渝怀铁路嘉陵江特大桥13#墩承台单壁钢吊箱围堰设计与施工

渝怀铁路嘉陵江特大桥13#墩承台
单壁钢吊箱围堰365JT设计与365JT施工

张爱花贾卫中
(中铁大桥局集团一公司)

摘要井口嘉陵江特大桥13#主桥墩为深水高桩大体积混凝土承台基础,位于嘉陵江主河槽,采用单壁钢吊箱围堰施工承台,速度快,质量优,效益好.
关键词井口嘉陵江大桥主桥墩基础承台钢吊箱设计施工
1工程概况
井口嘉陵江大桥为Ⅰ级铁路双线桥,其主桥为84+144+84m预应力混凝土连续刚构。13#主桥墩基础采用16根φ2.5m的钻孔灌注桩，横桥向共6排，中间四排每排3根，横向间距除距桥轴线一排为5.6m外，其余为5.2m，纵向间距为6.8m，两边各一排，每排2根，与中间桩呈梅花布置，横向间距为3.94m，与纵向间距为6.8m，桩长42.0m。承台为台阶式，下台阶厚4.0m，上台阶厚3.0m，承台横截面为园端形，下台阶顺桥向宽17.7m，横桥向总长29.0m，上台阶顺桥向宽13.2m，横桥向总长22.23m，下台阶承台顶面标高+165.27m，底面标高+161.27m，上台阶承台顶面标高+168.27m。13#墩位于嘉陵江主河槽，墩位处河床标高142.63～148.38m，按施工水位+173.5m计，墩位处水深达30多米，设计流速V1/300=3.62m/s.为此，采用钢吊箱围堰的施工方法进行承台施工。
2 钢吊箱设计条件
钢吊箱围堰是为承台施工而设计的临时阻水结构，其作用是通过吊箱围堰侧板和底板上的封底混凝土围水，为承台施工提供无水的干处施工环境。
2.1工况条件
根据钢吊箱围堰施工工作时段及设计受力状态，可按以下几个工况进行分析：
①拼装下沉阶段；
②封底混凝土施工阶段；
③抽水后承台施工阶段。
2.2水位条件
根据《嘉陵江井口大桥水文资料分析成果报告》及吊箱施工时间安排，确定钢吊箱设计抽水水位为＋168.0m。
2.3结构设计条件
综合各工况条件、水位条件确定钢吊箱结构设计条件：
围堰平面内净尺寸：29.0m×17.7m,圆端形,半径为14.5m(与承台平面尺寸相同,考虑吊箱围堰侧板兼做承台模板)；
侧板顶面设计标高：168.5m；
底板顶面设计标高：159.57m；
内支承标高：165.72m；
设计抽水水位：168.0m；
钻孔平台下弦系统线标高:172.0m。
2.4工期要求：
该桥为渝怀线十大重点控制工程之一，工期十分紧张，主墩必须在一个枯水期内施工出水面。只有在二00二年三月底将承台灌筑完毕，才能保证墩身在四月底施工到+186m这一洪水期水位之上。
3 设计依据：
3.1《井口嘉陵江特大桥设计图》
3.2《铁路桥涵设计手册》（TBJ—96）
3.3《钢结构设计手册》（GBJ17—88版）
4 钢吊箱的构造简介：
4.1构造形式选择
根据钢吊箱使用功能，将其分为侧板、底板、内支撑、吊挂系统四大部分。其中，侧板、底板是吊箱围堰的主要阻水结构，根据钢吊箱设计条件，我们对吊箱侧板结构的单壁、双壁两种方案进行了比较，比较结果见表１。


吊箱侧板单、双壁方案比较
表１
内容方案 优点 缺点 选择方案
单壁结构 １、 节省材料，加工方便，加工质量易控制；２、 装、拆方便，可兼做承台施工模板；３、 承台施工完毕，拆除侧板又可作为梁部０#块的施工模板；４、 下沉工艺简单、节省时间；５、 在钻孔平台下拼装侧板，焊接工作量小，拼装容易。６、 侧板材料用量135吨，底板材料用量66.6吨，内支撑材料用量40吨，合计241.6吨 侧板刚度小，内支撑材料用量多
双壁结构 １、 吊箱拼装及下沉充分利用水的浮力；２、 侧板刚度大，内支撑材料用量少；３、 下沉不用大型起吊设备；４、 侧板材料用量200吨，底板材料用量80吨，内支撑材料用量20吨，合计：300吨 材料用量多，加工难度大，在钻孔平台下拼装侧板难度大；焊接工作量大；下沉工艺复杂，工期长

由表１可以看出，侧板单壁节省材料，加工方便，拼装简单，质量容易控制，投入少，工期短，故侧板选用单壁结构。
4.2结构构造简介（见图１）
①底板
吊箱底板由底模托梁和底模组成，底板平面尺寸为18.4m×29.7m，底板高0.361m，重量为66.6吨。底模托梁为井字梁结构，桩间设置纵、横梁。纵梁（顺桥向）为主梁，共设10道，每道由通长2[28a组成，横梁(顺水方向)为次梁,间距为0.77m～1.15m，由I22b组成，横梁与纵梁用螺栓连接，水封


吊杆设在纵梁上。底模为肋板式焊接结构，底板为δ＝6mm,肋为δ＝6mm板条，分12种型号共75块置于底模托梁上并与其焊接。
②侧板
侧板采用单壁结构，为肋板式焊接结构，由型钢和8mm钢板焊接而成。侧板高度方向分为上、中、下三层，分别为3.35m、3.0m、2.58m。每层分为26块，其中圆端形方向分6块，直线段方向分7块，共计78块。单块最重为1.8吨，侧板总重135吨。分块的原则主要是为了缩短基础施工周期，在钻孔桩施工的同时侧板拼装要在钻孔平台以下与水面以上净空为4m范围内进行，加上无法使用大的起吊设备，所以分块较小。吊箱下层侧板。与底板及上、中、下层侧板之间的水平缝和竖缝均采用坡口焊缝焊接，以防漏水。侧板的面板为δ＝8mm钢板，竖楞均为I25a工字钢，间距为640mm或655mm，水平加劲肋为L63×40角钢或δ＝10mm钢板组焊成“T”字型加劲，间距为500mm～700mm，随水深而变化。为了保证竖楞I25a外翼缘不失稳及全截面受力，且避免在运输过程中侧板产生超标变形，在上、中、下侧板适当位置，每层设了由δ＝10mm钢板组焊成“T”字型水平加劲两道，“T”字型的外边与I25a外翼缘平齐。
③吊箱内支撑
内支撑由内圈梁，水平撑杆及竖向支架三部分组成。
内圈梁：内圈梁设一层，设在吊箱侧板的内侧，高程为165.72m，由2I45b或箱形板结构组成的水平环，安装在侧板内壁牛腿上。内圈梁的作用主要是承受侧板传递的荷载，并将其传给水平撑杆。水平撑杆为井字结构，杆端用螺栓与内圈梁连接成一体，纵向水平撑杆由2[22b组成，横向水平撑杆由φ273mm钢管组成,各杆间均通过法兰盘用螺栓连接,竖向支架为格构式结构,立杆为∠75×75×8角钢,缀板为δ＝8mm钢板,竖向支架的作用主要是支撑水平撑杆。竖向支架的底端焊接到底板上,上端与水平撑杆焊接。
④　吊箱吊挂系统：
吊挂系统由纵、横梁、吊杆及钢护筒组成，吊挂系统的作用是承担吊箱自重及封底混凝土的重量。
横梁：横梁（顺桥向）共计6排，均设在钢护筒顶，由大榭岛斜拉挂篮的主梁、横梁组拼而成。横梁的作用是支承纵梁，并将纵梁传递的荷载（通过护筒）传递至基桩。
纵梁：纵梁（顺水方向）设置在横梁上，共8排，由大榭岛斜拉挂篮的主梁、横梁组拼而成，纵梁的作用是支承吊杆，并将吊杆荷载传递给横梁。
吊杆：吊杆是由l32mm精扎螺纹粗钢筋及与之配套的连接器、螺帽组成,共80根吊杆，重11.2吨，吊杆下端固定到底板的托梁上，上端固定到吊挂系统的纵梁上。吊杆的作用是将吊箱自重及封底混凝土的重量传给纵梁。
⑤下沉起吊系统
起吊系统由吊点、吊带、千斤顶组成，吊点分上吊点、下吊点，上吊点设在钻孔平台顶面上。下吊点设在吊箱下层直边侧板外侧，共4个下吊点，吊点中心相距11.52m，吊带为40mm×320mm的钢带（16Mn钢）。
⑥吊箱定位系统
钢吊箱下沉入水后受流水压力的作用，吊箱围堰会向下游漂移，为便于调整吊箱位置，确保顺利下沉，在吊箱侧板内壁与钢护筒之间设上下两层导向系统，第一层设在距围堰底板1.93m处，第二层设在距围堰底板4.73m处，每层8个导向。
5 设计计算
根据钢吊箱围堰施工时段分析进行结构设计验算，利用设计计算程序SAP93进行空间模拟计算，仅就计算思路简单介绍，具体计算过程从略。
5.1荷载取值依据
由《铁路桥涵设计规范》（TBJ-96）荷载组合V考虑钢吊箱围堰设计荷载组合。
水平荷载：∑Hj＝静水压力+流水压力+风力+其他；
竖直荷载：∑Gj＝吊箱自重+封底混凝土重+浮力+其他；
其中：单位面积上的静水压力按10KN/㎡计，水压随高度按线性分布；
流水压力按桥址处实测流速：V=2.0m/s；
风速很小，在此可忽略；
封底混凝土容重;γ=23KN/m3；
水的浮力:γ=10KN/m3；
5.2计算内容
①吊箱拼装（上、中、下三层逐层入水）下沉计算；
②吊箱结构设计计算；
③封底混凝土施工阶段计算；
④抽水后吊箱计算。
5.3计算
综合工况条件分析和计算内容，对钢吊箱各部分取最不利受力工况进行计算。
①底板主要承受封底混凝土重量和吊箱自重。荷载组合为混凝土自重+吊箱自重+浮力，此外，还要对吊箱入水时底板受力情况进行复算。吊箱吊挂系统与底板一起进行验算。
②侧板以承受水平荷载为主，最不利受力工况为抽水阶段，侧板计算包括竖肋、水平加劲肋、面板、竖肋拼接处及焊接的内力、变形及应力计算。另外，还要对吊箱逐层入水及承台施工等阶段侧板受力情况进行复算。内支撑系统与侧板计算，在侧板验算的同时完成验算。
③吊箱拼装下沉阶段主要与吊箱自重有关，以三层拼装完成下沉时为最不利进行计算控制，并据此计算结果设计吊点、吊带。
④抗浮计算分两个阶段：一个阶段是吊箱内抽完水后灌筑承台混凝土前，另一个阶段是浇筑完承台且混凝土初凝前。
吊箱自重+水封混凝土自重+粘结力>浮力
吊箱自重+承台混凝土重+水封混凝土自重<粘结力+浮力
⑤封底混凝土强度验算：要验算封底混凝土周边悬臂时的拉应力和剪应力，以及中间封底混凝土的拉应力和剪应力。
6钢吊箱施工
13号主墩控制全桥施工工期，不仅施工难度大，而且施工工期十分紧张。若采用在钻孔桩施工完毕后拆除平台，在平台上拼装下放钢吊箱的施工方法，需要大型起吊设备，且投入多，工期长，很有可能在一个枯水期内不能把基础施工出水面。因此，采取非常规的施工方法：在钻孔桩施工的同时交叉作业拼装下沉钢吊箱，不仅减少了施工投入，而且缩短了施工周期，取得了显著成效。
6.1吊箱拼装及下沉
吊箱拼装及下沉分三步。第一步，拼装底板及第一节围堰侧板。在钻孔平台下弦设滑道，用来运送侧板至拼装位置。水面以上钢护筒外侧焊临时支承，拼底板托梁，焊接底模，并在其上拼装内支撑竖向支架，然后拼装下层侧板、上下吊点、吊带，第一节围堰入水。第二步，拼装中层侧板及竖向支架，围堰下沉。第三步，拼装上层侧板、竖向支架及内支撑。围堰下沉至设计标高，安装吊杆进行体系转换，围堰全部由吊杆吊挂，将吊带拆除。每块侧板焊缝均进行煤油渗透试验。
围堰下放主要设施包括四个主吊具及其升降系统和八个辅助吊具。主吊具由主吊点和吊带组成，吊具升降系统由锚箱、油压千斤顶、升降梁和稳定架组成。辅助吊具采用精轧螺纹钢吊杆。当提升围堰时先提升主吊点，后提升辅助吊点；当下放围堰时先松放辅助吊点，后松放主吊点。主辅吊点交替进行，每次升降高度严格控制在50mm以内，主辅吊点升降幅度应一致，避免围堰扭曲变形。
6.2吊箱定位与堵漏
由于在围堰侧板设有导向定位装置（该装置是根据护筒的实际偏位设计的），因此，吊箱下沉到位后其平面位置偏差均在施工规范允许误差范围以内。用钢楔将导向与护筒之间的间隙抄死，用角钢把围堰顶口与钢护筒焊牢，确保吊箱围堰在后续的水封施工中不得有平面位移。然后用两台千斤顶从上下游两端对称地逐一对80根吊杆进行调整，使其受力均匀，调整吊杆时油表读数达到10MPa即可。
全部吊杆调整完毕后，潜水员下水用蛇形袋堵塞钢护筒与底板之间的空隙。
6.3灌注封底混凝土
封底混凝土的作用一是作平衡重的主体；二是防水渗漏；三是抵抗水浮力在吊箱底部形成的弯曲应力；四是作为承台的承重底模。封底混凝土灌注是吊箱围堰施工成败的一大关键。主要难点是水下混凝土灌注面积大，而且水位不稳定，为了保证混凝土质量，在施工中采取了以下几点措施：
①吊箱定位后至水封前，每天测量其平面位置，观察吊箱是否稳定。
②水封前潜水员逐一对16根护筒四周进行认真检查，以确保封底时围堰底板不漏混凝土。
③将吊箱围堰分为三个仓，进行两次水封，先封中仓，布置12根水封导管。再封上下游两个仓，各布置10根水封导管。
④制做两个10.0m3储灰总槽，以确保每根导管砍球后埋深不少于0.5m，并在水封过程中始终有约5.0m3的混凝土储存量，在混凝土供应中断时备用。围堰封底混凝土厚度1.7m，封底净面积381m2，采用C30混凝土共计648m3。
6.4灌注承台混凝土
封底完毕七天后，抽干吊箱内积水，没有漏水现象，说明水封很成功。拆除上挂梁、吊杆，割除钢护筒，清除高出承台面的封底混凝土，用超声波法和小应变法检测桩基质量，然后按传统的方法安设承台钢筋，灌注承台混凝土。
7结束语
井口嘉陵江大桥13#墩基础承台为深水高桩大体积圆端形承台，施工难度大，结合实际情况，施工采用单壁钢吊箱围堰进行设计施工，取得了显著成效。
①速度快，节省工期：边钻孔边拼装围堰，2002年2月6日钻孔桩水封完毕，至2002年2月25日下沉到位并封底成功，仅用19天时间。
②质量优：因吊箱围堰结构设计合理，定位准确，无渗漏现象。
③效益好：因单壁钢吊箱结构设计合理，节约了数十吨钢材，加之吊箱侧板又兼作承台施工模板，节省了模板费用，合计节约资金近20万元。
参考文献
1.铁道部第三堪测设计院《铁路桥涵设计规范》铁道部建设司标准科情所组织出版TB10002.1-99
2.罗邦富.魏明钟.沈祖炎.陈明辉《钢结构设计手册》中国建筑工业出版社GBJ17-88版
3.SAP93设计计算程序