跨海大桥钢吊箱围堰设计与施工

Analysis of Practical Examples

分析

跨海大桥钢吊箱围堰设计与施工

付书锋

(中铁六局集团石家庄铁路建设有限公司，河北石家庄050010)

摘要：针对一座跨海大桥的承台施工，基于地质条件和海洋环境，设计了带有钢筋混凝土底板的钢吊箱围 堰，而且钢吊箱的箱壁和钢筋混凝土底板分别加工制作。针对不同的工况，对钢吊箱的箱壁和预制底板以及 封底混凝土进行了设计和计算，计算结果均满足要求。针对分体式钢吊箱围堰，制定了切实可行的施工方案， 并且通过安装细节的设计，确保方案可行。该钢吊箱围堰富有创意的设计和安全施工取得了良好的经济效 益，可以为类似海上桥梁承台围堰的设计和施工提供有益的参考。关键词：深水承台；钢吊箱围堰;分体式钢筋混凝土底板

DOI：10. 13219/j. gjgyat. 2016. 01. 012

中图分类号：U443. 162 文献标识码：B文章编号=1672-3953(2016)01-0045-05

1 工程概况

宁波海域的一座跨海大桥，采用高桩承台粧基

础，由于海底的土层为35 m厚度的淤泥质的亚黏 土层，土质承载力很差，无论采用钢板粧还是传统的 双壁钢围堰均需要深人海底平面深度15 m以上， 而且需要刚度很大的内部支撑体系才能保证围堰的 安全;此外，由于淤泥质土层深度超过了 35 m，土质 极其软弱，在这样的土层上进行水下混凝土封底作 业是极其困难的。如果采用传统的钢吊箱围堰施 工，由于水深较大，需要一定厚度的封底混凝土，那 么就需要为钢吊箱设计刚度很大的钢结构的底板系 统才能承受封底混凝土的重量，而钢结构的底板系 统水下拆除作业难度也很大，无形中增加了成本，会 造成比较大的浪费。

针对该跨海桥的具体情况，采用了带有分体式 钢筋混凝土底板的钢吊箱围堰，钢筋混凝土底板和 钢吊箱的箱壁钢板进行了可靠、方便的连接，这样的 改进不仅大大降低了施工难度，而且也在很大程度 上节约了施工成本。

混凝土的厚度为〇. 35 m，并考虑海平面以上0. 5 m 的预留高度，所以钢吊箱的总高度为：= 〇. 5 m + 4. 5 m+1.0 m+0. 35 m=6. 35 m。由于承台为直 径8.5 m的圆形结构，所以单壁钢吊箱截面也是圆 形，且内径为8. 5 m。钢吊箱分为底节和上层两节， 底节高度3.35 m，上节高度为3.0 m，钢吊箱的面 板采用8 mm厚的Q235钢板。

由于这是一个单壁钢吊箱，为了钢吊箱能够保 持稳定，需要在钢吊箱外侧面板上焊接加劲的横肋 (水平环板)和竖肋。根据设计的吊箱尺寸，将其沿

竖向均匀分为16份，沿圆周方向均匀分为60份，这 样横整肋板就构成了一个大致为50 mmX 40 mm 的长方形，加劲的肋板采用6 mm厚的钢板，宽度均 为0. 2 m。如图1所示。

2 钢吊箱围堰的设计

图1

钢吊箱面板和肋板

2.1钢吊箱的基本参数

涨潮时海平面的标高为十4.5 m，落潮时海平 面标高为一 1. 3 m，承台底面的标高为一 1. 0 m，封底

收稿日期：2015-10-31

作者简介:付书锋（1975—），男，高级工程师，主要从事土木工程 施工现场技术管理工作

钢筋混凝土底板的厚度为〇. 25 m，直径为8. 5 m+2X0_ 2 m=8. 9 m，分为 4 块预制。2.2 钢吊箱围堰设计计算2.2.1 钢吊箱的设计计算

钢吊箱应该针对施工的不同工况进行检算，经 过分析，钢吊箱围堰内抽完水，是受力最大的情况，

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此时吊箱面板受到静水压力、流水压力、波浪力的作 用。静水压力垂直于吊箱外表面，呈正三角形分布： 海平面处为0,海平面以下5. 5 m处为48. 14 kPa。 流水压力与流水方向平行，垂直于围堰断面，自海平 面到海底呈倒三角形分布：海平面处为5. 0 kPa，海 平面以下5. 5 m处为2. 7 kPa。

波浪力也与流水方向平行，垂直于围堰断面，呈 拋物线形分布。

波浪力计算公式：

图3

吊箱变形图（单位：mm)

PmayL — —yHL

7t

.

cos--------- ------ ---LTzan

cos—

27zh{d 一 z)

由MIDAS计算也可知:面板上最大应力为43. 5 MPa，横向肋板上最大应力为34. 9 MPa，竖向肋板 上最大应力为43. 5 MPa,均符合要求。2.2.2 钢吊箱底板计算

钢吊箱底板安装并且浇筑湿接缝混凝土后，由 于混凝土刚刚初凝，其抗浮主要靠自重，此时底板底

面位于海平面以下5.0 m处，经过计算底板所受自 重与浮力之比为305 kN/127 kN = 2. 4>2,显然抗 浮满足要求。底板湿接缝强度达标后有两种工况需 要计算：

第1种工况为先吊放底节吊箱，然后灌注封底 混凝土，这时安装后的底板承受自重、封底混凝土的 重量和底节吊箱的重量（落潮时最不利不计算浮 力），换算成均布荷载施加。采用MIDAS建模计 算。模型的边界条件施加在底板的圆周区域的节点 上，由于底板与护筒之间焊接了钢筋并浇筑了混凝 土，二者之间的约束条件可以简化成固定端或者铰 接，这里偏于安全按照铰接约束的边界条件进行计 算。在选择单元类型时，底板有一定厚度但是厚度 不大只有0.25 m，因此底板既可作为板单元，也可 作为实体单元，为了安全按照两种单元模式均进行 了仿真分析，然后取其中大者。

当作为板单元考虑时，应力图如图4(a)所示。由 图可知:最大拉应力tJmax = 3. 25 MPa >

= 1. 43

MPa。当作为实体单元考虑时，应力图如图4(b)所 示。由图可知:最大拉应力ffmax = 2. 7MPa>/t = 1.43 MPa。由此可知，两种情况下，拉应力都不满 足要求，所以需要计算配置钢筋。

第2种工况为封底混凝土灌注完后，吊放上层 吊箱，并进行承台施工。这时，底板和封底混凝土结 合为一体，厚度为〇. 6 m，承受的荷载包括自重、承 台重量和吊箱重量（落潮时最不利不计算浮力）并换 算成均布荷载施加。由于厚度为〇.6m，故采用实

式中：/n为安全系数，查表取1.1; y为水的重度

(kN/m3); H为波高(m);L为波长(m);/!为水深，取 12 m; 为围堰的直径(m); ；e为距离水面的高度(m)。

波浪力分布为一拋物线，分别取z = 0，z = 1. 5 m，2=3 m，z= 5. 85 m进行计算。计算结果依次 为 10. 5 kN/m，7. 2 kN/m，5. 0 kN/m 和 2. 5 kN/ m，但在实际计算加载时为方便加载，近似取直线， 即成梯形分布：海平面处为10. 5 kPa，海平面以下5. 5 m 处为 2. 5 kPa。

钢吊箱和肋板采用板单元建立有限元模型，为 了保证计算精度，总共细化分割出18 480个单元。 吊箱的边界条件全部施加在钢吊箱的底部节点上并 按铰接进行模拟。通过有限元软件MIDAS的流体 压力的加载模块(通过等效流体密度、赋初始值的方 式施加流水压力和波浪力），将以上三种荷载施加到 钢吊箱的箱壁板单元上。静水压力全部施加在钢吊 箱的整个圆周的面板上，流动水压力和波浪力施加 在迎水一侧的半圆区域的面板上。

用MIDAS检算的组合应力图如图2所示，根 据图2,结构的最大组合应力为43. 5 MPa<145 MPa,符合要求。变形图如图3所示，最大变形为 1. 19 mnrS^SO mm，符合要求。

图2 吊箱应力图（单位：MPa)

体单元建模计算更加符合实际情况，边界条件与第

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大拉应力= 2. 4 MPa >/； = 1. 43 MPa。

1种工况相同。应力图如图4(c)所示，由图可知：最

(c)工况2

图4

底板应力图

拉应力不满足要求，需要按计算配置钢筋。对 整个底板计算配置钢筋比较复杂，在实际中选择一 个梁单元考虑。该梁单元的长度为两个钢护筒之间

的最远距离，取单位宽度，厚度为〇.25m。经过配 筋计算最终的配筋如图5所示。

架立钢筋06.5 _

成后要严格检查焊缝是否合格。

图6 钢吊箱吊梁位置

3.2 牛腿的安装

安装底板之前需要在钢护筒上设置牛腿，护筒

上的牛腿用长30 cm、宽均为20 cm,厚度S = 1 cm 的钢板将钢板焊接在护筒上（竖向30 cm，护筒径向 20 cm)。沿01. 9 m的护筒圆周方向均匀布置12 片，为了减小施工难度和施工成本，牛腿的安装作业 在退潮的时候进行，且牛腿焊接一定要控制在同一 水平面上，以防止底板放置不平而造成吊箱的倾斜。3.3 底板预制与安装

底板分为4部分预制，按照要求配置钢筋，并根 据护筒圆心坐标和尺寸预留护筒孔位。每块底板上 根据重量预先设置3个吊环，方便起吊。4块底板 连接处预留20 cm空隙用于浇筑湿接缝。

安装底板也需要在退潮的时候进行。在安装4 块钢筋混凝土底板之前，应该先认真清理钢护筒外 壁，不能留有焊接物等各种毛刺，保证外壁光滑。首 先在钢护筒的牛腿上吊放和底板尺寸、形状一样的 竹胶板(厚37 mm)，作为底板灌注湿接缝的模板。 然后将4块混凝土底板吊放到位，吊放时由于钢护 筒可以作为导向系统，可以根据钢护筒的位置来确 定混凝土底板是否处于中心位置，如果不在中心位 置的话就应该及时调整。当4块混凝土底板都安装 完毕后，将4块底板之间的湿接缝钢筋采用搭接焊

图5 底板单宽钢筋布置

图5中为每米单宽的钢筋布置图，实际中是一 圆形板结构。所以实际中的钢筋布置图为：上层受

压钢筋间距为〇. 25 m，下层受拉钢筋间距为0. 125 m，上下两层钢筋分别距上下截面0. 035 m，并且均 布置垂直交叉的两层，形成网状结构。为了使上层 钢筋固定住，可将下层钢筋一些部位凸起，借以承受 上层钢筋。

由底板的受力图也可看出，较大的应力大部分 都出现在钢护筒的周围，所以在配置钢筋时在钢护 筒周围适当加密，可将钢筋间距缩小为〇. 10 m，这 样可使底板的整体受力情况较好。

3 分体钢吊箱施工技术

3.1 钢吊箱加工

吊箱采用单壁钢吊箱的结构，加工场地应选在 桥址附近。整个吊箱主要由面板和肋板组成，所以 吊箱的加工以面板和肋板的加工为主。吊箱主体分 上下两层加工，在每层吊箱上焊接钢吊梁，用于钢吊 箱的起吊，如图6所示。此外，每层吊箱按圆周长等 分三部分制作，并用螺栓连接。肋板等全部焊接完

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3.6 安装上层吊箱

将上层吊箱拼接成圆形整体，吊放就位，用螺栓 连接上层和底层吊箱，使两部分形成一个整体，保证 其稳定性，并堵漏。堵漏时先用止水橡胶条止水，再 用旧棉絮堵缝，止水效果更好。3.7 灌注承台混凝土

封底混凝土完成5 d后，抽出吊箱内积水，拆除 吊杆梁，割除多余的钢护筒，凿除高出的粧头，清除 封底混凝土上的浮浆。最后按常规方法绑扎承台钢 筋，预埋墩身钢筋及其他预埋件，浇筑承台混凝土。3.8 拆除钢吊箱

待承台混凝土浇筑完毕并达到设计强度，开始 进行钢吊箱的拆除工作。

首先拆除上层吊箱之间的连接螺栓，再分别拆 除上层吊箱和底层吊箱的连接螺栓，边拆除边收回 吊箱。上层拆除完毕，拆除底层吊箱分块之间的连 接螺栓，再分别拆除底层吊箱和底板之间的连接U 型卡，分别回收。

连接，同时按照设计要求安装、连接护筒周围的接缝 钢筋（钢筋焊接到护筒上）。钢筋焊接完成并且检查

合格后开始灌注4块底板之间和护筒周围的湿接缝 混凝土，由于数小时后就会涨潮，所以浇筑的混凝土 中需要加人早强剂和减水剂，保证湿接缝混凝土在 涨潮淹没之前达到初凝。3.4 下沉底层吊箱

当底板接缝处混凝土达到设计强度的90%时， 用退潮的时间吊装底层吊箱。将底层吊箱（3部分) 在岸上用螺栓拼接成圆形整体同时焊接钢吊梁，将 底层吊箱浮运至桥位，利用浮吊吊装下沉到预定位 置，下吊至设计位置后要检查吊箱的圆心是否与承 台的圆心重合，如果不重合应立即调整。调整完毕 后，随后用U型卡将底层钢吊箱的水平环板和底板 牢牢固定。如图7所示U型卡的上部卡住钢吊箱 的最底层水平环板的上表面，下部卡住钢筋混凝土 的底板下表面。这样钢护筒、底板和底层吊箱成为 一体，会更加稳定。并将原来预埋在底板四周的钢 筋弯起，通过这些弯起钢筋卡住吊箱底节法兰盘，使 吊箱底节与混凝土底模牢固的连接在一起，这样就 完成了吊箱的安置。

4 结束语

针对跨海桥梁涨落潮的特点，为了实现深水高

粧承台的无水施工，创造性的设计并采用了分块预 制的钢筋混凝土作为钢吊箱的底板，然后利用落潮 期间水位较低的时机借助钢护筒作为导向装置安放 到桩基护筒的牛腿上，并浇筑湿接缝混凝土。并利

用落潮期间水位低于吊箱底板的条件，借助护筒导 向安装底节吊箱并用U型卡与底板连接牢靠。这

图7 底板与底层吊箱的连接

种方法避免了设计刚度很大的吊箱底板，也降低了 吊箱的重量，使得吊箱的下放更加容易、便捷。混凝 土底板虽然不能重复利用，但是混凝土底板本身造 价低，符合经济效益。这样的设计使得拆除U型卡 后整个吊箱均可以回收再利用。

此外，针对不同的施工工况，采用midas软件对 钢吊箱和底板进行了整体建模和计算，尤其是对底 板根据厚度不同分别采用了板单元和实体单元进行 了建模设计和计算，并对钢筋混凝土底板进行了配 筋设计。目前该桥围堰已经施工完毕，承台施工顺 利。这可为以后海上高粧承台基础的支护施工提供 有益的借鉴。

参考文献

[1]张建军，欧阳效勇，任回兴，等.武汉军山长江公路大桥5

3.5 灌注封底混凝土[1_3]

先拆除底节吊箱上的钢吊梁，再安装灌注设备， 灌注封底混凝土。

封底混凝土的作用：一是作平衡重，二是防止水 渗漏，三是抵抗水浮力在吊箱底部形成弯曲应力，四 是作为承台混凝土的承重底模。因为封底混凝土灌 注是吊箱围堰施工成败关键之一，应针对水深、灌注 面积大等特点采取如下措施：使用栗送混凝土法多 点快速灌注，灌注应从下游端开始依次移向上游端 灌注；为提高混凝土坍落度及强度级别，在将坍落度

控制在18〜20 cm的前提下，另掺加粉煤灰和高效 缓凝减水剂，以提高混凝土的流动性和延长混凝土 的初凝时间。灌注过程中，应保证吊箱内外水压力 平衡，可通过潜水泵调节。

国防交通工程与技术

号主墩钢围堰施工[C]//中国公路协会（下转第70页）

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•成果与应用•

铁路隧道超近距离下穿输水渠施工安全控制技术研究王瑶

3. 1. 1 边坡防护

红线渠上方按照地路专业设计图纸（蒙华三荆 城烟施（隧)-1)设置主动防护网，在洞口下方不超过 15 m设置30 m长被动拦石网，拦石网中心与隧道 中线对齐，防止隧道施工时引发落石危及209国道 行人及车辆安全。主、被动防护网结构见图3、图4。

2 初步建议安全施工措施

在工程开工前期，通过对工程地质及周围环境 的综合分析，下穿红线渠施工总体方案采用横洞进 洞后反向施工，具体措施如下：

(1)在洞口下方不超过15 m处设置30 m长被

动拦石网，拦石网中心与隧道中线对齐。

(2) 隧道边仰坡采取地表主动拦石网加喷锚网防 护，范围为隧道洞口以上至红线渠段(DK691十361. 1 〜DK691 + 380)隧道两侧结构边缘外侧各10 m，主动 防护网采用022 mm地表砂浆锚杆锚固，锚杆长度8 m，洞顶施工注意避开结构物，隧道两侧30 m范围内 红线渠顶铺设雨布，洞口开挖出洞前应洒水，做好防 尘工作，防止隧道施工期间尘灰污染红线渠水体。(3) 检查桥梁施工G209国道棚架是否完成，在 坡脚设置瞭望哨，与公路交通部门密切配合，必要时 设置交通管制，确保施工安全。(4) 以上步骤施工完成后方可施工该段暗洞，出 洞前应先施作洞身0 mm长管棚超前支护，施工 范围 DK691 + 370. 1 〜DK691 + 391. 6,长度 21 m。

(5)

水渠上布设测点进行沉降观测，测点横向间

距2 m，量测范围左右各25 m，量测频率按照《铁路隧 道监控量测规程》实施，棚架施工时加密监测频率。

(6)

2 016 mm钢绳锚杆(基岩锚固)/A类锚固

图3 主动防护网施工不意图

上支撑绳减压环

020mm钢纟电/网1/ 网2

钢粧

侧拉锚绳

地面

图4 被动防护网施工不意图

3. 1.2 坡脚拦砟挡护

因桥梁施工未开始，G209国道棚架还未搭设，

下穿时与红线渠管理部门沟通，确保在无水 且隧道洞口边坡陡峭，高差较大，坡脚紧邻国道，国

道另一侧为变电站住宅区。仅靠隧道下方5 m高 时下穿该段施工。下穿从洞内向洞外反向开挖，隧 道下穿红线渠渠底段采用弱爆破结合机械开挖，爆 破控制频率按毛石建筑物控制。首先采用机械掏槽

施工隧道周边〇. 5 m宽度，并安装钢架，随后弱爆 破开挖中部土体并施工衬砌，开挖完成后立即进行 支护和衬砲等措施防止红线渠渠身下沉，施工衬砲 前可采用型钢作为临时支撑。

(7) 出洞施工时应洒水，做好防尘工作。

(8)

查渠底是否存在开裂、结构脱离，边坡是否存在围岩 落石和不稳定等现场，根据检查结果采取渠底注浆、渠 体结构加强、边坡加固等处理措施，并对隧道两侧20 m 范围水渠和山体间裂隙灌注水泥砂浆进行填充。

(9)

的被动拦石网，恐难以确保施工时引发的孤石坠落 等安全因素危及车辆行人和住宅区。故考虑在坡脚

与国道间设置浆砌片石挡墙(M7. 5)或围栏网，高度 控制在6〜10 m，在坡脚国道另侧设置瞭望台。

与当地交通管理部门沟通，在洞口段爆破施工 或洞口边坡开挖时实行暂时的交通管制，确保安全。3.1.3 红线渠渠体加固及防渗处理

因红线渠修建年限较长，渠体构筑材料强度较 低，为确保红线渠结构稳定及防止渠内流水下渗影 响地基强度，经与红线渠管理单位沟通，在隧道中线 两侧各25 m范围内，在原红线渠渠体内侧增设一 层防水板，然后增加20 cm厚的C25混凝土内衬。

施工完成后与红线渠管理部门沟通，共同检

同时，在隧道中线两侧各25 m范围内布设地表注浆 施工期间定期进行巡查，下穿施工时应加大

钢花管，地表钢花管按照梅花形布置，间距1.2 mX巡查范围和频率，发现问题及时处理。

3 施工方案确定

3.1 红线渠危岩落石防护及渠体加固

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1.2 m，钢花管长3.5〜6 m，压1 : 1水泥浆加固地 层，提高其自身结构强度，并起到自防水的作用。红 线渠加固如图5所示。

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