关于单壁钢套箱围堰在深水基础中的设计与应用

2022-09-10

1 工程概况

沈阳南阳湖大桥, 工程全长1377米, 主桥为三塔四跨双索面矮塔部分斜拉桥, 主桥桥面宽43米。主桥17#墩位于浑河中心, 基础设计为每个承台接12根φ2.0m钻孔灌注桩, 其尺寸为20.5×15×5m, 一次性浇筑混凝土1538m3, 承台底标高25.9m, 顶标高30.9m, 根据水文监测数据, 浑河20年一遇洪水位36.0m, 施工时水位35.50m, 河床平均高程26.5m。

南阳湖大桥为沈阳市重点市政工程, 工期紧张, 17#主墩承台的施工速度直接影响整个工程的工期。由于基础施工时水深较大, 需采用双壁钢围堰或单壁钢围堰进行基础施工, 经方案论证和比选, 采用单壁钢套箱围堰施工最为节俭、安全、高效。

2 围堰设计

单壁钢套箱围堰是为承台施工而设计的临时阻水结构, 通过围堰面板壁及封底混凝土为承台施工创造无水环境。

单壁钢套箱围堰施工, 根据其受力特点可以分为三个工况进行分析, 分别为:拼装下放阶段、封底混凝土施工阶段、围堰内抽水直至内外水位差最大阶段。

2.1 设计指导思想

套箱围堰的设计应使围堰具有足够保证安全的强度、刚度和稳定性, 在满足此前提下力求节约材料, 方便围堰的拼装、下放及拆除, 尽量使用大模板, 提高周转率及使用率。

2.2 结构总体设计

本工程为了施工简便、减少工序及降低成本, 将围堰内壁作为承台施工模板, 考虑到围堰在吊放下沉过程中难免会发生位置偏移, 因此将围堰尺寸设计成20.8×15.3m。围堰顶高设计为高于1/20洪水位0.5m, 即围堰顶标高为36.5m, 以保证方案实施的安全性。整个单壁钢套箱围堰结构大体可分为面板、竖向支撑、水平内支撑三部分。

2.3 侧向力计算

侧向力包括静水压力、流水压力、风荷载及偶然碰撞荷载。本设计按照静水压力计算。流水压力合力位于水面下0.3倍水深处, 即堰顶下3.7m处, 由于流水压力较小, 并考虑钢套箱在承台以上强度、刚度安全系数较大, 故不计流水压力;钢套箱出水面积较小, 且施工季节风力较小, 故不考虑风荷载影响;不计偶然荷载。静水压力按照水面以下三角形布置, P=γH。

2.4 面板及支撑设计

围堰面板是直接承受静水压力的部位, 本身需要一定的强度和刚度, 将其看作四边固定双向板, 经计算采用δ=8mm钢板制作, 上焊[8×5@300mm横肋, 面板间采用M20螺栓连接, 以便拆除。竖向支撑看作支撑在水平支撑上, 两端悬臂的梁, 按照内力计算, 为节省材料, 竖向支撑选用两种规格, 即围堰下方8.6m选用[28a槽钢, 上方3.5m选用[20a槽钢, 间距均为750mm, 对于围堰拐角、跨中部位宜加密或选用大型号槽钢。两种规格槽钢采用腹板“背靠背”满焊连接。于承台顶面上0.8m处加水平支撑, 水平支撑采用φ600×6钢管, 长边设3支撑点, 短边设2支撑点, 支撑点选择在分配梁近等跨位置, 并且避让已施工的桩基础。支撑与分配梁间应焊接牢固, 连接处作加强处理。分配梁选用2I56b工字钢, 双工字钢间焊接严格按照焊接规程处理, 每2m应加设一道牛腿以增加整体稳定。围堰顶下0.5m处及承台施工处另设[20a槽钢水平环, 以增加围堰性稳定。

钢套箱围堰是一个整体性很强的结构, 所以在确定了面板及支撑后, 不容忽视的是面板之间的螺栓连接, 肋与面板的焊接、两种规格槽钢的焊接等, 因此仍需进行螺栓及焊缝强度的检算, 当强度满足要求后, 钢套箱围堰结构设计才算基本完成。

2.5 封底混凝土厚度

封底混凝土承受的外力最大时为第三工况, 围堰内外水位差最大, 封底混凝土受到向上的水压力、自身重力及与钢护筒的摩阻力, 这时可以将混凝土看作四边固定双向板计算, 最小封底厚度不仅应能保证混凝土本身的强度要求, 同时围堰重力和混凝土重力要克服水的浮力作用以保证不被浮起。经计算, 封底混凝土选用C25级, 厚度不小于1.5m。

3 施工工艺

3.1 河床清理

下沉前围堰出河床应清理至平顺, 本工程采用循环钻机与吸泥机配合的方法进行, 实际效果清基速度快, 平整度高。

3.2 制作及拼装

围堰先制作成少数单块, 经试拼及防水试验合格后进行全面加工, 加工板块应标明顺序号, 以防现场拼装时出错。加工后运至墩位处在平台上进行整体拼装。拼装按照先上游后下游的顺序进行, 板块间采用螺栓连接, 并用橡胶带填缝。对组拼完的套箱围堰进行全面检查, 检查结构尺寸、垂直度、扭转程度、螺栓连接及接缝严密情况等。

3.3 下放

围堰组拼完成后, 再将其与吊挂系统连接, 起吊后拆除堰下平台部分使其下落。围堰下放采用精轧螺纹钢及穿心式千斤顶循环下放。

下放前应准确定位, 测量出承台的准确位置并在套箱四角打设定位钢管桩。围堰下沉至河床时, 先在围堰内对称均匀地吸泥下沉, 质地较硬时, 先射水后吸泥。整个下放过程应全程监控围堰的平面位置及高程。

3.4 封底混凝土浇注

围堰下沉就位后, 应进行封底混凝土的浇注, 封底混凝土的施工质量直接决定了围堰施工的成功与否, 由于承台尺寸较大, 混凝土浇筑时极易流失, 并且水下浇注混凝土质量难以保证。实际施工中, 采用12根导管梅花布置, 每根导管平均浇注面积26.5m2, 连续快速浇注, 并尽量保持各处混凝土面升幅一致。由于采取了比较严密的填平和防漏浆措施, 整个封底工作基本上比较顺利, 仅在一角出现漏点, 此处灌注时混凝土面升幅较慢, 并从围堰外壁有气泡冒出, 围堰外河水有污染现象。此时停止此部位的封底, 并向漏点除用砂袋堵塞。实践证明对漏点的判断及处理方法是正确的, 经堵漏后继续封底成功。

3.5 抽水清基

待封底混凝土强度达到90%时方可进行抽水, 抽水时应实时监控套箱变形情况, 若超出规范要求应立即停止抽水并查明原因, 待处理后方可继续抽水。抽水至水平支撑位置时停止抽水, 待支撑安装完毕后继续进行。抽水至设计高程后应检查基底是否平整。整个抽水过程及抽水后都应关注围堰面板的漏水情况, 若有大块漏水应补焊钢板补救, 板块拼接处的漏水可以采用塑料袋包砂、木屑或用防水混凝土填缝等方法堵漏。待完成围堰施工后, 即可进行下部承台施工。