2007年12月 第6期总第152期 由国灌湾建设 China Harbour Engineering Dec.,2007 Tota1 152.NO.6 无底钢套箱围堰设计与施工 林耀洪 (中交第三航务工程局有限公司厦门分公司,福建厦门 361006) 摘 要:钢套箱围堰是为解决水上承台和水上桥墩施工而设计的临时阻水结构,其作用是通过钢套箱围堰和封底 混凝土阻水,为水上承台和水上桥墩的施工提供无水的干施工环境。结合洋安大桥工程的实例,重点介绍无底钢 套箱的设计、制作、安装和封底混凝土的施工方法,其中钢套箱的分块制作,现场拼装,整体下放工艺因避免使 用大型船机设备,大大节约工程成本取得较好的效果,可广泛应用。现场使用结果证明该钢套箱结构设计合理,安 装方法得当,定位准确,施工简便可行,取得显著的效果。 关键词:钢套箱;设计;施工;安装 中图分类号:TU753.62;U443.162 文献标识码:B 文章编号:1003—3688(2007)06—0052-05 Design and Construction of Bottoml ess Steel Jacket Box Cofferdam LIN Yao—hong (Xiamen Branch of CCCC Third Harbor Engineering Co.Ltd.,Xiamen 361006,China) Abstract:Steel jacket box cofferdam is a temporary retaining structure designed for bearing platform and bridge pier construction on water,the aim of this study is tO provide a dry construction conditions for bearing platform and bridge pier construction on water by means of retaining water of steel jacket box cofferdam and sub—sealing con— crete.The construction methods of design,prefabrication,erection and sub—sealing concrete of bottomless steel jack— et box are mainly introduced on the basis of the case history of Yang’an Bridge.Because large ship and machinery equipments were not used in the construction of fabrication of steel jacket box in sections,assembly on site and in— tegral lowering into position,the cost of the project reduced greatly.The practice on site has proved that the struc— tural design of the steel jacket box is rational,installation method is suitable,position is precise and construction method is simple and practica1. Key words:steel jacket box;design;construction;erection 1工程慨况 桩基础,钢筋混凝土承台,圆形墩柱。 洋安大桥位于浙江省建德市新安江河上,桥位位于新 钢套箱围堰是为承台施工而设计的临时阻水结构,其 作用是通过钢套箱围堰和封底混凝土阻水,为承台和墩柱 施工提供无水的干施工环境。 2钢套箱设计 2.1设计依据 安江水库下游,距千岛湖水库大坝约4 km。桥位处河面宽 约300 m,水深常年一般保持在5~6 m,最深处7~8 m。新 安江水库若开闸泄洪,水深则随泄洪量发生变化。本桥和新 安江斜交约45。。 桥梁工程全长755.6 m,桥宽22 m。包括跨江主桥、新 安东路侧引桥、洋安侧引桥。跨江主桥长412 m,采用56 m +90 m+120 m+90 rn+56 m变截面连续箱梁;新安东路 侧引桥长215 in,采用5×25 m米等截面连续箱梁和25 m +40 m+25 m变截面连续箱梁;洋安侧引桥长125 in,采 用5×25 m等截面连续箱梁。桥梁下部结构采用钻孑L灌注 (1)洋安大桥设计图; (2)公路桥涵钢结构及木结构设计规范; (3)公路桥涵施工技术规范; (4)贝雷梁使用手册。 2.2设计条件 (1)工况条件 根据钢套箱围堰施工时受力状态,可按以下工况进行 收稿日期:2007—08—15 分析: 作者简介:林耀洪(1966一),男,高级工程师,海洋工程专业,现 从事路桥和水工专业。 ①拼装下沉阶段; ②封底混凝土施工阶段; 维普资讯 http://www.cqvip.com
2007年第6期 林耀洪:无底钢套箱围堰设计与施工 ・53・ ⑨抽水后承台施工阶段。 由于套箱体积较大,而施工现场不具备大型起吊设备, (2)水位条件 为便于施工,钢套箱设计制作安装采用了“分解成12片组 根据现场观测结果和分析,确定钢套箱顶标高为:设计 件在岸上加工一岸上试拼一现场拼装一整体下放”的思路。 高水位+3.OO+1.0(安全高度)一十4.O0 m。 根据钢套箱使用功能,将其分为侧板、封底混凝土、内 (3)结构设计 支撑共3大部分。其中,侧板、封底混凝土是钢套箱围堰的 综合各工况及水位条件确定: 主要阻水结构。根据钢套箱设计条件和经验,侧板选用单壁 ①钢套箱围堰外形尺寸:长方形21.6 m×10.4 m× 钢结构。 6.5 m;钢套箱围堰平面内净尺寸:长方形2O.8 m×9.6 m。 2.4钢套箱构造 承台长×宽×厚一19.70 m×8.50 m×3.50 m,圆端型,半 考虑到钢套箱的安拆和运输方便,将其长向单边分成4 径为4.25 m。钢套箱每一侧留0.55 m作为装模工作空间 大块组件,短向单边分成2大块组件,块与块之间采用螺栓 和套箱安装的偏位空间。 连接,用1 cm厚橡胶带止水。为方便以后拆除,除4个转 ④钢套箱侧板底面设计标高:一2.50 m;钢套箱总高: 角的连接螺栓在外侧,其它的连接螺栓均在内侧。钢套箱总 4.O0~(一2.50)一6.5 m 重68 t。 ⑧承台混凝土底标高:一】.20 m; 钢套箱由6 mm钢面板、[8槽钢横肋、E2o槽钢立柱和 ①封底混凝土底标高:一2.50 n ;封底混凝土厚;一 E4Ob槽钢内支撑组成。钢面板按横肋和立柱上四边支承板 1.2O~(一2.5)一0.15(隔水层厚)一1.15 m;内支撑3 计算板厚;横肋按支承在立柱上的简支梁计算,立往按支承 道标高分别为+3.95 m、+2.45 m和+0.80 m。 在内支撑上的连续梁计算,内支撑按框架结构计算,以选择 2.3钢套箱的设计思路及组成 截面尺寸。其结构见图1。 图I钢套箱平面布置图(单位:cm) (1)钢套箱侧板 块之间的止水为角钢 i00 mm×iO0 mm×i0 mm(钻 14 侧板采用单壁结构,为肋板式焊接结构,由[20a槽钢、 螺栓孔、间距2O0~250 mm)。为了保证竖楞立柱[20a槽 [8槽钢和6 mm钢板焊接而成,总重42 t。侧板沿高度方向 钢外翼缘不失稳及全截面受力,且避免在运输过程中侧板 分为1层,即6.5 m。沿长度方向分为12块组件,其中短 产生超标变形,在离立柱顶1.5 m和3.9 m处各加一道水 边方向分成2块组件,每块组件重3.4 t;长边方向分成4块 平联结系槽钢[14a。 组件,重量分别为3.8 t、3 7 t、3.7 t、3.0 t。共计12块 (2)钢套箱内支撑 组件,单块最重为3.8 t,侧板总重42 t。分块的原则主要 内支撑由内圈梁、内斜撑、水平支撑及竖向连接系4部 是为了保证现场的50 t履带吊车站在便桥上能够把最外侧 分组成,总重26 t。 的3.4 t侧板吊起。便桥在桥的下游,便桥中心线离桥中心 ①内圈梁:内圈梁设3层,设在钢套箱侧板的内侧,标 线19 m,便桥边离箱梁边最短距离2 m。侧板的面板为 一 高分别为:+3.95 m、+2.45 m和+0.80 m,由单根槽钢 6 mm钢板,竖楞立柱均为EZOa槽钢,间距为700mnl,横 E4ob组成的水平环,安装在侧板内壁牛腿上。 肋为[8槽钢,间距为1 400 mm4-1 000 mm+700×2 mm ②内斜撑:为躲开钢护筒和以后绑扎承台钢筋的需要, +600 mm十500x 2 mm+1 000 mm,随水深而变化。块与 把部分水平撑杆改为内八字撑,内斜撑设的位置同内圈梁。 维普资讯 http://www.cqvip.com
・54・ 中国港湾建设 2007年第6期 由单根槽钢[40b组成的内斜撑,安装在侧板内圈梁内壁和 水平撑杆上。 行计算,特别是长边在浇筑混凝土后水平方向的变形进行 验算。 ③水平撑杆:水平撑杆设在长边的正中间,水平撑杆设 ②钢套箱拼装、下沉计算,主要与钢套箱自重有关,以 拼装完成后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。 的位置同内圈梁。单根槽钢[40b组成的水平撑杆,安装在 侧板两根内圈梁内壁上。 ④竖向连接系:竖向连接系用于连接3层内支撑,由单 ③抗浮计算:钢套箱内抽完水后至浇筑承台混凝土前 整个阶段,必须满足 根槽钢[14b在3层内支撑形成的平面内每隔2 m左右用槽 钢互相联结形成整体,确保槽钢[40b受压不失稳。 以上杆件均为焊接。钢套箱施工见图2。 钢套箱自重+封底混凝土自重+粘结力>浮力 以11号墩钢套箱为例进行计算,根据抽干水后钢套箱 所承受的浮托力进行估算(不考虑封底混凝土与土地基的 图2安装中的钢套箱 2.5钢套箱设计计算 根据钢套箱围堰施工阶段进行的结构设计验算,仅就 计算思路简单介绍,具体计算过程从略。 (1)荷载取值依据 考虑钢套箱围堰设计荷载组合。 水平荷载: H, 静水压力+流水压力+风力+ 其他; 竖直荷载: :G,一钢套箱自重+封底混凝土重+浮 力+其他施工荷载, 其中,单位面积上的静水压力按10 kN/m 计,水压随 高度按线性分布; 流水压力按桥址处实测流速: 一2.0 m/s; 风速很小,在此可忽略; 封底混凝土容重:7 一24 kN/m。 水的浮力:7 10 kN/m (2)计算内容 ①钢套箱拼装、下沉计算; ②封底混凝土施工阶段计算; ③抽水后钢套箱计算。 (3)计算 综合工况条件分析和计算内容,对钢套箱各部分取最 不利受力工况进行计算。 ①钢套箱侧板结构计算,以侧板承受的水平荷载为主, 分钢套箱抽水加内支撑至承台混凝土浇筑前和承台混凝土 浇筑完成后至钢套箱拆除完成2种工况进行计算。 侧板计算包括面板、横肋、立柱等拼接处及焊接的内 力、变形及应力计算。另外,还要对钢套箱的内支撑系统进 粘结力,可作为安全储备): Q4-h(y A— ”D[R ])≥kZHA 式中:Q为钢套箱总重;h为封底混凝土厚度; 为封底混 凝土容重 y 一24 kN/m。;A为围堰净面积,A一21.6×10.4 224.64 m ;”为桩基数量,” 8;D为桩基外径,D一2.3 m;ER ]为钢护筒与封底混凝土的容许粘结力;7为水的容 重,y 10 kN/m。;k为安全系数,k=1.10;H为钢套箱内 外水头差,H一6.5 m 代入上式计算得 ≥1.1 3 m,取h一1.15 m。 ①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。 3钢套箱制作安装、封底混凝土施工 3.1钢套箱施工工艺流程 用50 t履带吊配抓斗水中挖泥至一2.50 m、并整平基 底一利用平台、便桥及50 t履带吊拼装钢套箱一利用桩基 钢护简、贝雷梁及12个10 t葫芦安装钢套箱一整平钢套箱 内基底,以确保封底混凝土厚度一浇筑封底C3O水下混凝 土一混凝土养护、保持钢套箱内外水头差在o.5 m以内一4 d后抽水(或强度达到85 )凿桩头一立承台模板、绑扎钢 筋一浇筑承台混凝土一墩身施工一拆除钢套箱 3.2钢套箱的制作、运输 钢套箱在岸上引桥左侧陆地上制作,加工完后,必须在 加工现场进行试拼并编号,以避免使用时错号组拼产生过 大的拼装误差。用汽车经便桥单块运至施工现场,使用时直 接在墩位处拼装。钢套箱内、外壁涂刷底漆(防锈漆)2道、 面漆1道。 3.3钢套箱安装 (1)基坑开挖 ①采用50 t履带吊车配抓斗按设计标高对承台周边河 床清理到一2.50m,开挖时宁可挖低一点,以确保封底混凝 土的厚度; ②对钢护简周边死角处派潜水员进行清理后再挖除; ⑧经测量确认标高到位后再进行下一道工序施工 (2)套箱拼装及下放 ①利用桩基施工时的钢护筒作为安装钢套箱的平台。 先用水平仪在每个钢护筒上标出+5.80 m标高线,然后割 除钢护筒顶使其形成一个水平面,在钢护简顶面先架设4 维普资讯 http://www.cqvip.com
2007年第6期 林耀洪:无底钢套箱围堰设计与施工 ・55・ 层贝雷(H=1.5×4—6.0 m)横梁,作为现场拼装钢套箱 的纵、横桥向支架。 横桥向支架:先按设计位置横向叠高1层长12 m贝雷 桁架;上叠2层长18 m+1层长24 m贝雷桁架,贝雷均为 2组4排,贝雷顶标高+11.8 m。 纵桥向支架:在横向贝雷桁架顶上纵桥向叠高1层长 12 m贝雷,共4组6排,贝雷顶标高+13.3 m。贝雷结构 布置图见图3。 (a)侧视图 290 567 560 510 233 ] / 厂 ~、一 /—、 f一、一 I 、\ 卜 ( / ) ( )_/ 1 )l L 一, \ 一/ r \ ~一-、 l( ) /, 、 ( \~—/ ,、 ( √\ ——/ / ) / ) ) f2 400 (b)俯视图 图3贝霄结构布置图(单位:cm) ②每层每片贝雷均用 16 mm螺栓连接成整体;同时 在每个钢护筒上用 20 mm U型螺纹钢将桁架与钢护筒连 接固定好。 (2)派潜水员将桩基钢护筒周围的泥土用钢丝刷等工 具清洗干净,同时用水下水进行套箱内侧基坑面整平,对 于局部河床面有积淤现象应及时采用空压机和吸泥管进行 清淤,以保证封底混凝土的质量。 ⑧用全站仪在桁架上定出12片钢套箱组件的重心吊 点位置,同时测好控制标高。 ④在每个吊点位置布设好10 t手拉葫芦(由于考虑套 箱拼装好后整体下放时存在不平衡原因,选择手拉葫芦承 载力时按实际吊点分配力的2~3倍考虑)。 ⑤用50 t履带吊车吊装钢套箱组件进行拼装。 ⑥钢套箱拼装经验收合格后,选择河面水流较缓时开 始整体下放到河床上(组织12个人一起操作10 t手拉葫芦 (3)直接利用套箱顶面架设浇筑水下封底混凝土的平 台与导管。 每个墩的封底采用C30混凝土数量约为220 m。,厚度 1.1 5 m,封底净面积l 91 m。;导管采用直径为250 mm的钢 管制作,内壁表面应光滑并有足够的强度和刚度,布置时应 使各导管的浇筑面积相互覆盖,根据每根导管作用半径计 算需要布置18根浇筑封底混凝土导管,导管布设见图4。 (4)水下封底混凝土浇筑顺序 封底混凝土的浇筑顺序是从围堰内的下游开始到上游 同步下放钢套箱,为防止下放失控应注意控制下放速度在 10 cm/min左右)。 ⑦钢套箱着床后为防止受水流压力的作用向下游漂 移,应马上在钢套箱侧板内壁与钢护筒之间设置定位支撑 系统。 3.4浇筑水下封底混凝土 结束。浇筑前对所有的机具、材料、混凝土的配合比及施工 布置情况进行全面细致的检查,保证施工机械在灌注过程 中不发生故障;采用C30水下混凝土,塌落度控制在18~ 20 cm,同时在混凝土中掺人0.015 (水泥重)的铝粉,以 保证混凝土和钢套箱的紧密结合;每根导管首批混凝土的 (1)钢套箱下放到位后,在其四周与河床间隙,立即在 钢套箱外侧抛填沙包,同时派潜水员检查堵紧状况,以防止 封底混凝土泄漏导致封底堵水失败。 储存方量应使首次灌注的混凝土能满足导管的初次埋深。 封底时每根导管依次灌注,初次浇筑混凝土时导管口比河 维普资讯 http://www.cqvip.com
・56・ 中国港湾建设 2007年第6期 (3)覆盖塑料薄膜隔离层(将承台底与封底混凝土隔离 f R I f开形成自由排水通道)。 / \一《 】Kl (4)施工3~5 cm厚C20细石混凝土找平层(找平后与 承台底高程一致)。 4.2墩柱施工 / 【畸l l 凿桩头一绑扎钢筋一立承台模板一浇筑承台混凝土一 } 0 一 昌 ◎◎ 2 —— 1—— l vl 《 是. \\蒋25O-j; / / Ⅲ ~ … ‘ 。。 Ⅱ1l J u u u | :1 040 桥方向 图4导管布设图(单位:cm) 床底提高15~20 cm为宜,注意每次下料间隔不应大于1 h 以确保下料的流畅性;浇筑过程中应随时观测封底混凝土 面标高(可在测绳头上固定一块100 mm×100 mm×5 mm 钢板作为丈量使用),实际浇筑高度应比承台底设计标高低 15 cm,预留作为承台底排水隔离层用的空间;浇筑到位后 再逐排吊拔导管沿套箱一侧向另一侧移动直至封底结束。 (5)为保证封底混凝土养护期间套箱内外水压平衡,预 先在水面以上约20 cm处预留2个 30 cm洞口用以自动 调节水位变化,同时在钢套箱内外各挂2台25 nl。/h的潜 水泵,以防止钢套箱外水头高度超过自动调节范围。 (6)待水下混凝土达到设计强度后,再将洞口封堵,开 始抽水安装内支撑。内支撑共分成3道,逐道进行安装加 固;为预防套箱变形,每道加固时需控制套箱内水位在该道 内撑以下约30 cm内;等本道加固完成经验收合格后再抽 水加固下一道内支撑。 4承台、墩柱施工 4.1承台施工 套箱抽水到位后根据渗漏情况采用不同措施堵漏。小 的渗漏采用棉絮堵塞;严重的漏水需将松散处凿除后,再次 进行局部二次封底等。待漏水量在可控制范围内即可进行 排水隔离层施工,隔离层厚度根据封底面与承台底高差而 定 隔离层一般做法: (t)凿除超高部分封底混凝土面,保持距承台底净空高 度不小于10 cm(设计为15 cm),沿套箱四周做排水沟与积 水坑(排水沟宽度约2O~30 cm,积水坑深度能覆盖潜水泵 即可)。 (2)铺设透水性较好的骨料(3~5 cm石子或河卵石)。 墩身施工。承台钢筋绑扎见图5。 、1 ll |i_ 图5钢筋绑扎 墩柱施工结束后,在套箱拆除前进行墩帽支架搭设。 5拆除钢套箱 钢套箱拆除时分块进行,先拆除长边中间块,后拆除角 块。操作过程为: 用5O t履带吊吊住长向钢套箱中间1块钢套箱侧板, 用千斤顶把钢套箱顶离封底混凝土后,再用吊车把单块钢 套箱侧板吊到便桥上的汽车上,拉到下一个桥墩使用;四个 转角处由于连接螺栓在外侧,拆除的方法有:①可由潜水员 水下拆除连接螺栓后再单片拆除;②小型船舶吊机配合50 t履带吊拉离承台后拆除。 6结语 采用拼装式无底钢套箱围堰的方法,可以有效解决桥 梁施工中的水下大体积混凝土的施工问题,施工简便可行, 取得了显著成效。 (1)采用“分解成12片组件在岸上加工一岸上试拼一 现场拼装一整体下放”的思路。同时采用边抽水边加内支撑 的办法,减少钢套箱安装重量,大大减小安装的困难,避免 使用大型船机设备,节约工程成本。 (2)采用4个转角的连接螺栓在外侧,其它连接螺栓均 在内侧的连接方法,大大减小拆除的困难,减少潜水员的工 作量.加快了工程进度。 (3)因钢套箱围堰结构设计较合理,安装方法得当,定 位准确,承台模板安装准确,外观良好。 (4)采用设隔水层的方法,确保承台、墩柱的干施工, 效果明显,有效地解决了施工过程中的渗水和漏水问题,保 证承台、墩柱的施工质量。 参考文献: [1] JTJO41—2000,公路桥涵施工技术规范[s].
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