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七都大桥潮汐条件下高桩承台单壁钢吊箱围堰施工工法


潮汐条件下高桩承台单壁钢吊箱施工工法
中铁十局集团有限公司 李向阳 石雅清 李宗根 蒲朝钦 徐进文 1、前言 新建七都大桥是跨越瓯江南汊连接温州和七都岛的主要通道。其中由 中铁十局集团承建第 2 合同段, 起点 K4+016 20 号墩)终点桩号为 K5+137, ( , 与纬二路相接,合同段全桥长 1.121km。主桥和 45m 部分引桥在水中,水 上施工段共长 586m。本工程施工工期紧、安全任务重,除受到每年多次的 台风侵袭外,还受最高 6.8m 大潮汐等不良自然环境的影响,有效作业时间 较短。为解决以上问题,施工中研究形成了一套新的“单壁钢吊箱”施工 技术,并于 2011 年通过中铁十局集团公司评审,获得局级工法,2011 年 10 月获得实用新型专利,2012 年 4 月已受理发明专利。 在有潮汐条件下施工高桩承台时,单壁钢吊箱围堰大大提高施工的主 动性,缩短了工期,节约了成本。其结构新颖,操作简便,生产效率高, 同时又能保证施工安全、质量。 2、工法特点 2.1 利用钢护筒作为吊点设计的简易临时底托架,即保证了底模拼装 质量,利于后续侧模的拼装质量及线形控制,又做到了结构简单实用、操 作性强且后期拆卸方便。 2.2 底模经过加强后直接作为吊箱永久悬吊系统的一部分,降低了对 底托架的设计要求,减少了底托架的施工时间,提高了承台吊箱的施工高 度,节约了施工工期,同时和封底砼形成钢混结构,更加有效的保证了结 构的安全性。 2.3 悬吊系统采用改进加长型反压牛腿,将加强后的底模和钢护筒之 间进行固定连接,在保证安全质量的同时,有效的确保了潮汐影响下的施 -1-

焊作业时间。 3、适用范围 本工法适用于铁路、公路、市政等桥梁工程的各种高桩承台施工和类 似的结构工程施工,特别是对潮汐条件下的高桩承台施工有着比其它围堰 独特的优势。 4、工艺原理 单壁钢吊箱围堰施工高桩承台工艺,通过加强底模结构设计,使底模 自身成为了一个独立重要的受力构件并浇筑在封底砼内形成安全稳固的钢 混结构,所以对应的降低了对底托架设计的要求,充分保证了吊箱结构的 稳定性及拆除的便利性,最主要的是通过这一技术措施大大的提高了承台 吊箱的施工高度,施工高度的提高即意味着延长了吊箱的施工时间,赢得 了工期。设计的加长型反压牛腿,除考虑本身结构设计抵消浮力的基础上, 与底模连接成一个整体,完全取代了倒挂牛腿的作用,充当整个吊箱的悬 吊系统,一方面保证了整个吊箱的稳定性,另一方面比倒挂牛腿施工具有 更多的施工时间。吊箱结构的原理是在潮汐影响深水施工环境下为承台施 工创造一个干环境,从而满足承台施工。通过安装悬吊系统来满足承台砼 自重和水浮力对结构的影响,通过浇注封底砼形成一个封闭的舱体,通过 安装侧模来起到止水作用,通过安装支撑系统来满足水压力和浇筑砼压力 对结构的影响。 5、施工工艺流程及操作要点 5.1 施工工艺流程 详见:图 5.1-1 水中承台钢吊箱施工工艺流程图。

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施工操作平台

搭建
钢吊箱加工

底托架架设

底板铺设施工 接 悬吊系统施工

反压牛腿下部焊接施工

下放至临时拼装平台

侧板安装

吊箱下放至设计标高

反压牛腿上下部焊接施工

砼封底

承台施工

模板拆除

图 5.1-1 水中承台钢吊箱施工工艺流程图

5.2 操作要点 5.2.1 设计要点 -3-

设计荷载:最大验算荷载为模板自重+2m 封底砼重+2m 承台砼重,约 3275t(悬吊系统验算依据) 。 排水体积:最大时为 38.4m×10.4m×6.5m=2595.84m3(内支撑系统验 算、模板刚度验算依据) 。 混凝土方量:封底砼高 2m,混凝土方量为 717m3,采用 C20 砼;承台 砼方量为 1529.45 m3,采用 C25 砼。 承台吊箱高度:吊箱底标高为-2.3m,顶标高为+4.88m,总高 7.18m。 吊箱施工环境:吊箱处于瓯江水中,瓯江水位涨落潮差达到 6.8m,最 低潮水位-2.3m,最高潮水位+4.5m。吊箱设计高 7.18m,最高潮水位时, 吊箱露出约 30cm。设计取的最高潮水位+4.5m 指的是大潮最高潮水位,平 常最高潮水位在+3.8m 左右。 5.2.2 施工操作平台搭建 为了便于吊箱模板的拼装、下放及加固,封底混凝土和承台混凝土的 浇注,在主墩承台一侧搭建操作平台。主墩承台操作平台宽 9m,长 44m, 平台面标高为+7m(与栈桥桥面标高一致) ,基础采用Ф630×10mm 和Ф800 ×10mm 钢管桩,详见下图:

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设计栈桥

图 5.2.2-1 施工操作平台平面布臵图

图 5.2.2-2 施工操作平台立面图 焊缝连接:对接焊缝要求予以焊透;角焊缝必须完整、连接,有效厚 度不得小于 8 mm;焊缝表面不得有裂纹、纵梁与面板之间的焊缝等级应不 低于三级,其它所有焊缝质量等级应不低于二级。 5.2.3 钢吊箱加工 主墩承台吊箱主要由底模系统、侧模系统、悬吊系统、支撑系统组成。 -5-

吊箱底模由δ=8mm 面板、[20 围边型钢、[10 和δ=8mm 加劲肋条、I40 横 纵向型钢龙骨组成,总重 50t;吊箱侧模由δ=8mm 面板、[8 加劲肋条、[20 和 I20 加劲横肋、I32 加劲大竖肋多层型钢组成,总重 123t;吊箱悬吊系 统由前期满足吊箱安装下放的临时悬吊系统和作为吊箱结构受力的永久悬 吊系统组成, 临时悬吊系统由上承重梁 (2I45), 下承重平台 (2I32 和 2I28 组合型钢底托架) ,吊杆系统(Φ32 精轧螺纹钢和 50t 螺旋千斤顶)等组 成,总重 38t,永久悬吊系统为浇注在封底混凝土内的拉压杆件(牛腿) , 由 I40 型钢和三角加劲板组成,总重 10t;支撑系统由 2I28 围囹、I32 斜 支撑、Φ630*10mm 螺旋钢管等组成,总重 48t。 5.2.4 底托架架设 在+2.9m 处钢护筒上焊接牛腿作为临时拼装平台下承重梁的支点,根 据其临时拼装平台的结构形式, 从下往上依次为双拼 I32a 型钢 (下承重梁) 和 I28a 型钢(底托架) 。见图 5.2-3 底托架平面示意图。 采用 4 道双拼Ⅰ32a 型钢作为下承重梁,单道长度为 15m,安装在预先 焊接在外围钢护筒上的牛腿上;采用 8 道双拼Ⅰ28a 型钢作为分配梁,单 道长度为 12m,安装在下承重梁上;安装 I28a 分配梁时,注意分配梁上吊 点位臵和底模牛腿 I40a 型钢避开,便于穿精轧螺纹钢;上承重梁吊点处使 用[10 型钢加强(30cm/道) ,双拼 I28a 中间留出 40mm 的缝,用作穿螺纹 钢,并将垫片(15cm*15cm*2.5cm)螺母焊接固定在工字钢上,以便螺杆装 卸。保证其焊接牛腿的焊缝质量。保证工字钢的平面水平,利于底模拼装。

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主墩套箱临时拼装平台平面图

2Ⅰ28a底托梁

牛腿

牛腿

牛腿

牛腿

2Ⅰ32a承重梁

图 5.2.4-1 底托架平面示意图 5.2.5 底板铺设及焊接 底板使用平板运输车运输至施工现场,分块进行吊装焊接。焊接过程 中,需要保证各分块骨架的轴线在同一直线上,并保证连接的焊接质量, 使用加强钢板进行补强,加强分块骨架型钢间的连接刚度。 5.2.6 悬吊系统施工 上承重梁及顶托梁均使用双拼工 45 型钢加工,详见下图。承重梁架设 在切割至同一标高的桩基钢护筒上,悬吊下放 50T 千斤顶臵于承重梁之上 支承顶托梁。吊杆Ф32 精扎螺纹钢穿过承重梁连接其和底托架,建立悬吊 系统。

图 5.2.6-1 悬吊系统平面布臵图

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5.2.7 第一次下放吊箱 吊箱侧板高度为 7m,第一次下放至设计标高+1.5m 处,以方便侧模的 安装及就位。下放时,要求各吊点同时匀速下放,设专人进行指挥协调, 以保证各受力点的平衡受力。 5.2.8 侧板安装 下放到位后进行侧板的安装。侧板与底板采用“底包侧”的方式进行 固定。侧板连接处黏贴橡胶垫片,用以止水。侧模拼装前,先在底模连接 装臵上用红油漆根据侧模尺寸预先标记出侧模安装位臵(综合考虑整个侧 模拼装尺寸和侧模对接缝隙,按实际情况提前考虑预留) ,避免侧模拼装时 出现无法闭合的情况。拼装时在底板槽钢上(底侧连接位臵)铺一层橡胶 垫片用以止水。安装从上游短边模开始,再斜边模(注意其斜角位臵) ,往 中间对称拼装,最后安装下游边模。安装侧模时注意侧模的垂直度、错缝 及高差符合规范及设计要求。拼装好单块侧板后用[20 型钢一端焊接在底 模骨架一端焊接在侧模上作临时支撑,待永久斜支撑焊接完成后对临时支 撑进行割除。 侧模拼装完成后,进行吊箱附属结构的焊接施工(隔舱板、斜支撑、 围囹等) ,施工完成并验收合格后进行吊箱的下放。 斜支撑、围囹的焊接施工,将各分块侧板联接成一个整体,增大吊箱 整体稳定性,同时有助于抵消高潮位水对侧板的压力和砼浇筑时混凝土对 侧板的压力,有效的保证了钢吊箱结构的整体受力及稳定性。 5.2.9 吊箱的下放 为确保下放施工的安全,保证下放过程中每个吊点的受力均匀,按每 次下放 10cm 的速度进行下放,且下放过程中要求每个吊点下放设臵一人, 并由专人鸣哨统一指挥下放。钢吊箱下放前,对每根螺纹钢进行检查,如

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发现有损坏的螺纹钢应及时更换,并要求在螺纹钢上每 10cm 作一刻度标 记,以便下放控制,按照使用规程使用千斤顶安全下放。在下放过程中全 程跟踪测量,最后依靠测量系统来复核吊箱的空间位臵。充分确定好吊箱 的理论空间位臵后,用对称调节手拉葫芦,设臵对拉导链顶拉的方法对吊 箱进行纠偏,最终满足设计及规范要求为止。

工作螺母 顶落梁

千斤顶

顶放装置安装, 工作螺母拧紧。

顶升转换受力点, 吊杆螺母向上旋。

吊杆螺母锁紧。

图 5.2.9-1 吊箱下放原理图 5.2.10 反压牛腿的施工焊接 反压牛腿由工 40b 型钢、2cm 厚三角挂板和 2cm 厚连接板组成。每个 钢护筒四周设臵 4 个反压牛腿,共 52 个。 因吊箱底板在下放至设计标高之后,位于最低潮水位以下,无法正常 施工反压牛腿,且不具备施工时间,故在吊箱还未下放到位之前预先在底 板骨架型钢上焊接工 40b 型钢(反压牛腿下部结构) ,为方便后续反压牛腿 的焊接施工,与底板骨架型钢连接的工 40b 型钢应在临时拼装平台上进行 焊接,便于控制焊接位臵和控制焊接尺寸,利于发挥反压牛腿的承重作用, 与底板连接的工 40b 型钢视作组成反压牛腿的一部分, 牛腿总高 160cm (底 板骨架型钢高 40m,两者之和为 200cm,与封底砼高度相等) ,同时也是为 -9-

了营造反压牛腿焊接施工的所需环境。反压牛腿下部工 40b 长度为 120cm, 一端与底板骨架工字钢焊接,并加设加劲板(三角挂板)3 个。下放至设 计标高时,施工反压牛腿上部结构。焊缝均需满焊,检查合格后方可进行 下一道工序。为保证反压牛腿的竖向受力稳定,避免因歪斜等对水平焊缝 造成的不平衡受力,施焊反压牛腿时,使用水平尺对牛腿的垂直度进行测 量,在基本垂直的情况下方能施焊。 5.2.11 砼封底 砼封底因为是水下导管封底,为保证砼的整体性及强度,焊接隔舱板 将整个吊箱箱体隔开,共平分为 5 个仓体进行封底。隔舱板焊接高度为 1.7m(封底砼高度为 2m),逐个对称进行 1.7m 高度的封底。各个仓砼封底 浇筑完成之后, 对各个仓内的砼面进行凿毛清洗, 最后全断面对剩余的 30cm 进行砼浇筑。 5.2.12 承台施工 承台施工为普通施工工艺,在此不做详细叙述。 5.2.13 模板拆除 因底模和封底砼连成一体,仅需逐个拆除吊箱侧模即可。 5.3 劳动力组织 表 5.3-1 劳动力组织情况
序号 1 2 3 4 5 6 工作内容 管理人员 电焊工 船工 测量工 电工 驾驶员 所需人数 5 10 4 2 4 2 备注

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7 8

吊车工 合计

4 31

6、材料与设备 本工法采用的主要机具设备见“表 6-1 主要机具设备表” 。 表 6-1 主要机具设备表
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 设备名称 浮吊船 交通船 履带吊 发电机 发电机 交流电焊机 汽车吊 汽车吊 载重汽车 装载机 单壁钢吊箱 25t 50t 12m 长 ZL-50 规格型号 500t 50t 50t 200 kw 75 kw 30 kw 功率 单位 艘 艘 台 台 台 台 辆 辆 辆 辆 套 数量 1 1 1 1 1 10 2 1 2 2 2

7、质量控制 7.1 工程质量控制标准 《钢结构工程施工质量验收规范》 (GB50205) ;

《公路桥涵施工技术规范》 (JTG/T F50-2011) ;
《公路工程质量检验评定标准》 (JTGF80/1-2004) ; 《低碳钢及低合金高强度钢焊条》 (GB 981-76)

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7.2 质量保证措施 7.2.1 健全质量保证体系,加强质量教育,提高全体职工的质量意识。 7.2.2 做好生产班组的自检、互检和交接检工作,施工中实行工序交 接制度。 7.2.3 加强现场指导和过程控制,施工现场必须有现场技术人员旁站 并做好原始记录。开展 QC 小组活动,组织专项专题技术攻关。 7.2.4 质量控制及注意事项 螺栓连接:螺栓连接应与连接构件紧贴,牢固可靠,外观排列整齐, 外露丝口不应小于 2 口,连接质量应符合现行国家相关规范标准,检验时 可用锤击法检查(用 0.3 kg 小锤,一手扶螺栓头,另一手用锤敲,要求螺栓 头(螺母)不偏移、不颤动、不松动,锤声比较干脆;否则说明螺栓紧固质 量不好,需要新紧固施工)。 焊缝连接:对接焊缝要求予以焊透;角焊缝必须完整、连接,有效厚 度不得小于 8 mm;焊缝表面不得有裂纹、纵梁与面板之间的焊缝等级应不 低于三级,其它所有焊缝质量等级应不低于二级。 8、安全措施 七都大桥栈桥位于殴江上,需要水上作业。河道上施工要穿救生衣, 防止坠落淹水。栈桥、平台设臵防护网,航道上白天设臵施工标识,晚上 设臵防护灯,标明行船路线,防止行船撞击事故发生。六级以上大风、暴 雨期间禁止水上作业。 8.1 严格执行国家现行的安全生产法规,建立安全保证体系,执行安 全生产责任制。 8.2 施工中设专职安全员,每天到现场巡查,及时排查险情。 8.3 编制详细《深水作业安全施工专项方案》和《水上施工应急预案》

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并进行预案演习,将应急预案告示牌悬挂于现场,准备齐全应急救援材料。 9、环保措施 9.1 施工时注重材料堆码、堆放,始终保持现场施工整洁,充分做好 现场文明施工工作。 9.2 施工期间坚决禁止将施工废料和生活垃圾倾倒于河内,对于不慎 掉入河中的材料及时进行打捞,始终保持河道清洁。 10、资源节约 10.1 认真贯彻国家节能工程的有关要求。 10.2 研发新设备、新工艺,研发专利设备和施工工艺替代了原始施工 方法,节约材料、提高工序。 11、效益分析 11.1 经济效益及技术效益 本工程施工除受到每年多次的台风侵袭外,还受寒潮、雪、雷暴、大 雾等不良自然环境的影响,严重影响有效作业时间,再加上业主规定的工 期紧等因素,采用钢吊箱施工工艺大大提高了施工的主动性。 方案一:采用无底托架手拉葫芦下放钢吊箱。使用手拉葫芦临时固定 分块钢吊箱底板,进行各分块的焊接连接,形成整体后手拉葫芦进行下放。 方案二:采用底托架作为底板的临时拼装平台,在平台上拼装分块底 板。建立悬吊系统,使用Ф32 精轧螺纹钢作为吊杆,底托架作为吊点基座, 上吊点承重梁为安臵于钢护筒上的双拼工 40 型钢, 整个钢吊箱臵于底托架 上,使用千斤顶进行整体下放。 方案三:采用精扎螺纹钢悬吊底桁架作为施工操作平台、倒挂牛腿作 为主要承重结构施工钢吊箱。 表 11.1-1 钢吊箱施工方案对比表
方案 一 二 三

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设备及 材料 工期 质量

投入 10T 手拉葫芦 52 个(设备投入与方案二 基本相同) 40 天 底模拼装加工平整度不 能够满足施工要求,影 响侧模的安装质量 底模拼装质量好坏直接 影响吊箱的整体受力安 全性;吊箱的悬吊性质 采用手拉葫芦下放安全 性较低,吊点存在安全 隐患 施工工艺简单,操作简 便,但对底模制作及安 装质量要求高,结构稳 定性得不到有效保证。

需投入悬吊系统型钢较多、 50T 千斤顶 40 个、精轧螺纹 钢等(但可以循环回收,投入 主桥墩身及梁体施工) 30 天 底模拼装加工质量满足施工 要求,减小了侧模安装难度

需投入悬吊系统型钢、桁架、千 斤顶、精轧螺纹钢等(但可以循 环回收,投入主桥墩身及梁体施 工) 50 天 底模拼装质量能够满足要求,但 反压牛腿的稳定及受力安全性难 以完全控制 底模拼装质量良好,整体受力安 全性较高;悬吊系统安全性能较 高,吊点安全稳定 施工工艺复杂, 投入材料设备大, 结构受力不明确。且承台施工完 成后,需要进行底桁架的拆除, 受潮汐及承台封底底标高的影 响,拆除难度大

安全

底模拼装质量良好, 整体受力 安全性较高; 悬吊系统安全性 能较高,吊点安全稳定

施工技 术特点

施工工艺简单,操作简便,结 构受力明确

从上表可以看出采用方案二大大延长了有效作业时间,更有利于保证 工程进度及质量,有效的降低施工的成本投入,取得了明显的经济效益。 效益计算:单个承台节约施工工期 20 天,共 4 个主墩承台 机械设备费=[4000(吊机 2 台)×20+9000×20(浮吊)+40000(装载机 2 台)×0.67]×4=115 万,加上人工费、管理费、燃油费等,约合计 150 万元。 11.2 社会效益 该工法对于我国铁路、公路、市政等桥梁高桩承台和类似的结构工程 施工有着很好的借鉴和指导意义,该成果具有广泛的推广应用前景。而且 通过底托架的改进和承压牛腿的改进,施工安全和施工质量进一步得到了 提高,工法的实用性得到了有效的验证。 12、应用实例 七都大桥是跨越瓯江南汊连接温州和七都岛的主要通道。大桥全长 2069 米。中铁十局集团公司承建第 2 合同段,起点 K4+016(20 号墩) ,终 - 14 -

点桩号为 K5+137,本合同段主桥长 1.121km。其主要工程分布情况为:主 桥 68+3×120+68m 五跨预应力变截面连续箱梁桥,4×45m+5×45m 移动模 架造桥,4×20m+4×20m+3×20m 现浇等高度连续箱梁;以及 B 匝道 16×20 米,B 匝道 9×20 米现浇箱梁。 主桥为五孔一联连续梁体系,主墩 21-24 号墩为钻孔灌注桩高桩承台 结构,共有 13 根直径为 2.0m 的钻孔桩,承台为 38.3m×10.2m×4.5m 八边 形整体式承台,共 4 个,单个承台结构 C25 砼方量为 1529.45m3。根据设 计河床地面线和实测河床地面线标高分析判断,20#~26#水中墩承台底标 高均高于河床面较多(>4m) ,属于深水作业,需采用围堰施工。通过对吊 箱围堰、钢板桩围堰、草袋围堰、宕渣围堰的方案比选,主墩承台确定选 用单壁吊箱围堰进行施工,单个主墩承台吊箱施工成本约 150 万元。与其 他围堰方案相比,一是成本最低;二是技术方案可行,安全系数高;三是 较为有利的保证施工工期。 应用此工法施工的中铁十局七都大桥主墩 21#-24#承台,都在预期的 工期内优质优量完成承台施工,特别是通过第一个主墩承台 21#墩承台吊 箱施工过程中不断的总结和优化,计划的 2.5 个月完成 1 个主墩承台的施 工工期,实际上最后 2 个主墩承台只用了 40 天就完成此两个主墩结构。

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