黃錦安朱亞莊

（1 江西省公路橋梁工程局；2 江西省高速公路集團(tuán)撫州管理中心）

單壁鋼套箱與管樁組合型鋼圍堰在深水承臺施工中的應(yīng)用

黃錦安1朱亞莊2

（1 江西省公路橋梁工程局；2 江西省高速公路集團(tuán)撫州管理中心）

在夾礫厚泥砂覆蓋河床應(yīng)用單壁鋼套箱與管樁組合型鋼圍堰進(jìn)行深水承臺的施工，通過受力分析驗(yàn)算能滿足施工的要求，而且能做到利用現(xiàn)有材料、節(jié)約費(fèi)用。

橋梁工程；基礎(chǔ)施工；單壁鋼套箱；管樁；組合型鋼圍堰；對策

瑞洪信江特大橋主橋?yàn)?7m+2×80m+47m四跨變截面預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁橋，主橋22#、23#、24#墩基礎(chǔ)采用4根φ2.40m的鉆孔灌注樁，承臺尺寸為長10.4m×寬 10.0m×寬4.0m，承臺頂面標(biāo)高+13.5m、底面標(biāo)高+9.5m。

24#墩處河床面標(biāo)高為+8.5m，河床覆蓋夾礫泥砂層厚約3m，樁基施工時(shí)水深只有2m，為搶進(jìn)度，前期直接采用圍堰筑島法進(jìn)行樁基的施工，在樁基完成后即將進(jìn)入汛期，為解決汛期水中承臺的施工，針對雙壁鋼套箱在夾礫泥砂層不易下沉的問題，利用施工現(xiàn)場的鋼管等材料，采用單壁鋼套箱與管樁組合成鋼圍堰的方法進(jìn)行施工。

1 組合型鋼套箱方案設(shè)計(jì)

1.1 總體思路

用鋼套箱圍堰是為承臺施工而設(shè)計(jì)的臨時(shí)阻水結(jié)構(gòu)，其作用是通過鋼套箱圍堰側(cè)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(huán)境。

1.2 詳細(xì)方案

（1）為考慮套箱內(nèi)承臺模板的施工，鋼圍堰內(nèi)凈長12m×寬12m；

（2）考慮歷年來的最高水位時(shí)標(biāo)高，鋼套箱頂面設(shè)防水位標(biāo)高+16.0m；

（3）鋼套箱高8m，底面標(biāo)高+8.0m；

（4）在單壁內(nèi)側(cè)打入長12m直徑φ325mm的鋼管樁，管樁間距2.0m，打入河床底2～3m，可以起到錨固的作用；

（5）封底采用厚1.0m C25水下砼，封底頂標(biāo)高+9.5m，為防止封底砼對單壁套箱側(cè)板的往外推擠作用、以致造成封底砼與側(cè)板之間脫離而漏水，在側(cè)板的底部增設(shè)鋼絲繩拉索；

（6）為承受抽出套箱內(nèi)水時(shí)的外部水壓力，分別在鋼套箱頂部、距封底砼頂4.5m處用2根I28工字鋼與管樁及鋼套箱形成內(nèi)支撐。

（7）抽干套箱內(nèi)水、清理泥碴、破樁頭進(jìn)行承臺施工的各項(xiàng)準(zhǔn)備工作。

2 受力驗(yàn)算

2.1 工況分析

根據(jù)鋼套箱圍堰施工作業(yè)時(shí)段，設(shè)計(jì)受力狀態(tài)可按以下幾個工況進(jìn)行分析：

（1）封底施工時(shí)水下砼對鋼套箱側(cè)板的往外推擠力作用，對側(cè)板產(chǎn)生側(cè)向水平力；

（2）抽水至承臺頂面標(biāo)高時(shí)，鋼套箱頂部、側(cè)板、管樁承受側(cè)向水壓力；

（3）抽干水至承臺底面（即封底頂面）時(shí)，鋼套箱與封底形成一個相對密封的箱體，水對箱體產(chǎn)生一個向上的浮力。

（4）抽干水后，水壓力由封底砼、鋼套箱側(cè)板和管樁、內(nèi)部支撐承受。

2.2 驗(yàn)算采用工況條件

（1）鋼套箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、管樁的大小及間距、內(nèi)支撐以工況4來進(jìn)行驗(yàn)算；

（2）封底水下砼對鋼套箱側(cè)板的作用力以工況1來進(jìn)行驗(yàn)算；

（3）鋼箱梁抗浮力按工況3進(jìn)行驗(yàn)算。

2.3 驗(yàn)算過程及結(jié)果

2.3.1 鋼套箱的側(cè)板受力驗(yàn)算

側(cè)板采用8mm厚鋼板作面板、縱橫向間距40cm布置12.6槽鋼（立放）作筋條，取單位跨度0.4m為計(jì)算單元。

（1)水平荷載q水=3 2 K N/m；Mmax=0.105ql2=7.56KN·m。

（2)慣性矩I=927.25cm4，截面抵抗矩:ω上=927.25/2.7=343.4cm3,ω下=927.25/10.7=86.7cm3。

（3）受力驗(yàn)算：

最大應(yīng)力:δmax=Mmax/ω下=87.2Mpa＜[σ]145Mpa，鋼套箱側(cè)板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足受力要求。

變形fmax=5×ql4/384EI=1.4mm＜[f]=1500/250=6 mm，φ325mm鋼管樁按1.5m布置滿足受力要求。

2.3.2 管樁受力驗(yàn)算

（1）材料力學(xué)參數(shù)

1#支點(diǎn)為封底砼頂面，2#支點(diǎn)至1#支點(diǎn)距離4.5m，3#支點(diǎn)至2#支點(diǎn)距離1.5m。

φ325鋼管I=12286.52cm4、Wx=755.7cm3、A=98.96cm2、單位重=77.68kg/m、E=2.1×105Mpa。

套箱模板模板EI=25801.7KN·m2；EA=2078160KN

（2）荷載內(nèi)力計(jì)算

考慮鋼管間的套箱模板與鋼管共同抵抗套箱外側(cè)的水壓力，通過力學(xué)求解器計(jì)算得結(jié)構(gòu)最大彎矩Mmax=91.1KN·m，結(jié)構(gòu)最大剪力Qmax=113.0KN。

（3）受力驗(yàn)算

彎曲應(yīng)力σ=M/w=91.1×103/755.7=120.55Mpa＜[σ] =145Mpa

剪應(yīng)力τ=Q/A=11.41Mpa＜[τ]85Mpa

最大撓度為：f=5mm＜4500/400=11.25mm，管樁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度均滿足要求。

2.3.3 內(nèi)支撐受力驗(yàn)算

在抽干套箱內(nèi)水后，以承臺頂部位置的2#內(nèi)支撐的受力最大，以2#內(nèi)支撐進(jìn)行受力驗(yàn)算。

（1）材料力學(xué)參數(shù)

I28a工字鋼E=2.1×105、I=7110cm4、Wx=508cm3、A=55.4cm2、i=11.34cm、單位重=43.4kg/ m,EA=2326800KN，EI=29862KN·m2

（2）荷載內(nèi)力計(jì)算

支撐點(diǎn)集中力取φ325鋼管支點(diǎn)R2反力=196KN，通過力學(xué)求解器計(jì)算得節(jié)點(diǎn)最大約束反力R=437.11KN，結(jié)構(gòu)最大彎矩Mmax=90.52KN·m，結(jié)構(gòu)最大剪力Qmax=160.2KN，結(jié)構(gòu)最大軸力N=501.9KN。

（3）受力驗(yàn)算

彎曲應(yīng)力σ=M/w=89.1Mpa＜[σ]=145Mpa

剪應(yīng)力為τ=Q/A=14.46Mpa＜[τ]85Mpa

長細(xì)比：λ=l/i=636/11.34=56.08＜[λ]=100，查《路橋施工計(jì)算手冊》附錄三得ф1=0.867。

軸心受壓=N/A=45.30Mpa＜ф1[σ]=121.38Mpa

最大撓度為：f=3mm＜l/400=6360/400=15.9mm，2#內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及剛度均滿足要求。

2.3.4 抗浮受力驗(yàn)算

（1）套箱砼封底高1.5m，沉箱尺寸12m×12m×8m高,直徑φ270cm樁基護(hù)筒4個，C25砼與鋼護(hù)筒之間的粘結(jié)力按150Kpa計(jì)算，水深按8m計(jì)算，套箱砼封完底，抽干水后為最不利驗(yàn)算應(yīng)力狀態(tài)。

（2）水的浮力F=7872.11KN

（3）封底砼自重 N1=5184KN，套箱自重 N2=650KN，封底砼與鋼護(hù)筒的粘結(jié)力 N3=7630.2KN

（4）N1+N2+N3=13464.2KN＞F 可以抵抗浮力

2.3.5 封底砼澆筑時(shí)鋼套箱側(cè)板受力驗(yàn)算

（1）材料力學(xué)參數(shù)

模板I=735.28cm4、A=47.69cm2、w=275.38cm3，EI=1544.09KN，EI=1001490

（2）鋼套箱側(cè)板豎向受力驗(yàn)算

通過力學(xué)求解器計(jì)算得，結(jié)構(gòu)最大彎矩Mmax=4.64KN·m，結(jié)構(gòu)最大剪力Qmax=14.25KN，彎曲應(yīng)力σ=M/w=16.85Mpa＜[σ]=145Mpa，剪應(yīng)力為τ=Q/ A=2.99Mpa＜[τ]85Mpa，側(cè)板豎向受力滿足要求。

（3）鋼套箱側(cè)板橫向受力驗(yàn)算

通過力學(xué)求解器計(jì)算得，結(jié)構(gòu)最大彎矩Mmax=22.8KN·m，結(jié)構(gòu)最大剪力Qmax=34.2KN，彎曲應(yīng)力σ=M/w=82.8Mpa＜[σ]=145Mpa，剪應(yīng)力為τ=Q/A=7.17Mpa＜[τ]85Mpa，最大撓度為：f=15mm＜l/400=4000/250=16mm，鋼套箱側(cè)模橫向受力滿足要求。

3 施工組織

3.1 工藝流程

施工放樣→搭設(shè)吊裝平臺→拼裝鋼套箱（現(xiàn)場拼裝）→鋼套箱下沉→施工放樣（鋼套箱就位后位置檢查）→打鋼管樁→封底→安裝1#內(nèi)支撐（抽水前）→安裝2#內(nèi)支撐（水位標(biāo)高14米處）→破樁頭(接樁)→承臺施工。

3.2 關(guān)鍵工序控制

由于鋼套箱與管樁是分兩次施工的，管樁與套箱側(cè)板之間存在一定的縫隙，為保證側(cè)板受水壓力與管樁密貼，在抽水前安排潛水員下到水下，用短槽鋼或鋼板將1#頂支撐與2#內(nèi)支撐處的管樁與側(cè)板之間的縫隙填塞實(shí)，而后再抽水。

4 結(jié)語

單壁鋼套箱與管樁組合成型圍堰在該橋深水承臺施工中，由于利用了工地現(xiàn)有的鋼管樁和大塊鋼模板，單個承臺從搭設(shè)平臺到完成承臺澆筑只用了約1個月的時(shí)間，施工周期較短，而且有效地解決了雙壁鋼套箱無法在這種夾礫泥砂層河床中下沉的問題，在經(jīng)濟(jì)和施工進(jìn)度上取得了較好的效果。