磨刀门特大桥主墩承台钢吊箱关键施工技术

磨刀门特大桥主墩承台钢吊箱关键施工技术

王文涛，郭雷刚，周斌斌，付凯歌

中交二公局第五工程有限公司

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摘  要：本文以磨刀门特大桥主墩承台施工为例，从钢吊箱加工、钢吊箱安装、钢吊箱下放及锁定、封底混凝土灌注、承台施工等方面介绍了磨刀门特大桥承台钢吊箱的关键施工技术，可为类似工程提供参考。

关键词：磨刀门特大桥；单壁钢吊箱；关键施工技术

The key construction technology of the main pier cap of the Dao Men bridge

ZHOU Bin-bin，WANG Wen-tao，LI Pu，LIU Guo-peng

（CCCC Secongd Highway Engineering Co.Ltd,ShanXi Xi’an 710065 China）

Abstract：Taking the construction of the main pier cap of Modaomen bridge as an example, this paper introduces the key construction techniques of steel crane box of Modaomen bridge cap from the aspects of steel crane box processing, steel crane box installation, steel crane box lowering and locking, bottom sealing concrete pouring, cap construction, etc., which can provide reference for similar projects.

Key words：the Dao Men bridge；Single wall steel crane box；Key construction techniques

0 引言

本文以磨刀门特大桥主墩高桩承台施工为依托，介绍了潮汐地区在台风、航运等不利因素影响下承台钢吊箱施工工艺，采用有底单壁钢吊箱施工工艺。目前，该钢吊箱围堰施工技术已成功应用于磨刀门特大桥18#~20#主墩承台的施工中。实践表明，该施工工艺操作简便、安全可靠，对类似潮汐地区跨海或大河高桩承台的施工具有一定的借鉴价值。

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1 工程概述

1.1 工程概况

磨刀门特大桥主航道主桥桥梁跨径设置为（89+160+160+89）m连续刚构。下设3个主墩分别为：18# 、19 #、20 #墩。主墩承台平面尺寸为14.0m（顺桥向）×37.8m（横桥向），厚度为4.5m，采用C35混凝土，砼方量为2187m³。主墩承台顶标高为+3.842m，底标高为-0.658m，封底厚度为1.2m。

磨刀门特大桥主航道桥跨越磨刀门水道，磨刀门水道在桥位处水深为10m，最高通航水位为+2.786m，最低通航水位为-0.358米。

图1主墩承台平面布置图（单位：cm）

图2 主墩承台立面布置图（单位：cm）

1.2 工程特点

（1）磨刀门水道作为西江径流的主要出海口，7~9月份台风频繁，最大风速为30～40m/s；

（2）磨刀门水道区域属弱潮型河口，每天潮差约1m，最大水流流速1.05m/s；

（3）承台底距离河床约6~6.5m；

（4）根据该区域钻孔柱状图显示，流塑状淤泥或淤泥质土覆盖层达二十多米；

（5）桥区航运繁忙，每天通航孔过往船只达到600～800艘，施工组织难度和风险大。

2 承台施工方案的选定

水中承台通常采用围堰施工方案。现针对有底围堰与无底围堰、单壁钢吊箱与双壁钢吊箱、侧包底与底包侧等结构形式进行比选分析如下：

表1 无底钢围堰与有底钢吊箱方案比选分析表

表2 单壁钢吊箱与双壁吊箱方案比选分析表

表3 侧包底与底包侧结构形比选分析表

比选结论：最终选择采用单壁钢吊箱施工方案，钢吊箱结构采用底包侧的结构形式。

3 钢吊箱设计

3.1 钢吊箱结构设计

主墩承台采用单壁钢吊箱施工，钢吊箱尺寸为38.512×14.712×6.378m，竖向不分节，水平向分为34块，总重量约268t。钢吊箱壁板为6mm厚钢板，水平肋采用C10，间距35cm在，竖肋采用[]20a，间距均为85cm左右。钢吊箱材料均采用Q235B，钢吊箱封底厚度为1.2m，采用C20水下混凝土。 为考虑潮汐对钢吊箱下放影响，设计时考虑钢吊箱内壁比承台外边缘均大5cm。

钢吊箱采＂底包侧〞的方案，底篮系统一次性投入，不回收。底篮现场拼装焊接连接。底篮承重梁工22a型钢。次梁采用工12.6，底板面板采用8mm钢板。

吊箱施工采用现场散拼施工，在拼装平台上拼装成整体，8个吊点采用100t连续千斤顶进行整体同步下放，单个吊点采用单根直径为36mm精轧螺纹钢。钢吊箱悬吊系统采用][10a拉压杆，浇筑封底后截断的拉压杆焊接在截断的钢护筒底部。

钢吊箱竖向共布置二道内支撑，采用Φ320×6mm螺旋管，竖向支撑采用[]20a，内支撑材料均采用Q235B。当第一层承台混凝土浇筑完成并达到强度后拆除第一道内支撑及围檩，安装第二层围檩，第二道内支撑及围檩由第一层拆除改造而成，第二道内支撑主要抵抗承台混凝土浇筑侧压力，由于部分内支撑与墩身打架在第二层承台顶面施工时采用φ25钢筋对拉，避开墩柱位置。

图3 钢吊箱总体平面布置图（单位：cm）

图4 钢吊箱总体侧面布置图（单位：cm）

3.2 钢吊箱结构设计优化

为了保证承台钢吊箱安全、高效地实施，同时也为了节省钢材，在前期进行钢吊箱设计时进行了以下结构设计优化：

（1）钢吊箱封底混凝土浇筑完成后，割除钢护筒及悬吊系统的[10吊杆后,在钢护筒上增设牛腿与悬吊系统相连，以确保抗沉。通过该结构设计优化，1.2m厚的承台封底混凝土即可满足施工要求，类似规模的钢吊箱封底厚度至少为2m，减少了承台封底混凝土厚度，同时也确保了结构安全。

图5 钢吊箱连接牛腿图（单位：cm）

（2）传统钢吊箱在钢吊箱外侧增设“大腰梁”，以防止承台混凝土浇筑过程中钢吊箱壁板“外胀”，本设计通过在吊箱内设置围檩与壁板进行焊接，确保了吊箱的整体稳定，同时也降低了吊箱自重，节约材料。

（3）传统钢吊箱壁板普遍采用横肋与竖肋对接焊的形式，该方式焊接量大，吊箱拆除后壁板材料均为短截，钢材周转利用率极低，本设计通过在横肋外侧加焊竖向背楞的形式减少了焊接量，省时省工，钢吊箱拆除后壁板材料还可周转利用。

3.3 钢吊箱计算

钢吊箱采用迈达斯有限元软件进行分析计算，计算中考虑到各种系数如下：围堰自重分项系数取1.2，流水压力和波浪力荷载分项系数1.4，静水压力荷载系数1.2，施工风荷载分项系数取1.1，当流水压力和静水压力对结构有利时，取分项系数1.0，结合钢吊箱的实际施工工艺，钢吊箱主要计算了以下五个控制工况：

工况一 ：钢吊箱整体拼装计算；

钢吊箱施工时，对钻孔平台进行改造，吊箱节段在平台上进行整体拼装，对拼装平台的强度和刚度进行计算。

图6 工况一计算模型图

工况二 ：钢吊箱整体下放计算

钢吊箱施工采用现场散拼施工，在拼装平台上拼装成整体， 8个吊点采用100t穿心千斤顶进行整体同步下放，对下放系统进行强度刚度计算。

图7 工况二计算模型图

工况三：钢吊箱浇筑封底工况

钢吊箱封底混凝土厚度为1.2m，钢吊箱悬吊系统采用][10拉压杆，此工况对封底混凝土浇筑完毕时，拉压杆的轻度及吊箱底板刚度及刚度进行计算。

图8 工况三计算模型图

工况四：钢吊箱内高水位封堵（按围堰外低水位计算）

为了安全需要，此工况下围堰按照高潮位进行封堵，围堰外按照最低水位计算围堰整体刚度刚度及稳定性。

图9 工况四计算模型图

工况五：钢吊箱内抽水工况

为了安全需要，此工况下按照高潮位进行分析计算，水位按照＋2.786m进行吊箱分析计算。封底混凝土采用C20水下混凝土，计算围堰内抽水时吊箱整体强度刚度及稳定性及封底混凝凝土抗浮抗沉计算。

图10 工况五计算模型图

工况六：浇筑第二层承台混凝土工况

第一层承台浇筑完成后，拆除第一层内支撑，在标高+4.117m位置安装第二层围檩及内支撑，计算围堰在第二层混凝土侧压力工况下的刚度和刚度。

图11 工况六计算模型图

表4 吊箱各个工况主要构件应力汇总表 （单位：Mpa）

从上述分析结果可知，钢吊箱在各个工况下壁板、底板、内支撑的强度、刚度、稳定性及封底混凝土抗浮抗沉均满足规范及安全要求。

4 钢吊箱施工

4.1 钢吊箱施工工艺流程

图12  钢吊箱施工工艺流程图

4.2 钢吊箱安装

（1）底板拼装

在主墩钻孔灌注桩施工完成后，拆除钻孔平台。利用钢护筒串浆管作为钢吊箱底板拼装平台（标高位置：+2.786m），吊箱底板采用工22a型钢作为主梁和次梁，主梁和次梁之间采用工12.6a分配梁加强。为了加快拼装进度，底板骨架分成三个模块在两边支栈桥事先加工完成，后采用龙门吊整体分块吊放安装至指定位置，采用工22a次梁和工12.6a分配梁将三个模块连接固定为一个整体，后在底板骨架上铺6mm厚花纹钢板。

图13钢吊箱底板分块加工图（单位：cm）

（2）壁板安装

钢吊箱壁板为6mm厚钢板，水平肋采用[10a，间距35cm，竖肋采用][20a，间距均为85cm。钢吊箱侧板之间采用螺栓连接，侧板与侧板之间采用10mm 橡胶垫层进行止水处理。

吊箱侧板加工分为平面板及弧形板两种，均采用工厂定型化加工成型。平面板分为 A、B、 C、D、E 五种型号，其中A型号16块，B型号4块，D型号8块。弧形侧板分为C、E两种型号，其中C型号4块，E 型号2块。分块加工成形后进行试拼，试拼检查纠偏后分块拆除，并做标记，以便现场拼装。用平板车运至现场，人工配合龙门吊现场拼装，吊箱分块加工图如下：

图15钢吊箱壁板分块图（单位：mm）

吊箱侧板拼装时，分2部分由线路中心线处A块侧板向上下游两侧对称拼装，实现最终的合龙。

拼装前，利用全站仪在平台上精确放出吊箱侧板的平面位置。同时对吊箱位置的标高进行相应调节，确保吊箱侧板位置底板处于同一标高处。

拼装时利用龙门吊进行侧板的翻转吊装工作。为准确定位吊箱侧板，在每块侧板吊装时，将两根钢丝绳分别固定在侧板的两边，利用钢丝绳来调节侧板的角度和位置，侧板调整到位后，把侧板与底板用加劲板焊接固定。并采用I22a斜撑对侧板进行临时固定。斜撑与吊箱底板夹角约为60°。

（3）围檩及内支撑安装

钢吊箱竖向共布置二道围檩和内支撑，围檩采用2工32b，围檩在内支撑位置采用焊接加劲板进行加强，围檩支撑牛腿采用[10型钢焊接而成，每4米设置一道，内支撑采用Φ320×6mm钢管，竖向支撑采用[]20a。

钢吊箱拼装下放时设置1道内支撑，第一道内支撑设置在+1.759m标高位置，待第一次承台混凝土浇筑完成形成强度后，在吊箱顶+4.117m位置安装第二道围檩及内支撑，以抵抗承台混凝土浇筑侧压力，同时拆除第一道围檩及内支撑。

图17钢吊箱第一道围檩及内支撑安装

（4）连通管设置

为保证吊箱下放到位后，封底混凝土期间吊箱内外水头高度一致，钢吊箱下放前，在吊箱上设置6个φ325mm×6mm连通管，其中短边各设置1个，长边侧各设置2个，连通管在封底混凝土养护到位前，始终处于打开状态，待钢吊箱抽水前采用钢板、密封橡胶圈及螺栓密封。

4.3 钢吊箱下放及定位

（1）钢吊箱下放系统安装

钢吊箱下放时设置8个吊点（其中中间2个吊点作为辅助吊点，待下放到位时受力），最大吊点力为 36t，设置8台100t千斤顶配合φ36mm精轧螺纹钢进行下放。

图19 钢吊箱吊点总平面布置图（单位：mm）

下放系统采用在护筒顶口安装承重梁，承重梁上接φ630×10mm 钢管，接长钢管上设悬吊梁，在悬吊梁上安装吊点千斤顶。

考虑桥位处受海水影响，每天有涨落潮，涨潮、落潮时流水速度相对较大，为保证钢吊箱顺利下放，在吊箱上安装限位装置以抵抗水流力。在钢吊箱外侧壁板四周设置导向系统，分两层设置，每层设置4个导向系统，导向系统采用][10和[10a型钢焊接而成，距对应钢护筒距离为5cm。

图21 钢吊箱导向架安装

（2）钢吊箱下放施工

钢吊箱下放利用8个吊点采用100t连续穿心式千斤顶配合精轧螺纹钢进行整体同步下放，单个吊点采用单根直径为36mm精轧螺纹钢。

吊箱在下放前首先应进行试吊，检查吊点、壁板、精轧螺纹钢、千斤顶均无故障后方可正式下放。钢吊箱在下放时应统一部署、统一指挥，保持各吊点下放的同步性。下放吊箱时按20cm一个行程进行下放，为了纠正偏差及保证吊箱整体同步下放到位，下放时专人统一指挥，每个吊点安排专人操作，同时测量每次下放行程的距离，事先在下放吊点位置精轧螺纹钢上每隔20cm利用油漆做一道标记线，统一标准，以便于下放观测；下放过程中派专人在每个行程中检查一下钢吊箱下放姿态，每下放5个行程做全面检查，避免误差累积纠偏困难。下放过程中开放连通管，保持内外水压平衡。

（3）钢吊箱锁定

为了防止潮汐及水流对钢吊箱位置的影响，当钢吊箱下放到设计标高及设计位置后，将悬吊系统精轧螺纹钢锚固在下放系统悬吊梁上，同时将吊箱限位装置与钢护筒进行临时锁定。钢吊箱临时锁定之后，将钢吊箱底板悬吊系统固定在钢护筒上，每个钢护筒上设4套底板悬吊系统，中间两根Ф820×10mm钢管桩每个设置2套锁定系统，锁定钢吊箱底板。钢吊箱下放到位锁定后，经过测量，钢吊箱平面偏差在2cm以内，高程偏差在1cm以内，满足规范及设计要求

图23 钢吊箱锁定

4.4 钢吊箱抽水及封底

钢吊箱下放到位后，项目部安排专业水下施工的潜水员，入水检查护筒周边封堵板安装质量，然后将4块封堵钢板用螺栓进行栓接连接，确保护筒周边混凝土封底质量。

图24 堵缝示意图

封堵板安装完成后开始封底混凝土施工，承台封底混凝土采用1.2m厚C25素混凝土进行水下浇筑，为保证封底混凝土质量及方便封底找平，将封底分两次浇筑，第一次浇筑1.0m，待达到强度后，封堵连通管，将吊箱内水抽出，凿毛后在无水状况下浇筑剩余 20cm 封底混凝土。

当封底砼达到一定强度（80%以上）后对吊箱向外抽水，抽水时首先用一台比较大的水泵抽，静观水位下降情况，若一切正常可继续抽水，若吊箱有漏水现象，应分析原因，找出解决问题办法之后再抽水。不可盲目猛抽水，以免造成不可弥补的损失，抽水时将连通管封闭。

抽水完成后割除吊杆，封底表面吊杆割除处与钢护筒焊接。将下放系统的精轧螺纹钢放松，通过吊机的配合，先拧出精轧螺纹钢后，将下放系统拆除。整个下放系统全部拆除后，吊箱的受力转变为由水浮力、桩基钢护筒与已浇筑封底砼的握裹力及护筒上设置的吊挂装置共同承担。

承台封底完成后即开始钢护筒切割，破除桩头，进行第一层承台施工，待第一层承台浇筑完毕后在吊箱顶位置安装第二道围檩及内支撑，同时拆除第一道围檩及内支撑，开始第二层承台施工，施工时候尽量选择在高水位时分层浇筑承台混凝土，并及时进行蓄水养护。

5 结语及施工体会

磨刀门特大桥有底钢吊箱围堰下放精度满足要求，抽水过程中壁板也没有出现漏水现象。在施工过程中经受住了多次潮汐的考验，取得了显著成效；相比传统的无底钢吊箱围堰施工更显灵活、操作简单和施工快捷，大大提高了生产效率，减少了水下工作量，降低了水下施工难度，在施工中已获得很好的经济效益。磨刀门特大桥主墩承台钢吊箱成功的施工工艺，在潮汐区深水墩承台施工具有极高的推广价值。

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