鋼吊箱圍堰在橋梁基礎(chǔ)工程中的運(yùn)用
關(guān)鍵字：圍堰，橋梁基礎(chǔ)，鋼板樁，砼樁
0、引言：
過去我國(guó)在橋梁深水基礎(chǔ)理論及施工實(shí)踐上有了很大的發(fā)展。圍堰在橋梁基礎(chǔ)施工中的應(yīng)用越來越多。各種各樣的結(jié)構(gòu)型式，以著制造及拼裝都很方便，施工速度快，質(zhì)量好，成本低，污染少等各自特點(diǎn)成為我國(guó)橋梁深水基礎(chǔ)施工采用的各種結(jié)構(gòu)形式。例如湖北鄂黃大橋6#墩施工系列技術(shù)問題的處理，以及荊沙大橋2#主塔、溫州大橋主塔、武漢白沙洲大橋3#主塔、三峽上游等基礎(chǔ)施工。國(guó)外的在深水基礎(chǔ)上的主要?jiǎng)酉蛞彩置鞔_，即向基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的大型化及整體化、施工工藝的工廠預(yù)制化及現(xiàn)場(chǎng)施工機(jī)械化的方向發(fā)展。其主要目的是在施工條件惡劣的橋址處即可能地減少水上施工工作量和作業(yè)時(shí)間，提高工程質(zhì)量并縮短工期。本文對(duì)現(xiàn)代橋梁深水基礎(chǔ)施工方法及如何合理的選用進(jìn)行深入分析，同時(shí)，本文結(jié)合實(shí)際工程詳細(xì)探討了貴州某工程橋梁深水基礎(chǔ)圍堰的合理方案。
一、 工程概況
1.1工程簡(jiǎn)介：
貴州某橋全長(zhǎng)162m斜跨河橋梁，有二個(gè)橋臺(tái)和一個(gè)橋墩構(gòu)成下部基礎(chǔ)。
1.2工程地質(zhì)、水文地質(zhì)東溪段水下地質(zhì)情況：
由河床面從上到下巖性為細(xì)砂、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)砂、粘土、粗砂。具有高壓縮性和欠固結(jié)性、低承載力等特點(diǎn)，土層工程地質(zhì)條件差。
本市15年一遇水位8.61m，流量6281m3，流速1.397m/s，降水量的年內(nèi)分配很不均勻，主要集中在汛期4～8月，占全年降水量的76％。降雨特點(diǎn)是春夏以峰面雨為主。正常水位4.2m，河寬176.7m；2007年該區(qū)域最高水位8m，最低水位2.3m；2008年該區(qū)域最高水位5.5m，最低水位2.5m；汛期4月至9月，百年流量:Q100=6281m3/s，百年設(shè)計(jì)水位:H100=9.75m，百年流量相對(duì)應(yīng)的流速:V100=1.397m/s。
本地區(qū)屬亞熱帶氣候。年平均氣溫在15～19℃之間，日夜溫差大，極端氣溫變幅不大。詳見圖1。
二、 圍堰有哪些類型及其適用條件
圍堰的結(jié)構(gòu)形式和材料多種多樣須根據(jù)水深、流速、地質(zhì)情況、基礎(chǔ)形式等條件而定。圍堰的基本類型和適用條件如表1—1。
1-1使用類型及使用條件
國(guó)內(nèi)深水承臺(tái)施工，多采用沉井、鋼圍堰或鋼吊箱法。由于沉井和鋼圍堰施工工序繁鎖，工期長(zhǎng)，材料用量大，而鋼吊箱工藝操作簡(jiǎn)單，節(jié)約工期，材料用量合理并能回收再利用，技術(shù)上可行。所以我們確定采用鋼吊箱施工方案，并對(duì)吊箱側(cè)板的單壁、雙壁兩種方案進(jìn)行了比較（如表2所示），結(jié)合本工程工期、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及施工經(jīng)驗(yàn)等，本項(xiàng)目鋼吊箱側(cè)板采用單壁結(jié)構(gòu)。
三、 施工技術(shù)
綜合各工況條件、水位條件和施工時(shí)間，確定鋼吊箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條件（1#~3#墩）：圍堰平面內(nèi)凈尺寸：13.00m×13.00m(與承臺(tái)平面尺寸相同,考慮吊箱圍堰側(cè)板兼做承臺(tái)模板)；
側(cè)板頂面設(shè)計(jì)標(biāo)高：7.50m（保證承臺(tái)施工在干燥無水的條件下進(jìn)行，根據(jù)施工時(shí)間安排，此時(shí)預(yù)計(jì)施工水位最低在4.00m左右，最高為7.50m）；
底板頂面設(shè)計(jì)標(biāo)高：-2.50m（封底混凝土厚度為2.50m,承臺(tái)的底標(biāo)高為0.00m）；
內(nèi)支承標(biāo)高：4.50m和7.00m（最不利工況處）；
設(shè)計(jì)抽水水位：7.50m；
根據(jù)自然水位變化及鋼吊箱施工作業(yè)時(shí)段，設(shè)計(jì)施工受力結(jié)構(gòu)主要按照最高水位時(shí)，吊箱內(nèi)抽干水后側(cè)板所受水壓力為設(shè)計(jì)依據(jù)，最低水位時(shí)，現(xiàn)澆承臺(tái)砼側(cè)壓力進(jìn)行校核，考慮最高水位時(shí)，鋼吊箱抗浮措施。
3.1荷載取值依據(jù)
由《橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》荷載組合V考慮鋼吊箱圍堰設(shè)計(jì)荷載組合。
水平荷載：∑Hj＝靜水壓力+流水壓力+風(fēng)力+其他；
豎直荷載：∑Gj＝吊箱自重+封底混凝土重+浮力+其他；
其中：?jiǎn)挝幻娣e上的靜水壓力按10kN/㎡計(jì)，水壓隨高度按線性分布；
風(fēng)速很小，在此可忽略；
封底混凝土容重;γ=24.0kN/m3；
水的浮力:γ=10kN/m3；
封底混凝土與護(hù)筒之間的摩阻力取經(jīng)驗(yàn)值150KN/m2
3.2計(jì)算
綜合工況條件分析和計(jì)算內(nèi)容，對(duì)鋼吊箱各部分取最不利受力工況進(jìn)行計(jì)算。
①底板主要承受封底混凝土重量和吊箱自重。荷載組合為混凝土自重+吊箱自重+浮力，此外，還要對(duì)吊箱入水時(shí)底板受力情況進(jìn)行復(fù)算。吊箱吊掛系統(tǒng)與底板一起進(jìn)行驗(yàn)算。
�、趥�(cè)板以承受水平荷載為主，最不利受力工況為抽水階段，側(cè)板計(jì)算包括豎肋、水平加勁肋、面板、豎肋拼接處及焊接的內(nèi)力、變形及應(yīng)力計(jì)算。另外，還要對(duì)吊箱逐層入水及承臺(tái)施工等階段側(cè)板受力情況進(jìn)行復(fù)算。內(nèi)支撐系統(tǒng)與側(cè)板計(jì)算，在側(cè)板驗(yàn)算的同時(shí)完成驗(yàn)算。
③吊箱拼裝下沉階段主要與吊箱自重有關(guān)，以兩層拼裝完成下沉?xí)r為最不利進(jìn)行計(jì)算控制，并據(jù)此計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)吊點(diǎn)、吊帶。
�、芸垢∮�(jì)算分兩個(gè)階段：一個(gè)階段是吊箱內(nèi)抽完水后灌筑承臺(tái)混凝土前，另一個(gè)階段是澆筑完承臺(tái)且混凝土初凝前。
吊箱自重+封底混凝土重+粘結(jié)力（方向向下）＞浮力
吊箱自重+承臺(tái)混凝土重+封底混凝土重＜粘結(jié)力+浮力（方向向上）
⑤封底混凝土強(qiáng)度驗(yàn)算：要驗(yàn)算封底混凝土周邊懸臂時(shí)的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力，以及中間封底混凝土的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力。
�、薹獾谆炷梁穸扔�(jì)算。
四、鋼吊箱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介
�、俚装�
底板的作用一是與側(cè)板共同組成阻水結(jié)構(gòu)，變承臺(tái)及部分墩身水上施工為陸上施工，二是作為吊箱、承臺(tái)的承重結(jié)構(gòu)。吊箱底板分成四塊，具體分塊圖見圖3，吊箱底板由底模托梁和底模組成。底板平面凈尺寸為13.0m×13.0m，底板高0.408m，重量為30.35噸。底模托梁為井字梁結(jié)構(gòu)，縱橫邊梁各設(shè)2道，每道由通長(zhǎng)2[40a組成，縱橫中梁各設(shè)4道，每道由通長(zhǎng)單根I40a組成�？v、橫梁之間的斜撐（除吊桿梁處）為2[22a，吊桿梁處為2[40a�？v梁之間和橫梁之間分別設(shè)置∠100×80×8角鋼加勁肋。頂板為δ=8mm鋼板。橫梁與縱梁用焊接連接，底板與側(cè)板、側(cè)板之間均用Ф20螺栓連接，焊縫連接及螺栓連接強(qiáng)度計(jì)算按路橋施工計(jì)算手冊(cè)設(shè)計(jì)。吊桿設(shè)在縱梁上，吊桿采用Ф32的930級(jí)高強(qiáng)度精軋螺紋鋼，共36根。
�、趥�(cè)板
側(cè)板采用單壁結(jié)構(gòu)，由Ⅰ25a做縱肋、∠75×50×5做橫肋和8mm鋼板做面板焊接而成。側(cè)板高度方向分為上、下兩層，分別為2.50m、7.50m。每層分為8塊，其中長(zhǎng)邊和短邊各4塊。上層長(zhǎng)邊壁板單塊重為2.348噸，上層短邊壁板單塊重為2.279噸，下層長(zhǎng)邊壁板單塊重為8.452噸，下層短邊壁板單塊重為7.848噸，側(cè)板總重83.71噸。
分塊的原則主要是為了便于加工和運(yùn)輸，避免產(chǎn)生超標(biāo)變形，所以分塊較小。吊箱下層側(cè)板與底板及上、下層側(cè)板之間的水平縫和豎縫均采用螺栓連接，縫間設(shè)置10mm（壓縮后為3~4mm）泡沫橡膠墊以防漏水。側(cè)板的面板為δ＝8mm鋼板，豎楞（接縫角鋼除外）均為I25a工字鋼，間距為660mm，水平加勁肋為δ=8mm，h=250mm的鋼板，間距為300mm、400mm、450mm和500mm。
側(cè)板的作用：是與底板（包括封底混凝土）共同組成阻水結(jié)構(gòu)，變承臺(tái)及部分墩身水上施工為陸上施工，另一作用是兼做承臺(tái)施工的外模板。
�、鄣跸鋬�(nèi)支撐
內(nèi)支撐由內(nèi)圈梁，水平斜撐桿二部分組成�？傊貫�28.76噸。
內(nèi)圈梁：內(nèi)圈梁設(shè)二層，設(shè)在吊箱側(cè)板的內(nèi)側(cè)，高程為4.50m和7.00m處，由下層4I40c和上層2I32c結(jié)構(gòu)組成的水平四邊形，焊在側(cè)板內(nèi)壁鋼板上。內(nèi)圈梁的作用主要是承受側(cè)板傳遞的荷載，并將其傳給水平斜撐桿。
水平斜撐桿：為菱形支撐結(jié)構(gòu)，桿端與內(nèi)圈梁焊接連接成一體，水平撐桿由2I32c組成。
�、艿跸涞鯍煜到y(tǒng)：
吊掛系統(tǒng)由縱、橫梁、吊桿及鋼護(hù)筒組成，吊掛系統(tǒng)的作用是承擔(dān)吊箱自重及封底混凝土的重量。
橫梁：橫梁（順橋向）共計(jì)3排，均設(shè)在鋼護(hù)筒頂，每排由兩片貝雷梁組成。貝雷梁支點(diǎn)設(shè)專用支座（牛腿）焊接于護(hù)筒內(nèi)側(cè)的專用支座（牛腿）上，貝雷梁的作用是支承縱梁，并將縱梁傳遞的荷載（通過護(hù)筒）傳遞至基樁。
縱梁：縱梁（順?biāo)较颍┰O(shè)置在貝雷梁上，共6排，由2I56工字鋼（搭設(shè)工作平臺(tái)用過的）組成。縱梁的作用是支承吊桿，并將吊桿荷載傳遞給橫梁。
吊桿：吊桿是由φ32mm精扎螺紋粗鋼筋及與之配吊的連接器、螺帽組成，共36根吊桿，重3.13噸，吊桿下端固定到底板的托梁上，上端固定到吊掛系統(tǒng)的縱梁上。吊桿的作用是將吊箱自重及封底混凝土的重量傳給縱梁。在使用前做試驗(yàn)，滿足施工要求方能施工；在施工過程中，對(duì)吊桿要充分保護(hù)好，禁止碰撞，以免影響施工的安全。
⑤吊箱定位系統(tǒng)
鋼吊箱下沉入水后受流水壓力的作用，吊箱圍堰會(huì)向下游漂移，為便于調(diào)整吊箱位置，確保順利下沉，在吊箱側(cè)板內(nèi)壁與鋼護(hù)筒之間設(shè)上下兩層導(dǎo)向系統(tǒng)，第一層設(shè)在距圍堰底板2.00m處，第二層設(shè)在距圍堰底板6.00m處，每層8個(gè)導(dǎo)向。定位系統(tǒng)由導(dǎo)向鋼板、定位孔、定位器（短型鋼）及調(diào)位千斤頂組成。導(dǎo)向板為厚度δ＝16mm鋼板，端部制成圓弧，分別焊于吊箱4個(gè)角部位的縱、橫內(nèi)圈梁上，導(dǎo)向板端部至鋼護(hù)筒外壁之間留一定的空隙；定位孔是利用吊箱底板上靠上游的前排3個(gè)護(hù)筒孔洞作為定位孔，其位置必須和護(hù)筒-2.50m處位置保持一致；導(dǎo)向鋼板及定位孔的作用是控制下沉吊箱的平面位置。調(diào)位時(shí)用調(diào)位千斤頂進(jìn)行。定位是在吊箱下沉到位后，封底混凝土凝固前，為防止水流壓力、波浪力及靠船力等動(dòng)荷載對(duì)自由懸掛的鋼吊箱發(fā)生撓動(dòng)，影響封底混凝土質(zhì)量而設(shè)置固定裝置。定位主要利用鋼護(hù)筒的穩(wěn)定性將下沉到位的鋼吊箱通過定位器與4個(gè)角的鋼護(hù)筒連成整體達(dá)到鋼吊箱的定位。根據(jù)設(shè)計(jì)施工水位，鋼吊箱設(shè)計(jì)總高度為8.0m，共分兩節(jié)，第一節(jié)高6.0m，第二節(jié)2.0m。
四、 結(jié)論
根據(jù)施工段水域水流特點(diǎn)，選擇鋼吊箱圍堰方案可以利用其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝簡(jiǎn)明、操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，做到節(jié)約工期，材料用量合理，并能回收再利用，施工十分安全可靠等。
