钢套箱下沉施工控制技术

徐小祥

(铁道战备舟桥处，山东齐河251100)

钢套箱下沉施工控制技术

徐小祥

(铁道战备舟桥处，山东齐河251100)

在桥梁深水基础钢套箱施工过程中，钢套箱下沉施工是关键环节。针对不同的工程特点和水文、地质条件，需灵活应用多种设备和施工方法。结合厦深客运专线韩江双线特大桥双壁圆形钢套箱下沉施工实例(以345#墩为例)，简要介绍利用铁路舟桥水上高架浮吊等设备快速拼装钢套箱的施工方法，重点阐述利用渣浆泵吸泥和10 t高架浮吊配合0.8 m3液压抓斗和1.5 m3六瓣莲花抓斗抓泥下沉钢套箱的施工方法，以及采取安装管桩导向装置和焊接反牛腿等控制下沉偏位和标高的质量控制技术。围堰施工实际偏位为15～20 cm，标高控制在－20 cm以内，符合承台施工要求。

钢套箱 下沉 浮吊 控制技术

1 工程概况

该桥地处广东潮州市，跨韩江西溪，大桥总长3.4 km，韩江西溪水中部分为344#—354#墩，共11个墩，桥跨布置为(2×80+48+40+2×64+40+48+3× 80)m。水中墩承台均埋在河床以下很深，其中345#墩承台埋深最深，其河床标高为+0.93 m，承台底标高为－11.046 m，封底3 m，开挖深度达15 m，且该墩位处地质情况复杂，开挖施工难度较大。其中354#墩设计直径最大，内径28 m，外径31 m;345#和346#墩内径23 m，外径25.4 m，壁厚1.2 m，内外壁板均使用6 mm厚钢板，刃脚起以上10 m高度为混凝土浇注高度。套箱钢材总重量为309 t，套箱总高度为20.0 m，封底混凝土厚为3.0 m。345#墩钢套箱设计结构图见图1。

韩江西溪常水位水面标高+4.1 m左右，水深3～5 m。百年一遇洪水流量Q100=7 660 m3/s，水位标高H100=9.75 m，流速V100=1.424 m/s;墩位处地层自上而下依次为2.6 m细砂层(基本承载力σ0=110 kPa)、6.3 m淤泥层(σ0=55 kPa)和2.2 m淤泥质黏土砂层(σ0=90 kPa)，再往下基本为淤泥层、淤泥砂层。

2 总体施工方案

该工程水中墩达11个，根据承台埋深情况，6个采用圆形双壁钢套箱、5个采用18 m长拉森Ⅳ型钢板桩围堰来进行基础承台墩身施工。水上设备采用4台水上高架浮吊，4台200 t运输船，2台300千瓦994型机动舟。为确保工期，4个钢套箱施工选用先桩后堰法(先钻孔桩施工后钢套箱施工)，2个采用先堰后桩法施工。桥墩上游侧设计一座长715 m，宽6 m临时钢栈桥。由于韩江大坝护堤比较陡且不允许破坏，采用岸上拼装滑道入水方法难度很大，结合现场实际情况和水上20 t高架浮吊设备吊装能力，采用在岸上加工场利用汽车吊预拼、水上利用浮吊原墩位处拼接，并利用50 t千斤顶和φ32精轧螺纹钢等组成的悬吊系统来下沉底节套箱［1］。根据河床不同地质情况采取相应的开挖方法，砂层采用渣浆泵吸砂，淤泥黏土层采用抓斗抓泥，并采取安装管桩导向装置和焊接反牛腿等方法解决下沉偏位和下沉深度等一系列技术难题。

3 钢套箱拼装下沉控制技术要点

钢套箱从拼装到下沉到位主要分为4道工序:分节预拼(含岸上加工和胎架制作)、水中拼装焊接，开挖下沉(含纠偏)及封底。

3.1 分节预拼

3.1.1 分节

套箱分节需要根据加工运输、拼装、吊装方案和现场实际情况等综合确定，综合考虑到吊装能力、套箱自重吃水深度、套箱浮力、底节套箱配重混凝土和第二节套箱的重量、节省焊接工作量、加快进度等因素，整个套箱分为4节加工［2］。

3.1.2 底节钢套箱预拼

为确保套箱加工精度，需要利用胎架来进行加工。胎架是利用套箱外壁作为模具，不同直径的钢套箱胎架尺寸不一样，一般胎架长度为套箱1/8弦长，宽度为6 m左右，高度随套箱外径不同而不同，345#墩外径25.4 m，其胎架长度为9.72 m(见图2)。使用过程中要经常复核胎架尺寸。套箱底节8片全部加工完后，对套箱底节进行编号并预拼，检查套箱加工精度，特别是弧度。

图1 345#墩钢套箱结构设计(高程单位:m;其余单位:mm)

图2 345#墩钢套箱1/8胎架结构示意(单位:mm)

3.2 水中拼装焊接

3.2.1 搭设底节钢套箱拼装下沉平台

由于底节套箱在墩位处拼装，需在水中设置支撑点和搭设拼装下沉施工平台。根据该套箱直径大小，考虑到下沉的安全及方便，拼装下沉平台对称设置4个吊点。吊点主要组成部分为φ32精轧螺纹钢升降杆、50 t千斤顶、承重梁、扁担梁等［3］。工作原理是利用千斤顶顶推扁担梁，并通过调节扁担梁上下六角螺帽使扁担梁上下移动，从而让扁担梁带动φ32精轧螺纹钢升降杆上下移动而实现套箱下沉。底节钢套箱拼装下沉平台施工图见图3。

3.2.2 底节钢套箱入水

底节钢套箱拼装焊接完成后，及时安装千斤顶、精轧螺纹钢等悬吊系统，调试合格后，开始统一指挥进行下沉施工。主要步骤为:①首先将千斤顶放在扁担梁下，同时将千斤顶下承重梁上表面螺帽拧紧，然后4个吊点同时起顶12 cm，套箱底部脱离承重横梁，此时将螺帽拧紧，然后开始割除套箱底部承重横梁，让套箱底部全部悬空;②将千斤顶全部放松归零回到原位，并将扁担梁上螺帽拧紧，然后听统一指挥同时将千斤顶起顶13 cm(用尺量，一般50 t千斤顶宜为12～13 cm)，接着将扁担梁下螺帽往上拧12 cm(用尺量)，之后同时松开千斤顶，千斤顶回落到零位后，此时套箱下沉12 cm;③重复步骤②，直至将套箱底节缓慢下沉至水中处于自然漂浮状态［4］。

图3 底节钢套箱拼装下沉平台施工图(单位:mm)

3.2.3 水中套箱接高焊接

水中接高采用20 t高架浮吊逐块对称拼装，拼装时需灌水配重来调整平衡。同时焊接完后在下水前一定要做水密性试验。水密性试验可采用在钢围堰外侧涂抹白石灰，内侧相应位置涂抹混合油(煤油∶柴油= 3∶7)，观测是否变黑来判断。

3.3 开挖下沉及偏位控制

下沉是整个施工过程最困难的环节，因为开挖土层太深，且大部分为淤泥黏土层，不易开挖。开挖过程要保证套箱的位置正确和倾斜度符合要求。套箱底节下沉入水后，套箱漂浮在水上，要对套箱位置进行测量控制，采取插打钢管桩焊接型钢限位装置将套箱限位(I25型钢焊接2～3道)，防止套箱拼装及下沉过程中移位。随着套箱逐块逐层接高，套箱刃脚开始着床，此时套箱开挖下沉需要结合实际地质情况分析套箱受力情形，然后采取相应方法才能确保套箱精确安全下沉。3.3.1开挖下沉过程几种受力情形分析

钢套箱内土层开挖下沉过程中，由于刃脚下土层不断变化，先遇到砂层，然后是淤泥层、黏土层，且软硬程度不一样，套箱下沉就会出现以下4种情形:

第1种:在透水砂土层下沉过程中，采取渣浆泵带水吸砂方法。此时套箱内外均有水，且水面等高。此时套箱下沉需要克服套箱浮力F浮和土层侧摩阻力f土之和，以及刃角下土的支撑力。当排砂到刃角以下，套箱重量大于F浮+f土时，套箱即可下沉。

第2种:当排砂至刃角以下进入黏土层时，刃角以下没有水，不产生浮力，若采取干挖作业施工，此时套箱内部无水，内外不贯通。此时套箱下沉需要克服土层侧摩阻力f土，套箱需要靠自重来克服阻力下沉。

第3种:套箱刃脚下部黏土层已掏空，套箱外侧土层侧摩阻力大于等于整个套箱重量，此时套箱不下沉，当不断往套箱隔舱内注水配重时，或者围堰内土层出现透水管涌等异常情况时，土层侧摩阻力小于等于整个套箱重量，套箱受力平衡状态被破坏，开始下沉，静摩擦变成动摩擦，土提供的摩擦力大大减小，套箱则会利用其惯性大幅度下沉，在摩擦力与对刃角的支撑力之和达到一定值时，与套箱重量重新达到平衡而停止下沉。此种情况不宜控制，因为土层侧摩阻力不好精确计算，地质勘查时提供侧摩阻力为8 kPa，但实际施工中发现侧摩阻力在15～20 kPa，必须采取可靠的下沉施工控制措施。

第4种:在套箱下沉到位并封底完成后，此时可能出现最不利情况，即封底混凝土面以下为透水层，内外水贯通，套箱外壁与封底混凝土形成一个“杯子”，浮力是整个“杯子”所受的浮力，且达到最大值，这就要求确保封底混凝土的厚度和施工质量［5］。

3.3.2 开挖下沉施工方法

由于该桥套箱下沉深度达15.5 m，各个工序都有注水抽水的过程，围堰内的水头差及相邻隔舱的水头差、空腹钢围堰的水头差等必须满足设计规定。

套箱着床后首先进入砂层，由于砂层的透水性，套箱内水抽不干，此层合适的排砂方法是使用汽车吊或浮吊配合大功率渣浆泵直接抽吸砂，砂层中含泥时可在渣浆泵的底部侧面安装高压射水枪辅助排砂。

套箱进入淤泥层开挖，通常选用干排法，但考虑到淤泥层较深，淤泥的稳定性较差，极易发生管涌，为安全起见，先采用10 t浮吊配合吊装1.5 m3莲花抓斗带水开挖。即首先均匀开挖至刃角以下，然后向套箱隔仓里浇注混凝土，当混凝土浇入量达到设计量，再改用排水法。此法是减轻对刃角以下土的压力而使土松动失稳和浮力降低而下沉。排水法要注意套箱内水位变化，出现管涌时，及时停止排水，并向套箱内注水以免管涌进一步扩大。套箱在几次下沉之后，进入深水开挖阶段，此时套箱外围土深度达到干挖的条件，干挖可以观察到淤泥的位置，使得开挖更加有效，但是开挖到刃角以下时，套箱在侧摩阻力的影响下，往往不会下沉，此时需要向套箱隔舱内注水配重，破坏已形成的平衡来达到下沉目的。

3.3.3 下沉过程中偏位、标高控制措施

该桥钢围堰吸泥深度大，偏位控制要求高，而套箱在淤泥、砂层中进行下沉施工更易发生偏位和倾斜，特别是底节套箱着床后，河床的高低直接影响套箱的倾斜度，要严格控制排砂方法，加强测量，在套箱周围均匀对称排砂，不能在个别位置抽砂太深。在淤泥层开挖下沉过程中，采取对称均匀分层开挖，特别要控制好开挖深度。套箱基本不会发生偏位，但是套箱在淤泥层的开挖下沉主要克服摩阻力，当静摩擦变成动摩擦时，阻力急剧减小，套箱会依靠本身惯性，下沉量很大，并且不好精确计算确定，很难控制标高。在实际施工过程中发现，套箱每次下沉量为1～3.5 m，范围较大。因此，为避免在套箱施工的最后阶段出现套箱下沉低于设计标高，利用外围限位管桩作支撑桩(接长至30 m)［6］，在套箱顶部对应支撑桩顶部中心位置焊接反牛腿，通过反牛腿作用于支撑桩提供向上作用力以达到控制套箱的过量下沉。由于反牛腿受力大，且一般受力不均匀，个别受力较大，设计数量、设计安全系数要合理考虑，且焊接质量要符合设计规范要求，同时焊接牛腿处套箱要做加强处理。下沉过程中，需对套箱顶位移进行观测，确保反牛腿位置与支撑桩在同一竖向垂直面上［7］。应用此方法效果明显，标高基本控制在－20 cm以内，符合施工要求。

3.3.4 套箱内钻孔桩钢护筒处理

先桩后堰法套箱开挖下沉过程中，要根据护筒长度和埋入深度合理选择开挖顺序和方法。若护筒埋入浅，其底部标高在桩顶标高以上许多，护筒在开挖到一定深度后会出现倒塌现象，必须先处理好钻孔桩护筒然后再开挖，必要时进行水下切割。在345#墩开挖过程中，护筒底部在桩顶以上不足2 m，若直接开挖护筒必然会倾倒砸坏套箱，为此开挖至距护筒底部2 m左右时，用泥浆泵或空压机抽掉护筒内泥浆砂层然后将护筒拔出，确保后续开挖过程中人员设备安全。

3.4 水下混凝土封底施工

封底是关键的一步，要保证封底厚度和封底质量。套箱开挖到设计标高后，基底出现部分管涌迹象，需采取水下封底。因淤泥层较厚，为减少基底浮土上涌量，可采取超挖约30～50 cm后向套箱内抛片石使基底稳定密实后再封底，以确保混凝土封底质量。封底导管必须做水密性试验，导管插入点间距按3～3.5 m布置，混凝土坍落度宜控制在20～22 cm，可根据现场实际情况适当调整［8］。封底混凝土达到90%设计强度后方可抽水。抽水过程中要观察套箱骨架有无异常响声，堰内水位有没有异常变化等，发现异常立即采取停止抽水或回灌水等措施，以确保围堰安全［9］。

4 施工质量关键控制点

1)钢套箱焊接要保证质量，特别是水平竖向接头焊接要牢固，环形板接头处要加强处理。底节套箱吊点要焊接牢固，焊接在面板表面上的吊点要在里侧对面板做加强处理。起顶时50 t液压千斤顶每次起顶下落高度不大于12 cm，且要听从统一指挥，确保吊点均匀受力。

2)钢套箱开挖过程中，根据现场实际情况，采取适当的弃土方案，开挖出来的淤泥黏土应用泥砂船运走远离套箱周围，防止其堆积在套箱周围，额外增加套箱外侧阻力，导致套箱下沉难度加大。同时还可利用开挖吸泥设备将套箱外侧周围一定深度和宽度范围土层挖出运走远离套箱外壁，以减少套箱外侧土层摩阻力，有利于套箱顺利下沉。因为套箱在淤泥黏土地层下沉15 m多，阻力很大，计算不好控制，容易超下。在设计这种着床很深的套箱时，将顶节改为单壁，总高度加高1 m，封底基底标高高于刃脚底部50 cm以上时下沉施工才容易控制。

3)开挖需采取带水开挖方式，尽量减少围堰内外水头差，这样套箱外壁摩擦力将会适当减小，套箱下沉相对容易［10］。

4)套箱下沉高度要控制好，在均匀开挖到比刃脚底部低50 cm时要停止开挖，抽水或减少配重，由于土质较软，套箱即可下沉1～3 m。为防止套箱超下，一定要采取适当的预防措施，如在周围插打钢管桩并在桩顶焊接10个左右反牛腿。在套箱标高差1 m左右到位时，要特别小心，最后潜水员配合射水冲洗刃脚才比较安全。

5)为加快施工进度，可采取汽车吊或10 t高架浮吊配合液压抓斗进行抓泥，特别是采用先桩后堰法进行钢套箱围堰施工时，套箱围堰内4个拐角宜采取液压抓斗进行清理，确保此处封底厚度达到设计要求。封底混凝土施工可在套箱上铺贝雷梁搭设作业平台进行，也可利用浮箱拼装浮平台作为作业平台进行封底施工。但后者不能同时布几根导管进行混凝土浇注，同时要密切测量水位变化。

5 结语

该桥钢围堰工程数量多，开挖深度较深，工期紧。利用铁路舟桥机动舟、运输船运输，水上20 t浮吊拼装，渣浆泵吸泥(淤泥层、细砂层)和10 t高架浮吊配合0.8 m3液压抓斗和1.5 m3六瓣莲花抓斗抓泥(淤泥质黏土砂层)下沉钢套箱。施工快速、安全、高效。采取安装管桩导向装置和焊接反牛退等方法控制下沉偏位和标高。围堰施工实际偏位为15～20 cm(设计允许偏差50 cm)，标高控制在－20 cm以内，符合承台施工要求。该桥钢套箱下沉施工控制技术可为类似地质条件下钢套箱施工提供借鉴。

［1］傅琼阁．深水基础钢围堰施工技术［J］．中外公路，2005 (4):128-130．

［2］王贵春，皇甫昱．桥梁深水基础双壁钢围堰施工技术分析［J］．铁道建筑，2007(8):22-24．

［3］赵顺涛，潘军．南京大胜关长江大桥6号主墩超大型钢套箱围堰下沉控制技术［J］．世界桥梁，2008(3):22-24．

［4］李陆平，尤继勤，王吉连．蔡家湾汉江特大桥深水基础钢套箱围堰施工技术［J］．世界桥梁，2010(1):59-62．

［5］徐建中．石良角浔江特大桥双壁钢围堰设计与施工［J］．铁道标准设计，2006(7):50-52．

［6］张利．大型深水基础单壁钢套箱围堰施工技术［J］．铁道建筑，2011(3):13-15．

［7］王红伟．钦防铁路茅岭江特大桥主墩双壁钢围堰施工技术［J］．铁道建筑，2013(5):35-37．

［8］任亚科．深水基础钢套箱围堰施工技术［J］．科技创新与应用，2011(22):158．

［9］袁翀，傅勇．双壁钢围堰吸泥下沉、清基及水下封底过程中有关问题的处理办法［J］．黄冈师范学院学报，2001(5): 83-85．

［10］倪婷．钢套箱围堰施工工艺的研究和应用［J］．城市道桥与防洪，2010(9):252-255．

Control technology of sinking construction for steel case

XU Xiaoxiang
(Railway Combat Readiness Boat Bridge Department，Qihe Shandong 251100，China)

Steel cofferdam sinking is the key during the deep water foundation construction of bridge engineering．Numerous instruments and different construction methods are used according to the specific engineering and its hydrogeological conditions．In this paper，a case study on the construction of Hanjiang Double-line Bridge in Xiameng-Shenzhen passenger transport line was introduced．T ake the construction of 345#pier as an example．T he overhead crane barge was applied to assemble the steel cofferdam rapidly．Slurry pump，10 t overhead crane barge，0.8 m3hydraulic grab and 1.5 m3lotus-shaped grab were used．Pipe pile guide was installed and bracket was welded to control sinking deviation and elevation．During the steel cofferdam construction，the actual deviation was 15 to 20 cm，and the elevation was within－20 cm，both of which meet the requirement of bearing platform construction．

Steel cofferdam;Sink;Floating crane;Control technology

U443.16+2;U445.4

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．07

1003-1995(2015)04-0022-05

(责任审编葛全红)

2014-04-27;

2015-01-30

徐小祥(1977—)，男，安徽马鞍山人，工程师。