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虎跳门特大桥有底钢吊箱施工技术总结


西部沿海高速虎跳门特大桥大体积 有底钢吊箱施工技术总结
中铁十二局集团虎跳门大桥项目部
【摘 要】 虎跳门特大桥主桥墩基础为深水高桩大体积砼承台, 采用有底钢吊箱围堰进行施 工.文中对围堰设计,拼装,下沉,加固,堵漏,浇注封底砼等有关施工技术进行了阐述. 【关键词】大体积 有底 钢吊箱 设计 施工

1 工程概况
广东省西部沿海高速公路珠海段工程主线起于中山市翠亨村与京珠高速公 路广珠段连接,终点在南门大桥下游约 10m 处跨越虎跳门水道进入新会古井镇, 与西部沿海高速公路新会段一期工程的金门立交主线相连. 该项目是西部沿海高 速公路的重要组成部分, 对改善珠江三角洲地区的路网结构和完善广东省高速公 路特别是粤西南部高速公路网布局具有重要意义, 对加强港澳及珠江三角洲向粤 西乃至大西南地区的辐射,促进经济的全面发展具有重要意义.虎跳门特大桥为 第十五合同段,全长 1585.54m.桥面净宽 26m.特大桥主桥位于珠海市斗门区与 江门市新会区之间,跨越国家一级航道——虎跳门水道,主桥上部结构为 67.5m+2×110m+67.5m 预应力砼连续刚构,下部结构为深水高桩承台基础,采用 有底钢吊箱围堰的方法进行承台施工. 该桥承台设计为两端半圆中间矩形左右幅 整体式承台基础.平面尺寸 29.0m(横桥向)×9.0m(顺桥向)×3.5m,圆端半 径 4.5m,直线段长度 20.0m.主桥共计 3 个承台.考虑到工期紧,全桥共加工了 3 个有底钢吊箱进行承台大体积混凝土施工.

2 钢吊箱设计
有底钢吊箱围堰是为深水承台施工而设计的临时阻水结构, 本钢吊箱设计采 用单壁,单室,有底结构,其作用是通过钢吊箱的侧板和封底砼,为承台施工提 供无水的施工环境,满足在深水条件下进行承台施工,同时围堰侧板还可兼做承 台的模板.

2.1 设计条件和依据
结合现场实际情况及虎跳门特大桥施工图设计提供相关参数:

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①承台顶面标高 3.8m,承台高 3.5m,承台底面标高-0.3m. ②钻孔桩直径 2.0m,钢护筒直径 2.4m,护筒壁厚 12mm. ③封底混凝土厚度 1.0m. ④设计水位 0.5m,通航水位 2.806m. 依据江门水文站 1954 年至 2003 年实测 的历年最高水位资料,推算虎跳门大桥处的最高潮水位为 3.0m.拟采用施工水位 2.8m,钢吊底面标高-0.7m.顶面标高 5.1m.

2.2 施工阶段各工况分析
根据钢吊箱围堰各施工阶段受力状态,可按以下几个工况进行分析: ①拼装阶段底板搁置在棚架梁上,吊挂系统起稳固作用棚架梁受压,不须检 算. ②下沉阶段此工况吊箱内外水压力平衡, 只须检算吊挂系统在自重情况下的 强度. 承台面积:A=20×9+π×4.52=244 ㎡ 钢吊箱自重:G1=103 t 用 5t 倒链滑车及 40t 的浮吊配合进行拼装,下放时每个护筒上 4 个倒链滑 车,共计 40 个.则倒链拉力共计 200t,考虑不均衡受力,外侧采用 10t 倒链滑 车. ③封底砼浇注阶段, 须检算吊挂系统在吊箱自重及封底砼重量情况下的抗拉 强度. 封底砼自重:G2=244×1×2.6 t=634 t 总重量:G3=G1+ G2=103+634=737 t 竖向拉压杆为[20b 槽钢:A=32.83 ㎝ 2/根,共计 80 根,则: 每根受力 N=737/80=9.21 t≈10 t σ=
N 10t = = 30.5Mpa[σ ] = 140Μ pa A 32.83cm 2

④封底砼施工完毕未抽水阶段,此工况吊箱内外水压力在理论上依然平衡, 须检算吊挂系统在吊箱自重,封底砼重量,浮力等组合荷载作用下的强度,还有 底板的强度.对于吊挂系统有: ∑(G1+ G2+P 浮力+N)=0(N 为吊挂系统所受力) ,对于底板此工况下受力较小 不检算.
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⑤抽水后浇注第一次承台砼施工阶段,须检算吊箱在受浮力,砼重量情况下 的抗压强度. 灌注第一次砼(1.5m 高): G4=244×1.5×2.6=952 t 总重量: G=G3+G4=1689 t 每根受力 N=1689/80=21.1 t

σ =

21.1t = 64.3Mpa [σ ] = 140 Mpa 32.83cm 2

⑥浇注第二次承台砼施工阶段,第一层承台砼([σ0]=5.5Mpa,[σ0]为水下 混凝土 3 天时的抗压强度)受压此工况不检算.

2.3 吊箱结构形式
钢吊箱的主要组成部分有棚架梁,底板,侧板,内支撑系统(水平框架) , 吊挂系统(抗拉压柱) .

2.3.1 棚架梁 因吊箱体积大,为防止吊箱底板扭曲,平整度满足要求设计棚架梁拼装临时 平台.在砼灌注桩钢护筒外壁的横桥向焊接钢牛腿,在钢牛腿上顺桥向放置棚架 梁. 2.3.2 底板结构 底板受力以竖向荷载为主,采用一次性结构(承台施工完毕后不拆除) .考 虑到吊箱自重大,底板面板采用 6mm 厚的 A3 钢板,28 工字钢作水平,竖向主肋
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骨,每隔 50cm 设一道 100 角钢作为加劲肋骨,为方便拼装采用 28 槽钢作中肋 骨间距 40cm 设螺栓联接孔.肋骨与面板连接采用双面间断贴角焊,间断距离 7.5cm,焊缝长 15cm 焊高 0.8cm,两缝两侧交错焊接.圆弧段底板分 4 块,直线 段底板分 8 块制作现场拼装, 每块约重 2.6 吨. 采用肋骨在钢板上方的结构形式, 以利于底板现场施焊.具体分块和结构情况见图 1,图 2. 2.3.3 侧板结构 侧板主要承受水平荷载,采用单壁结构.由面板 6 ㎜厚钢板,36 槽钢作主 立杆,侧立杆,28 槽钢作主平杆,125 角钢作为加劲水平,竖向肋.圆弧段底板 分 4 块, 直线段底板分 8 块制作现场拼装, 每块约 5.0 吨. 壁板接头处为阴阳缝. 侧板尺寸及结构见图 3,图 4. 2.3.4 内支撑系统 内支撑系统的作用是形成内部骨架增加吊箱整体刚度,以防止吊箱变形.一 方面要抵抗吊箱内抽水后的水压力, 另一方面承受浇注承台混凝土时混凝土产生 的侧压力. 内支撑系统由钢圈梁和水平抗拉压杆组成,钢圈梁由两根[28 对口焊接成矩 形截面梁后焊接在吊箱侧板内侧, 水平抗拉压杆由 60 短角钢焊接两根 28 槽钢构 成,固定在侧板立杆上直线段设 9 道横向水平抗拉压杆,圆弧段设 4 道斜向,纵 向设 1 道纵向抗拉压杆用螺栓联接. 2.3.5 吊挂系统 吊挂系统由抗拉(压)柱,钢护筒,连接板组成,抗拉(压)柱用 2[20b 组 成,与钢护筒通过 1.6cm 厚连接板焊接.每个护筒上设 4 根抗拉(压)柱,共 40 根抗拉(压)柱. 灌筑承台混凝土前,在封底混凝土顶面处,用连接板把拉(压)柱焊在钢护 筒上,在连接板以上的钢护筒与抗拉(压)柱割掉.共设 40 根抗拉(压)柱, 每个钢护筒上 4 根.其结构见图 5.

3 钢吊箱施工
钢吊箱的施工包括安装棚架梁,拼装,下沉就位,加固,浇注封底混凝土, 其中钢吊箱按照设计位置准确下沉就位和浇注封底混凝土是关键工序. 施工工序 见以下流程图.

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钢 吊 箱 施 工 流 程 图
在护筒上设置临时控制点 焊接牛腿,安放棚架梁 拼装,焊接底板 全站仪复核平面位置 安装侧板,吊挂系统 复核吊箱结构尺寸,临时锚固 下沉吊箱 全站仪复核平面位置, 水平仪复核标高 调整吊箱位置 焊接竖向拉压杆,吊板,安装钢圈梁,水平拉杆 砂袋封堵 布置导管,漏斗 浇注封底砼 抽水,割除多余护筒,整平封底砼面 浇注承台 拆除吊箱

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3.1 安装棚架梁
①拆除钻孔桩施工平台,清理场地. ②在砼灌注桩钢护筒外壁的横桥向焊接钢牛腿,使其顶面标高为 1.00m. ③在钢牛腿上顺桥向放置棚架梁 28b 槽钢并点焊定位, 自桥梁纵向中心线起, 槽钢背的横向间距为 1.45m,2.10m,2.90m,2.10m 和 2.90m.

3.2 拼装钢吊箱底板
①底模按顺序装船,运到承台边,浮吊吊装.拼装前按照分块加工的编号确 定每一块底模的位置.钢护筒上割孔,以便钩挂倒链滑车. ②认真测量墩位中心线方位,自墩位中心线开始,拼装钢吊箱中部底板和端 部底板,上紧中龙骨和长,短连接角钢上的连接螺栓后再将其拼接缝的上缘通长 焊接,并将各段的所有龙骨接头都焊接连通,成为一体. ③将竖向拉压杆Ⅰ和Ⅱ分别与吊板 A 和 B 焊接. 然后在短连接角钢和边龙骨 上成对焊接吊板 A,在长连接角钢和短龙骨上分别成对焊接吊板 B,各焊缝均为 双面贴角焊,每条焊缝长为 500mm,焊逢高 hf≥10mm. ④根据各桩位偏差的实际情况,正确推算桩孔位置,焊接桩 6mm 周钢板.

3.3 拼装钢吊箱侧板
①自墩中心线开始,拼装钢吊箱侧板,为杜绝漏水,在各接头处,须加装止 水密封胶条. ②检查钢护筒的顶面高程,为不影响以后的作业,须割除标高大于 4.50 m 的高出部分. ③在距底板面 1.0 m 高处的侧板外壁焊短钢管φ100×5×100 mm 并将侧板 割通,以便钢吊箱下沉后箱内外水位交换.

3.4 沉放钢吊箱至设计位置
①每根钢护筒上设倒链滑车 4 套,考虑到圆弧段面积较大,为防止下沉过程 圆弧段吊箱变形,在每个圆弧段增设 2 个 5t 倒链滑车,将钢吊箱缓慢起吊,当 底板全部脱离棚架梁后,将棚架梁槽钢抽出,并割除钢牛腿. ②将 10 个钢护筒上的 44 套倒链滑车同步下降,使钢吊箱落至设计位置(箱 底标高为-0.700m) ,严防钢吊箱在沉放过程中的变位.由一人统一指挥用倒链滑

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车将钢围堰下放,直到设计标高.下放过程中为避免水流冲击使围堰变形,除了 在上下游围堰外侧与前后防撞桩连接之外,在围堰与钢护筒之间增设方木支撑. 另外,钢吊箱下放过程中,由于受到水流冲击,其中心位置要偏向下游,为保证 钢吊箱准确就位,在上游方向停放一艘 300t 货船,准确定位后,垂直下放.下 放到位后,安装顶部内侧钢圈梁及支撑. ③根据竖向拉压杆的位置(竖向拉压杆中心距桩中心距为 1.5m) ,在钢护筒

上成对焊接钢牛腿,并将各竖向拉压杆分别焊在钢牛腿上,各焊缝均为双面贴角 焊缝,每条长度 500mm,焊缝高 hf≥10mm. ④各竖向拉压杆全部焊好后,拆除倒链滑车.

3.5 加固钢吊箱
①用纵,横,斜向拉压杆将钢吊箱的上面水平撑拉固定.
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②吊箱沉至设计高程后,复核其平面位置,如不满足要求,将螺旋千斤顶安 放在四个角的护筒与吊箱侧板之间调整吊箱位置,待其满足要求后,在四个角的 护筒与吊箱侧板之间用型钢焊接定位.潜水员水下用沙袋在钢吊箱底板桩周板上 方的凹槽内沿钢护筒周边封堵护筒与底板之间缝隙,填塞直径为φ20 cm.

3.6 灌注承台封底砼
灌注封底混凝土是关系到钢吊箱围堰施工成败的关键之一. 封底混凝土的作 用一是作平衡重的主体,二是防水渗漏,三是抵抗水浮力在吊箱底部形成的弯曲 应力,四是作为承台的底模.由于封底混凝土水下灌注面积大,方量大,施工中 浇注时间和方法的选择对封底是否成功起决定性作用.针对这些问题,施工中采 取了以下措施: ①在吊箱内多点均匀设置水下导管,导管上安装料斗,在钢吊箱底部灌注水 下砼(厚度 1.0 m) .采用泵送多点(即布置多处导管)灌注封底混凝土,为提 高混凝土流动性和延长混凝土的初凝时间,混凝土中掺缓凝减水剂和粉煤灰.砼 配合比按 C20 配制水下封底砼,坍落度 16cm, 缓凝时间不小于 4 小时,砼要求 和易性好,满足泵送和流动半径 2.0~3.0m 的要求.混凝土从下游到上游连续, 快速浇注. ②在上游和下游的侧板上开孔,孔的尺寸为 40 ㎝×40 ㎝,以减少浇注封底 混凝土时吊箱内外的水头差. ③封底砼浇注时间的选择 在浇注封底混凝土之前已经进行了堵漏工作,但是由于流水涨落潮频繁,吊 箱底板与钢护筒之间会受到一定的冲刷,造成封底混凝土漏水.虎跳门水道潮汛 属混合潮的非半日型,具有一日两涨两落的半日潮特征,最大潮差为 2.66m.

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水 位 变 化 图
水位(m)

3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 2

2.8m

流速较小时段 8h

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10

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20

22

24 时间(h)

根据上图调查结果,浇注封底混凝土应选择在流速小的时段进行. 当封底混凝土达到设计强度后,排除封底砼面上的积水,凿平补填砼,在承 台设计标高以下护筒上重新焊接拉压杆,完成受力转换.拆除拉压杆,割除钢护 筒,将封底混凝土表面找平.使封底砼层的总厚度为 1.0 m,顶面平整,标高为 0.300 m.开始承台施工.至此钢吊箱施工顺利完毕.

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3.7 拆除钢吊箱
待承台砼达到设计强度 100%时,先潜水员下水拆除螺栓,浮吊分快拆除除 钢吊箱底板外的其余部分.

4 结束语
通过虎跳门特大桥主桥承台钢吊箱的施工,笔者有以下几点体会: ①在桥梁施工中,深水高桩承台采用有底钢吊箱施工的方案具有施工难度 小,工期短,设备要求低,定位精确等优点,有着较好的经济效益.以此吊箱为 例吊箱整体自重 103t,在拼装阶段 1 台 40t 浮吊配合施工,4 个工作日完成拼装 工作;下沉就位阶段需 10 吨导链 10 个,5 吨导链 34 个,10 吨螺旋千斤顶 4 个, 4 个小时完成下沉就位工作.吊箱整个施工过程中除浮吊外,均为小型机具. ②大体积钢吊箱设计时, 特别是圆弧段底板的水平与竖向肋骨联接处要加强 焊,避免钢吊箱下沉时不均匀使此处焊缝开裂;侧板主立杆间距减小增加侧板的 整体刚度.防止运输和存储过程中侧板变形给拼装工作带来困难. ③如果水深且水流急,封底混凝土的面积大,方量大,可以考虑采用多仓吊 箱,逐仓进行封底混凝土的浇注.

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