单壁钢套箱与管桩组合型钢围堰在深水承台施工中的应用

黄锦安朱亚庄

（1 江西省公路桥梁工程局；2 江西省高速公路集团抚州管理中心）

单壁钢套箱与管桩组合型钢围堰在深水承台施工中的应用

黄锦安1朱亚庄2

（1 江西省公路桥梁工程局；2 江西省高速公路集团抚州管理中心）

在夹砾厚泥砂覆盖河床应用单壁钢套箱与管桩组合型钢围堰进行深水承台的施工，通过受力分析验算能满足施工的要求，而且能做到利用现有材料、节约费用。

桥梁工程；基础施工；单壁钢套箱；管桩；组合型钢围堰；对策

瑞洪信江特大桥主桥为47m+2×80m+47m四跨变截面预应力连续箱梁桥，主桥22#、23#、24#墩基础采用4根φ2.40m的钻孔灌注桩，承台尺寸为长10.4m×宽 10.0m×宽4.0m，承台顶面标高+13.5m、底面标高+9.5m。

24#墩处河床面标高为+8.5m，河床覆盖夹砾泥砂层厚约3m，桩基施工时水深只有2m，为抢进度，前期直接采用围堰筑岛法进行桩基的施工，在桩基完成后即将进入汛期，为解决汛期水中承台的施工，针对双壁钢套箱在夹砾泥砂层不易下沉的问题，利用施工现场的钢管等材料，采用单壁钢套箱与管桩组合成钢围堰的方法进行施工。

1 组合型钢套箱方案设计

1.1 总体思路

用钢套箱围堰是为承台施工而设计的临时阻水结构，其作用是通过钢套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。

1.2 详细方案

（1）为考虑套箱内承台模板的施工，钢围堰内净长12m×宽12m；

（2）考虑历年来的最高水位时标高，钢套箱顶面设防水位标高+16.0m；

（3）钢套箱高8m，底面标高+8.0m；

（4）在单壁内侧打入长12m直径φ325mm的钢管桩，管桩间距2.0m，打入河床底2～3m，可以起到锚固的作用；

（5）封底采用厚1.0m C25水下砼，封底顶标高+9.5m，为防止封底砼对单壁套箱侧板的往外推挤作用、以致造成封底砼与侧板之间脱离而漏水，在侧板的底部增设钢丝绳拉索；

（6）为承受抽出套箱内水时的外部水压力，分别在钢套箱顶部、距封底砼顶4.5m处用2根I28工字钢与管桩及钢套箱形成内支撑。

（7）抽干套箱内水、清理泥碴、破桩头进行承台施工的各项准备工作。

2 受力验算

2.1 工况分析

根据钢套箱围堰施工作业时段，设计受力状态可按以下几个工况进行分析：

（1）封底施工时水下砼对钢套箱侧板的往外推挤力作用，对侧板产生侧向水平力；

（2）抽水至承台顶面标高时，钢套箱顶部、侧板、管桩承受侧向水压力；

（3）抽干水至承台底面（即封底顶面）时，钢套箱与封底形成一个相对密封的箱体，水对箱体产生一个向上的浮力。

（4）抽干水后，水压力由封底砼、钢套箱侧板和管桩、内部支撑承受。

2.2 验算采用工况条件

（1）钢套箱的结构设计、管桩的大小及间距、内支撑以工况4来进行验算；

（2）封底水下砼对钢套箱侧板的作用力以工况1来进行验算；

（3）钢箱梁抗浮力按工况3进行验算。

2.3 验算过程及结果

2.3.1 钢套箱的侧板受力验算

侧板采用8mm厚钢板作面板、纵横向间距40cm布置12.6槽钢（立放）作筋条，取单位跨度0.4m为计算单元。

（1)水平荷载q水=3 2 K N/m；Mmax=0.105ql2=7.56KN·m。

（2)惯性矩I=927.25cm4，截面抵抗矩:ω上=927.25/2.7=343.4cm3,ω下=927.25/10.7=86.7cm3。

（3）受力验算：

最大应力:δmax=Mmax/ω下=87.2Mpa＜[σ]145Mpa，钢套箱侧板结构设计满足受力要求。

变形fmax=5×ql4/384EI=1.4mm＜[f]=1500/250=6 mm，φ325mm钢管桩按1.5m布置满足受力要求。

2.3.2 管桩受力验算

（1）材料力学参数

1#支点为封底砼顶面，2#支点至1#支点距离4.5m，3#支点至2#支点距离1.5m。

φ325钢管I=12286.52cm4、Wx=755.7cm3、A=98.96cm2、单位重=77.68kg/m、E=2.1×105Mpa。

套箱模板模板EI=25801.7KN·m2；EA=2078160KN

（2）荷载内力计算

考虑钢管间的套箱模板与钢管共同抵抗套箱外侧的水压力，通过力学求解器计算得结构最大弯矩Mmax=91.1KN·m，结构最大剪力Qmax=113.0KN。

（3）受力验算

弯曲应力σ=M/w=91.1×103/755.7=120.55Mpa＜[σ] =145Mpa

剪应力τ=Q/A=11.41Mpa＜[τ]85Mpa

最大挠度为：f=5mm＜4500/400=11.25mm，管桩的结构强度及刚度均满足要求。

2.3.3 内支撑受力验算

在抽干套箱内水后，以承台顶部位置的2#内支撑的受力最大，以2#内支撑进行受力验算。

（1）材料力学参数

I28a工字钢E=2.1×105、I=7110cm4、Wx=508cm3、A=55.4cm2、i=11.34cm、单位重=43.4kg/ m,EA=2326800KN，EI=29862KN·m2

（2）荷载内力计算

支撑点集中力取φ325钢管支点R2反力=196KN，通过力学求解器计算得节点最大约束反力R=437.11KN，结构最大弯矩Mmax=90.52KN·m，结构最大剪力Qmax=160.2KN，结构最大轴力N=501.9KN。

（3）受力验算

弯曲应力σ=M/w=89.1Mpa＜[σ]=145Mpa

剪应力为τ=Q/A=14.46Mpa＜[τ]85Mpa

长细比：λ=l/i=636/11.34=56.08＜[λ]=100，查《路桥施工计算手册》附录三得ф1=0.867。

轴心受压=N/A=45.30Mpa＜ф1[σ]=121.38Mpa

最大挠度为：f=3mm＜l/400=6360/400=15.9mm，2#内支撑结构的强度及刚度均满足要求。

2.3.4 抗浮受力验算

（1）套箱砼封底高1.5m，沉箱尺寸12m×12m×8m高,直径φ270cm桩基护筒4个，C25砼与钢护筒之间的粘结力按150Kpa计算，水深按8m计算，套箱砼封完底，抽干水后为最不利验算应力状态。

（2）水的浮力F=7872.11KN

（3）封底砼自重 N1=5184KN，套箱自重 N2=650KN，封底砼与钢护筒的粘结力 N3=7630.2KN

（4）N1+N2+N3=13464.2KN＞F 可以抵抗浮力

2.3.5 封底砼浇筑时钢套箱侧板受力验算

（1）材料力学参数

模板I=735.28cm4、A=47.69cm2、w=275.38cm3，EI=1544.09KN，EI=1001490

（2）钢套箱侧板竖向受力验算

通过力学求解器计算得，结构最大弯矩Mmax=4.64KN·m，结构最大剪力Qmax=14.25KN，弯曲应力σ=M/w=16.85Mpa＜[σ]=145Mpa，剪应力为τ=Q/ A=2.99Mpa＜[τ]85Mpa，侧板竖向受力满足要求。

（3）钢套箱侧板横向受力验算

通过力学求解器计算得，结构最大弯矩Mmax=22.8KN·m，结构最大剪力Qmax=34.2KN，弯曲应力σ=M/w=82.8Mpa＜[σ]=145Mpa，剪应力为τ=Q/A=7.17Mpa＜[τ]85Mpa，最大挠度为：f=15mm＜l/400=4000/250=16mm，钢套箱侧模横向受力满足要求。

3 施工组织

3.1 工艺流程

施工放样→搭设吊装平台→拼装钢套箱（现场拼装）→钢套箱下沉→施工放样（钢套箱就位后位置检查）→打钢管桩→封底→安装1#内支撑（抽水前）→安装2#内支撑（水位标高14米处）→破桩头(接桩)→承台施工。

3.2 关键工序控制

由于钢套箱与管桩是分两次施工的，管桩与套箱侧板之间存在一定的缝隙，为保证侧板受水压力与管桩密贴，在抽水前安排潜水员下到水下，用短槽钢或钢板将1#顶支撑与2#内支撑处的管桩与侧板之间的缝隙填塞实，而后再抽水。

4 结语

单壁钢套箱与管桩组合成型围堰在该桥深水承台施工中，由于利用了工地现有的钢管桩和大块钢模板，单个承台从搭设平台到完成承台浇筑只用了约1个月的时间，施工周期较短，而且有效地解决了双壁钢套箱无法在这种夹砾泥砂层河床中下沉的问题，在经济和施工进度上取得了较好的效果。