潭東江特大橋鋼套箱圍堰氣囊浮運施工技術

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主要介紹劍潭東江特大橋鋼套箱圍堰氣囊浮運施工技術，該橋為贛深鐵路的關鍵性控制工程，是目前國內(nèi)高鐵最大寬度的四線無砟軌道墩塔梁固結體系矮塔斜拉橋。由于橋址所處位置的上下游均設置有水閘，大型起重船無法進場，鋼套箱下水難度大，經(jīng)過方案比選、優(yōu)化，最終采用分塊制作、現(xiàn)場拼裝、整體采用氣囊下水方式進行施工，通過岸側卷揚機牽引至安裝位置，注水安裝下放的方案。因避免使用大型船機設備，在節(jié)約施工成本上取得較好的效果。
         關鍵詞：贛深鐵路；鋼套箱；氣囊浮運；施工技術
         1工程概況
         劍潭東江特大橋3#、4#主墩位于東江河道內(nèi)，施工水位H10%=13.18m，其中3#主墩承臺底面標高+0.06m，距承臺底面13.12m，承臺基底為弱風化花崗巖，鉆孔樁全部嵌入弱風化花崗巖18m，4#主墩承臺底面標高+2.34m，距承臺底面10.84m，承臺基底為淤泥質黏土，鉆孔樁嵌入弱風化花崗巖約7m?？紤]基巖上覆蓋土層厚度不夠，鋼板樁圍堰工藝難以實施，因此選擇無底雙壁鋼套箱圍堰工藝，既能為承臺提供了干施工條件，又能作為樁基、墩柱、主塔的作業(yè)平臺。
         2鋼套箱結構
         根據(jù)承臺尺寸及結合現(xiàn)場實際情況，3#主墩鋼套箱圍堰設計頂標高+15.18m，底標高-1.94m，圍堰總高度17.12m，吃水深度15.12m。4#主墩鋼套箱圍堰頂標高+16.88m，底標高+0.34m，圍堰總高度16.54m，吃水深度14.45m。鋼套箱外尺寸為28.4m×40.4m，內(nèi)腔尺寸為26m×38m，壁厚1.2m。鋼套箱圍堰采用C30砼封底，封底砼厚度2.5m。

圖1  鋼套箱剖面示意圖（單位：mm；高程單位：m）
         鋼套箱由壁體及內(nèi)撐兩大部分組成。壁體主要由面板、分倉板、橫肋、豎肋構成，通過分倉板將鋼套箱平均分成互不相通的隔倉，以便注水下沉時調(diào)整鋼套箱的重心及豎直狀態(tài)。內(nèi)支撐布設3層，用型鋼構成平面框架，與鋼套箱一起形成穩(wěn)定結構體系，主墩作業(yè)平臺利用鋼套箱的第三層內(nèi)支撐作為承重梁。
         鋼套箱圍堰為全焊水密結構，鋼套箱壁板、側板、底板、隔倉的面板均采用δ10mm鋼板。內(nèi)外壁板的豎肋主要采用∠75×8mm角鋼，上半節(jié)間距50cm，下半節(jié)間距25cm，每隔6.0m設1道堅向開孔隔板作為加強豎肋，開孔隔板采用δ10mm鋼板。鋼套箱底部設封底砼分倉分隔板，分隔板高1.80m（底面距離壁體底板21cm，用于安裝封底托板），由腹板δ20mm鋼板和上、下翼板δ40mm鋼板組成，將封底砼分成6塊，內(nèi)壁和與封底砼接觸面設置3道止水鋼板（5cm寬δ8mm鋼板），以防止水沿砼與鋼板接觸面滲漏。鋼套箱設3層內(nèi)支撐，用型鋼構成平面框架，第1、2層的縱、橫向支撐均采用φ800×12mm鋼管，第3層縱、橫均向支撐采用HN700×300mm型鋼，兼做作業(yè)平臺。
         為保證鋼套箱圍堰浮運階段和下沉階段的穩(wěn)定，壁體設置10個隔倉，為保持鋼套箱圍堰內(nèi)外水位平衡，在河側的壁體上設置1個聯(lián)通孔。
         3圍堰施工
         3.1鋼套箱加工
         受下游東江水利樞紐船閘通航能力制約，鋼套箱圍堰無法整體制作通過船閘水運至安裝現(xiàn)場。為保證加工質量，鋼套箱壁體在專業(yè)鋼構件加工廠進行分塊加工，檢驗合格后，用車分批運輸至現(xiàn)場拼裝。
         3.2鋼套箱拼裝
         鋼套箱選在主墩上游的約150m處的河灘上進行現(xiàn)場拼裝。對所選河灘進行整平硬化處理后，搭設鋼套箱圍堰拼裝平臺，滑道采用C20砼硬化，厚度20cm。下滑坡道長53.0m，坡比1:40。拼裝平臺立柱采用雙拼I32b工鋼，立柱設置間距4.5m，立柱間留出氣囊布設位置，墊梁采用I32b工鋼。
         拼裝前，在托板上放樣出壁板拼裝輪廓線，并在外側輪廓邊線上設置定位裝置，以控制鋼套箱的平面位置。
         鋼套箱分節(jié)逐塊拼裝，由100T履帶吊從短邊向兩側長邊對稱拼裝，將壁板塊件吊起至安裝位置，下口通過定位碼子就位后，與定位碼子臨時焊接加以固定，通過測量儀器校檢平面位置和垂直度，校達到要求后，壁板與底板、壁板間進行焊接連接，最后進行內(nèi)支撐安裝。
         3.3鋼套箱浮運、安裝
         鋼套箱拼裝完成后，用橡膠氣囊頂起，卷揚機牽引，利用滑道溜放下水。鋼套箱圍堰浮運至現(xiàn)場后，RTK定位，用平板駁及岸側地垅共同調(diào)位安裝。

圖2  鋼套箱出運平面示意圖

         工藝流程：橡膠氣囊布設、掛上牽引拉索→橡膠氣囊充氣頂升、拆除拼裝平臺→卷揚機牽引鋼套箱下水→浮運鋼套箱至安放現(xiàn)場→靠平板駁及卷揚機定位→鋼套箱注水安放→掛上錨索固定鋼套箱→打開水位孔、調(diào)節(jié)壁體內(nèi)水位。
         ①鋼套箱下水受力簡算
         A.摩擦力的計算
         氣囊半徑R為0.5m，氣囊的接觸面的1/2寬為0.7m，氣囊的摩擦力為：Fm﹦2?N/d=2×0.0448×8000/0.8=896kN。
         B.滑道地基承載力驗算
         氣囊個數(shù)為11組，D=1m，每組氣囊L=17m，每組氣囊承受的壓力為：8000/11/17=43kN/m。根據(jù)氣囊的參數(shù)指標，氣囊的工作高度為0.8m，著地寬度為0.7m，則對地基的壓應力為：43/0.7=62kPa。
         對滑道進行壓實處理、硬化后滑道地基承載力≥110 kPa，滑道地基承載力滿足要求。
         C.牽引力的計算
         因為下水道存在坡度，鋼套箱重量在其作用下分解為坡面壓力和下滑力Fx= Q·sinα=8000×sin2.5°=352kN，因 Fx＜Fm 時，鋼套箱無法自動下滑，需要牽引力。
         假定2組各4根鋼絲纜繩，需要的牽引力Fq=（Fm- Fx）/k·n=（896-352）/0.8/8=85kN。故需河對岸配備2臺10t卷揚機，牽引力可達到200kN，滿足要求。
         D.鋼套箱下水的制動力
         鋼箱在下滑過程中，要對底下鋪設好的氣囊進行充氣、調(diào)整，因此要求滑動中的鋼套箱能夠及時停下來，這就需要使用牽引纜車來制動下滑的套箱。其制動力的大小取決于制動時間T，一般取T=2～5秒，由于絞車的制動時間很難有精確的計算數(shù)值，所以s取的越小，制動力Fz較大，牽引系統(tǒng)較安全。Fz= Q·V/T=800×1000×（6/60）/3=26kN=2.6t，故采用2臺12T的卷揚機足以滿足制動要求。
         E.滾動氣囊數(shù)量的計算
         滾動氣囊數(shù)量的選取主要取決于鋼套箱自身的重量，以及囊體與套箱底縱腫剖面處接觸的累計長度，5m+12m氣囊組與套箱底縱腫剖面處接觸L1=13m。N = K1·Q/（R·L1）=1.3×8000/（230×13）=3.5，氣囊22個，安全富裕系數(shù)為6。
         F.前端浮起計算
         鋼套箱從前端入水至完全浮起包括兩個階段：前端入水至前端浮起階段；前端浮起至完全浮起階段。前端浮起時，是最后一個氣囊的受力最不利狀態(tài)，超過其最大承壓時，有可能爆裂，最后一排氣囊為2個12m氣囊，氣囊每米最大受壓57t，2個氣囊可受力1368t，故氣囊處于安全可控狀態(tài)。
         ②安裝封底托板
         為減小鋼套箱入水初期的吃水深度，6個分隔倉底底部全部安裝封底托板。封底托板與鋼套箱的間隙不做焊接密封，除了可通過設置止水橡膠墊防止出現(xiàn)大范圍漏水，亦可作為氣囊托板，將鋼套箱的重量傳遞給氣囊。封底托板由8mm厚鋼板、I20b縱梁組成。鋼套箱內(nèi)壁及分倉隔板上設置［20b縱梁牛腿，以免封底托板受浮力或氣囊作用時沿內(nèi)腔向上滑動。
         封底托板通過鋼絲繩吊索懸掛于鋼套箱頂部，并在吊索上端設置浮標，吊索通過手拉葫蘆拉緊封底托板。待分隔倉內(nèi)加完水具備拖運條件后，至指定區(qū)域解開吊索，封底托板將自動解除下沉。
         ③氣囊布設
         沿鋼套箱的兩側壁布設兩排氣囊，兩排氣囊之間用細鋼絲繩連接。每排11根氣囊，氣囊采選用直徑1.0m，長度12.0m與5m結合，工作高度80cm。
         鋼套箱由氣囊組承托在坡道上，氣囊充氣前，需掛上前、后拉索，并拉緊后拉索，以免鋼套箱頂起后向前滑移導致支墩傾覆。當鋼套箱與支墩分離后，拆除支墩，并將支承點等各處清理干凈，以免妨礙氣囊滾動或損傷氣囊。
         ④ 起滑
         鋼套箱圍堰下水位置必需滿足其吃水深度，必要時可進行疏浚處理，下水前打開聯(lián)通孔，封閉水位孔。
         拼裝場地岸側設置制動系統(tǒng)，布設2個地垅、2臺12t卷揚機、2套滑輪組，負責控制鋼套箱圍堰的溜放速度及制動，布置在拼裝場后方。河對岸布設2臺10t卷揚機作為牽引系統(tǒng)，負責鋼套箱圍堰的前移和方向控制，卷揚機與鋼套箱的連接采用28mm的鋼絲繩。

圖3  鋼套箱解除封底托板示意圖
         當氣囊完全托起鋼套箱圍堰且滑道清理完成后，平板駁通過10t卷揚機牽引前拉索，并緩慢放松后拉索，使鋼套箱圍堰緩慢前行，鋼套箱圍堰滑至入水口處停下，穩(wěn)定后將后制動拉索自動脫鉤器打開，鋼套箱成功入水。
         ⑤定位、下沉
         鋼套箱圍堰完全下水后，將其靠泊至平板駁側面，解開前、后拉索，向鋼套箱圍堰壁體內(nèi)注水，以增加鋼套箱圍堰浮運時的穩(wěn)定性。
         鋼套箱圍堰由平板駁拖運至安裝現(xiàn)場后，拋錨定位，并掛上岸側的調(diào)位索。通過平板駁及岸側調(diào)位索調(diào)整鋼套箱圍堰位置。
         鋼套箱圍堰安裝采用RTK定位測量，指揮平板駁移船位，使鋼套箱圍堰移至安裝點上，注水下沉，當鋼套箱圍堰沉至距基床頂30~50cm時，停止注水。
         重新測量鋼套箱圍堰位置，通過岸側調(diào)位索調(diào)整鋼套箱圍堰位置，繼續(xù)注水下沉，邊監(jiān)測邊調(diào)整鋼套箱圍堰位置。
         鋼套箱圍堰底沉至距基床頂20~30cm時，停止注水，再次測量定位，然后加速注水，使鋼套箱圍堰坐落在基床頂上，座底重量控制在50T左右。測量檢查鋼套箱圍堰的平面位置，如不合格，抽水讓鋼箱離開基床頂20cm，再重新安裝至合格。
         鋼套箱圍堰安裝好后，繼續(xù)向壁內(nèi)注水，直至注滿，注水過程監(jiān)測鋼套箱圍堰位置。鋼套箱圍堰穩(wěn)定后，掛上錨索并拉緊張固定，打開所有水位孔。在鋼套箱圍堰頂部四個角設置沉降、位移觀測點，定期進行沉降、位移觀測。同時在鋼套箱圍堰外角點設置防撞設施（如浮標及夜燈）以防船舶撞擊。
         4結語
         鋼套箱下沉到位后經(jīng)測量，傾斜度、中心位置偏差、平面扭角等均完全滿足承臺施工的精度要求。鋼套箱氣囊浮運施工解決了大型起重船舶無法施工的不利條件，同時為節(jié)約施工成本創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益，對類似工程具有借鑒意義。
         參考文獻
         [1]付林.流江河1#雙線特大橋深水樁基礎施工技術[J].鐵道建筑，2008(3)：10-11.