浅析钢套箱法在水中桥墩系粱的运用

　　摘要：本文介绍了利用深水基础钢套箱技术施工水中系梁及接柱的施工技术，用小型钢套箱仅将桩基套住，也即用大筒套小筒的简易办法施工，系梁的钢套箱是与桩柱套箱焊接锚固在一起形成一个整体，与桩柱套箱同时下沉至设计位置，然后封底→破桩头→加强套箱与桩基的钢护筒锚固处理，最后按有底钢套箱施工技术浇筑系梁和桩柱连接段施工。
　　关键词：桥梁，水中系梁，钢套箱，施工
　　一、工程概况
　　某合同段的一座大桥，跨径布置为11×20m+40m+70m+40m+14×20m，上部构造是先简支后连续的PC空心板梁，下部构造基础均为钻孔灌注桩，引桥桥墩双柱式墩（墩柱直径D=1.３m、单排桩直径1.5m），桥台双排桩直径1.2m、边墩为双柱式墩（墩柱直径D=1.5m、单排桩直径1.8m）、主墩双排桩2×6根直径1.8m。其中引桥的第5～７号墩桩桩顶设系梁，系梁处于水下，桩柱及系梁结构如图1所示。本工程下部构造施工的难点在第5～７号墩桩的水中系梁及桩顶接柱。施工期间系梁底处于水深约2m处，离河床底约2m。（见图1）
　　
　　二、方案确定
　　由于该桥第5～７号墩位于河流支流属副航道，主航道位于主墩处（由主跨一孔跨过航道），副航道有500吨以下货船通行，故不能采用围堰方案施工。只能参考深水基础之高桩承台的钢套箱施工方法，确定采用有底钢套箱施工方案。套箱由两个直径D=2.2m圆钢套箱和一个与系梁（1.2m×1.0m×6.2m）大小一致的长方形钢箱组成，套箱将两根桩和系梁同时套在一个套箱内，套箱套着桩基钢护筒下沉至设计位置，先浇筑封底混凝土，再进行抽水施工系梁和墩柱。该套箱较轻，成本低，施工方法简单易行，实际应用得到了成功。
　　三、设计计算
　　1．内外水头压力差计算
　　封底混凝土完成后，将箱内的水抽完进行后续作业，此时箱体承受能力必须满足内外水头产生的最大压力。因套箱是圆形的，且系梁钢套箱与其联结形成整体，故只须考虑它的失稳。套箱所能承受的临界荷载为：Qc=24EI/D3
　　式中：Qc--套箱所能承受的临界荷载；E--钢材的弹性模量，取206000MPa；I--lm高度竖向截面的组合惯性矩，单位米的四次方；D--套箱直径，单位m。
　　内外水头最大荷载：
　　Q=RWhL
　　式中：RW--水的容重；h--内外水头高差；L－－取1.0m。
　　二者必须满足公式：
　　Qc＞KQW
　　其中：K为安全系数，取2.0。
　　2．套箱套环的验算
　　套箱整体起吊下沉时为四点起吊，考虑不均匀受力的因素，应验算套环在最不利情况下的截面强度；同时须对套箱的套环焊缝进行计算，使荷载应力小于容许应力。
　　3．封底混凝土厚度计算
　　封底混凝土的目的在于隔水和平衡套箱抽水后水的浮力，同时能加强封底混凝土与护筒之间的粘结力，可抵消一部分浮力，此时应满足以下平衡条件：
　　F≤πD[τ]T+（W1+W2）
　　其中：F为套箱所受的力：F＝KRwV
　　式中：K--安全系数1.1；Rw＝10kN／m3；V－套箱体积；W1--两个圆钢套箱的重量；W2--系梁（长方形）钢套箱的重量；G--封底混凝土的厚度；D--护筒的直径；[τ]--钢护筒与封底混凝土之间的容许摩阻力，kN／平方米。
　　用公式计算出的最大T值，作为封底混凝土厚度的控制值。
　　四、桩基护筒平台与套箱施工过程
　　1．钻孔桩工作平台的搭设与钻孔灌注桩施工
　　1）、钢护筒（为便于搭接，模板厂加工把钢护筒加工成不同长度的护筒：12m、9m、4.5m、3m、直径1.6m）运至工地以及各种准备工作就绪后，作业船起吊钢护筒垂直后，启动安放在作业船中汽车吊吊起振动锤夹住钢护筒，用全站仪全程检测钢护筒就位情况，在钢护筒的轴心偏位和垂直度符合要求时开动振动锤，直至振动锤吊打钢护筒不再下沉为止；当钢护筒需要加长时焊接搭接后继续用振动锤吊打到位。
　　2）、用Φ50cm钢管桩和30号工字钢搭设钻孔平台和钢便桥（见图2），钻机在钢平台上进行钻孔成桩。
　　2．套箱制作
　　钢护筒（Φ=2.2m）、系梁套箱侧板和底板均使用5mm厚钢板加工，用8号槽钢作模板竖肋和横梁对面板进行加固；套箱的钢护筒由加工厂用卷板机分三节（I、II、III）卷制焊接制成，每节分两片，节间和片间均用止水带及螺栓连接，确保套箱接缝紧密连结。（见图3）。
　　
　　3．套箱的组装与下沉
　　先在桩基钻孔平台上测量放样放出套箱下放和拼装控制点范围，再把分节和分段加工完成的桩柱钢套箱和系梁钢套箱吊运至桩基钻孔平台上，然后在沉放位置上将第一、第二节套箱及系梁按套箱设计方案进行拼装形成联体的钢套箱，并进行渗漏水试验和堵塞漏水处；然后由4个工人同时拉动四个吊点手拉葫芦一起下放，将联体的套箱放入水中并缓慢下沉，继续下沉到设计标高（水准仪随时检测控制标高），最后用工字钢将套箱和钢平台连结成一个整体。
　　4．封底及加固
　　封底前用纤维袋对桩基钢护筒与钢套箱底部之间的缝隙进行堵塞，然后浇筑水下混凝土（C25）封底。待混凝土强度达到设计的85%后，用水泵抽出套箱内的水，对封底混凝土面进行整理，若有漏渗水时要紧系封堵；用Φ25钢筋在封底混凝土顶面的桩基钢护筒外侧两侧与套箱内侧钢板焊接连接加固。同时，封底后四个吊点的手拉葫芦应保留不予拆除，保留至系梁和桩柱砼拆模施工为止。
　　5．系梁和墩柱混凝土施工
　　割除桩基护筒，凿除桩头砼至设计标高，清除套箱内砼碎块和杂物，安装系梁和墩桩柱连接预埋钢筋，工序检查合格后浇筑系梁与桩头连接处的混凝土。混凝土浇筑24小时后进行墩柱钢筋安装，混凝土7天强度达到设计强度的90%以上，进行墩柱模板安装，浇筑墩柱混凝土，最后拆除墩柱模板。
　　6．钢套箱拆除施工
　　待系梁混凝土28天强度达到设计值后，潜水员可进行水下作业：将套箱节与节、片与片之间的螺栓和加固槽钢拆除，用吊车或手拉葫芦分片吊起套箱，直至将整个套箱拆除。
　　五、施工注意事项
　　1、吊船水中吊打桩基钢护筒必须使用导向架和全站仪控制钢护筒的下沉，以保证钢护筒准确定位
　　2、桩基施工搭设平台时须考虑到钢套箱下沉时所需的空间；
　　3、桩柱钢套箱与系梁钢套箱拼装套箱时，必须保证两箱轴线一致，两个套箱的连接采用电焊连接，并在连接处每30CM设一道三角块加强连接件；同时在每道焊缝处涂以玻璃胶（玻璃胶应用早强型，凝固后有一定的强度和弹性），套箱拼装完成后应进行漏水试验；
　　4、在套箱下沉应用高压水枪对墩位处进行清理和人工检查清理水下硬物，以利于套箱下沉。
　　5、桩柱钢套箱与系梁钢套箱整体下沉时，要注意尽量保持各吊点同步下放，让套箱整体水平下沉，下沉到位后应用全站仪检测其高程和轴心偏位情况，若不合格则加以调整；
　　6、封底前用纤维袋对桩基钢护筒与钢套箱底部之间的空隙进行堵塞，封底采用水下导管灌注混凝土，混凝土坍落度控制在15～18cm之间，可适当掺入粉煤灰和早强型减水剂，以增强混凝土的和易性、缩短初凝时间和提高早期度。

《浅析钢套箱法在水中桥墩系粱的运用》

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