(zhì)量。2)封底混凝土澆筑。封底混凝土澆筑必須要注意的是:在進(jìn)行封底前，必須清除每個(gè)護(hù)筒壁上的水底附著物，避免護(hù)筒壁漏水，造成封底失敗;封底混凝土共計(jì)2 109 m3，為防止混凝土澆筑過(guò)程中斷，預(yù)備2個(gè)混凝土拌合站和混凝土運(yùn)輸車(chē)，進(jìn)行一次性連續(xù)澆筑，并盡可能做到對(duì)稱(chēng)澆筑。

7 結(jié)語(yǔ)

廣珠鐵路北江特大橋5個(gè)深水承臺(tái)均采用此型雙壁鋼吊箱圍堰施工，結(jié)合該河段的水文特點(diǎn)和承臺(tái)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在吊箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工工藝中均做了充分考慮，在確保安全的前提下保留了一定的安全系數(shù)。鋼吊箱圍堰施工順利、定位準(zhǔn)確、一次封底，為超前計(jì)劃工期1個(gè)月奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。吊箱定位精度(123號(hào)墩最大平面偏差僅27 mm)，該吊箱結(jié)構(gòu)同時(shí)經(jīng)歷了15年1遇洪水的考驗(yàn)，安全度汛。實(shí)際證明，該橋的吊箱設(shè)計(jì)合理，工藝結(jié)構(gòu)得當(dāng)，為深水承臺(tái)施工積累了經(jīng)驗(yàn)。

［1］ TB 10002.2-2005，鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］ 《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》編輯委員會(huì).鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004.

［3］ 陳寧賢，呂賢良.大型鋼吊箱圍堰的帶荷載提升和下放施工技術(shù)［J］.鐵道建筑，2007(1)：8-9.

［4］ 袁 瑞.武漢天興洲長(zhǎng)江大橋2號(hào)主塔墩雙壁鋼圍堰施工［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2008(25)：33-35.