单壁无底钢吊箱围堰设计

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【摘 要】在钢吊箱围堰设计施工中，一般都是设计有底板，益阳市资江五桥深水承台施工中，根据现场地形条件，设计中没有设计底板，采用了无底钢吊箱围堰结构设计，实际施工中体现出了经济性与安全性特点，在施工中取得了很好的效果，该方案为目前深水承台施工提供了一种新的施工方案参考

【关键词】深水承台；单臂无底钢吊箱围堰；设计

1、工程简介

G319益阳南线高速公路为益阳绕城高速的一部分，其控制性工程为资江五桥，桥梁全长1088m，桥双副宽27.5m，主桥采用（30+35+56+4×90+56+35+30）m悬浇箱梁。主桥下部基础为群桩基础，高桩承台。主桥3#-7#五个主墩每个墩桩基为12根Φ1.8m钻孔灌注桩，横桥向2排，每排6根，承台顶面设计标高为27.50m，底面设计标高为24.50m，承台平面尺寸为29.80×7.80×3m。主桥墩位于资江深水区，最深的主墩4、5号墩水深在10.0m至12.5m之间。经综合分析比较，主桥墩4#、5#承台采用单壁无底钢吊箱围堰施工。

2、单壁无底钢吊箱的设计

钢吊箱围堰是为承台施工而设计的临时阻水结构，其作用是通过吊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。根据钢吊箱使用功能，将其分为底板、侧板、内支撑、吊挂系统四大部分。其中，侧板、底板是钢吊箱围堰的主要阻水结构并兼作承台模板，封底混凝土作为承台施工的底模板，吊箱侧板作为承台施工的侧模板。资江五桥结合现场实际情况，设计采用了单壁无底钢吊箱围堰，无底就是钢吊箱设计时没有设计底板，而是采用无底吊箱下沉后回填部分河卵石到吊箱底，再进行砼封底形成底模板的设计概念进行设计施工。

2.1 围堰结构设计的确定

目前深水承台施工，多采用沉井、钢围堰或钢吊箱法。由于沉井和钢围堰施工工序繁锁，工期长，材料用量大，而钢吊箱工艺操作简单，节约工期，材料用量合理并能回收再利用，技术上可行，所以我们确定采用钢吊箱施工方案。根据资江特大桥现场情况，该处承台底标高为24.5m，封底砼厚度为2m，河床底面标高在19.5-20.5m左右，即河床底面与封底砼之间高差为2.0-2.5m，考虑到该处河床底为0-1.5m厚的河卵石覆盖层，较密实，该处钢吊箱设计时没有设计底板，底板在实际施工中考虑采用河卵石回填处理的方案实施。设计时对吊箱底板的有底、无底两种方案进行了比较（如表1所示），结合本工程工期、结构特点及施工经验等，本项目钢吊箱底板采用无底结构。

表1

形式 材料用量 优点 缺点

单壁无底结构 侧板材料用量126.5吨，无底板设计，底板实际只有对拉钢带用钢量5.5吨，内支撑材料用量20.9吨，合计152.9吨。 ①无底板设计，底板仅有5.5吨钢带，材料用量小；②因无需安装底板，下沉工艺简单，节省时间。③因无底板，吊箱定位简单，无需考虑与钢护筒之间的定位； ①因采用河卵石回填找平围堰底，封底砼浇筑时砼防漏处理相对复杂；

单壁有底结构 侧板材料用量126.5吨，底板材料用量42.0吨，内支撑材料用量20.9吨，合计189.4吨。 ①有底板封底砼防漏处理相对简单；②封底砼厚度均匀容易控制； ①材料用量多，加工难度相对大；②下沉时需用大型吊挂系统。③下沉底板安装工艺复杂，工期长。

2.2 设计条件

2.2.1工况条件

根据钢吊箱围堰施工工作时段及设计受力状态，可按以下几个工况进行分析：① 拼装下沉阶段；

② 封底混凝土施工阶段；

③ 抽水后承台施工阶段。

2.2.2水位条件

根据益阳市水利局提供的近年水位资料，2008年的最高洪水水位为36.32m，根据当地百姓反应，因三峡蓄水后，下游洞庭湖湖水反衬作用减小，近五年该处河水标高未超过36.3m，枯水期水位未超过30.5m，结合我部吊箱施工进度安排（8～12月），确定钢吊箱的顶标高为31.50m），设计抽水水位为30.50m（可根据施工时的水位随时调整）。水流速取为2.50m/s。

2.2.3结构设计条件

结构参数如下：

表2

序号 项 目 单位 类型1

1 承台尺寸 m 29.4×7.8×3

2 承台顶标高 m +27.500

3 承台底标高 m 24.500

4 吊箱顶标高 m +31.500

5 封底砼底标高 m +22.500

6 吊箱内尺寸 m 29.7×7.8

7 C30封底砼厚度 m 2.0

8 围堰结构自重 t 152.9

围堰设计参数如下：

1.围堰最高抽水水位： +30.500m

2.承台最低施工水位： +27.000m

3.Q235B容许应力： [σ]=170MPa， [τ]= 100MPa

4.护筒直径： φ=2m

根据自然水位变化及钢吊箱施工作业时段，设计施工受力结构主要按照最高水位时，吊箱内抽干水后侧板所受水压力为设计依据，最低水位时，现浇承台砼侧压力进行校核，考虑最高水位时，钢吊箱抗浮措施。

2.3荷载取值依据

由《公路路桥涵设计规范》 （JTG D60-2004）荷载组合V考虑钢吊箱围堰设计荷载组合。

水平荷载：∑Hj=静水压力+流水压力+风力+其他；

竖直荷载：∑Gj=吊箱自重+封底混凝土重+浮力+其他；

其中：单位面积上的静水压力按10kN/㎡计，水压随高度按线性分布；

风速很小，在此可忽略；

封底混凝土容重；γ=24.0kN/m3；

水的浮力：γ=10kN/m3；

封底混凝土与护筒之间的摩阻力取经验值150KN/m2

2.4计算

综合工况条件分析和计算内容，对钢吊箱各部分取最不利受力工况进行计算。

2.4.1 因采用无底板设计，封底混凝土重量和吊箱自重由河床底铺设的河卵石承受直接传递到河床。因此底板主要考虑封底砼施工时砼防坍塌及吊箱抽水后的抗浮力，抗沉力基本不需要考虑。

2.4.2 侧板以承受水平荷载为主，最不利受力工况为抽水阶段，侧板计算包括竖肋、水平加劲肋、面板、竖肋拼接处及焊接的内力、 变形及应力计算。另外，还要对吊箱逐层入水及承台施工等阶段侧板受力情况进行复算。内支撑系统与侧板计算，在侧板验算的同时完成验算。

2.4.3 吊箱拼装下沉阶段主要与吊箱自重有关，以两层拼装完成下沉时为最不利进行计算控制，并据此计算结果设计吊点、吊带。

2.4.4抗浮计算分两个阶段：一个阶段是吊箱内抽完水后灌筑承台混凝土前，另一个阶段是浇筑完承台且混凝土初凝前。

吊箱自重+封底混凝土重+粘结力（方向向下）>浮力

吊箱自重+承台混凝土重+封底混凝土重

2.4.5 封底混凝土强度验算：要验算封底混凝土周边悬臂时的拉应力和剪应力，以及中间封底混凝土的拉应力和剪应力。

2.4.6封底混凝土厚度计算。

2.5结构说明

根据设计施工水位，钢吊箱设计总高度为9.0m，共分两节，第一节高6.0m， 第二节高3.0m。吊箱侧模共10块，模板之间采用M27双排螺栓连接，拼缝之间垫δ=8m厚止水橡胶板；底板钢带采用δ=16m宽15cm的钢板制成，以便拆除，底板钢带与侧模之间用φ48.5钢管做销轴连接。吊箱顶部受力梁为吊箱的主要受力结构，吊箱及封底砼自重通过下垫河卵石和钢护筒传递给桩基承受。钢吊箱设计布置见无底钢吊箱设计图。钢吊箱总重约152.9t，采用在围堰现场钢护筒上逐块散拼，80t浮吊分体吊装的方式进行施工。施工荷载及自重主要由支承架传递到桩基和河底河卵石垫层承受。

2.5.1.内支撑及导梁：导梁采用2HN500 ×200型钢，焊接在围堰内侧，内支撑采用HN400×200型钢，内支撑与导梁及内支撑之间均采用焊接方式连接。

2.5.2. 侧板：面板为6mmQ235B钢板，水平加劲肋为[8型钢，竖向间距在围堰封底范围内40cm，在封底顶部至内支撑位置35cm，内支撑以上40cm。竖向大肋采用HN400×200型钢，型钢间距100cm，型钢底部开销孔，利用销轴与底部钢带铰座连接。竖肋外侧焊接[20b型钢，加强竖肋横向稳定性。

侧板分块制造，整个围堰分为3种类型，其中两种类型结构对称。

2.5.3.底部钢带：底板取消后，为保证对侧板的对拉和临时内衬作用，对拉采用为15cm宽，15mmQ235B钢板做成钢带，钢带在钢吊箱侧板拼装时按照在吊箱底部，间距按100cm控制。

2.5.4.铰座：侧板与底板钢带之间通过铰座连接，铰座焊接在钢带上，其位置与侧板竖肋相对应。铰座采用φ49.5销轴（贝雷梁销轴）。

2.5.5.吊挂系统：吊挂系统分牛腿、吊挂分配梁及吊挂吊杆结构。因无底板，吊箱在最终受力工况时吊挂基本不需要受力，因此主要考虑拼装及下沉过程的吊挂。

2.5.6.下放设施：在吊箱顶对称的1/4侧板位置设置4个下放吊点，下放分配梁为2[36b型钢，利用牛腿支撑在钢护筒上。吊箱下发时利用4个吊点设置4台卷扬机吊挂吊箱下放围堰。

2.6吊箱定位

钢吊箱下沉入水后受流水压力的作用，吊箱围堰会向下游漂移，为便于调整吊箱位置，确保顺利下沉，在吊箱侧板内壁与钢护筒之间设导向系统。定位系统由导向钢板、定位孔、定位器（短型钢）及调位千斤顶组成。导向板为厚度δ=16mm钢板，端部制成圆弧，分别焊于吊箱4个角部位的纵、横内圈梁上，导向板端部至钢护筒外壁之间留一定的空隙；导向钢板及定位孔的作用是控制下沉吊箱的平面位置。调位时用调位千斤顶进行。

2.7围堰施工

2.7.1.低水位时，割除多余钢护筒，在设计标高位置安装拼装牛腿、吊挂分配梁、下放系统，牛腿标高误差≤5mm，导向与侧板间隙误差≤50mm。

2.7.2.低水位择时回填围堰底部河落实，回填河卵石时应考虑级配良好并适当参入少量河砂以提高铺地的密实度和回填料的摩擦力，拼装底板钢带，调整好铺地的平面位置及水平度，为保证底板的砼施工时塌漏现象发生，铺地河卵石在吊箱周围的坡比达到1：2左右。

2.7.3.拼装侧板时先安装侧板C1（长边），竖肋对准铰座，安装就位后，将其临时固定。然后吊装侧板C2正反，先安装铰座销轴，后上侧板连接螺栓。底板与侧板及侧板拼缝间均需贴8mm海绵橡胶，安装就位后，将海绵橡胶压缩至2mm，以防渗漏。

2.7.4.围堰拼装好后，利用下放设施中千斤顶顶起围堰，稳定30分钟后，割除拼装牛腿解除吊杆与吊挂系统的锚固，开始下放围堰，围堰下放到位后，将吊杆锚固在吊挂系统上，拆除下放设施，将吊箱直接放置于铺地之上。

2.7.5.抄垫围堰与铺地之间空隙，同时在吊箱与河卵石接触的侧板边缘铺设沙袋。

2.7.6.打开侧板连通孔，浇注封底砼，将封底砼振捣密实，尤其护筒周围的封底砼。

2.7.7.待封底砼强度达到设计要求后，关闭侧板连通孔，抽干围堰内水，割除护筒，凿桩头，绑扎承台钢筋，浇筑承台砼，承台砼浇筑过程中，围堰外水位不得低于+27.000m。

2.7.8.待承台砼达到设计强度后，拆除围堰内支撑，进行墩身施工。

3、结束语

资江特大桥主桥承台围堰施工方案的设计，无论从经济技术的可行性，还是从现场组织施工的结果都取得了成功，节约了工期，降低了成本，为后序施工打下了坚实的基础。同时也希望此技术经验能在同行业中取到补充施工方案的作用！

参考文献：

[1]JTJ041—2000 公路桥涵施工技术规范 北京：人民交通出版社，2000

[2]周水兴，何兆益，邹毅松 路桥施工计算手册 北京：人民交通出版社，2001

[3]交通部第一公路工程总公司 桥涵 北京：人民交通出版社，2001

作者简介：

王观次，男，1978年7出生，湖南临湘，大学本科学历，中级职称，高速公路施工管理工作。