超大直径圆形钢围堰设计与安装关键技术*

尚 龙,杨勇敢

(1.中交第二航务工程局第四工程有限公司,安徽 芜湖 241000; 2.合肥工业大学土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009)

1 工程概况

芜湖长江公路二桥跨江主桥为(100+308+806+308+100)m五跨分肢柱式塔分离钢箱梁四索面斜拉桥,全飘浮体系,塔高262.48m。其中南主墩基础采用直径39.0m圆形承台,承台厚8.0m,底标高-6.000m,顶标高+2.000m,下设3.0m厚封底混凝土,底标高-9.000m。承台下设30根直径3.4～3.0m变截面钻孔灌注桩,桩长80.2m,承台底面至局部冲刷线以下10m范围采用3.4m桩径,余下桩基采用3.0m桩径,钻孔桩直径3.4m范围内钢护筒设计为永久钢护筒。该位置河床面标高约为-28.300m。桥位处设计最高通航水位为+11.980m,设计最低通航水位+0.790m,多年平均水位为+5.120m。桥位处南主墩处于长江深泓区,墩位处水流表面最大流速为2.17m/s,覆盖层厚8m(包括卵砾石层),最大水深约40m。

2 钢围堰设计

结合围堰适用范围和现场情况,设计采用双壁钢吊箱围堰[1]。通过吊箱侧板和底板上的封底混凝土挡水和围水,为深水高桩平台施工提供可靠的隔水结构和无水的施工环境。与钢套箱相比,钢吊箱围堰具有施工工期短、水流阻力小、利于通航、不需要沉入河床、施工难度小、材料用料少、经济合理等特点[2-4]。

2.1 设计参数

根据已有承台设计资料及防撞要求,结合地质水文情况确定钢吊箱的基本设计参数: ①设计最高水位+9.500m; ②设计最低水位+0.410m; ③设计最大流速2.17m/s; ④钢吊箱顶面标高+13.000m(考虑百年一遇的洪水位+11.640m,再增加1.5m安全储备),其中标高+10.500m以下为双壁形式,标高+10.500m以上为单壁形式,底板顶面标高-9.000m; ⑤钢吊箱总高度22m,内径39.0m,外径42.0m; ⑥封底混凝土设计厚度3.0m,强度等级为C25; ⑦隔舱混凝土设计高度11.5m; ⑧抽水后最大水头15.500m。

2.2 结构设计

双壁圆筒形钢吊箱主要由底板(水平主桁)、侧壁(竖肋、隔舱板)、悬吊系统、导向装置及吊箱顶平台等组成。钢吊箱结构布置如图1所示。

图1 钢吊箱布置Fig.1 Layout of steel hanging box

1)底板 底板面板为厚度10mm的钢板,设置HN400×200型钢和HN200×100型钢纵横系梁骨架加劲结构。底板直径42m,底板范围内按桩基设计位置设置30个钢护筒预留孔,预留孔直径3.8m。

2)侧壁 侧壁总高度22.0m,厚度1.5m,侧壁内、外壁板厚度6mm,壁板竖肋为└70×6等边角钢,间距30cm。竖向分3节,从下至上分节高度为(16+3.5+2.5)m(单壁防浪板)。侧壁板与底板采用“底包侧”的形式,内外壁体与底板均采用全断面焊接连接,壁体内侧与底板连接设置加劲板。

3)悬吊系统 钢吊箱悬吊吊杆共136个,单个悬吊杆由上部φ32精轧螺纹钢、下部双拼└90×8不等边角钢以及与吊箱底板顶面设置的连接支座组成。

4)导向装置及吊箱顶平台 为方便吊箱精确就位,在吊箱内壁轴线上下对称布置8处导向装置,高度方向设置2个,主要由10mm肋板、HN300×150m型钢和600mm×8mm钢管组成。吊箱顶平台利用壁体及内部支撑,顶面铺设木板形成环向通道。

2.3 钢吊箱制作、安装融合设计

1)根据钢吊箱的结构特点,为方便侧壁板分块和标准化制作,考虑到壁体与夹壁混凝土组成防撞系统,因此厂内制作下料设计时,侧壁沿周长方向分12个块段,每个块段设1道隔舱板。

2)钢吊箱在30个钢护筒孔壁周围各布置4根吊杆,共120根吊杆。为增加安全储备,在底板纵横骨架连接处增设16根吊杆,一端连接在钢吊箱底板上,另一端连接在钢护筒上,连接方式为铰接。

3)一般的吊杆系统采用精轧螺纹钢、钢绞线或型钢,钢吊箱吊杆系统原采用型钢,但考虑到安装时的水流力和钢护筒偏位影响,吊杆分为两部分,标高+8.700m以下为下拉杆,由双拼└90×8不等边角钢构成,长度约17.5m;标高+8.700m以上为上拉杆,由φ32精轧螺纹钢、锚具及垫板等构成,长度约2.4m。上、下拉杆通过2个连接接头进行销接,可快速安装且具有自适应性。

2.4 钢吊箱工况计算

根据上述融合设计情况,结合安装步骤,重点对4个工况进行分析计算:①工况1 钢吊箱第1节16m壁体吊装阶段结构强度验算;②工况2 钢吊箱封底阶段结构强度验算;③工况3 抽水阶段结构强度验算;④工况4 承台第1次浇筑混凝土阶段结构强度验算及封底混凝土承载力验算[5]。各工况有限元模型如图2所示。

图2 钢吊箱各工况计算模型Fig.2 Calculation model of steel hanging box under various working conditions

工况1计算最大应力为160MPa,在6mm外壁板位置;工况2计算最大应力为166MPa,在T梁位置,最大变形为42.3mm,在底板面板位置;工况3计算最大应力为184MPa,在外壁板位置,最大变形为9.8mm,在水平横撑位置;工况4封底混凝土的局部最大拉应力为0.52MPa,最大压应力为1.18MPa。计算结果表明,钢吊箱壁板、竖肋、水平主桁、隔舱板、底板、吊杆等均满足规范及安全要求,且厚3m、强度等级为C25的封底混凝土满足抽水后的封底混凝土抗弯和钢护筒握裹力设计要求。承台第1次浇筑混凝土时封底混凝土所受荷载较抽水时小,封底混凝土强度以及钢护筒所能提供的握裹力能够满足要求。

3 钢围堰施工

3.1 施工方案

钢围堰制作采取工厂化胎膜加工,考虑到其尺寸和安装需要,制作时壁体沿周长分为12个块段,然后在底板上拼接,首节段高16m,厂内通过模块化运输车转场,滚装至双体运输船舶,浮运至安装桥位,通过大型浮吊直接起吊安装,自浮后壁体注水下沉至设计标高(提前安装好吊杆)。第2节及第3节采用平板驳船运输至桥位,采用小型浮吊分块安装第2节,第3节安装视水位情况[6-7]。最后采用多导管法进行水下封底,分次浇筑夹壁混凝土,抽水后进行承台施工。

3.2 钢吊箱制作

钢吊箱制作工艺流程为:板材预处理下料→零件制作与加工→单元件制作→块件匹配制造→块件工厂涂装→钢吊箱总拼装。

钢吊箱设计时已充分考虑其制作分块和焊接需求,结合结构形式,壁体外侧板、内侧板、隔舱板、圆环板在上胎前制作成板单元,然后上胎同槽组装成12个块段,以流水化的作业方式,保证其弧度大小一致。

钢吊箱底板结构为面板+型钢加劲结构,按加工工艺及运输、吊装要求,可等分1/4块体进行制作,其加工过程为:下料→结构安装线刻划→面板上胎架定位→加劲结构上胎架装焊。在钢吊箱块件制作过程中,按照外壁板单元→隔舱板单元→水平桁架单元→内壁板单元的顺序,实现块件的卧式阶梯形组装与焊接。组装时,以胎架为组装平台,以隔板、壁板单元为内胎,重点控制钢吊箱块件圆弧段的线形、几何形状和尺寸精度、相邻接口的精确匹配等,如图3所示。由于块体是均分的12等份,底板和第1节壁体为整体单元,将两单元组装在一起(见图4),检查其垂直度、高差、直线度、平面度,确保其满足质量要求,为保证承台结构尺寸,底板及壁体制作和拼装时按照正公差控制,外放20mm。

图3 钢吊箱块段胎架制作Fig.3 Fabrication of steel suspension box block jig

图4 整体组拼Fig.4 Overall assembly

钢吊箱承台顶以下部分为防撞结构,需进行防腐处理。钢吊箱标高+3.000m以下钢板内外表面喷砂Sa2.5+无机硅酸锌车间底漆(20μm),底面采用耐磨环氧漆(3道×150μm)。

钢吊箱底部钻孔桩钢护筒位置需开孔,一般孔径比钢护筒直径大40cm,以确保钢吊箱能够顺利下放。该桥南主墩位于深泓区,长期受冲刷影响,覆盖层较浅,钢护筒无法一次施振到位,需二次跟进施工,钢护筒存在滑移倾斜的情况,造成钢护筒位置较理论位置可能出现较大偏差,因此需对每一个钢护筒偏位和倾斜度进行测量,从而计算钢护筒相对于钢吊箱底的投影形状,然后将钢护筒实际的投影形状在钢吊箱底板上测放出来,修正钢吊箱底板开孔位置,确保钢吊箱后续顺利下放。

3.3 钢吊箱运输

考虑运输条件及现场起吊能力,3节壁体均在工厂分块制作,第1节16m与底板整体组拼运至桥位,第2节3.5m与第3节2.5m单个块体运至桥位进行接高拼装。钢吊箱运输分为场内运输和水上运输[8]。主要运输步骤为: ①场内下胎及转运通过平板车纵向运输,平板车支撑在钢吊箱壁板侧箱体上; ②运输至临时堆放区布置钢墩,使用木楔将钢吊箱调平后,平板车平缓退出; ③通过平板车及专用运输托架运送至码头指定位置,平板车不撤离,卸载20%,安放支墩,等待滚装上船; ④运输船在码头进行抛锚定位,待涨潮时平板车进行滚装上船; ⑤平板车到达运输船甲板指定位置,布置好钢墩,平板车卸载、退离运输船甲板; ⑥对钢吊箱进行绑扎固定,以保证航行安全; ⑦运输船安全起航(起航前采用钢丝绳索网结构固定吊杆)。

拼装时充分考虑场内运输和转场,支墩设置高度和位置预留了运输车空间。场内运输采用2台MDE55型NICOLAS大型液压平板车,每辆车配备6个模块,1个主动模块,5个从动模块,各平板车上安放2个4 000mm×15 000mm的承载梁,如图5所示。

图5 钢吊箱场内运输Fig.5 Transportation of steel hanging box in yard

钢吊箱滚装上船时,需选择适宜的潮位,利用涨潮的时间,船尾顶靠码头,并由船上的压载系统调平船位,使船尾搁置于码头前沿的支墩上,同时使船与码头系结牢固,等待装载钢吊箱节段的平板车上船。根据涨潮或落潮速度及运梁船的调载能力,运梁船始终进行浮态调整。

水上运输采用“金虹”号双体运输船,配备2套全回转舵桨装置,为自航船舶。船体总长56m,型宽26.5m,载重量1 389t。在运输船后方配备1艘拖轮进行助推及后方瞭望。为保证运输安全,钢吊箱在装船后,由2根φ21.5钢丝绳将钢吊箱与船体牢固系结在一起。另外,在运输船的首尾钢吊箱外侧分别增设12个靠档以保证其稳定性。

3.4 钢吊箱安装

3.4.1安装准备

钻孔桩全部施工完成后,对影响钢吊箱沉放的所有临时结构进行拆除,并及时完成成桩后钢护筒最终平面偏位及倾斜度测量,为钢吊箱底板开孔及导向装置设置提供参考。钢吊箱运输至现场后,设置4个测量控制点进行测量放样,为下放过程中控制其平面偏差、高程及倾斜度做好准备。

3.4.2吊装设备

首节16m钢吊箱重960t,选择1 200t浮吊进行吊装。考虑工期安排,取平均水位为+5.500m,拆除后的钻孔平台顶标高为+10.500m,要求浮吊从水面起吊的最小起吊高度为5m;浮吊最小吊幅应大于平台最外侧距吊箱中心距离,约26.8m,则浮吊扒杆达到最大吊重角度为59°,采用1 200t浮吊整体吊装钢吊箱满足施工要求。

3.4.3钢吊箱吊装及下放

选择风力小于4级、无雨雪的天气进行钢吊箱起吊安装,吊装前先进行试吊,再开始正式吊装。起吊应分级进行加载,每增加1级,检查无任何问题后施加下一级,直至钢吊箱被吊起。钢吊箱被吊起后,浮吊绞锚前移,钢吊箱准确位于下沉区域上方时,浮吊停止移动。

钢吊箱下水前将连通器打开,使钢吊箱内、外水位始终保持一致。钢吊箱吊装就位后,检查其平面位置,然后沉放入水自浮,吃水深度约5.90m。

钢吊箱整体入水自浮稳定后,对称均匀注水下沉至设计标高。注水过程观测钢吊箱顶面标高,平稳下沉。在钢吊箱内壁设置上、下2层共8处导向装置,确保钢吊箱下沉过程中姿态平稳、准确。在导向装置各布置1个50t或30t千斤顶,用于调节钢吊箱平面位置。

首节钢吊箱下沉到位并固定后,在钢护筒顶口焊接牛腿和挑梁,挑梁焊接完毕后,将吊杆上端锚固在挑梁上,用力矩扳手将拉杆螺母拧紧,并拆除钢吊箱顶固定吊杆的钢丝绳索网结构。

3.4.4钢吊箱封底及抽水

封底混凝土为C25水下混凝土,厚3m,总方量为2 766m3。为确保封底质量,整个承台封底混凝土一次浇筑完成。封底混凝土施工采用移动式集料斗,多导管布置的水下混凝土封底工艺。

封底前对底板与钢护筒之间的间隙设置自适应的封堵装置进行封堵,该装置由多个圆弧板组成,各圆弧板之间通过螺栓连接件连接,圆弧板在内弧位置设置密封胶条。在水上将封堵装置连成整体后顺钢护筒滑落至吊箱底板位置,工人在水下用棘轮快速扳手将连接装置收紧即可完成封堵,大大减少水下工作量,并提高施工可靠性。

封底导管布置综合考虑吊箱尺寸、钻孔桩桩位和导管的作用范围,设计“八卦形”导管布置。考虑导管作用半径、混凝土的流动性及施工时间,施工平台上预留了8个备用位置,可进行二次混凝土浇筑,达到精细化控制封底高程的目的。利用Excel编制封底混凝土浇筑实时高程监控和导管布料时间间隔控制系统,辅助处理数据[9]。从封底施工开始,历经34h,封底混凝土达到强度后抽水,未发现漏水,混凝土顶面高差小,无需二次找平。

4 结语

芜湖长江公路二桥南主墩采用圆形双壁钢吊箱围堰,既减少内支撑,又提高施工效率。钢吊箱设计与制作安装相融合,使得钢吊箱制作更加标准化,形成流水作业。钢吊箱滚装上船、双体船运输简单易操作,效率高。针对钢吊箱安装,及时在设计与制造阶段进行优化和调整,使得整个钢吊箱从开始起吊至完全自浮仅用6h,过程中无须对底板预留孔切割,沉放精度也满足规范要求。采用自适应的封堵板、科学设置封底导管布置和高程时间控制系统,使得一次封底成功。钢吊箱于当年10月25日开始吊装沉放,至当年11月下旬完成承台封底及抽水,抽水后无一处漏水,结构安全可靠。