简析深水裸岩高桩承台钢吊箱围堰设计及施工技巧

摘要：钢吊箱围堰施工方法是深水承台施工中主要施工方法，钢吊箱是深水承台施工的主要构件，它的设计是否合理会影响到整体施工质量。本文以罗屿特大桥高桩承台施工为例，论述了钢吊箱围堰的设计方案、施工技巧。

关键词：深水裸岩；高桩承台；设计及施工

1.工程概况

罗屿特大桥为跨越罗屿海峡设计，桥全长765.75m。墩台基础采用φ1.25m和φ1.5m钻孔桩，钻孔桩共计113根，最长桩长36米；桥台为矩形空心桥台，桥墩为圆端形桥墩，最高墩9.75米；桥跨为23-32m预制后张法简支T梁。8#-23#墩承台基础采用5根钻孔灌注桩， 桩顶以上设整体式高桩承台，承台尺寸为8.7（长）×8.7m（宽）×3m （高），下设封底混凝土设计厚1.5m。桥位位于海中、水深约7-16m。最低水位在-1.5m、最高潮水位在+3.92 m、浪高60cm。承台设计底高程为- 5.4m。根据施工水位、工程特点及工期要求等综合考虑， 决定采用有底钢吊箱围堰施工。考虑到承台砼施工后需要进行防腐处理，钢吊箱围堰尺寸为10m（长）×10m（宽）×12m （高）。

2.整体式钢吊箱围堰设计

护筒外径D（m）： 1.7m， 承台桩数n（根）： 5，设计最高水位（m）： 4.6， 围堰顶高程（m）：4.6， 围堰底高程（m）： -6.9， 承台顶高程： -2.4m， 潮位差H（m）： 6.1， 封底厚度h1（m）：1.5， 围堰外轮廓底面积A0（m2）：100， 孔面积A1（m2）： 11.4（去孔后）A= A0- A1（m2）： 88.6。

2.1工况分析。工况一： 150 cm厚封底混凝土浇筑完成， 按最低水位-1.5m考虑；吊挂及底承重系统承受吊箱围堰自重及封底砼重量（100+320=420吨）。工况二： 150 cm厚封底混凝土浇筑完成， 抽干水阶段按最高水位+4.6m考虑；吊箱围堰承受浮力1019吨。工况三： 浇筑承台混凝土施工阶段，按在最低水位-1.5m考虑； 吊挂系统承受围堰自重及封底砼自重、承台砼重量、封底砼与钢护筒粘结力。浮力剩余部分重量（100+320+590-720-434=-144吨）。故吊挂系统不受力无需验算。

2.3围堰结构组成及受力体系 。①模板：吊箱侧模、底模模板采用δ=6mm钢板，∠80×8mm为组合模板边框，内肋为8cm槽钢，间距为30cm。②侧板：侧板采用模板组合而成，第一层采用双16槽钢竖向布置作为整体背肋（间距为1m）、第二层采用双32工钢横向布置作为加强肋（间距为1.5m×2道+2m×3道），立柱与加强肋采用拉杆螺栓连接并焊接，加强肋与模板背肋采用焊接连接成整体。③底模及承重结构：底模采用6mm钢板拼装，在护筒处预留孔洞。模板下铺设12工钢作为分配梁，间距为20cm，分配梁长度为12米；分配梁下设4道双拼45cm工字钢作为主承重梁，每排桩基在护筒两侧各设一道，每道长度均为12m。④承吊系统：利用钢护筒作为承吊系统，由于封底混凝土浇筑后要割除钢护筒，为保证底模及侧板正常工作，在护筒内埋设φ500mm钢管，作为以后体系的转换。主承重上吊梁采用双贝雷梁（横向布置4组8片贝雷片），长度为12m，顺路线方向在护筒顶立柱横梁上安装，通过50mm圆钢与底承重梁连接，共设置横向个、纵向8个共32个吊点。

2.4吊挂系统检算。①悬吊用50mm圆钢。按工况一检算，总荷载为420t，共设置32根吊杆，考虑吊杆间受力不均匀系数1.2，吊杆承受的最大荷载为1.2×420/32=15t。单根圆钢25×25×3.14×140=27.4t，满足要求。②抗浮，按工况二检算。检算水位+4.6m， 浮力计算水头差h： 6.1m， 围堰总计算浮力F总=A*h=1019t。围堰封底砼重量G1=320t， 围堰重量G2=100t， 护筒外壁与封底混凝土粘结力G3=720t。抗浮总稳定荷载∑G1=1140t

3.侧板模板加强肋施工验算

结构模式：内支撑三道横向间距为1m+4m+4m+1m，内支撑直接对顶在模板外侧双拼I32工字钢的垂直面上。

计算模式：按横向三根钢管（横向间距4m）、管顶双拼I32工字钢，按二等跨连续梁计算内力。

受力分析：封底后抽干吊箱内水时最下层I32工字钢横梁承受最大水压力。（此时水头压力H=10米）

N=rHs=10KN/m3×10×8×0.26=208KN q=208/8=26kn/m

Mmax=0.125ql2=0.125×26×16=52KN.m Qmax=（0.625+0.625）ql=1.35×26×4=140KN

I32力学特性：Ix=16574cm4，Wx=920.8cm3，Sx=541.2cm3，t=15.8mm

主梁横梁强度验算：σ=Mmax/Wo=52×106/（920.8×2×103）=28Mpa

4.侧板整体内支撑施工验算

由加强肋计算知道，内支撑最大压力为140KN，计算200mm钢管应力。钢管桩杆件按两端固结受力模式验算

钢管桩截面惯性半径：i===7.4cm

截面面积：A=0.785（20×20-19.88×19.88）=3.75cm2

柔度：λ=0.65l/i=0.65×10×102/7.4=87，查表知纵向弯曲系数∮1=0.60

应力：N=140KN/3.75cm2=37MPa

横向布置三道采用200mm钢管内支撑满足使用要求。

5.钢吊箱围堰施工

在深水裸岩钻孔灌注桩桩基完成后， 用浮吊将钢吊箱逐部分拼装成整体后， 安装下放， 然后通过力的转换， 将整个吊箱重量（及以后封底混凝土重量）悬吊在钻孔桩主钢护筒顶部，然后灌注水下混凝土封底，待水下混凝土形成强度后， 钢吊箱即和封底混凝土结合在一起， 并通过吊杆系统锚固在钢护筒上，抽干水后，撤去原来的钢吊箱吊杆系统， 然后进行承台施工。这时，封底混凝土作为承台底模。

钢围堰拼装顺序：①首先在作业平台上放样划线；②拼装从一个角向两边对称进行，直至合拢：③第一层围堰拼完后，利用顶、垫、拉和支撑等方法对之进行校正；④为加快拼装速度，可根据吊机的起重能力，在岸上分段预拼装后吊上工作平台逐段接长直至合拢。

钢围堰起吊：正式起吊前进行试吊，即把钢围堰吊起至离开作业平台面5cm左右，停止起吊，对钢围堰进行一次全面检查，当确认其纵、横和水平方向情况良好，无大的变形之后，再继续起吊至离开作业平台1m左右后停止，锁定各倒链滑车，然后拆除支撑平台。

4.结语

本钢吊箱采取分块制作、分块现场安装的制作吊装工艺， 需要的起重能力相对较小。同时吊装方法可靠性高、技术风险小， 对吊箱工况下的受力要求相对不高。该拉压柱式钢吊箱围堰对于承台体积较小的高桩承台施工适用性强。利用型钢制作的拉压柱既能抵抗部分浮力， 降低封底混凝土高度，又能起到拉杆的作用承受承台混凝土的自重。同时采用手拉葫芦下沉的方法合理地取消了大型浮吊设备。拉压柱是主要承力构件，其在施工过程中的焊接工作量大， 且焊接质量须严格控制。