楊曉梅，陳建榮，黃士君，劉云飛

巨型中空深水電塔基礎(chǔ)鋼吊箱設(shè)計

楊曉梅1，陳建榮2，黃士君1，劉云飛1

（1.國網(wǎng)江蘇省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，江蘇南京210008；2.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北武漢430040）

蘇通長江大跨越項目電塔基礎(chǔ)在地質(zhì)條件差、大流速和強感潮的條件下，承臺及圍堰結(jié)構(gòu)施工難度巨大。在局部沖刷特別大的特殊情況下，此類承臺鋼巨型吊箱設(shè)計時，結(jié)構(gòu)安全性和穩(wěn)定性問題凸顯。文章對該項目基礎(chǔ)高樁承臺巨型圍堰結(jié)構(gòu)方案進行比選研究，結(jié)合加工、運輸、拼裝、整體下放、封底技術(shù)等方面條件，設(shè)計了巨型中空鋼吊箱，能滿足施工要求，達到保證工程質(zhì)量及合理、安全可靠的指標(biāo)。

電塔基礎(chǔ)；高樁承臺；巨型；中空；鋼吊箱

0 引言

對于大型跨江越海輸電塔工程，在水中基礎(chǔ)規(guī)模非常龐大，相應(yīng)的基礎(chǔ)承臺尺寸巨大，造型獨特。承臺鋼吊箱設(shè)計及施工是水中承臺施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其受水文、地形、成本、工期、設(shè)備等因素制約[1]，特別是在流速大且有潮位漲落的深水域高樁巨型中空式承臺施工所用鋼吊箱，其設(shè)計復(fù)雜，體積巨大，措施結(jié)構(gòu)多，施工難度也大，需投入眾多人力、材料及大型設(shè)備，結(jié)構(gòu)安全性和穩(wěn)定性問題凸顯。本文對蘇通長江大跨越項目承臺鋼吊箱設(shè)計方案進行研究，對設(shè)計關(guān)鍵點進行分析。

1 工程概況

蘇通長江大跨越項目為淮南-南京-上海1 000 kV特高壓交流輸變電工程的關(guān)鍵節(jié)點工程，跨越檔距為“1 140 m—2 600 m—1 340 m”，均跨越航道。該項目工程的南、北兩個主電塔均立于江中。

電塔基礎(chǔ)為巨型中空深水高樁承臺結(jié)構(gòu)，布置182根鉆孔灌注樁。承臺外輪廓平面尺寸為130 m×120 m。中空部分為八邊形，平面尺寸為90 m×88 m，承臺厚度8 m。外承臺和內(nèi)承臺之間設(shè)置有4條安裝在內(nèi)外承臺側(cè)面支座上的混凝土板通道。電塔基礎(chǔ)承臺的結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 基礎(chǔ)承臺結(jié)構(gòu)布置（單位：m）Fig.1Structure layout of foundation cap（m）

河床頂部為松散的粉細砂和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，在水流作用下極易形成沖刷。南、北跨越塔墩位處的地質(zhì)條件匯總見表1。

表1 南、北跨越塔墩位處的地質(zhì)條件Table 1Geological condition at the piers of South toNorth crossing towerm

電塔工程河段距長江口約110 km，為每日兩漲兩落感潮區(qū)，潮差及波高大。航道最大水深約40 m。20 a一遇設(shè)計高潮（水）位為+5.2 m，設(shè)計低潮（水）位為-1.5 m，設(shè)計水流速為3.84 m/s（落潮），設(shè)計波高為3.0 m。

2 鋼圍堰方案比選

外承臺為巨型中空深水高樁承臺，鋼吊箱的設(shè)計與承臺施工難度均較大，本文以外承臺鋼吊箱的設(shè)計和措施結(jié)構(gòu)進行研究。

由于南、北塔兩個墩位處局部沖刷都特別深，承臺為巨型中空結(jié)構(gòu)，鋼吊箱所承受的最大水頭約17 m，3種常用圍堰方式對該承臺的適用情況對比分析見表2。

表2 承臺鋼圍堰方案比選Table 2Scheme comparison of the steel cofferdams of cap

對比分析3種圍堰方案，選擇雙壁鋼吊箱結(jié)構(gòu)用于施工。由于承臺尺寸和施工條件的原因，圍堰結(jié)構(gòu)尺寸均非常巨大，且為整體中空式結(jié)構(gòu)，鋼吊箱壁體平面可達133 m×123 m，中間八邊形空心尺寸為87 m×85 m。設(shè)計時不僅要能保證結(jié)構(gòu)安全，還需考慮場地、分塊加工、運輸、吊裝、現(xiàn)場拼裝、下放控制、導(dǎo)向、限位、防漏漿等一系列措施，保證承臺施工質(zhì)量[2-3]。該種鋼吊箱結(jié)構(gòu)之巨大，考慮因素之多，加工及施工難度之大，非常少見。

3 鋼吊箱結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)布置

承臺鋼吊箱采用雙壁結(jié)構(gòu)壁體，平面尺寸133 m×123 m，中間八邊形空心尺寸87 m×85 m，壁體厚為1.5 m，總高度13.2 m，重量約9 600 t，平面形狀與承臺一致。壁體內(nèi)、外壁板間設(shè)置環(huán)板、角鋼支撐及豎肋形成穩(wěn)定的壁體結(jié)構(gòu)。壁體上設(shè)置了吊耳結(jié)構(gòu)、導(dǎo)向結(jié)構(gòu)、連通器以及整體下放時牛腿結(jié)構(gòu)等。

底板結(jié)構(gòu)為橫縱交錯的底板主梁、加勁梁以及頂面鋼板焊接而成，整體在墩位處平臺上加工，與鋼護筒位置避開，平面尺寸達135 m×125 m，中間八邊形空心尺寸為85 m×83 m，底板面積達9 200 m2，重量約6 100 t。底板結(jié)構(gòu)上設(shè)置了吊桿結(jié)構(gòu)、分倉結(jié)構(gòu)、止擋環(huán)等，用于分區(qū)域澆筑封底混凝土。

底板結(jié)構(gòu)與壁體焊接并加強連接，進行水密性實驗后方可投入使用。在內(nèi)、外側(cè)壁體間設(shè)置了2層鋼管內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)。鋼吊箱結(jié)構(gòu)的平面及立面總體布置見圖2。

圖2 鋼吊箱平面及立面布置Fig.2Plane and elevation layout of steel boxed cofferdams

3.2 結(jié)構(gòu)計算

鋼吊箱有限元計算時根據(jù)施工過程中各階段的施工條件不同，在整體下放、澆筑封底混凝土以及抽水完成這3種工況下為最不利狀態(tài)。

經(jīng)計算，鋼吊箱結(jié)構(gòu)在澆筑封底混凝土?xí)r出現(xiàn)最大組合應(yīng)力為187 MPa＜205 MPa，出現(xiàn)在底板面板上，滿足要求[4-5]。

水下封底混凝土（C30）高度為3 m，割除吊桿后在底板受浮力、圍堰壁體受水壓力等不利條件下，封底混凝土結(jié)構(gòu)受力以及抗浮能力也應(yīng)進行計算校核。

該工況下封底混凝土出現(xiàn)的最大拉應(yīng)力為1.08 MPa＜1.43 MPa；單樁最大握裹力2 156 kN，小于允許值2 956 kN，滿足要求。

4 鋼吊箱施工措施設(shè)計要點

鋼吊箱平面尺寸和重量巨大，采用底板在現(xiàn)場鋼護筒平臺上整體加工、壁體在工廠分塊加工、船運至現(xiàn)場通過浮吊吊裝拼接，最后整體通過下放至安裝位置的總體方案。

4.1 壁體結(jié)構(gòu)設(shè)計

鋼吊箱內(nèi)、外側(cè)壁體由多層水平環(huán)板、橫向支撐及豎肋焊接組成，壁體厚度1.5 m，總高度13.2 m；壁體外側(cè)平面周長為473 m，內(nèi)側(cè)周長288 m。分塊尺寸考慮便于加工、運輸，吊裝浮吊選型等，將壁體高度不分節(jié)、外側(cè)壁體分成16塊、內(nèi)側(cè)壁體分成8塊。單塊最大長度38 m，最大重量420 t，但分塊多會增加拼裝時間。見圖3。

圖3 壁體分塊劃分平面示意圖（單位：m）Fig.3Outline of the plane division of double wall（m）

4.2 底板結(jié)構(gòu)及拼裝設(shè)計

底板由橫縱交錯避開鋼護筒的主梁、加勁梁以及頂面鋼板焊接形成主體承力結(jié)構(gòu)。底板上安裝吊桿鉸耳、在高于設(shè)計高水位的+5.5 m標(biāo)高處的每根鋼護筒側(cè)壁上均設(shè)置4個鋼牛腿結(jié)構(gòu)，支撐底板結(jié)構(gòu)主梁、次梁自身形成安裝支撐平臺。牛腿結(jié)構(gòu)采用Q345材質(zhì)的箱梁，并與鋼護筒焊接加勁板加強，182根鋼護筒總計728套牛腿。底板安裝支撐牛腿結(jié)構(gòu)見圖4。

鋼吊箱下放到位后，壁體與鋼護筒間需通過桁架結(jié)構(gòu)固定連接（圖5），共計80套；然后分批、逐次解除下放結(jié)構(gòu)，進行受力體系轉(zhuǎn)換。并安裝每根鋼護筒外壁與底板間的吊桿、鋼護筒頂挑梁與底板間的吊桿，這兩種結(jié)構(gòu)承擔(dān)澆筑封底混凝土的荷載，總計1 480根吊桿，安裝數(shù)量巨大。

圖4 底板安裝支撐平臺結(jié)構(gòu)Fig.4Floor mounting support platform structure

圖5 鋼吊箱整體下放結(jié)構(gòu)立面布置Fig.5Elevation layout of integral decentralization for steel boxed cofferdams

澆筑封底混凝土前，在鋼護筒周圈與底板間安裝止擋環(huán)防止發(fā)生封底混凝土澆筑時漏漿現(xiàn)象，共計182套。

4.3 整體下放結(jié)構(gòu)設(shè)計

鋼吊箱通過設(shè)置壁體內(nèi)側(cè)的下放牛腿和鋼護筒頂部的吊架結(jié)構(gòu)，由千斤頂系統(tǒng)實現(xiàn)整體下放至設(shè)計位置[6]。整體下放結(jié)構(gòu)共設(shè)置80套，由計算機和液壓系統(tǒng)集中控制，可確保所有千斤頂受力均勻、下放同步。下放前應(yīng)先將鋼吊箱結(jié)構(gòu)整體提升約10~20 cm，拆除安裝底板安裝支撐牛腿結(jié)構(gòu)后，勻速緩慢下放至設(shè)計位置。

4.4 其它措施及工藝

壁體上還需要設(shè)置連通器，保證抽水完成前鋼吊箱內(nèi)水位隨江水水位變化一致，抽水時應(yīng)關(guān)閉連通器。連通器沿內(nèi)、外側(cè)壁體周圈布置，標(biāo)高在-1.5 m處，總計20個。

此外，還需通過吊箱壁體內(nèi)注水的工藝，以利于鋼吊箱下沉及調(diào)節(jié)壁體水壓，減小結(jié)構(gòu)受力。鋼吊箱下沉入水后壁體內(nèi)逐步注水至總高度為6 m即可。

5 結(jié)語

巨型中空異形電塔基礎(chǔ)鋼吊箱設(shè)計時要考慮施工工藝、施工條件以及多種保證施工質(zhì)量的措施。該巨型中空鋼吊箱設(shè)計尺寸、材料用量巨大；下放控制同步性要求高，可克服大流速、強感潮等不利條件施工。本文所述的鋼吊箱考慮了以上因素，通過有限元計算確定和布置了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)措施，能滿足施工要求，可為同類設(shè)計提供參考。

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[6]GB 50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S]. GB 50017—2003,Code for design of steel structures[S].

Design for steel boxed cofferdam of giant hollow deep-water pylon foundation

YANG Xiao-mei1,CHEN Jian-rong2,HUANG Shi-jun1,LIU Yun-fei1
（1.State Grid Jiangsu Electric Power Company Economic Research Institute，Nanjing，Jiangsu 210008,China；2.CCCC Second Harbor Engineering Co.,Ltd.,Wuhan,Hubei 430040,China）

Under the condition of poor geological,high velocity of flow and strong tide,the cap and cofferdam construction of pylon foundation are very difficult in the Sutong Yangtze River large crossing project.In the special case of large local scour, the safety and stability problems of this kind of cofferdam are prominent.Based on scheme comparison of high pile cap giant cofferdam structure,combining processing,transportation,assembly,overall decentralization,sealing technique and other aspects of the conditions,we designed a giant hollow cofferdam,which can meet the requirements of construction,to ensure the engineering quality and the reasonable,safe and reliable indicators.

pylon foundation;high pile cap;giant;hollow;steel boxed cofferdam

U445.557

A

2095-7874（2017）08-0064-04

10.7640/zggwjs201708015

2017-03-23

2017-05-07

楊曉梅（1973—），女，江蘇南京人，高級工程師，主要從事電網(wǎng)建設(shè)研究與管理工作。E-mail：htao5201314@qq.com