跨海大桥水下无封底混凝土套箱技术.pdf

第 3 9卷 Vo 1 ． 3 9 第 1 0期 No． 1 0 铁 道 技 术 监 督 RAI L WAY QU AL I T Y c ( J N F l ／ OI 研究与交流 S lr 【D Y AND C ( ) MMU I CA nONS 跨海大桥水下无封底混凝土套箱技术 肖旭 东 (中铁九局集团有限公司，辽宁 沈阳1 1 0 0 0 1 ) 摘要：在介绍既有水下套箱施工案例和经验的基础上， 结合青岛海湾大桥施工情况，叙述水下无封底 混凝土套箱的施工工艺。包括钢筋混凝土套箱预制 、 钢围堰制作及陆上安装、混凝土套箱及钢围堰现场安 装 、 套箱底部胶囊止水操作等具体施工组织情况。 关键词：跨海大桥；承台施工； 混凝土套箱；施工技术 一 中图分类号：U 2 4 5 ． 5 5 文献标识码 ：B 文章编号 ：1 0 0 6 — 9 1 7 8( 2 0 1 1 )1 0 — 0 0 4 1 — 0 3 O 引言 随着我国桥梁建设的快速发展 ，特别是进入 2 l 世纪以来，东海大桥 、杭州湾大桥、青岛海湾 大桥等跨海大桥的相继建成 ，桥梁深水基础技术 日 臻成熟。青岛海湾大桥承台水下施工方案，作为整 个工程的重要组成部分 ，对工期 、造价 、甚至整个 工程 的成功起着至关重要的作用 。结合工程实际 ， 分析跨海大桥水下无封底混凝土套箱设计与施工技 术特点，为在海洋环境下桥梁下部结构设计与施工 提供借鉴。 l 水下套箱发展概况 1 ． 1 防水围堰的形式和封底施工 目前，我国桥梁深水基础施工中采用的防水罔 堰 大致有几种形式 ：钢板桩 围堰 、混凝 土套箱 围 堰 、钢套箱 围堰 以及钢一 混凝土组合结构 围堰等 。 其中，钢板桩围堰为单壁结构；混凝土围堰视其平 面尺寸大小 ，采用整体预制钢筋混凝土围堰或组装 式预制钢筋混凝土围堰；钢套箱围堰又分为单壁和 双壁钢围堰等。每种围堰都有自己的特点和适用条 件，因此， 需根据各 自的水文、地质、造价以及设 备情况等比选而定 。 各种 围堰都需要混凝土封底止水 ，一般采用水 下灌注混凝土封底，封底厚度根据抽水水头和混凝 土与钢护简之间的握裹力确定 。水下灌注混凝土采 用导管法施工 ，工法 比较复杂 ，对 混凝土供应强 收稿 日期 ：2 0 1 l 一 0 6 — 0 1 作者简介：肖 旭东， 工程师 度 、初凝时间和流动度等比干环境施工要求高，同 时，容易发生堵管事故，护筒壁很难清洗干净，允 许握裹应力应偏低取值 ( 1 0 ～ 1 5 t i m 2 ) 。 1 ． 2 工程实例 1 ． 2 ． 1 东海大桥 东海大桥非通航跨桥梁承台工程全部在海上施 工 ，共有 5 8 6 个承台，选择带钢底板 的混凝土套箱 施工方法。与钢套箱施工方法相 比较 ，混凝土套箱 具有刚度大 、抗风浪能力强、工序少( 不拆除) 、 施工安全性好 、永久保护承台使其免受腐蚀的优 点， 但不能重复使用。该桥混凝土套箱分为圆形和 六边形长套箱 2种形式 。 套箱均在预制厂制造，选择海上平潮水流冲击 力小的时候安装，就位后钢扁担即与预定的4 根钢 管桩临时焊接，形成平面支承体系。此外，以较快 的速度将承台内其余的钢管桩与钢扁担之间增强连 接 ，并在套箱底板与桩之间安装封孔板及加强支 撑。套箱通过钢扁担、钢底板与钢管桩形成可靠的 受力体系， 使混凝土套箱与群桩连接成整体。 1 ． 2 ． 2 杭州湾跨海大桥 杭州湾跨海大桥大部分承台采用钢套箱施工， 少数承台采用混凝土套箱施工。海上所有的承台套 箱均采用干浇混凝土封底。该桥混凝土套箱由钢筋 混凝土围圈和钢底板组成，顶部安装挡水围堰， 套 箱内焊接扁担梁 。 套箱就位后，扁担梁支承并焊接在 4 根己切平 的钢管桩上。混凝土套箱为预制结构，工厂根据现 场实测的桩位在钢底板上预留桩位孔。为方便施 工，混凝土套箱顶部的防水围堰未设水平支撑，因 2 0 1 1 1 0川( 总 3 0 0 ) 41 研究与交流 跨海人桥水 卜 埘底混凝 1 耥披术 此 ，防水 围堰成为结构的薄弱环节 ，台风期易被风 浪损毁。 1 ． 3 既有工程经验 ( 1 ) 一般跨海桥梁承台封底设置在低水位以 上，大大改善了施工条件，但对景观有一定影响， 在极端低潮位时 ，存在小船撞桩的风险。 ( 2 )如按不露底的原则设计承台 ，虽可改善桥 梁景观，但必须解决套箱水下作业问题。 ( 3 )混凝土套箱需要解决的关键技术问题主要 是 ：承台水化热对套箱开裂 的影响 ；混凝土收缩引 起的套箱和承台问新 、旧混凝土结合面开裂问题 ； 如何有效降低混凝土套箱的施工周期。 2 青 岛海湾 大桥水 下 无封底 混凝 土套箱 施 工工艺 针对青岛海湾桥引桥承台数量多、承台部分淹 没在水下的特点 ( 出于景观考虑 ，非通航孔桥承台 底面置于低潮位以下) ，2 0 0 7 年 3 月，大桥建设方 提出 “ 水下无封底混凝土套箱”方案 ，用于海上引 桥承台施工 ，并于 2 0 0 7年 5月正式进行试验。 青岛海湾大桥非通航孔桥基础共分 A、B、C、 D 、E 、F 、G 7 类，其上承台为5 种尺寸共 6 3 8 个， 桥墩及承台结构如图 l 所示。 图 1 非通航孑 L 桥桥墩及承 台结构示意 2 ． 1 钢筋混凝土套箱预制 套箱预制场原则是大批量安排在陆地预制，一 般 批量 按就 近原则 预制 。其 中 ，对 于 D类 承 台 ( 6 9 0 c mx 6 9 0 c mx 3 0 0 c m)设计 的混凝土套箱结构 尺寸如图 2所示 。 2 ． 2 钢围堰制作及陆上安装 钢围堰加工制作完成后，利用预制场门吊安装 钢围堰，设置水平缝止水条，利用混凝土套箱顶面 预埋的螺母使二者连成一体。 42 ( a )俯视图 ( b )侧剖面图 单位 ：c m 图 2 混凝土套箱结构 2 ． 3 混凝土套箱及钢围堰现场安装 2 ．3 ． 1 安装前准备工作 将 4 个钢护筒切割到设计标高4 ． 8 m处，并在 钢护筒上分别焊接井字形支撑和导帽，为安装套箱 导 向。 2 ．3 ． 2 混凝土套箱及防浪板运输 待钢围堰与混凝土套箱在预制场安装为一体 后 ，从预制场装船拖至施工安装现场。或是用 自航 浮吊起 吊套箱( 包括 防浪板) ，然后航行 到 目标位 置，抛锚定位后 ，安装套箱 。 2 ． 3 ． 3 现场安装定位 当运输套箱船舶在现场就位后 ，由起重船利用 专用吊架将套箱吊起安装。首先让吊架下落将 8 个 吊杆放入套箱内，之后由起重人员将吊杆与套箱底 板上的吊耳连接好 ，同时微调吊杆长度 ，以满足安 装高度要求，检查合格后，起重船绞缆移船到安装 位置安装套箱。 安装时， 套箱底板预留孔须按编号与实测桩位 一一 对应 ，并用牵引绳微调套箱方向和位置。套箱 到达安装位置后，起重船缓慢颠钩，使套箱沿导帽 缓缓套入钢护筒内，直到吊架落在 4根桩的桩顶， 在摘钩前需要测量套箱的平面位置，判断其是否在 水平千斤顶的可调范围内。若需要调整的量很大， 无法采用水平千斤顶实现，则需要浮吊将套箱提 起，进行微调。套箱顶标高不满足要求时，在吊架 与钢护筒顶部接触位置设支垫，或将钢护筒顶部稍 微割除一点即可。虽然吊杆已按各桩标顶标高调整 至 “ 定长” ，但由于误差 ，不一定能控制得很好， 因此，标高的测量必不可少。 套箱安装后，为保证顶面高程和中心位置准 确 ， 满足设计要求，须立即安装抗浮反压牛腿，调 整、临时固定套箱位置。即在套箱 4 角护筒上焊接 8个牛腿反压钢围堰 ，同时，利用千斤顶进行套箱 铁道技术监督 3 9卷 1 0期 水平位置调整，以便在套箱底部进行胶囊止水、焊 接抗浮承重剪力键和进行体系转换。 2 ． 4 套箱底部胶囊止水 胶囊止水是指在低潮时将套箱内水抽干，创造 焊接干施工条件。胶囊止水是水下无封底混凝土套 箱施工] 二 艺中的关键技术，决定了套箱工法施工的 成败。在混凝土套箱预制场将止水胶囊安放，在套 箱底板预留桩孔壁 中间的预 留槽 内，待套箱安装 、 定位后实施止水过程。胶囊的布置如图 3 所示。 钢护筒 胶囊 图 3 胶 囊止水示意 2 ．4 ．1 安装前模拟试验 为有效实施胶囊止水，根据直径 1 9 5 e lT l 套箱 底板预留孔和直径 1 8 0 c m灌注桩的钢护筒实际直 径，设计加工试验装置。该装置由试验母体、活动 钢筒和 固定架 3部分组成。试验时采用 0 ． 6 MP a空 压机打气 ，0 ．4 M P a 压力表测压 ，工作压力定为 O ． 2 5 MPa 。 试验周期 为 1 2 h以上 ，胶囊止水试验共进行 了2个多月，最终确定的胶囊经过止水试验。当 止水缝 隙呈月牙形 ，最大缝 隙为 1 5 0 m m，在 6 m 高水 头的压力 下 ，胶囊压力 达到 0 ． 1 5 MP a时止水 成功 ，且 在 0 ． 2 5 MP a的压力 下试验 2 4 h以上 胶 囊无损。胶囊具体的技术参数和标准尺寸是 ：轮 胎式筒型内径 1 9 7 5 m m、筒高 2 6 5 m m，胶囊内 径 1 5 0 mm、壁厚 1 0 mm、最大压力 0 ． 3 9 MP a 。 2 ． 4 ． 2 止水胶囊安装 为保证止水胶囊在套箱安装过程中始终固定在 底板预留槽 内，在套箱底板预留槽上 、下边缘各焊 1圈直径 l 4 mm圆钢 ，用于安装固定胶囊 ，实施效 果很好，其安装应在预制场完成。 2 ． 4 ． 3 胶囊止水 在套箱被反压后，开始实施止水过程。根据第 1 次典型试验的经验，胶囊充气后上浮，后经试验 改为充水。实施过程需要高压软管、自来水 ( 或者 海水) 、检测压力装置和高压水泵。在船上实施 注 水时，高压管在套箱安装前需与套箱底部预留槽内 胶囊的进水 口连接好 ，9 I N 吊架上临时固定 ，止水 前将软管引到靠近套箱的船上，通过高压水泵向胶 囊 内逐个 分别注水 ，胶囊注 水压力控制在 0 ． 1 8 0 ． 2 MP a即可止水成功。 止水成功并抽干箱内水后 ，在实施剪力键焊接 前 ，需将止水缝隙灌满厚 1 0 c m以上的速凝膨胀高 标号砂浆。目的是保护胶囊，防止胶囊止水失效， 同时砂浆也起到止水作用。 2 ． 5 剪力键焊接及体系转换 剪力键焊接及体系转换是指焊接剪力键后， 拆 除吊架，套箱重量由剪力键直接传递到钢护筒上。 剪力键把钢护筒和混凝土套箱连成一体，这一体系 不仅用于承受抽水后围堰产生的巨大浮力，也将承 受承台混凝土的重力。 处理好桩头后 ，在混凝土套箱内壁贴 2 c m泡 沫板 ，在混凝土套箱顶部下 5 c m贴遇水膨胀止水 条，绑扎承台钢筋，安装冷却水管，最后进行承台 混凝土浇注。 3结 语 水下无封底混凝土套箱技术非常适合波流力不 大、海洋腐蚀环境及承台很多、且有景观要求的跨 海大桥施工。该技术能够缩短跨海大桥承台施工周 期，降低成本，提高结构质量 ，且易于实现工厂 化、标准化施工，减少海上的繁琐工序，有利于规 避风险和施工管理。采用水下无封底混凝土套箱施 工工艺，避免水下混凝土封底和承台防腐涂装等工 序 ，减少 了环境干扰和对海洋的污染 ，为海上非通 航孔桥承台设计和施工提供了新思路和新方案。 参考文献 [ 1 ] 黄融． 跨海大桥设计与施工 ( 东海大桥)[ M] ． 北京：人民交通 出版礼 ，2 0 0 9 ． [ 2] 王勇． 杭州 湾跨 海大桥 工程总结 ( 下卷 )[ M] ． 北京 ：人 民交通 出版社 ，2 0 0 8 ． [ 3 ] 黄向平，莫景逸． 东海大桥承台混凝土套箱裂缝成因探讨[ J ] ． 城市道桥与防洪，2 0 0 8 ， 4 ( 4 ) ： 3 8 — 4 1 ． [ 4 ] 刘雅清． 东海大桥承台混凝土套箱施工方案的选定与实施[ J ] ． 中国港湾建设，2 0 0 4 ，8( 4 ) ： 9 - 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