沉浮式钢套箱在哈尔滨松花江公路大桥基础施工中的应用

沉浮式钢套箱在哈尔滨松花江公路大桥基础施工中的应用目录一、概况二、沉浮式钢套箱总体设计三、沉浮式钢套箱加工制造与实施四、沉浮式钢套箱适用范围与经济效益五、存在的问题和改进意见一、概况哈尔滨松花江公路大桥，在主桥深水基础3#及4#墩的承台和躯体施工中，将一般大桥围水施工采用的双壁钢壳沉井改革为沉浮式钢套箱，改变了原施工设计方案。改革后的主要特点是：1．在套箱的内壁增设衬板，使内壁与封底混凝土隔离，以便克服阻力上浮，并可重复周转使用；2．套箱设有开闭式大门，呈凹型箱状，浮运就位后，分节组拼下沉，为利用在双体船上钻孔作业、取消方桩平台创造了条件；3．基桩施工可与套箱制做加工同步进行，缩短整个施工周期。沉浮式钢套箱是经过反复研讨构思后提出设计方案、进行结构设计和加工制造的。在设计过程中，哈尔滨船舶修造厂设计科（现改黑龙江航运勘察设计院）给予了大力协助，曾提出过具体改进意见。对完善设计和验算工作起到了积极的作用，并由该厂承担了全部加工任务。经过设计和施工实践，现已成功地完成了3#墩的下部施工任务，并整体浮运到4#墩围水施工，成功的完成了4#墩承台和躯体的浇注任务，为深水基础施工创造了良好条件，是大桥围水施工的大型围堰工具，也为桥梁施工开创了新途径，并节省了大量钢材和资金，为国家建设做出了新贡献。该大桥上部为预应力钢筋混凝土连续梁结构，主桥九孔（59×2+90×7）=748m，北岸边孔十五孔（30×15=450m），南岸引桥为双环长418m，全长1616m，全宽24m。下部为高桩承台，双柱式桥墩，基桩为24根φ1.30m直径的钻孔灌注桩。承台平面尺寸为9.3×27.15m，高4m，水中封底混凝土高2m，地质覆盖层为粗中砂，水深约6.5m至9m，流速为1m/S左右，河床标高及套箱下沉后的标高情况见（附图一）。（图1桥式图请放大看）2524232221201918171615141312111098764532159+90×7+59=748m30×15=450m黑河哈尔滨114.00106.00108.00112.00二、沉浮式钢套箱总体设计（一）设计构思3#、4#墩为高桩承台钻孔桩基础，实体墩身。承台底标高为108.00m，承台顶标高为112.00m，河床标高109.50m，常水位标高114.00m，两墩均为深水基础（见附图二），因而在施工方案中，一是要考虑钻孔作业平台，二是要考虑围水设施。经多方讨论，确定3#、4#墩采用双壁钢壳围堰围水施工方案。本文称双壁钢壳围堰为钢套箱。图2利用钢套箱作深水基础施工，国内、外桥梁工程中均有应用，但在本桥3#、4#墩施工中，若按常规使用方法，钢套箱就不能重复利用，因而，两个墩就需要加工两个钢套箱。钢材用量大，投资也多。同时由于水下切割工艺实施困难、切割回收只有50%，大量钢材就要白白浪费掉。回收部分再重复利用也有困难。因而周转使用钢套箱，节约大量钢材和资金，是摆在设计者面前一个课题。要重复利用钢套箱，必须具有以下条件：1．钢套箱能依靠自重加水下沉，又能依靠浮力上浮；2．在套箱内与封底混凝土间必须采取减少摩阻力的措施，以保证套箱顺利上浮；3．套箱必须是能分解又能组拼的结构，以便利用船吊进行组装、分解，进入和退出墩位。根据上述设计构思，设计者从套箱的构造和使用，对其各细部做了详细设计。（二）结构设计1．型式与尺寸根据承台的型式尺寸，并考虑便利承台施工和不使基桩承载过大，拟定了套箱的平面尺寸。并根据实际施工水位115.00m，封底混凝土底标高106.00m，确定套箱底标高105.00m，箱高11.00m。2．箱壁构造套箱主要用于围水施工，箱壁要承受较大的水侧压力，又由于套箱形狭长、箱壁在水侧压力作用下，将沿水平和竖向均产生挠曲变形。因而在设计中，进行分舱隔室设置了竖向承钢套箱墩身封底砼常水位承台115.00114.00116.00112.00108.00106.00105.00重构件（加强框架、横隔板）和水平承重构件（侧壁纵骨、上、下壁板、水平壁板），并在箱内狭长边设置上、下两层水平支撑，增加套箱的整体刚度。具体构造：整个套箱分为上、下两节，每节又分为凹形主体和箱门两部分。凹形主体壁厚100cm，箱门壁厚120cm，上节凹形主体设10个隔舱、下节凹形主体设8个隔舱，上、下箱门各设2个隔舱。3．下沉、上浮设计箱壁分舱隔室就有条件注水下沉和排水充气上浮。为此下箱凹型主体和箱门的密闭隔舱均设有气、水管路，在上节箱的各隔舱顶板均设有φ300mm的孔口，以便注、排水。4．箱的密水和连结设计上、下节凹形主体间和上节凹形主体各块间，在内、外壁均各贴8mm的钢板进行焊接，以便在箱体浮起后割开贴板解体，再重复使用。凹形主体与箱门间连接，是在套箱外侧设花兰螺栓拉紧器加以紧固。使箱门拆装方便。为防止门缝透水，在箱体与门的两接触面上，各胶结两道Ω型橡胶条。当从套箱内抽水时，箱门在外侧水压力作用下，依靠橡胶条的良好压缩性，与箱体紧密相贴，密水。在箱门部位套箱直角部分，上、下节的接触面间，又设置了浸牛油加铝基润滑脂的毛贴垫层，以防止渗水。5．套箱脱模设施为使套箱与封底混凝土隔离，在套箱壁与封底混凝土之间设置了钢衬板，以便在套箱上浮时，套箱能顺利脱离封底混凝土而上浮。具体构造：用2mm钢板做衬板，在与箱壁接触面间设涂黄油的油毛毡。在衬板上边缘留有向上缺口的螺栓孔用螺栓与箱壁连结。要使套箱上浮，只要松动螺栓，就可使套箱和封底混凝土脱离而上浮。从钢套箱在工程中的使用，可将其看作一框架式钢结构，其构造，又可拟为一特殊形式船体，因而具体设计“按公路桥涵设计规范”中的钢结构进行设计计算，在加工制造过程，哈尔滨造船厂有关同志，又用“长江钢船建造规范”，对套箱结构按船体进行比拟验算。做了很多改进工作，使钢套箱设计更加完善（套箱构造详见附件）。由于钢套箱能浮运、分解、组拼下沉和上浮，那么钢套箱的分解，组拼工作就可利用船吊进行。同时基桩钻孔施工，就可同套箱加工制作同步进行，3#、4#墩的基桩，就是利用在联合作业船上设置的龙门吊，进行钻孔桩施工的。联合作业船见（附图-3）。图3连结梁龙门吊定位船三、沉浮式钢套箱的加工制作与实施。（一）制作与浮运整个钢套箱是由哈尔滨造船厂加工制作的。为便于安装组拼，又将上节凹形主体分为五大块，各大块件均在船只上加工而成，然后下水浮运至墩位，为便于浮运，下箱体在下水前先组合起来后整体浮运。（二）定位下沉当套箱进现场后，利用钻孔施工用的联合作业船作导向船，用龙门吊吊起下节套箱，将箱门打开，利用联合作业船上的两台5T卷扬机牵引，将下节凹形主体由墩的下游套入已施工完毕的基桩进入墩位。见（附图-4）。套箱进入墩位后，利用联合作业船上龙门吊吊起下节凹形主体开口端关好大门，安装水平支撑，依靠设在钻孔桩钢护筒上的导向框架，使下节套箱定位，上节套箱则在下节箱上完成组拼。箱体组装完毕后，精确定位，往箱内注水，并以射流泵辅助吸砂下沉至设计标高。经检查确认已符合定位围水要求，即进行封底混凝土的浇筑。（三）钢套箱上浮钢套箱在3#墩围水成功，保证了3#墩承台、躯体等工程顺利完成。因而钢套箱上浮实施，又成为一重要课题。为使钢套箱顺利上浮，事前，根据实际施工的情况，对套箱的上浮力及阻力再次充分估计和计算。根据套箱设计，松开衬板与箱壁的连结螺栓后，上浮时阻力就是：（1）套箱埋入土中的摩阻力，经计算这部分阻力为322.2t；（2）箱体自重223.7t。但由于套箱内壁与承台间空隙较小，套箱定位虽以满足承台定位与尺寸的要求，在套箱位置少许偏移情况下，套箱与承台间就有部分区段过于窄小，只有23~35cm，潜水员不能进行松螺栓的操作，因而有部分螺栓对套箱产生束缚力。为减少这部分束缚力，采取切割等办法，切断衬板与箱壁的连结，处理后，经分析与计算这部分束缚力为170.1t。以上三部分阻力总和为716t。根据箱体构造计算，箱体的自身上浮力为839.54t，超出阻力128.54t，套箱完全可靠自身浮力上浮。在上浮过程中，采取分室充气排水和分室加水的办法，调解套箱上浮中的不平衡，同时利用钢丝绳对箱体进行平面位置固定，使套箱平衡，均匀，稳定上浮，实现套箱回收利用的目的，并顺利转入4#墩位。套箱退出3#墩，进入4#墩位。四、沉浮式钢套箱适用范围及经济效益定位船U形主体捲扬机该型式钢套箱适用于水深11米以内任何形式基础的围水施工。对于水深大于11米的情况，要做套箱上浮验算，并可根据具体情况，适当配置浮船辅助上浮，在施工中有局部冲刷时，可适当抛砂袋加固。沉浮式钢套箱的主要经济价值是可重复周转使用。本桥周转在3#及4#桥墩围水施工。按此与原方案对比，沉浮式钢套箱加工费69.8万元，用钢材223吨（包括钢衬板8吨），套箱本身用钢材215吨，其中上浮及内衬板约计20万元，按与两墩两套箱对比，共可节约钢材215吨，节约资金约50万元。五、存在的问题和改进意见1．沉浮式钢套箱除满足围水施工、浇注水中封底混凝土以外，必须使封底混凝土与套箱内壁隔离开来，以克服上浮的阻力，在3#墩施工时，采取在内壁加设薄钢板做内衬板，中间注入牛油及黄油等，但在排砂下沉过程中，底脚部分大部卷起破损，造成了封底混凝土施工困难，虽经潜水调整，但达不到理想程度，封底后四处漏水，且顶部紧固螺栓锈蚀，切除时很困难。由于初做缺乏经验，总结这一教训，在4#墩施工时，采取用苫布抹油做内衬的办法，隔离混凝土与内壁的粘阻力，其效果良好，故对采用合适的内衬及克服上浮的阻力问题，必须注意研究改进。2．钢套箱的平面尺寸，在设计时应考虑支模等作业人员的工作方便条件，确定合理的间隙，四周应留有一定富余宽度，在不过多增加混凝土量而影响基桩承载力的前提下，适当考虑长度及宽度问题。3．沉浮式钢套箱的内壁，在施工作业时，易被支撑梁撞坏，或局部焊缝有漏水等情况，应在每次下沉前严格进行检查补漏，以免出现大量漏水，影响施工或增加抽水时间、延误工期等情况发生。4．沉浮式钢套箱在下沉过程中，应随时注意冲刷问题，防止冲刷过大而造成套箱偏移或底部掏空等现象发生。相关工艺宕石桥钢套箱制造、拼装、起吊、运输、下沉施工工艺.doc返回..\承台施工工艺.doc..\..\..\施工工艺资料库结构及检索图.doc