陈村涌特大桥3#墩承台单壁钢吊箱围堰设计与施工

摘要： 陈村涌特大桥3#主桥墩为深水高桩大体积混凝土承台基础,位于碧江主河槽,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：陈村涌特大桥 主桥墩基础承台 钢吊箱 设计 施工

1 工程概况广州至珠海（西线）高速公路广州南海至顺德碧江段项目，路线全长14.659公里，路线起点接广州市南环高速公路，终点与碧桂一级公路起点相接。全线有互通式立交桥3座，特大桥6座，包括珠江特大桥、石洲特大桥、橹尾撬高架桥、冬瓜隆特大桥、勒竹高架桥、陈村涌特大桥，桥梁总长8494.2m。其中陈村涌特大桥全长1033m，为深水桩基础。3#主桥墩基础采用4根φ2.5m的钻孔灌注桩，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。3#墩位于陈村涌槽，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《陈村涌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：该桥为广州至珠海（西线）高速公路广州南海至顺德碧江段重点控制工程之一，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2003年3月底将承台灌筑完毕，才能保证墩身在4月底施工到+186m这一洪水期水位之上。

3 设计依据：

3.1 《陈村涌大桥设计图》

3.2 《公路桥涵设计手册》

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。

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

① 底板

吊箱底板由底模托梁和底模组成，底板平面尺寸为18.4 m×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4 m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655 mm，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φ273 mm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 l32 mm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11.52 m，吊带为40 mm×320 mm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1.93 m处，第二层设在距围堰底板4.73 m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《公路桥涵设计规范》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=2.0 m/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

6 钢吊箱施工3#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 结束语陈村涌大桥3#墩基础承台为深水高桩大体积承台，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，2003年2月6日钻孔桩水封完毕，至2003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。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。