马鞍山长江公路大桥中塔吊箱围堰法修筑深水高桩承台

张小军

安徽省合肥工大建设监理有限责任公司，安徽合肥 230009

吊箱围堰法修筑深水中桥梁高桩承台，是在水中悬吊钢箱，固定于钢护筒或定位桩上，桩基施工时用作定位导向工作平台，桩基施工完后作为围堰，下到设计标高，封底抽水，修筑钢筋砼承台。马鞍山长江公路大桥中塔桩基础施工采用此方案取得了良好效果。本文结合本人在马鞍山长江公路大桥项目全过程参与此方案的评审、实施、取得预期效果，对钢吊箱围堰的设计和施工进行研究总结，希望能对大桥施工技术有所裨益。

1 桩基承台施工方案的确定

马鞍山长江公路大桥工程控制工期在于下部工程，而难度在于基础。长江中央施工条件比较差，要保证工程质量和工程进度，必须采取切实可行的施工技术，一次性作业成功。

在水中修筑钢筋砼承台，必须有围堰。施工时将围堰内的水抽干，在无水的情况下，修筑钢筋砼承台。根据施工现场的实际情况，一般有两种修筑承台的方案进行比较，即吊箱围堰法和套箱围堰法。通过从施工难易、工程质量、使用设备机具量、材料用量等方面比较，我们认为，吊箱围堰法施工深水中承台优点比较突出，砼质量有保证，投入的材料和设备比套箱围堰少，尤其是对水文影响小，可维持通航。

2 吊箱围堰设计和施工

马鞍山长江公路大桥根据工程本身的情况，认真制定施工程序，即先围堰后平台法施工：

1）吊箱围堰尺寸的拟定

钢吊箱围堰的尺寸，应根据承台所处河段的水文以及其功能来确定。马鞍山长江公路大桥工程吊箱围堰尺寸是按下拟定的：

（1）平面尺寸：同承台平面尺寸加10cm襟边宽度，以保证承台中心位置准确；

（2）高度：H=h1+h2+h3-h4（其中：h1—施工高水位，以调查的历年同期高水位确定，取6.2m（高程）；h2—防浪高度，取0.5m；h3—承台封底厚度，取1.8m；h4—承台底标高等于0.0m（高程））。

2）吊箱围堰结构体系分析

吊箱围堰在施工和工作过程中，受力的作用是比较复杂的。并且，随着施工程序的深入，结构约束体系从原先的状态转化为另一状态，此时，吊箱所受的外力也随之变化。所以设计吊箱时，应认真分析各种状态的结构体系和受力情况。分别作设计计算，确保结构的安全。

（1）吊箱围堰的荷载：

①水力荷载：分静水压力和动水压力。静水压力按下式计算：

P1=rH[其中：r—水密度（T/m3）；H—水深（m）]；

静水压力随水深呈下三角形分布。

动水压力按下式计算：

P2=KHV2/2gxBxr[其中：K—平面系数，矩形K=1.33，槽形K=1.8～2.0；H—水深（m）；V—流速（m/s），取2.0 m/s；g—重力加速度（m/s2）；B—宽度；r—水的密度（t/m3）]

动水压力可假定为作用于水面以下1/3水深处的集中力。水浮力P3按下式计算：

P3=rH （水浮力作用于H深底板）

②砼荷载：按实际体积计算

③施工荷载

施工荷载主要是考虑浇筑承台砼时的施工荷载，按“施工技术规范”取q=2.5kPa。

④船撞力

按“桥梁通用规范”取P4=400kN。

（2）吊箱围堰结构体系分析

吊箱围堰在制作、运输、安装和工作中，结构受力是比较复杂的。但最不利的是当吊箱就位下到高程，固定在钢护筒顶部时，另一种不利状态是当封底后，进行承台施工要先割除钢护筒，凿桩头，此时要将固定点转移到吊箱底板时。我们按先后状态1、状态2来分析。

状态1：当吊箱围堰下到设计高程后，吊箱固定于钢护筒，钻孔桩施工结束后进行封底，封底混凝土强度达设计要求后抽干箱内水。这时箱内无水，箱外水位随长江水位变化。吊箱受水侧压力和浮力。只有出现意外的高潮水位，漫过箱顶，此时箱内外水压平衡，退潮时，立即抽箱内水，可避免这种情况的出现。

吊箱的结构是空间体系，为了便于计算，先简化为平面结构体系进行初步计算，确定支撑系统的设计方案，再用有限元程序建模计算，进行设计校核。计算时荷载组合为：静水侧压力，动水压力、浮力、封底砼及自重、施工荷载等。通过计算分析，这种状态不利位置在吊箱各角隅。因此，吊箱制作时，构造上应加强该处的刚度，以防变形以至漏水。

因围堰平面尺寸较大，设计为双壁钢围堰，壁厚1.8m，沿周边设置了相对独立的小隔舱共36个，以增加壁板的刚度，转角处另做加强。

状态2：从封底抽水开始到承台混凝土浇筑为止，持续的时间比较长，而且有两种不利荷载的组合。当封底抽水后，要进行承台施工准备，包括封底面清理、护筒与内支撑割除、凿桩头等，然后再进行承台钢筋绑扎，浇筑砼。因此要将箱顶固定点转移到钢护筒上，其荷载组合①同状态1的荷载组合。荷载组合②出现在箱外水位降到最低水位，箱内浇筑砼至标高，砼未凝固仍作为荷载，施工人员和机具尚未撤走，此时荷载组合为：砼荷载、施工荷载以及自重等。这种荷载组合主要作用于吊箱底板，通过护筒与封底混凝土间的粘接力进行力的传递，因此，底板的设计不但要满足强度和刚度的要求，还应有构造措施，以保证结构安全。

（3）吊箱围堰的施工：

吊箱围堰既作承台施工的围堰及模板，又兼作桩基施工工作平台。其围堰安装简单，不需要动用大的起吊设备，又可通过吊箱围堰做钻孔桩的施工平台，可大大节省平台安装时间。其施工方法如下：

①制作钢吊箱围堰

本工程吊箱围堰在工厂制造，为保证质量，除对结构加工质量、外形尺寸进行控制外，特别对焊缝提出了高要求，所有焊缝必须达到Ⅰ级焊缝。

②吊箱围堰的运输

围堰制作过程中，修建下水通道，铺设气囊做好滑道，将围堰通过滑道送入长江中。

③浮运就位

围堰入水后，用事先准备好的拖轮靠上围堰，用钢丝绳与围堰可靠绑定，开动拖轮将围堰运送至墩位。为减少浮运阻力，本项目采用先将底板护筒口暂时用钢板焊死，等浮运就位再割开钢板的措施来减少围堰吃水深度，减少浮运阻力。

④固定锚固

本项目采用前定位船方案进行围堰的精确定位。

锚锭系统共设了18个锚，其中围堰通过14个8t霍尔锚进行定位。前面4个主锚经定位船通过卷扬机与围堰相连，围堰侧面设了8个锚，一侧4个，围堰后端设两个尾锚，另外在定位船的两边设了4个5t霍尔锚，以控制定位船的位置。

围堰进场前，抛锚船按从上到下先主锚、再侧锚、后尾锚的顺序将18个锚依次抛设，前面主锚与定位船相连，围堰侧锚及尾锚让开围堰安装位置，通过两艘临时工作船固定钢丝绳。

围堰进场后，拖轮将围堰送到设计位置偏上游位置，通过抛锚艇将4个主缆挂到围堰上，此时拖轮可以与围堰脱离，再将侧锚、尾锚挂上，将锚碇系统安装到位，通过调整缆绳长度来调整钢围堰的平面位置。

抛锚定位及围堰定位过程中，均采用GPS系统利用RTK实时载波相位测量技术，准确定位。

围堰精确定位后，进行钢护筒插打工作，先插打4根角桩，以固定围堰平面位置。插打钢护筒前必须对围堰定位精度进行复核，以防水位、流速影响使围堰定位精度降低。

4根角桩插打完成后，再按照由下游到上游的施工顺序进行其余钢护筒的插打

钢护筒插打过程中，将挂桩牛腿陆续焊在护筒上，为围堰挂桩做准备。挂桩牛腿安装时必须考虑水位变化的影响，以防水位高时，牛腿与围堰支撑相碰，造成施工困难，本项目通过设支垫降低牛腿安装高度这一方案，很好地解决了这个问题。

插打完成的护筒达到围堰挂桩要求后，通过向围堰双壁间隔舱注水或抽水调整围堰的竖向标高，以安装支垫，将围堰与护筒固定，最后，完成所有护筒与围堰的固结，达到固定围堰、形成钻孔平台的工作。

⑤封底施工：

钻孔桩施工完成后，进行封底混凝土施工，封底前必须清理围堰内在钻孔桩施工期间的泥浆，混凝土等，对围堰壁板、护筒侧面等进行清洗，以保证混凝土与围堰底板、壁板与护筒的有效连接，并对护筒与底板间的空隙进行封堵，以防混凝土从此处流出，影响封底质量。封底施工应在内外水压平衡时进行，一般采用在围堰壁板较低位置设连通管进行内外水自动平衡。因护筒与底板间间距小且呈倒梯开，本项目采用一条直径约10cm的布袋肠，内装搅拌均匀的砂和水泥，堵于护筒与底板的空隙处。封底的厚度可按下式计算：

T≥krhA/（RcA+nπd[t]）（其中：T—水下砼封底厚度（m）；Rc—砼容重（T/m3）；A—围堰底面积（扣除桩截面积）（m2）；n—桩数；d—桩外径（m）；[t]—桩与砼间的容许摩擦力（T/m2）；h—以最高施工水位至箱底的高度（m）；r—水的容量（T/m3）；k—系数取1.05～1.1）

本项目经计算封底厚度取为1.8m，在20年一遇洪水位（+9.333）进行正常的抽水施工，结构安全可以得到有效保证。

浇筑水下砼时，导管的作用半径，由于桩基的影响应适当减小，一般取R=5m。

3 结论

1）钢吊箱围堰施工深水中承台，适应性强，对于水流急、落差大的赶潮河段，亦能适应，其设备机具和材料投入量比套箱围堰小。

2）对于水流速大、通航的河段，吊箱围堰先围堰后平台的方法，可以通过浮运解决起吊问题，大大节省平台建立时间，钻孔桩施工完成后可以直接进入封底工序，虽然围堰占用时间长，但总体施工时间可以大大缩短。

3）吊箱围堰在制作、运输和工作过程中，受力作用是复杂的，结构体系不仅是一种状态，而是随着施工工序的深入，将改变它的结构受力状态，因此，设计计算时要考虑多种不利工况，提前准备应对措施，以保证结构安全。

[1]公路桥涵施工技术规范JTJ041—2000.北京：人民交通出版社，2000.