北江特大桥双壁钢吊箱围堰施工技术

郝建光

(中铁十二局集团第四工程有限公司，陕西西安 710021)

1 工程概况

广珠铁路北江特大桥位于广东省佛山市境内，全桥长为13.38 km，主跨为(73.9+138+73.9)m连续刚构，横跨北江东平水道。本桥所跨北江东平水道为珠江水系二级航道，最大水深25 m，设计最高通航水位为9.784 m，主墩123号、124号墩采用双壁吊箱钢围堰进行承台施工，为典型的大型深水基础;为减小承台阻水比采用圆端形结构，结构尺寸为:2 200 cm×1 180 cm，圆端半径为737.5 cm，基础为φ2.2 m钻孔桩，桩长90 m。设计水文资料:Q1/100=24 037 m3/s，V1/100=2.95 m/s，H1/100=10.474 m，H1/300=11.074 m。

2 地理条件

1)地质条件:表层3 m为淤泥，下覆卵石层、细沙层。2)设计水位、水深:取20年一遇高水位6.52 m，水深21 m。3)设计流速: v=2.15 m/s(按20年一遇标准取)。

3 钢围堰施工特点

1)承台几何尺寸大，要求工期紧、质量高、施工难度大。2)围堰处于江流中心，水深流急，落差7.0 m的水头差对围堰刚度要求高。3)北江东平水道水位受上游和西江的共同影响，水位、水流变化相互叠加，定位难度大。4)水上连续浇筑时间长，封底混凝土方量达2 109 m3，安全风险高。

4 钢吊箱设计及结构特点

4.1 钢吊箱结构尺寸设计及加工

依据钢结构设计规范及以往施工经验，验算在水文条件下的结构稳定性，重点考虑吊箱封底后的水头差造成的偏压。在制作过程中重点监控圆端形结构的加工质量控制。设计施工图:根据承台入水深度，水流量，混凝土重量及吊箱自身重量计算出吊箱的受力情况，设计出吊箱施工图纸。分段加工:为加快钢吊箱加工进度和提高质量，对吊箱在岸上进行分块分层加工。圆端形承台，围堰为满足均匀受力的要求，除底板龙骨外，在圆弧处增加放射形支撑骨架，各支撑骨架及钢板切割，均按照实际弧度进行，保证了焊接的密合性。为消除钢板内部应力，圆端形钢板的弧度均用卷板机加工成设计弧度要求。各需焊接的钢板边均按规定角度倾角度数(10°～15°)切割为斜面，保证了钢板间的焊接质量(见图1)。

4.2 钢吊箱的构造特点

4.2.1 整体吊装工艺对结构的要求

因吊点处局部荷载较大，吊箱在总体设计时必须兼顾整体的平衡性和结构的布局。为保证荷载均匀，起吊吊点均匀设置在底部纵向龙骨上。

1)吊点试拉:为确保吊装安全，在码头上拼装好第一层钢吊箱，设置好吊点，并对吊点进行试拉。

2)密水性试验:对吊箱所有焊缝进行试验。

3)为减少水上作业时间，在吊箱底部按实际桩位预留孔位，定位精度控制在40 mm。

4.2.2 钢吊箱下水、浮运

在钢吊箱的下水和浮运过程中，由于吊箱下部为密闭结构，底板承受较大荷载，易产生拱底而影响使用效果。为了减少在浮运过程中的受力和确保浮运安全，浮吊船在转运过程中，采用半浮式，即浮吊提升系统承担1/3的箱体重力，减小吊箱所受浮力，减小底板受力。

图1 圆端形承台示意图

5 钢吊箱结构计算分析

5.1 工况分析

钢吊箱受力体系转换:钢吊箱主要承受自重、浮力、水压力、水流冲力、施工荷载等作用，在施工过程中受力体系在不断转换，钢吊箱受力主要有3个时段:1)吊箱起吊安装时段:主要有浮吊提升力和吊箱自身所受浮力，下沉到位后把吊杆悬挂在护筒扁担梁上，确保每根扁担梁都受到一定的力。该时段主要决定起吊形式、吊杆长度角度、吊点局部受力加固等。2)封底混凝土施工时段:混凝土的重量通过吊杆由护筒扁担梁承受，通过吊箱泄水孔保持箱内外水压力相同，该时段主要决定:封底时吊点的结构和数量、底板的受力情况、吊点系统受力与变形。3)抽水后承台施工时段:混凝土达到设计强度后其与护筒的锚固力加其自身的重力大于吊箱的浮力，此时吊杆所受的力由护筒与混凝土的锚固力和混凝土自身重量代替，此时可将吊挂系统拆除，完成体系转换。该时段主要决定:吊箱壁板的结构与受力、内支撑的结构、数量与受力。

5.2 设计荷载取值

1)钢吊箱结构自重(G1):657 t。2)承台封底混凝土自重(G2):5 061 t。3)首层承台自重(G3):1 687 t。4)水浮力(F1): ρgV排。5)静水压力(F2):rh(水面以下呈正三角形分布)。6)水流压力(F3):根据设计流速计算得4.2 kPa，水面下均匀分布。

5.3 各设计工况荷载组合及结构验算内容

荷载组合及结构设计内容见表1。

表1 荷载组合

5.4 结构应力计算及强度复核

由于钢吊箱为空间受力结构，尤其在吊装过程中，吊索、吊杆与竖直面呈一定角度，吊箱地面、空中、水中受力变化较大，较为复杂。因此采用SAP2000有限元程序对吊箱整体建模计算。

根据在不同的工况下对结构的加载，计算出内力及变形，按照《铁路桥涵设计规范》《铁路桥梁钢结构设计规范》和《钢结构设计手册》相关规定进行结构复核。经过计算，吊箱各部位最大应力、变形和对应的荷载工况见表2。

表2 计算结果

从表2可以得出，此钢吊箱围堰的结构强度及稳定性满足设计及规范要求。

5.5 吊箱抗浮、抗滑稳定性计算

承台混凝土封底浇筑时段和抽水完成时段分别计算吊箱抗下滑和抗上浮的稳定性。封底混凝土与钢护筒的握裹力按120 kPa计算。经计算分析:两种条件下的稳定系数均在1.2以上。

6 钢吊箱围堰施工关键工艺

6.1 整体吊装

为减少河面操作施工时间，钢吊箱采用分块加工，整体吊装组合的模式。分块原则:重量大致平衡，对称组合。

6.1.1 吊点布置

根据吊装受力分析和结构验算计算，结合现场跨距及吊高要求，选取300 t浮吊进行吊装。浮吊主钩挂20个吊点，共在吊箱底龙骨位置对称布置20个吊点(见图2)。钢丝绳直径为26 mm，经计算单根钢丝绳可承受28 kN，安全系数为4.2。

6.1.2 试吊

因为钢吊箱底单节重近150 t，浮吊最大起吊重量为300 t，安全系数为2.0。为确保钢吊箱吊装过程安全，在吊装前必须进行试吊。试吊过程中必须梯次增加提升力，并严格观测起吊钢丝绳、卸扣、吊耳、壁板、内支撑等关键部位的变形情况，浮吊主钩荷重刻度盘读数情况，确保各吊点受力均匀。

6.1.3 吊装就位

试吊各项数据达到设计要求后，在桩位设计位置进行开孔，孔径要比设计大+40 cm，以利于克服钢护筒偏位，保证下沉顺利。待吊箱浮运至承台位置后，浮吊缓慢起钩，吊箱底高出护筒顶面60 cm时，前移达到钢吊箱围堰设计位置。当到达设计位置正上方后，通过4个角处的导向头，由吊箱内外的指挥员根据承台13个钢护筒与底板开孔的参照位置共同指挥浮吊微调到位。当承台13个护筒完全套入吊箱底板后，浮吊缓慢落钩，每下降30 cm，观测一次护筒与底板间隙情况，调整吊箱平面位置，使吊箱中心线与承台中心线重合，保证误差在规范允许范围内，焊接定向滑轮;为了保证吊箱下沉时不偏位，在吊箱4个转角及中部设置导向滑轮，导向滑轮直径为27.5 cm，距离护筒边3 cm～5 cm。

具体施工工艺见图2。

6.2 钢吊箱定位

由于受海潮影响，北江江面日水位差近0.5 m，高度定位较难。施工中采用了竖向限位型钢反压措施进行竖向锁定;利用侧边滑轮系统进行水平锁定。壁仓注水加砂下沉接高吊箱，接高过程中严格控制焊接质量，在规定位置焊接好支撑钢管;吊架的挂设:在护筒上口放置扁担梁，吊杆通过销轴悬挂在扁担梁上;吊箱定位后，平面最大偏差仅27 mm，小于允许值100 mm;高程最大偏差35 mm，小于允许值50 mm;精度达到设计和规范要求。

具体操作见图3。

图2 施工现场

图3 钢吊箱定位实际操作

6.3 钢吊箱封底

1)底板封堵。根据施工工艺的要求，在护筒与底板之间留有20 cm的空隙，利用封堵板及麻袋装干混凝土封堵严实。预先将已预制的封堵板布置在护筒周围，吊箱下放到位并锁定后，潜水员进行水下作业，将封堵板贴紧护筒，连接好固定螺栓，再用袋装干混凝土封堵剩余的空隙。水下作业完毕后，要进行交叉检查，以免遗漏，影响封底混凝土施工进度及施工质量。2)封底混凝土浇筑。封底混凝土浇筑必须要注意的是:在进行封底前，必须清除每个护筒壁上的水底附着物，避免护筒壁漏水，造成封底失败;封底混凝土共计2 109 m3，为防止混凝土浇筑过程中断，预备2个混凝土拌合站和混凝土运输车，进行一次性连续浇筑，并尽可能做到对称浇筑。

7 结语

广珠铁路北江特大桥5个深水承台均采用此型双壁钢吊箱围堰施工，结合该河段的水文特点和承台结构特点，在吊箱结构设计和施工工艺中均做了充分考虑，在确保安全的前提下保留了一定的安全系数。钢吊箱围堰施工顺利、定位准确、一次封底，为超前计划工期1个月奠定了坚实的基础。吊箱定位精度(123号墩最大平面偏差仅27 mm)，该吊箱结构同时经历了15年1遇洪水的考验，安全度汛。实际证明，该桥的吊箱设计合理，工艺结构得当，为深水承台施工积累了经验。

［1］ TB 10002.2-2005，铁路桥梁钢结构设计规范［S］.

［2］ 《钢结构设计手册》编辑委员会.钢结构设计手册［M］.北京：中国建筑工业出版社，2004.

［3］ 陈宁贤，吕贤良.大型钢吊箱围堰的带荷载提升和下放施工技术［J］.铁道建筑，2007(1)：8-9.

［4］ 袁 瑞.武汉天兴洲长江大桥2号主塔墩双壁钢围堰施工［J］.科技创新导报，2008(25)：33-35.