王洪江 （中鐵四局集團有限公司，安徽 合肥 230022）

1 概 述

甬臺溫鐵路客運專線位于浙江東部沿海地區(qū)，沿線經(jīng)過寧波市、臺州市、溫州市，線路進入溫州市域后即跨越定頭港、清江、楠溪江、甌江等大河流感潮灘涂河段，水位受徑流和潮流雙重影響，臺風遇高潮水位常造成洪澇災害。

定頭港特大橋全橋長1890.32m，橋面寬13m，線間距4.6m,橋位處潮汐為正規(guī)半日潮型，潮流運動以往復流為主，落潮流速大于漲潮流速，落潮歷時短于漲潮歷時,落潮一般歷時約4h,漲潮一般歷時近5h,潮水流速一般為0.5m/s～2m/s。十年一遇潮水位4.7m，浪高0.5m；一般高潮水位3.7m。

該橋水下地貌主要包括水下淺灘、潮汐潮流沖刷槽和潮汐汊道?？绾７秶鷥?nèi)有3條較大沖槽，沖槽內(nèi)河床較低，最深處均在-1.0以下，第一道沖溝分布在3#～7#墩之間；第二道沖溝分布在連續(xù)梁范圍23#～27#墩之間；第三道沖溝分布在45#～50#墩位之間。橋位灘涂區(qū)廣布著流塑質(zhì)淤泥和淤泥質(zhì)土，以及大量圓礫土、凝灰?guī)r等，工程地質(zhì)條件非常復雜。

2 承臺設(shè)計情況

本橋基礎(chǔ)：鉆孔樁、承臺按D1類環(huán)境作用等級設(shè)計，采用C30耐久性混凝土；墩臺按C2類環(huán)境作用等級設(shè)計，采用C40耐久性混凝土+表面涂層。本橋共55個墩臺，其中2#～52#墩位于潮汐中。絕大多數(shù)墩位承臺尺寸為1230×900×350cm，12根Ф125鉆孔樁。

3 水中墩承臺施工方案的確定

3.1 承臺施工特點

根據(jù)施工環(huán)境和具體設(shè)計情況，本橋多數(shù)承臺具體特點有：①承臺在漲潮時位于水中，落潮時處于裸露灘涂中；②承臺雖位于水中，但無法采用浮船等水面作業(yè)設(shè)備進行施工；③承臺半埋半露于河床，非高樁承臺設(shè)計；④水中承臺數(shù)量多，形狀設(shè)計為矩形；⑤地質(zhì)較復雜，局部含有有較大粒徑礫石。其中第一道沖溝位置范圍內(nèi)5#和6#墩承臺具有典型性，承臺標高最低、地質(zhì)具有代表性，承臺底標高為-1.5m，潮差通常達5m以上，承臺處地質(zhì)局部有較大粒徑礫石（如圖1所示）。

圖1

3.2 承臺施工方案及基本工序的確定

目前水中基礎(chǔ)的施工常采用的沉井、沉箱、鋼板樁圍堰、雙壁鋼圍堰、鋼吊箱圍堰等施工方法，因為需要大型吊裝設(shè)備或浮運設(shè)備，或無法周轉(zhuǎn)，或成本過高，均無法滿足本工程具體施工的安全性、適用性、經(jīng)濟性等要求。

針對本橋承臺具體特點，最后研究開發(fā)了撐拉一體化模板式矩形鋼套箱施工方法來進行多數(shù)承臺的施工，主要考慮了加工方便、安裝易操作、節(jié)約模板材料、多次重復使用，以及現(xiàn)有棧橋及施工平臺能夠承載所需履帶吊荷載需要等因素。

主要施工步驟為：首先，使用長臂挖掘機及小型水陸兩用挖泥船挖去承臺位置淤泥及礫石土等；第二歩，退潮時安放縱橫向型鋼骨架（鋼套箱底部約束所用），再迅速澆筑30cm厚的第一層底板混凝土；第三歩，退潮時安裝鋼套箱第一節(jié)，底部與預埋型鋼骨架約束，上部臨時約束固定，然后在套箱內(nèi)再次澆筑50cm厚封底混凝土；第四步，安裝第二節(jié)鋼套箱和縱橫向內(nèi)部支撐型鋼或鋼管（退潮澆筑承臺時兼做模板拉力構(gòu)件使用）；第五步，安裝第三節(jié)鋼套箱（視承臺標高和潮汐規(guī)律可不安裝第三節(jié)）；第六步，進行承臺有關(guān)工序的施工。

4 撐拉一體化模板式矩形鋼套箱的構(gòu)造及設(shè)計計算

4.1 撐拉一體化模板式矩形鋼套箱的構(gòu)造簡介

鋼套箱漲潮時作為防水結(jié)構(gòu)起到防水作用，退潮時作為模板供澆筑承臺混凝土施工（漲潮時亦作澆筑模板使用），根據(jù)鋼套箱的使用功能，其結(jié)構(gòu)主要由側(cè)板、撐拉一體化支撐、現(xiàn)澆底板預埋型鋼骨架、封底等部分組成。側(cè)板為單臂，面板為6mm的鋼板，兼做承臺模板使用；橫肋為[20a槽鋼,間距50 cm，橫肋與面板焊接，邊框與面板接觸面全焊滿足防水要求；每組豎肋為兩根I50a工字鋼,間距3.3m，豎肋在橫肋外側(cè)，橫肋豎肋接觸面的焊接要滿足在波浪水壓作用下撕拉力的作用；撐拉一體化支撐穿透模板后與豎肋連接傳遞撐力和拉力。撐拉一體化模板式矩形鋼套箱的構(gòu)造模型及承臺布置如圖2所示。

圖2 鋼套箱及承臺結(jié)構(gòu)布置圖

4.2 結(jié)構(gòu)檢算

根據(jù)施工不同階段和工況條件下應進行鋼套箱結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算、封底混凝土的抗浮及抗剪檢算、整體穩(wěn)定性檢算等，這里主要介紹以下幾種最不利受力工況，其他工況本文不作介紹。

4.2.1 十年一遇潮水位時，封底后水抽干后鋼套箱的結(jié)構(gòu)檢算

①荷載確定

a.流水壓力

根據(jù)規(guī)范，作用在套箱上的的流水壓力：P=KAγv2/2g=1.2×5.7×9.5×10×2.02/（2×9.8）=142.6kN。作用在鋼套箱上的單位寬度上的水壓力為q=P/9.5=15.1kN/m，呈倒三角分布。

b.靜水壓力

最大施工水位水深h=6.2時，靜水壓力q=γh=10×6.2=62kN/m，呈正三角分布。

c.波浪沖擊力

計算時浪高取0.5m；水深，5.7m；波長，14.7m；套箱迎波浪寬度9.5m。

查《海港水文規(guī)范》，D/L=9.5/14.7=0.646，屬大尺度墩柱，波浪沖擊力按大尺度墩柱公式Pmax=（fa/π）γLHcosh〔2π（h-z）/L〕/cosh（2πh/L）進行計算。經(jīng)采用波浪力專用程序計算（計算過程見附圖），套箱側(cè)面承受的波浪沖擊力120.8kN,作用力峰值在水面下1.92m處。作用在鋼套箱上的單位寬度上的最大波浪沖擊壓力為q=120.8/9.5=12.7kN/m，呈三角形分布。

d.最不利工況荷載組合

高潮位時，鋼板樁圍堰內(nèi)抽水施工承臺主要荷載有流水壓力、靜水壓力、波浪力組合。由于風力經(jīng)計算小于1kN/m2對鋼套箱的計算影響很小，故計算時不考慮它。

承臺波浪力波高 波浪周期 波長 設(shè)計水位 床面高程 水深 承臺底高程 承臺頂高程 墩坐頂高程H(m) T(s) L(m) (m) (m) d(m) (m) (m) (m)0.5 3.1 14.7 4.7 -1 5.7 -1.5 2 18承臺迎浪面寬度 D= 9.5 m D/L= 0.6462585 > 0.2 為大尺度樁柱H/D= 0.0877193 ≤ 0.2 D/L= 0.3877551 ≥ 0.35 PDmas= α*CD*V*D*H2K2/2MDmas= β*CD*V*D*H2*L*K3/2π PDmas= vP*CM*V*A*H*K2/2MDmas=VM*CM*V*A*H*L*K4/4π CD V D K1 K3 α PDmas β MDmas 1.2 10.45 9.5 0.0189259 0.0087813 1.06 0.2987395 1.06 0.6485794 CM V A K2 K4 VP PDmas VM MDmas 2 10.45 70.882184 0.3262682 0.2727288 1 120.8365 1 236.31635

圖3 流水、靜水壓力、波浪力及荷載組合布置圖

②建立計算模型及計算

將荷載組合轉(zhuǎn)換成均布等效荷載，再作用在圍堰模型橫肋上，采用有限元法整體建模計算。

圖4 鋼套箱圍堰三維模型

水平肋槽鋼[20a最大彎矩如圖所示。最大彎矩為Mmax=21.9kN·m,Wx=178 cm3,σw=Mmax/Wx=21900/178=123MPa<[σw]=1.3×145MPa(臨時結(jié)構(gòu),取1.3的容許應力增大系數(shù)),符合要求（見圖5）。

圍堰豎肋彎矩I50a的最大彎矩為Mmax=193 kN·m,Wx=1 860 cm3則,σw=Mmax/Wx=193000/（1 860×2）=51.9MPa<[σw]=1.3×145MPa,符合要求（見圖6）。

I50a水平支撐按兩端固結(jié)計算壓桿穩(wěn)定性，允許最大軸向壓力為Plj=π2EI/(μl)2=24227 kN,而水平支撐經(jīng)計算軸力為577.5kN，小于允許軸向壓力，符合穩(wěn)定性要求。

4.2.2 封底后水抽干后封底混凝土的抗浮檢算

圖5

圖6

橋位鉆孔樁布置為橫向每排4根樁，縱向每排3根,封底混凝土為80cm厚。根據(jù)十年一遇潮水位時，封底混凝土底至水面深7.0m，傳遞給鉆孔樁的最大浮力為7750 kN，即每根樁抵抗645.8kN浮力。80cm封底混凝土和樁頭的粘接，接觸面積為3.14m2,則接觸面的剪應力為τ=0.21MPa＜〔τ〕=0.8 MPa（C20混凝土）。C20封底混凝土與鉆孔樁的粘結(jié)力能夠滿足止浮要求（另外預制底板的鋼筋與護筒焊接提高安全儲備）。

4.2.3 退潮時澆筑承臺混凝土鋼套箱的結(jié)構(gòu)檢算

完全退潮期間，澆筑承臺混凝土,圍堰受到的向外側(cè)壓力?；炷恋臐沧⑺俣仍?m/h以下時，新澆注的混凝土對模板側(cè)面壓力按公式Pmax=Kγh 計算,根據(jù)公式和規(guī)范計算出Pmax=1.2×25×(1.53+3.8×(1/3.5))=78.47kPa。將0.5m寬度內(nèi)的混凝土壓力均布荷載作用在圍堰模型橫肋上進行運算。

①橫肋槽鋼的計算

此時的橫肋最大彎矩如圖7所示，最大彎矩為Mmax=27.4kN·m,Wx=178cm3，則 σw=Mmax/Wx=27400/178=153.9MPa<[σw]=1.3×145MPa,符合要求。

②豎肋工字鋼的計算：豎肋最大彎矩如圖8所示，工45a最大 彎 矩 為 Mmax=238.85kN·m，δg=Mmax/Wx=238850/1860=128.5MPa<[σw]=1.3×145MPa,符合要求。

③一體化支撐拉桿的拉力和底板預埋型鋼提供的水平約束力經(jīng)計算滿足要求（具體計算略）。

5 工序施工周期及施工注意事項

圖7 橫肋最大彎矩圖

圖8

5.1 鋼套箱具體工序消耗時間（見表1）

5.2 鋼套箱施工注意事項

①鋼套箱在封底混凝土未凝固前以及未達到設(shè)計強度前，與周邊鋼管樁應采取固定措施，底板預埋型鋼骨架應與鋼護筒焊接固定，樁周鋼護筒上設(shè)置焊接部分放射筋保證底板及封底混凝土與鋼護筒的握裹力。

②鋼套箱的加工，面板與邊框的焊接必須滿焊，模板塊間連接雙排螺栓全部按要求連接，夾入遇水膨脹橡膠止水條，以保證密封性。

③鋼套箱就位封底混凝土強度達到要求后，方可封堵減壓孔抽水，切除多余鋼護筒鑿出樁頭漏出新鮮混凝土，然后進行承臺和墩身的施工等。

④鋼套箱吊裝過程中要施加保護，不同階段的吊裝要分別1制備專用吊具，避免吊裝變形并保護構(gòu)件表面不受損傷。

⑤施工過程中對各種工況進行變形位移的監(jiān)測。

⑥承臺套箱施工期間監(jiān)測掌握潮汐間隔時間規(guī)律，充分利用退潮期間進行施工操作。

⑦承臺混凝土分2次澆注，施工組織較為經(jīng)濟，同時增加承臺混凝土的散熱比表面積，降低水化熱溫升，避免溫差裂紋。

⑧臺風等惡劣天氣做好天氣預報工作，提前做好應對預案，防止事故的發(fā)生。

6 結(jié) 語

通過甬臺溫鐵路客運專線定頭港特大橋潮流影響下的承臺成功施工，驗證了潮汐環(huán)境中撐拉一體化模板式矩形鋼套箱施工技術(shù)的成功運用。鋼套箱在漲潮時作為防水結(jié)構(gòu)起到防水作用，抵抗潮汐及波浪力沖擊作用，同時兼做承臺混凝土澆筑模板使用，內(nèi)部支撐型鋼或鋼管在漲潮時作為壓桿承受壓力，退潮澆筑承臺時兼做拉桿承受拉力。鋼套箱能多次重復使用，節(jié)約成本，滿足施工的安全性、適用性、經(jīng)濟性等要求，為類似工程提供了有益的借鑒。

鋼套箱工序消耗時間表 表1

[1]劉自明.橋梁深水基礎(chǔ)[M].北京：人民交通出版社，2003.

[2]北京金土木軟件技術(shù)公司.SAP2000中文版使用說明[M].北京：人民交通出版社，2006.

[3]李克釧.基礎(chǔ)工程[M].北京：中國鐵道出版社，1992.