潭东江特大桥钢套箱围堰气囊浮运施工技术

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主要介绍剑潭东江特大桥钢套箱围堰气囊浮运施工技术，该桥为贛深铁路的关键性控制工程，是目前国内高铁最大宽度的四线无砟轨道墩塔梁固结体系矮塔斜拉桥。由于桥址所处位置的上下游均设置有水闸，大型起重船无法进场，钢套箱下水难度大，经过方案比选、优化，最终采用分块制作、现场拼装、整体采用气囊下水方式进行施工，通过岸侧卷扬机牵引至安装位置，注水安装下放的方案。因避免使用大型船机设备，在节约施工成本上取得较好的效果。
         关键词：贛深铁路；钢套箱；气囊浮运；施工技术
         1工程概况
         剑潭东江特大桥3#、4#主墩位于东江河道内，施工水位H10%=13.18m，其中3#主墩承台底面标高+0.06m，距承台底面13.12m，承台基底为弱风化花岗岩，钻孔桩全部嵌入弱风化花岗岩18m，4#主墩承台底面标高+2.34m，距承台底面10.84m，承台基底为淤泥质黏土，钻孔桩嵌入弱风化花岗岩约7m。考虑基岩上覆盖土层厚度不够，钢板桩围堰工艺难以实施，因此选择无底双壁钢套箱围堰工艺，既能为承台提供了干施工条件，又能作为桩基、墩柱、主塔的作业平台。
         2钢套箱结构
         根据承台尺寸及结合现场实际情况，3#主墩钢套箱围堰设计顶标高+15.18m，底标高-1.94m，围堰总高度17.12m，吃水深度15.12m。4#主墩钢套箱围堰顶标高+16.88m，底标高+0.34m，围堰总高度16.54m，吃水深度14.45m。钢套箱外尺寸为28.4m×40.4m，内腔尺寸为26m×38m，壁厚1.2m。钢套箱围堰采用C30砼封底，封底砼厚度2.5m。

图1  钢套箱剖面示意图（单位：mm；高程单位：m）
         钢套箱由壁体及内撑两大部分组成。壁体主要由面板、分仓板、横肋、竖肋构成，通过分仓板将钢套箱平均分成互不相通的隔仓，以便注水下沉时调整钢套箱的重心及竖直状态。内支撑布设3层，用型钢构成平面框架，与钢套箱一起形成稳定结构体系，主墩作业平台利用钢套箱的第三层内支撑作为承重梁。
         钢套箱围堰为全焊水密结构，钢套箱壁板、侧板、底板、隔仓的面板均采用δ10mm钢板。内外壁板的竖肋主要采用∠75×8mm角钢，上半节间距50cm，下半节间距25cm，每隔6.0m设1道坚向开孔隔板作为加强竖肋，开孔隔板采用δ10mm钢板。钢套箱底部设封底砼分仓分隔板，分隔板高1.80m（底面距离壁体底板21cm，用于安装封底托板），由腹板δ20mm钢板和上、下翼板δ40mm钢板组成，将封底砼分成6块，内壁和与封底砼接触面设置3道止水钢板（5cm宽δ8mm钢板），以防止水沿砼与钢板接触面渗漏。钢套箱设3层内支撑，用型钢构成平面框架，第1、2层的纵、横向支撑均采用φ800×12mm钢管，第3层纵、横均向支撑采用HN700×300mm型钢，兼做作业平台。
         为保证钢套箱围堰浮运阶段和下沉阶段的稳定，壁体设置10个隔仓，为保持钢套箱围堰内外水位平衡，在河侧的壁体上设置1个联通孔。
         3围堰施工
         3.1钢套箱加工
         受下游东江水利枢纽船闸通航能力制约，钢套箱围堰无法整体制作通过船闸水运至安装现场。为保证加工质量，钢套箱壁体在专业钢构件加工厂进行分块加工，检验合格后，用车分批运输至现场拼装。
         3.2钢套箱拼装
         钢套箱选在主墩上游的约150m处的河滩上进行现场拼装。对所选河滩进行整平硬化处理后，搭设钢套箱围堰拼装平台，滑道采用C20砼硬化，厚度20cm。下滑坡道长53.0m，坡比1:40。拼装平台立柱采用双拼I32b工钢，立柱设置间距4.5m，立柱间留出气囊布设位置，垫梁采用I32b工钢。
         拼装前，在托板上放样出壁板拼装轮廓线，并在外侧轮廓边线上设置定位装置，以控制钢套箱的平面位置。
         钢套箱分节逐块拼装，由100T履带吊从短边向两侧长边对称拼装，将壁板块件吊起至安装位置，下口通过定位码子就位后，与定位码子临时焊接加以固定，通过测量仪器校检平面位置和垂直度，校达到要求后，壁板与底板、壁板间进行焊接连接，最后进行内支撑安装。
         3.3钢套箱浮运、安装
         钢套箱拼装完成后，用橡胶气囊顶起，卷扬机牵引，利用滑道溜放下水。钢套箱围堰浮运至现场后，RTK定位，用平板驳及岸侧地垅共同调位安装。

图2  钢套箱出运平面示意图

         工艺流程：橡胶气囊布设、挂上牵引拉索→橡胶气囊充气顶升、拆除拼装平台→卷扬机牵引钢套箱下水→浮运钢套箱至安放现场→靠平板驳及卷扬机定位→钢套箱注水安放→挂上锚索固定钢套箱→打开水位孔、调节壁体内水位。
         ①钢套箱下水受力简算
         A.摩擦力的计算
         气囊半径R为0.5m，气囊的接触面的1/2宽为0.7m，气囊的摩擦力为：Fm﹦2?N/d=2×0.0448×8000/0.8=896kN。
         B.滑道地基承载力验算
         气囊个数为11组，D=1m，每组气囊L=17m，每组气囊承受的压力为：8000/11/17=43kN/m。根据气囊的参数指标，气囊的工作高度为0.8m，着地宽度为0.7m，则对地基的压应力为：43/0.7=62kPa。
         对滑道进行压实处理、硬化后滑道地基承载力≥110 kPa，滑道地基承载力满足要求。
         C.牵引力的计算
         因为下水道存在坡度，钢套箱重量在其作用下分解为坡面压力和下滑力Fx= Q·sinα=8000×sin2.5°=352kN，因 Fx＜Fm 时，钢套箱无法自动下滑，需要牵引力。
         假定2组各4根钢丝缆绳，需要的牵引力Fq=（Fm- Fx）/k·n=（896-352）/0.8/8=85kN。故需河对岸配备2台10t卷扬机，牵引力可达到200kN，满足要求。
         D.钢套箱下水的制动力
         钢箱在下滑过程中，要对底下铺设好的气囊进行充气、调整，因此要求滑动中的钢套箱能够及时停下来，这就需要使用牵引缆车来制动下滑的套箱。其制动力的大小取决于制动时间T，一般取T=2～5秒，由于绞车的制动时间很难有精确的计算数值，所以s取的越小，制动力Fz较大，牵引系统较安全。Fz= Q·V/T=800×1000×（6/60）/3=26kN=2.6t，故采用2台12T的卷扬机足以满足制动要求。
         E.滚动气囊数量的计算
         滚动气囊数量的选取主要取决于钢套箱自身的重量，以及囊体与套箱底纵肿剖面处接触的累计长度，5m+12m气囊组与套箱底纵肿剖面处接触L1=13m。N = K1·Q/（R·L1）=1.3×8000/（230×13）=3.5，气囊22个，安全富裕系数为6。
         F.前端浮起计算
         钢套箱从前端入水至完全浮起包括两个阶段：前端入水至前端浮起阶段；前端浮起至完全浮起阶段。前端浮起时，是最后一个气囊的受力最不利状态，超过其最大承压时，有可能爆裂，最后一排气囊为2个12m气囊，气囊每米最大受压57t，2个气囊可受力1368t，故气囊处于安全可控状态。
         ②安装封底托板
         为减小钢套箱入水初期的吃水深度，6个分隔仓底底部全部安装封底托板。封底托板与钢套箱的间隙不做焊接密封，除了可通过设置止水橡胶垫防止出现大范围漏水，亦可作为气囊托板，将钢套箱的重量传递给气囊。封底托板由8mm厚钢板、I20b纵梁组成。钢套箱内壁及分仓隔板上设置［20b纵梁牛腿，以免封底托板受浮力或气囊作用时沿内腔向上滑动。
         封底托板通过钢丝绳吊索悬挂于钢套箱顶部，并在吊索上端设置浮标，吊索通过手拉葫芦拉紧封底托板。待分隔仓内加完水具备拖运条件后，至指定区域解开吊索，封底托板将自动解除下沉。
         ③气囊布设
         沿钢套箱的两侧壁布设两排气囊，两排气囊之间用细钢丝绳连接。每排11根气囊，气囊采选用直径1.0m，长度12.0m与5m结合，工作高度80cm。
         钢套箱由气囊组承托在坡道上，气囊充气前，需挂上前、后拉索，并拉紧后拉索，以免钢套箱顶起后向前滑移导致支墩倾覆。当钢套箱与支墩分离后，拆除支墩，并将支承点等各处清理干净，以免妨碍气囊滚动或损伤气囊。
         ④ 起滑
         钢套箱围堰下水位置必需满足其吃水深度，必要时可进行疏浚处理，下水前打开联通孔，封闭水位孔。
         拼装场地岸侧设置制动系统，布设2个地垅、2台12t卷扬机、2套滑轮组，负责控制钢套箱围堰的溜放速度及制动，布置在拼装场后方。河对岸布设2台10t卷扬机作为牵引系统，负责钢套箱围堰的前移和方向控制，卷扬机与钢套箱的连接采用28mm的钢丝绳。

图3  钢套箱解除封底托板示意图
         当气囊完全托起钢套箱围堰且滑道清理完成后，平板驳通过10t卷扬机牵引前拉索，并缓慢放松后拉索，使钢套箱围堰缓慢前行，钢套箱围堰滑至入水口处停下，稳定后将后制动拉索自动脱钩器打开，钢套箱成功入水。
         ⑤定位、下沉
         钢套箱围堰完全下水后，将其靠泊至平板驳侧面，解开前、后拉索，向钢套箱围堰壁体内注水，以增加钢套箱围堰浮运时的稳定性。
         钢套箱围堰由平板驳拖运至安装现场后，抛锚定位，并挂上岸侧的调位索。通过平板驳及岸侧调位索调整钢套箱围堰位置。
         钢套箱围堰安装采用RTK定位测量，指挥平板驳移船位，使钢套箱围堰移至安装点上，注水下沉，当钢套箱围堰沉至距基床顶30~50cm时，停止注水。
         重新测量钢套箱围堰位置，通过岸侧调位索调整钢套箱围堰位置，继续注水下沉，边监测边调整钢套箱围堰位置。
         钢套箱围堰底沉至距基床顶20~30cm时，停止注水，再次测量定位，然后加速注水，使钢套箱围堰坐落在基床顶上，座底重量控制在50T左右。测量检查钢套箱围堰的平面位置，如不合格，抽水让钢箱离开基床顶20cm，再重新安装至合格。
         钢套箱围堰安装好后，继续向壁内注水，直至注满，注水过程监测钢套箱围堰位置。钢套箱围堰稳定后，挂上锚索并拉紧张固定，打开所有水位孔。在钢套箱围堰顶部四个角设置沉降、位移观测点，定期进行沉降、位移观测。同时在钢套箱围堰外角点设置防撞设施（如浮标及夜灯）以防船舶撞击。
         4结语
         钢套箱下沉到位后经测量，倾斜度、中心位置偏差、平面扭角等均完全满足承台施工的精度要求。钢套箱气囊浮运施工解决了大型起重船舶无法施工的不利条件，同时为节约施工成本创造了良好的经济效益，对类似工程具有借鉴意义。
         参考文献
         [1]付林.流江河1#双线特大桥深水桩基础施工技术[J].铁道建筑，2008(3)：10-11.