曹妃甸特大桥水上墩台钢吊箱施工技术

妃甸特大桥水中承台钢围堰施工技术一、前言随着桥梁科学技术的不断发展，近年来在水深、流急、覆盖层厚的水文、地质条件下修 建桥梁基础时，设计了一种单壁钢围堰防水结构。单壁钢围堰是由钢板焊接而成的矩形水密 钢结构，在基础施工过程中起防水防土作用，不参与主体结构的受力，围堰部也没有隔墙， 侧壁板直接作为主体侧模，根据施工条件围堰全高可分数节制造。拼装下沉钢围堰施工时， 将已加工好的底板围堰浮运就位起吊下水，然后通过钢围堰二次受力的转换接高至设计标高， 最后进行水下混凝土封底施工。整体吊装下沉钢围堰施工时，将已拼装完成的钢围堰用两条 焊接在一起的驳船运至墩位，然后采用 500T浮吊进行整体吊装固定，最后进行水下混凝土 封底施工。其中钢围堰的焊接质量、二次受力的转换、整体吊装、水下混凝土封底均为本工 法的重点及难点，对主体工程的安全、质量起着决定性作用。二、工程概况纳潮河段处于妃甸煤码头通路路基工程公路段以北，妃甸综合服务区围海造地二期工程以南，已建成通车的通岛路河规划一港池之间，滩面高程约-1.0m0.7m，因边工程取砂，本工程围局部分布有取砂坑，最深处约-17.9m。妃甸特大桥位于水中部分约为1.44Km，其 中共有12个河床以上承台采用钢围堰施工：9个拼装下沉，3个整体吊装下沉。钢围堰为单壁矩形结构，壳板侧尺寸为13.2m （长）X8.1m （宽），顶面标高为3.502。封底砼标号C20，厚度2.00m。三、适用围适用于大型桥梁主墩、辅助墩深水高桩的承台施工，尤其适用于工期短、河道航运繁忙、水位受潮汐影响的河流中的桥梁承台施工。四、钢围堰围堰的结构形式的选择及构造国深水承台施工，多采用沉井、钢围堰或钢围堰法。由于沉井和钢围堰施工工序繁锁, 工期长，材料用量大，而钢围堰工艺操作简单，节约工期，材料用量合理并能回收再利用， 技术上可行。所以我们确定采用钢围堰施工案，并对围堰侧板的单壁、双壁两种案进行了比 较，侧板单壁围堰具有节省材料，加工便，拼装简单，质量容易控制，工期短的特点，故选 择单壁侧板结构。钢围堰围堰分为侧板系统、底承系统、支撑系统、上承系统、导向定位系统五大部分, 见图1，下面分别介绍各系统的结构构造。图1、钢围堰立面图1、侧板系统钢围堰围堰侧板采用单壁结构，侧板直接作为承台侧模，为防止下沉时位偏差，设计时间距断开侧板平面尺寸每边放大100mm ，壳板厚度为6mm ;竖向加劲角钢为L75 X50 X6mm ，为300mm ，与壁板间的焊接为双侧间断焊接 75mm(150mm),即焊接长度为150mm ， 75mm，两侧交错焊接，高度6mm ;水平肋骨为1300mm 焊接工字钢200 X10/280 X6/200 xiOmm，间距为400、500、600mm 三种；竖向肋骨为I600mm 焊接工字钢，(450 X20/560 X16/450 X20mm)，长边布置3道，短边布置2道，并与水平肋骨肘板焊接。这种网格结构， 增加侧壁刚度和抗变形能力，从而提高侧板竖向、水平向承载能力。2、底承系统底承系统作用一是与侧板共同组成阻水结构，变承台及部分墩身水上施工为陆上施工， 二是作为围堰、承台的承重结构。底板壳板采用6mm钢板，加劲角钢为L70 X50 X6mm (水 流向)，间距240mm，与底板焊接亦为双侧间断焊接；小龙骨为I300mm焊接工字钢，250 X16/268 X10/250 X16mm，按水流向焊接在三排钢护筒中心位置，焊缝高度为8mm ;大龙骨为I600mm 焊接工字钢，450 X20/560 X16/450 X20mm，两道通长大龙骨按水流向布 置，其余十道顺桥向大龙骨与其构成框架结构，充分发挥底承系统的作用。3、支撑系统钢围堰设两道水平支撑，下道支撑距承台顶面0.572m，上道支撑距下道支撑3.0m，上 下两道支撑用角钢组成竖向桁架，支撑断面为 2根40a槽钢拼组的箱型结构。水流向的支撑 为通长连续，并在其中间各焊接2个“V”型支撑和“X”型支撑，顺桥向的支撑为间断布置， 详见图2 o图2、支撑及抗压（拉）柱平面图4、上承系统上承系统是以钻桩钢护筒为依托将钢围堰悬挂其上进行钢围堰的拼装、下沉、浇筑封底混凝土等工作，其包括承重梁、下沉设备、吊杆等部分，承重梁是一根由156a工字钢组成，主要承受围堰的重量，下沉设备为一台 100t液压千斤顶，吊杆采用俩根 32精轧螺纹钢， 由32螺纹钢螺母加垫片固定在承重梁上。钢围堰是由四个上承系统共同作业来完成下沉工 序的。5、导向定位系统钢围堰下沉入水后受水流作用，会向下游漂移，围堰下放到位后，为防止水流压（浮） 力、水平波浪力等动荷载对自由悬挂的钢围堰发生挠动，我们在围堰设置导向定位系统，它 重要是由18根抗压（拉）柱组成，具体布置位置见图 2。抗压（拉）柱断面为2根28a槽 钢拼组的箱型结构，其底板与大龙骨焊接，连接板与钢护筒焊接采用双面角焊缝，焊缝高 20mm 。五、钢围堰施工工艺及验算（一）、拼装下沉钢围堰施工工艺（见图 3）图3、拼装下沉钢围堰施工工艺流程图1、加工钢围堰为保证加工钢围堰的加工精度，在河岸上找一较为宽阔的场地，压实并用水泥砂浆抹平， 用钢板、型钢搭设简易的工作平台，在其上放样加工。钢板下料采用剪板机和自动切割机。围堰加工质量以钢结构设计手册、钢模板质量标准为依据。2、钢围堰安装前准备工作(1 )、调查水文资料，掌握桥址处围堰施工期的水位预报资料(高潮低潮水位)，再围堰安装前23d昼夜连续实测水位变化情况，并作比较分析。(2) 、对水中墩现有桩护筒的实际位置(包括倾斜度)准确测量绘图，施工平台钢管桩 的位置也要考虑是否影响围堰的安装、 下沉，调查承台处是否有影响围堰施工的其他障碍物。(3) 、做好拆除钻桩平台的工作，并准备好围堰吊装的平板驳、25t吊车及8台液压千 斤顶。3、围堰安装及下沉(1 )、陆地用25t汽车吊机将底模装在1台8t长板汽车上运至河边码头，吊车卸车装 船。(2 )、用一艘平板驳船在其上搭设支架，按相对位置先放托梁再放平底模，其平整度及 各部尺寸符合要求后，将吊点焊在底模上。将底模运至墩位，然后平稳吊装到已焊好在钢护 筒的胎架上。(3) 、首先在底模上沿水流向焊接 L70 X50 X6mm加劲角钢，间距240mm，与底板焊 接采用双侧间断焊接；然后焊接1300mm工字钢做小龙骨，按水流向焊接在三排钢护筒中心 位置，焊缝高度为8mm ;最后按设计图焊接1600mm工字钢做大龙骨。(4) 、拼装侧模应从长边中间开始拼装，顺序延伸，最后拼装短边向侧模并合拢。在未 合拢之前，每边侧模应与龙骨焊接 46道拉筋，侧模与侧模、底模、龙骨的对接焊缝均为 一级焊缝，即焊缝无裂纹、未熔合、未焊透和条状夹渣。(5、在龙骨上焊接第一段抗压(拉)柱，同时安装上部吊杆的锚梁、锚具及垫板， 准备下沉作业。吊杆为围堰的生根受力部件，材料为32精轧螺纹钢筋，可多次使用。(6、下沉前再仔细检查一遍上承系统安装的牢固性，然后拆除底模胎架，完成第一 次围堰受力的转换。下沉工艺顺序：首先拧紧下螺母，松开上螺母，然后由专业人员一起给油使四台千斤顶同时工作，油泵操作应使拉力均匀缓慢上升，油压表不得有大围的波动 待千斤顶达到伸出围后（每次不得大于20cm ），在俩边竖向支撑上填加同样厚度的钢垫板, 然后拧紧上螺母，松开下螺母，准备回油，千斤顶回油锁定时也应缓慢均匀下降，不得直接 回零。反复循环上述操作，直至钢围堰下沉到指定标高后，进行下一道工序施工。详见下 沉工序示意图4。图4、下沉工序示意图（7）、按上述工序完成第二、三节钢围堰的安装及下沉，当钢围堰整体下沉到设计标 高时，将抗压（拉）柱与钢护筒进行焊接，确保焊缝质量后，拆除上承系统运至下一个钢围 堰施工地点，完成第二次钢围堰受力的转换。（8） 、支撑的安装顺序：首先焊接下道支撑的 2根通长支撑（水流向），然后焊接 6 根短支撑（顺桥向），最后将中间的 2根“V”支撑和2根“X”型支撑焊接到通长支撑上， 这便形成下道支撑体系。同样将上道支撑体系焊接固定后，用角钢将上下两道支撑组成竖向桁架，便可将上下支撑形成一体，确保钢围堰侧模的牢固稳定性。（二）、整体下沉钢围堰施工工艺（见图 5）图5、整体下沉钢围堰施工工艺流程图1、施工平台制作我们租用两条船，每条船长是32米，宽是7.5米。把两条船焊在一起，在船上用 40工 字钢制作三个施工平台，每个平台尺寸为：长13.212m,宽8.1m。施工平台做完以后，用水准仪找出水平面统一制作，钢围堰统一安装。2、钢围堰拼装位置两条船纵向间距2米，每条船宽7.5米，合计17米；每条船长32米，所以整体底面 积为：544川，而三个钢吊箱的底面积为321.8卅，如图一所示 钢吊箱1和钢吊箱2都是横 向铺设，重心在每一条船的中心上，钢吊箱3是纵向铺设，重心在 两条船的中心上，所以平稳能保证。两条船用葫芦拉在码头钢管桩上，保证船只不会因为潮起潮落而移位。3、钢围堰的拼装及固定钢围堰的拼装包括12个侧壁、支撑、18根抗压（拉）柱以及抗拉柱顶部的双拼45b工字钢的安装，其拼装顺序与上述相同；钢围堰与驳船的固定采用40槽钢和40工字钢把钢吊箱四面的大龙骨和船体连接在一起，以防止钢吊箱和船体脱离，以及保证船只在运输钢吊 箱时的整体稳定性。4、钢围堰的运输及受力计算钢吊箱运输：让500吨浮吊船在施工地点等候，把焊好的三个钢吊箱用船运到指定墩位。 在船运输钢吊箱时：要注意必须是要等潮水最高位时，船才可以移动，并且是两条船同时 开动；要注意当天的天气情况，有现场技术人员测定一下当天的风速。如果风速在八级以 上的话，不适合施工。运输时受力计算，钢围堰浮运过程中所受到的主要外力为钢围堰风阻力，现计算如下：钢围堰风阻力R2基本风压：按最大风速15m/s （相当于7级风）计，风压 W。为：W0=0.1 x9.81=220.7Pa=0.22KPaR2=K 1 XK2 XK3 XK4 XW 0 XS （kN ）式中：K1 设计风速频率换算系数，取不利条件K1 =1.0 ;K2风载体型系数，两端矩形截面物取 K2=1.5 ;K3 风压高度变化系数，取K3=1.0 ；K4 地形、地理条件系数，取 K4=1.0 ；Wo基本风压值(Pa), Wo=O.22Kpa ;S迎风面积(m2)，为1个钢围堰长侧边截面面积，即 S=11.07 X14.412=.54 m 2计算后 R2=1.0 X1.5 X1.0 X1.0 xo.22 x.54=52.65 ( kN )因匀速航行，固船体水阻力可近似看作为Ri=0.01G=82.62 (kN )因此，钢吊箱在逆风、逆水的情况下受到的总阻力R阻为：R 阻=Ri+ R2=82.62+52.65=.27(kN )而实际施工时，一艘驳船额定拖力为20t，大于钢吊箱所受的总阻力13.527t，选用2艘驳船同时作业，完全能够满足施工要求。5、吊点位置的选择首先在一个钢吊箱的两个长壁的大龙骨顶部上找四个吊点，并且要在吊点位置加焊20mm的钢板，钢板尺寸：280mm*200mm*20mm，吊耳：50mm ,四个边要焊在大龙骨和龙骨上。(1)、吊点位置的计算可将整体吊装简化为双悬臂简支梁计算，受均布荷载q作用，则最合理的吊点位置是使吊点处于负弯矩与跨中正弯矩的绝对值相等，见图6Momert图6、受均布荷载双悬臂剪力弯矩图Mcq l 2x222qx2即 Ma Mb Mc2qx代入化简得x 0.20761，即吊点位置距构件一端的0.20761处钢围堰长边L=14.412m，可知x 0.20760.2076 14.412 3m，即正好是大龙骨位置（2）、下面我们研究一下钢吊箱自身受力情况，是否满足要求。将钢吊箱看成一整体，顶 部支撑作为支撑点，对着力部位1600mm焊接工字钢进行受力分析如下：已知条件：钢吊箱自重：175.4t钢丝绳与钢吊箱的吊装角度：76 I600mm 焊接工字钢尺寸:450 X20/560 X16/450 X20，固 Wx=5828.51cm 3,Wy=1350.84专业资料cm3，吊环直径为10cm，故设计径为11cm，按四分之一接触面积计算吊点的受力截面面积A=13.8cm 2Q235 钢材，轴向允应力dN = 160MPa，弯曲允应力oq = 170MPa，允剪应力tq=95MPa剪力弯矩受力验算：我们因钢吊箱采用四点吊装，固每点的横向剪力Q=sin76 X754/4=106.1KN ;竖向轴力 N=cos76 X754/4=425.5KN ，剪力弯矩见图 7:Incut:p= -io iE= lOd.lU工，见图8图8、吊点设计图则新截面面积A =48.4cm 2剪应力验算：t = Q = 106.1KNj = 22MPa T = 95MPa，满足受力要求, A 48.4cm竖向轴应力验算CT =N _ 425.5KNA 48.4cm2_ 88MPa T _ 160MPa，满足受力要求。L75 X以上验算是单独对1600mm工字钢的受力分析，实际施工我们还将竖向加劲角钢为50 X6mm及1300mm 工字钢与其焊接，更加有效的将受力均匀分布。因此，本钢围堰整体吊 装施工设计完全可保证施工的质量和安全。6、整体吊装把钢丝绳用卡环连在钢吊箱吊耳上，钢丝绳卡好后，钢吊箱顶部站3个人，以便于及时的指挥浮吊船。起吊时，首先要试起吊，当钢丝绳吃住劲时，看一下浮吊船的位置有没有移动，船体有 没有倾斜。以及运钢吊箱的两条船有没有倾斜，钢吊箱有没有倾斜。当钢吊箱吊起时（事先把四根尼龙绳栓在钢吊箱的四个角上），要工人拉住四个角的绳子， 以便调整钢吊箱位置。从钢护筒顶部慢慢套入钢吊箱，当底板从钢护筒顶部下沉5m时，在护筒上焊定位销。7、下沉时定位首先要定出钢吊箱四个角的坐标位置（采用 GPS定位，误差在1cm围）。当钢吊箱坐标 位置确定后，如果钢吊箱偏移坐标位置，要用葫芦配合500吨浮吊船调整一下。调整好后用卷尺量一下钢吊箱四个角与最近一个护筒间的距离，算出壁板与护筒间的距离。这时注意护筒与 底板上的护筒间距，如果护筒与底板靠在一起无法下沉的话，要派几个工人下去再把底板放大。8、下沉后调平用水准仪从每个钢护筒上测出钢吊箱的标高， 然后把钢护筒割平（要保证六根钢护筒在一个 水平面上），吊装前从钢吊箱标高位置，焊上用于加固的护筒环，护筒环高50cm,这时让钢吊箱慢慢下沉，等先前已经焊好的双拼 45b工字钢搭在钢护筒顶部时，钢吊箱下沉基本到位，这时 再用水准仪测一下钢吊箱水平。如果钢吊箱不平，我们可以在45b工字钢下面，钢护筒顶部加钢板，以便于调平钢吊箱。这时派工人去把四个角的钢护筒与抗拉柱之间的连接板焊好后，可 以试着把钢丝绳松一下，但不要全部松掉。等确定钢护筒没有变形，连接板焊缝没有问题时， 才可以彻底松掉钢丝绳，去吊装下一个钢吊箱。9、钢围堰的固定把余下的抗压（拉）柱、45b工字钢与钢护筒用连接板焊在一起，抗拉柱与钢护筒之间用 三角板加固，焊缝要求为一级焊缝，以确保下道工序施工的安全和稳定。（三）、灌注水下封底混凝土1、因围堰底模预留与桩基钢护筒有一定的间隙，为了保证封底混凝土的质量，在围堰 安装完毕后，沿钢护筒外缘设两块半圆环形钢板，然后将水泥肠袋沿钢护筒外缘缠绕一圈， 以保证水下封底混凝土不漏浆。2、围堰底面积较大，一次封底到位较为困难。施工时，在封底平台搭设采用三组贝雷梁作为主梁，以间距为120cm的125a工字钢为分配梁，顶面预留出灌注点位置后，以厚度 为10cm的木板铺面。采用移动式导管灌注水下封底混凝土。详见钢围堰封底混凝土灌注点布置图5图5、钢围堰封底混凝土灌注点布置图3、每个灌注点在首次灌注时大料斗的混凝土量必须保证不小于6 m3，导管距钢围堰底板距离为2030cm，每次灌注后必须测量、记录灌注点3m围混凝土上升高度，当上升高 度达到7090cm围时可转入下一灌注点施工，两个大料斗由两边向中间依次施工，保证混 凝土的连续性。4、在低水位时抽水检查封底混凝土的质量，如有漏水可用水泥肠袋进行堵漏。5、切除围堰钢护筒，封底混凝土表面凿毛，清理干净，清除围堰积水。（四）、浇筑承台混凝土为保证钢围堰安全稳定性，浇筑承台混凝土时采用分层式浇筑。用混凝土输送泵浇筑， 插入式振捣棒捣固。当混凝土达到一定设计强度时浇筑上一层混凝土。浇筑混凝土自中心开 始对称向两端延伸，以保证钢围堰及下一层混凝土均衡受力。（五）围堰的拆除围堰拆除施工与钢围堰拼装下沉施工工艺基本相同，但施工顺序相反。1、当承台混凝土达到设计强度 100%后，拆除钢围堰支撑。拆除前，在加台与钢围堰 侧壁板间安装支撑，支撑安装稳定后，开始割除钢围堰部分支撑。先将下层支撑全部割除， 下层支撑割除完成后等待1个小时，观察钢围堰侧壁板是否有变形现象，如有变形及时向现 场技术人员汇报处理，如没有明显变形现象，则继续将上层支撑中间两道十字支撑割除，其 余支撑在拆除侧板时一并拆除。2、拆除侧板应先拆除短边侧模，然后拆除长边侧模。拆除时，首先在侧板上焊接吊点， 并用平板驳船上的25t吊车绷劲吊住侧壁板，防止侧壁板移动或掉落；然后让潜水员将水中 侧板上的焊缝从下到上的顺序逐一烧开；潜水员将焊缝全部烧开并远离钢围堰后将侧壁板吊 装到运输船至码头，汽运出场解体。3、围堰拆除时不应使承台混凝土受到损伤，并减少材料的破损。4、钢围堰拆除后的材料应统一吊装到运输船或平板车上运至指定位置，听从调度人员 分类整齐摆放。六、质量控制1、建立健全质量保证体系，进行全工序质量控制。2、钢围堰加工的几尺寸允误差为土 5m，其连接采用一级焊缝，并作焊缝检测试验，确 保钢围堰拼装精度。3、承台中线允误差为 10mm，为确保承台中线的准确，围堰的几尺寸每边各加大 100mm，以避免因钢护筒的中线偏差而造成承台中线的偏差，下沉时格控制其中线、水平。七、安全措施1、牢固树立“先要命，再要脸，后要”的公司理念，做到进度、质量、效益服从安全， 参加施工人员必须接受安全技术教育。2、钢围堰施工属水上作业，施工人员必须穿救生衣、防滑鞋，配戴安全帽。3、钢围堰下沉时，要统一指挥，尽量做到每个上承系统受力均匀，确保平稳下沉。4、下沉用的千斤顶为主要下沉设备，需重复使用，每次使用前应进行检查。5、施工期间，密切注意水位变化，昼夜观测，超过警戒水位线时及时采取措施。八、结论妃甸特大桥全长7477.46m，其跨纳潮河段共有26个水中承台，其中9个承台采用本 工法施工，每个承台混凝土为315m 3。通过地质特征、施工工期等综合因素的分析研究，成 功选择采用单壁钢围堰施工案，加快了进度，节省了投入，可为类似的桥梁下部结构施工提 供参考。纳潮河段承台从2008年9月18日开始施工，至2008年12月18日全部完成。承台 合格率100%，优良率95%，未发生任伤亡事故，确保了安全生产，保证了业主要求的工期， 实现了铁道部西线2008年底开通、大线煤炭分流的总体部署，得到了业主、监理、设计及 社会等多的好评。2ShearMuf -10?.Lk- 94UUx= IS 1094NOkMoment图7、I600mm 焊接工字钢剪力弯矩图弯矩应力验算：o x= = 191.0KN m = 32.8MPa oq = 170MPa，满足受力要求。Wx 5828.51cm3剪应力验算：T= Q = 106.1KN2 = 76.9MPa T = 95MPa，虽然满足受力要求，但为了 A 13.8cm安全起见，采取在工字钢腹板俩侧焊接 2块厚2cm的钢板，来增加其截面面积，以保证安全施