埋置式承台分离式柔性止水结构设计与施工

吴泽生，黄宜龙

(1.港珠澳大桥管理局，广东 珠海 519000； 2.广东省长大公路工程有限公司，广州 510000)

在埋置式承台安装过程中，承台与钢管桩间止水是关键工序，直接影响安装效果，因此选择合理的止水方式很重要。总体上止水方式划分为刚性止水和柔性止水，刚性止水中应用较多的材料有水泥砂浆、环氧树脂等，具有适用性强、工艺成熟、成本低、操作方便等优点；柔性止水中所用材料主要有橡胶或生物材料。青岛海湾大桥在施工过程中选择水下混凝土套箱技术，利用胶囊膨胀有效地进行套箱与钢管桩的止水操作；孟加拉大桥采用现浇后吊挂法施工，并通过胶囊进行止水，效果也很明显。这种柔性止水方式是将相应的胶囊设置在临时钢套箱内，待承台安装到位后，胶囊充气达到一定工作压力而实现间隙止水的目的。港珠澳大桥在埋置式承台安装中就采用此种柔性止水方案。

1 埋置式承台安装方案

港珠澳大桥在桥梁下部结构设计中采用钢管复合桩基、预制承台及预制墩身方案。为了减少基础的阻水率，保证珠江口排洪纳潮及航道顺畅，承台采用了埋置式方案。承台顶面与海平面齐平，而对应的基坑开挖大部分位于软土层，相应的承台、墩身施工采用预制安装工艺，即承台在预制场预制完成后，运输到桥位进行海上安装,承台与桩基之间采用混凝土后浇方式连接[1-2]。

港珠澳大桥桩基与承台布置如图1所示，其施工流程如下：1) 钻孔灌注桩施工结束后，先开挖基坑，后安装对应的钢套箱止水装置，过程中由大型浮吊整体吊装预制承台，在墩台精确调整到位后，开始进行桩基与承台止水；2) 围堰内抽水形成干施工作业环境后，进行后浇湿接缝混凝土施工，待混凝土强度满足要求后拆除钢套箱,完成承台安装施工；3) 待后浇湿接缝混凝土强度满足要求后，拆除钢套箱，周转用于下个墩台施工使用[3-7]。

(a) 立面

(b) 平面

2 分离式柔性止水结构方案设计

2.1 柔性止水简述

柔性止水是一种新型的止水方式，基于材料弹性变形而有效地适应桩与承台的运动模式，主要通过胶囊充气膨胀实现桩基与承台间隙止水目的。柔性止水可进一步划分为分离式和整体式止水系统[1,8-10]。

整体式柔性止水系统，主要由预留槽、胶囊、充气装置和速凝砂浆等单元组成，在施工过程中利用承台作为止水系统的一部分，实现胶囊和承台的整体下放。

分离式柔性止水系统主要由填芯钢箱、胶囊、止水带、充气装置、连接装置、安装牛腿以及千斤顶提升装置等单元组成。

港珠澳大桥埋置式承台在止水施工过程中，综合考虑各方面因素，选择了分离式胶囊止水系统，主要包括环形托盘、内侧止水胶囊、顶部GINA止水带及张拉收紧装置，其结构如图2所示。

图2 分离式胶囊柔性止水结构示意

2.2 环形托盘设计

环形托盘内径为钢管桩直径D+2×20 mm，径宽700 mm，主要由钢筋混凝土结构、预埋软管、导向轮、预埋螺栓等相关单元组成，其结构组成如图3所示。

2.3 顶面GINA橡胶止水设计与施工

在托盘制作时需预埋安装固定螺栓；在托盘顶面靠外侧固定环形GINA止水带，通过对GINA进行压缩而完成止水。作用在其上的压力荷载约为40 kN/m，压缩前的高度为74 mm，压缩后的高度为46 mm。根据计算，由于总张拉力大于抽水后作用在托盘底面的浮力，抽水后托盘不会发生上移，因此能满足止水要求。GINA止水带安装示意如图4所示。

施工过程中，为确保混凝土平整度，固定螺栓采用了植筋模式来安装，植筋孔径为Φ16 mm，孔深45 mm，螺杆直径12 mm，长65 mm；待托盘混凝土的强度满足要求后进行植筋，其后安装垫板、GINA止水带、压板及紧固螺母。

(a) 环形托盘总体布置

(b) 托盘构造设计

单位：mm

由于GINA止水带压缩后设计高为46 mm，水平方向为柔性结构，为防止托盘水平晃动或者倾斜而引发的止水带一侧过度压缩问题，在止水带外侧固定高度限位，在托盘四周均匀布置4个。高度限位装置为[10槽钢，高度为46 mm。高度限位安装完成后，需检查其顶面标高，同时确保4个限位标高偏差不超过3 mm，并将顶面磨平。

其施工步骤如下：1) 先将一个环形GINA橡胶止水带固定在托盘顶面外侧；2) 利用千斤顶，通过张拉托盘使GINA橡胶进行适当压缩而完成止水。

2.4 张拉收紧装置设计与施工

张拉结构设计中，采用单根Φ15.2钢绞线作为张拉杆，单根钢绞线的张拉力为6.6 t。每个环形托盘设置了6个张拉杆，下端采用挤压头锚固。在托盘内先预埋2根M24螺栓，同时确保锚固螺杆预埋时要形成整体，然后通过U型板进行固定，确保后续可方便安装钢绞线。张拉收紧装置总体结构示意如图5所示。

(a) 下端锚固

(b) 锚固螺杆固定

2.5 托盘内侧胶囊止水设计

胶囊质量是控制本方案止水效果的关键，为此本项目对止水胶囊的结构、材料及制作工艺进行研究并不断优化。止水胶囊结构如图6所示，优化后的止水胶囊设计参数如下：

1) 止水胶囊为高34 cm、宽8.5 cm的圆端形矩形结构，充气后对应的高度为16.5 cm，胶囊作业状态的充气压力为0.3 MPa，可满足在水深16 m作业环境的止水应用要求。

2) 止水胶囊内侧设置了相应襟条，以增强止水效果。

3) 止水胶囊主体选择了弹性、强度都达到较高水平的橡胶复合材料，相应的可耐压超过2 MPa，复合帘布也表现出一定的拉伸收缩性。

(a) 止水胶囊结构

(b) GINA止水带结构实物图片

2.6 导向轮设计

为确保托盘顺利下落，在托盘顶面均匀安装4个导向轮，导向轮伸出托盘10 mm(朝钢管复合桩方向)，焊接在托盘预埋角钢上，托盘与钢管桩的理论间距为20 mm，则导向轮可保证托盘的偏心≤10 mm，以确保止水胶囊的止水效果。导向轮结构示意如图7所示。

单位：mm

3 分离式柔性止水结构安装[11-15]

分离式柔性止水结构装置总体流程为：1) 沉放相应的环形托盘+内侧止水胶囊+顶部GINA止水带到预定标高，使托盘顶部距承台底部10 cm；2) 吊装承台并将承台下放至设计标高位置，并适当调整位置；3) 拉紧钢绞线，压缩GINA止水带，使环形托盘与承台底部之间达到水平止水；4) 将胶囊充气膨胀，使胶囊达到环状；排干承台内的水，灌入快凝砂浆，焊接剪力键，完成体系转换,实现承台预留孔处抽水、止水。该结构具体安装步骤如下：

(1) 准备工作。钢管桩抄平处理后，适当控制桩顶标高，在钢管复合桩内焊接6个牛腿，且每个牛腿上安装6个20 t同步液压三维千斤顶；在对应的吊架中也安装同样的千斤顶，对标高进行调节。分离式柔性止水结构安装示意如图8所示。

(2) 起吊托盘。将吊架抬升大约1 m；将吊架和钢绞线上部连接后进行浮吊起勾，在此操作过程中同时绑扎连接相应的充气管和钢绞线；连接托盘和钢绞线的下端后起吊托盘。

(3) 托盘套入桩内。浮吊适当旋转吊臂，缓缓地将托盘吊装于钢管桩上方；然后缓慢地下放并套入钢管桩内，直至吊具接触千斤顶上。三维千斤顶吊架落在钢管桩上。

(4) 墩台吊装。在此操作过程中确保墩台到位情况下，通过桩顶的三维千斤顶调整装置进行精确位置调整及锁定。墩台现场吊装施工如图9所示。

5) GINA橡胶带压缩止水。连接油泵与千斤顶；启动油泵，同步张拉6根钢绞线到位，止水胶囊充气，承台底板与钢管复合桩间止水形成密闭状态。

(a) 吊架结构

(b) 结构安装效果图

(a) 桩顶吊架

(b) 墩台现场吊装

4 结束语

1) 海中安装大型埋置式承台采用柔性止水系统，是由环形托盘、内侧止水胶囊、顶面GINA止水带及张拉收紧装置形成分离式胶囊止水结构。

2) 为保证环形托盘顺利下落，在托盘顶面均匀安装导向轮，控制托盘偏心，有利于胶囊止水。

3) 托盘结构设计，应对吊点处、GINA橡胶处、吊点底部进行受力验算，保证结构安全。

4) 考虑到止水钢围堰施工期间的稳定性和减小抽水工作量，托盘安装后，宜选择在低水位时进行胶囊充气止水。

5) 港珠澳大桥预制埋置式承台在国内首次成功应用，其成功经验为外海、大流速水域、恶劣气象条件下的跨海桥梁的施工提供了新的方法，对促进我国长大跨度装备式结构在跨海上桥梁施工作出贡献，推动了我国桥梁建设技术的进步。