钢吊箱围堰在桥梁基础工程中的运用
摘要：结合工程实例，论述了现代桥梁工程围堰施工技术运用。
关键字：围堰，桥梁基础，钢板桩，砼桩
0、引言：
过去我国在桥梁深水基础理论及施工实践上有了很大的发展。围堰在桥梁基础施工中的应用越来越多。各种各样的结构型式，以着制造及拼装都很方便，施工速度快，质量好，成本低，污染少等各自特点成为我国桥梁深水基础施工采用的各种结构形式。例如湖北鄂黄大桥6#墩施工系列技术问题的处理，以及荆沙大桥2#主塔、温州大桥主塔、武汉白沙洲大桥3#主塔、三峡上游等基础施工。国外的在深水基础上的主要动向也十分明确，即向基础结构的大型化及整体化、施工工艺的工厂预制化及现场施工机械化的方向发展。其主要目的是在施工条件恶劣的桥址处即可能地减少水上施工工作量和作业时间，提高工程质量并缩短工期。本文对现代桥梁深水基础施工方法及如何合理的选用进行深入分析，同时，本文结合实际工程详细探讨了贵州某工程桥梁深水基础围堰的合理方案。
一、 工程概况
1.1工程简介：
贵州某桥全长162m斜跨河桥梁，有二个桥台和一个桥墩构成下部基础。
1.2工程地质、水文地质东溪段水下地质情况：
由河床面从上到下岩性为细砂、淤泥质粉质粘土、淤泥质砂、粘土、粗砂。具有高压缩性和欠固结性、低承载力等特点，土层工程地质条件差。
本市15年一遇水位8.61m，流量6281m3，流速1.397m/s，降水量的年内分配很不均匀，主要集中在汛期4～8月，占全年降水量的76％。降雨特点是春夏以峰面雨为主。正常水位4.2m，河宽176.7m；2007年该区域最高水位8m，最低水位2.3m；2008年该区域最高水位5.5m，最低水位2.5m；汛期4月至9月，百年流量:Q100=6281m3/s，百年设计水位:H100=9.75m，百年流量相对应的流速:V100=1.397m/s。
本地区属亚热带气候。年平均气温在15～19℃之间，日夜温差大，极端气温变幅不大。详见图1。
二、 围堰有哪些类型及其适用条件
围堰的结构形式和材料多种多样须根据水深、流速、地质情况、基础形式等条件而定。围堰的基本类型和适用条件如表1—1。
1-1使用类型及使用条件
国内深水承台施工，多采用沉井、钢围堰或钢吊箱法。由于沉井和钢围堰施工工序繁锁，工期长，材料用量大，而钢吊箱工艺操作简单，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吊箱施工方案，并对吊箱侧板的单壁、双壁两种方案进行了比较（如表2所示），结合本工程工期、结构特点及施工经验等，本项目钢吊箱侧板采用单壁结构。
三、 施工技术
综合各工况条件、水位条件和施工时间，确定钢吊箱结构设计条件（1#~3#墩）：围堰平面内净尺寸：13.00m×13.00m(与承台平面尺寸相同,考虑吊箱围堰侧板兼做承台模板)；
侧板顶面设计标高：7.50m（保证承台施工在干燥无水的条件下进行，根据施工时间安排，此时预计施工水位最低在4.00m左右，最高为7.50m）；
底板顶面设计标高：-2.50m（封底混凝土厚度为2.50m,承台的底标高为0.00m）；
内支承标高：4.50m和7.00m（最不利工况处）；
设计抽水水位：7.50m；
根据自然水位变化及钢吊箱施工作业时段，设计施工受力结构主要按照最高水位时，吊箱内抽干水后侧板所受水压力为设计依据，最低水位时，现浇承台砼侧压力进行校核，考虑最高水位时，钢吊箱抗浮措施。
3.1荷载取值依据
由《桥涵设计规范》荷载组合V考虑钢吊箱围堰设计荷载组合。
水平荷载：∑Hj＝静水压力+流水压力+风力+其他；
竖直荷载：∑Gj＝吊箱自重+封底混凝土重+浮力+其他；
其中：单位面积上的静水压力按10kN/㎡计，水压随高度按线性分布；
风速很小，在此可忽略；
封底混凝土容重;γ=24.0kN/m3；
水的浮力:γ=10kN/m3；
封底混凝土与护筒之间的摩阻力取经验值150KN/m2
3.2计算
综合工况条件分析和计算内容，对钢吊箱各部分取最不利受力工况进行计算。
①底板主要承受封底混凝土重量和吊箱自重。荷载组合为混凝土自重+吊箱自重+浮力，此外，还要对吊箱入水时底板受力情况进行复算。吊箱吊挂系统与底板一起进行验算。
②侧板以承受水平荷载为主，最不利受力工况为抽水阶段，侧板计算包括竖肋、水平加劲肋、面板、竖肋拼接处及焊接的内力、变形及应力计算。另外，还要对吊箱逐层入水及承台施工等阶段侧板受力情况进行复算。内支撑系统与侧板计算，在侧板验算的同时完成验算。
③吊箱拼装下沉阶段主要与吊箱自重有关，以两层拼装完成下沉时为最不利进行计算控制，并据此计算结果设计吊点、吊带。
④抗浮计算分两个阶段：一个阶段是吊箱内抽完水后灌筑承台混凝土前，另一个阶段是浇筑完承台且混凝土初凝前。
吊箱自重+封底混凝土重+粘结力（方向向下）＞浮力
吊箱自重+承台混凝土重+封底混凝土重＜粘结力+浮力（方向向上）
⑤封底混凝土强度验算：要验算封底混凝土周边悬臂时的拉应力和剪应力，以及中间封底混凝土的拉应力和剪应力。
⑥封底混凝土厚度计算。
四、钢吊箱结构简介
①底板
底板的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，二是作为吊箱、承台的承重结构。吊箱底板分成四块，具体分块图见图3，吊箱底板由底模托梁和底模组成。底板平面净尺寸为13.0m×13.0m，底板高0.408m，重量为30.35吨。底模托梁为井字梁结构，纵横边梁各设2道，每道由通长2[40a组成，纵横中梁各设4道，每道由通长单根I40a组成。纵、横梁之间的斜撑（除吊杆梁处）为2[22a，吊杆梁处为2[40a。纵梁之间和横梁之间分别设置∠100×80×8角钢加劲肋。顶板为δ=8mm钢板。横梁与纵梁用焊接连接，底板与侧板、侧板之间均用Ф20螺栓连接，焊缝连接及螺栓连接强度计算按路桥施工计算手册设计。吊杆设在纵梁上，吊杆采用Ф32的930级高强度精轧螺纹钢，共36根。
②侧板
侧板采用单壁结构，由Ⅰ25a做纵肋、∠75×50×5做横肋和8mm钢板做面板焊接而成。侧板高度方向分为上、下两层，分别为2.50m、7.50m。每层分为8块，其中长边和短边各4块。上层长边壁板单块重为2.348吨，上层短边壁板单块重为2.279吨，下层长边壁板单块重为8.452吨，下层短边壁板单块重为7.848吨，侧板总重83.71吨。
分块的原则主要是为了便于加工和运输，避免产生超标变形，所以分块较小。吊箱下层侧板与底板及上、下层侧板之间的水平缝和竖缝均采用螺栓连接，缝间设置10mm（压缩后为3~4mm）泡沫橡胶垫以防漏水。侧板的面板为δ＝8mm钢板，竖楞（接缝角钢除外）均为I25a工字钢，间距为660mm，水平加劲肋为δ=8mm，h=250mm的钢板，间距为300mm、400mm、450mm和500mm。
侧板的作用：是与底板（包括封底混凝土）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，另一作用是兼做承台施工的外模板。
③吊箱内支撑
内支撑由内圈梁，水平斜撑杆二部分组成。总重为28.76吨。
内圈梁：内圈梁设二层，设在吊箱侧板的内侧，高程为4.50m和7.00m处，由下层4I40c和上层2I32c结构组成的水平四边形，焊在侧板内壁钢板上。内圈梁的作用主要是承受侧板传递的荷载，并将其传给水平斜撑杆。
水平斜撑杆：为菱形支撑结构，杆端与内圈梁焊接连接成一体，水平撑杆由2I32c组成。
④吊箱吊挂系统：
吊挂系统由纵、横梁、吊杆及钢护筒组成，吊挂系统的作用是承担吊箱自重及封底混凝土的重量。
横梁：横梁（顺桥向）共计3排，均设在钢护筒顶，每排由两片贝雷梁组成。贝雷梁支点设专用支座（牛腿）焊接于护筒内侧的专用支座（牛腿）上，贝雷梁的作用是支承纵梁，并将纵梁传递的荷载（通过护筒）传递至基桩。
纵梁：纵梁（顺水方向）设置在贝雷梁上，共6排，由2I56工字钢（搭设工作平台用过的）组成。纵梁的作用是支承吊杆，并将吊杆荷载传递给横梁。
吊杆：吊杆是由φ32mm精扎螺纹粗钢筋及与之配吊的连接器、螺帽组成，共36根吊杆，重3.13吨，吊杆下端固定到底板的托梁上，上端固定到吊挂系统的纵梁上。吊杆的作用是将吊箱自重及封底混凝土的重量传给纵梁。在使用前做试验，满足施工要求方能施工；在施工过程中，对吊杆要充分保护好，禁止碰撞，以免影响施工的安全。
⑤吊箱定位系统
钢吊箱下沉入水后受流水压力的作用，吊箱围堰会向下游漂移，为便于调整吊箱位置，确保顺利下沉，在吊箱侧板内壁与钢护筒之间设上下两层导向系统，第一层设在距围堰底板2.00m处，第二层设在距围堰底板6.00m处，每层8个导向。定位系统由导向钢板、定位孔、定位器（短型钢）及调位千斤顶组成。导向板为厚度δ＝16mm钢板，端部制成圆弧，分别焊于吊箱4个角部位的纵、横内圈梁上，导向板端部至钢护筒外壁之间留一定的空隙；定位孔是利用吊箱底板上靠上游的前排3个护筒孔洞作为定位孔，其位置必须和护筒-2.50m处位置保持一致；导向钢板及定位孔的作用是控制下沉吊箱的平面位置。调位时用调位千斤顶进行。定位是在吊箱下沉到位后，封底混凝土凝固前，为防止水流压力、波浪力及靠船力等动荷载对自由悬挂的钢吊箱发生挠动，影响封底混凝土质量而设置固定装置。定位主要利用钢护筒的稳定性将下沉到位的钢吊箱通过定位器与4个角的钢护筒连成整体达到钢吊箱的定位。根据设计施工水位，钢吊箱设计总高度为8.0m，共分两节，第一节高6.0m，第二节2.0m。
四、 结论
根据施工段水域水流特点，选择钢吊箱围堰方案可以利用其结构简单、工艺简明、操作简单的特点，做到节约工期，材料用量合理，并能回收再利用，施工十分安全可靠等。