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1、無底鋼套箱圍堰施工工藝（QB/ZTYJGYGF-QL-0205-）橋梁工程 廖文華 劉濤1 序言1.1 工藝工法概況橋梁深水基礎施工，施工技術各有差異，且各具特色。無底鋼套箱在深水低承臺樁基礎施工中，得到了廣泛應用。1.2 工藝原理無底鋼套箱相對有底鋼套箱而言，去掉了底板系統，鋼套箱側面壁板直接插入河床，并經過吸泥下沉至設計標高，澆筑封底混凝土后，使嵌入河床鋼套箱和河床、共同組成封閉臨時隔水結構。2 工藝工法特點2.1無底鋼套箱通常見于低樁承臺施工，此時水中鉆孔樁施工已經完成，可利用鉆孔工作平臺及鋼護筒為無底鋼套箱施工提供作業平臺。2.2其結構結構簡單，下沉施工干擾小，封底混凝土直接和河床接觸2、，套箱豎向受力小，壁板反復利用率高。2.3無底鋼套箱下沉定位難度大，封底混凝土易漏失，數量不確定，套箱圍堰需著床，對河床表面地質情況及大面平整要求較高。3 適用范圍無底鋼套箱適適用于水深10m以內，河床易清淤吸泥，河床覆蓋軟弱層較薄低樁承臺施工。4 關鍵技術標準鐵路橋涵地基和基礎設計規范（TB 10002.5）鐵路橋涵工程施工質量驗收標準（TB 10415）鐵路橋涵施工規范（TB 10203）鐵路橋涵設計基礎規范（TB 10002.1）公路橋涵施工技術規范（JTG/T F50）公路工程質量檢驗評定標準（JTGF80-1）鋼結構設計規范（GB 50017）5 施工方法無底鋼套箱和有底鋼套箱施工方3、法基礎相同，包含墩位組拼和場外組拼兩種。不一樣是套箱定位后，由大型起吊設備配合下沉套箱至床上，并經過高壓水破土，吸泥機吸泥，使套箱下沉至河床中設計標高，施工封底混凝土，套箱內抽水機及內支撐安裝，施工承臺混凝土。6 工藝步驟及操作關鍵點6.1 施工工藝步驟具體施工工藝步驟見圖1。套箱加工質量檢驗、試拼準備起吊設備套箱吊裝就位清基、吸泥下沉套箱下沉就位圍堰堵漏圍堰內基地找平灌注封底混凝土抽水、查堵漏洞、內支撐安裝清理基坑、承臺施工圖1 無底鋼套箱圍堰施工工藝步驟圖6.2 操作關鍵點 無底鋼套箱設計無底鋼套箱圍堰和有底鋼套箱區分是無底鋼套箱底部直接落在河床上。無底鋼套箱關鍵結構由壁板、外圈梁、內支撐4、導向架組成。依據結構尺寸、水深及經濟性確定單壁或雙壁。1 水文地質技術參數選擇水深4m以上，河床為硬土、卵石層或軟質巖層采取鋼（管）板樁圍堰；河灘淺基開挖不穩定土壤，或在現有線旁開挖橋涵基坑，采取鋼筋混凝土圍堰；在水深56m以上深水基礎時，采取雙壁鋼圍堰。2 鋼套箱壁板及加勁肋、支撐系統技術參數選擇設計時根據抽水作平臺時最不利工況計算，分別進行受理參數計算，最終選擇壁板、加勁肋、支撐系統等；圍堰考慮在墩位拼裝，受起吊限制，考慮分節分塊拼裝。3 錨固定位系統選擇通常單壁鋼套箱施工時，鉆孔樁鋼管平臺均為固定式，所以鋼套箱定位均依靠鋼管工作樁，錨錠較為簡單，有以下兩種定位方法：1）水流流速較小時簡5、易定位方法。依據水流速度，計算水流沖擊力，在鉆孔平臺每邊鋼管支撐樁上設置倒鏈葫蘆，鋼套箱邊下沉，邊用倒鏈葫蘆調整，以調整好套箱水平位置。2）水流流速較大時定位方法。當水流流速較大時，水面以上水平定位能夠用設置于鉆孔平臺鋼管支撐樁上倒鏈葫蘆，對鋼套箱進行水平糾偏。水面以下鋼套箱底部定位則經過設置于其下部1/3處錨纜調整。4 封底混凝土選擇無底鋼套箱封底混凝土選擇標準是當圍堰在施工最高水位時，圍堰抽水后封底混凝土在浮力作用下不被破壞。5 關鍵檢算項目及方法1）無底鋼套箱板入土深度確定及驗算無底鋼套箱壁板為單壁結構剛度較小，靠本身入土較為困難，而且入土過程要確保均勻下沉，確保平面高差不超出20cm。6、圍堰入土通常均要求圍堰穿過覆蓋層，切入河床巖層。圍堰入土深度計算原理是圍堰加重大于圍堰板壁覆蓋層間摩阻力。實際施工時入土關鍵靠在套箱外部采取長臂挖掘機進行挖砂，套箱內采取抓斗進行水下撈砂，再配合高壓水泵沖砂入土下沉。入土深度計算：取決于圍堰下沉力和摩阻力比值。圍堰下沉系數R：2）封底混凝土驗算。荷載取值：式中： 水容重；計算水深；混凝土容重；封底混凝土厚度。封底混凝土計算可取1單元（寬取1m，高度去封底混凝土計算厚度）計算，將該單元混凝土按連續梁模式用有限元分析方法得出封底混凝土最大彎矩M。依據彎矩驗算封底混凝土拉、剪應力應符合要求。拉應力驗算：式中： M封底混凝土許可彎矩；封底混凝土許可拉應7、力；封底混凝土計算彎矩。剪應力驗算：式中：封底混凝土剪力；封底混凝土剪切面積；許可剪應力；3）鋼套箱抗浮計算。計算抗浮穩定性應考慮在計算最高水位條件下浮力。式中：G鋼套箱自重、內支撐自重、封底混凝土中、封底混凝土和鋼護筒握裹力（握裹系數取10t/）；F鋼套箱所受浮力；K安全系數，取1.11.2。浮力計算時應注意：（1）浮力計算若扣除鋼護筒排開水體積產生浮力，這時G不計算樁重和鋼護筒重，只計算封底混凝土和鋼護筒握裹力。（2）若封底混凝土按安全方面積計算，G算入，但不計算封底混凝土和鋼護筒握裹力。但應對握裹力、樁重和鋼護筒重進行比較，取最小值。4）錨錠系統驗算。錨錠按水流力、風力最不利組合確定定向8、所需錨錠力。6.2.2 鋼套箱加工1 鋼套箱壁板加工制造根據設計圖紙在加工場加工成份塊，并進行編號。加工精度要求：依據套箱結構受力要求，確保每層水平肋板在同一高程很關鍵，加工時其偏差不得大于2mm，確保在拼裝階段能夠順利對接。每個壁板塊段加工完成后均單獨進行檢驗，其加工精度要求以下：表1 壁板加工精度序號項目許可偏差1寬度方向尺寸15 mm2壁板厚度2 mm3外形對角線20 mm4高度方向0，-30 mm2 鋼套箱內支撐系統加工制造依據現場吊裝能力，對內支撐進行分塊；根據設計圖紙在加工場加工成份塊，并進行編號。加工精度：依據內支撐結構受力要求，確保塊之間頂、底層內支撐鋼管在同一高度很關鍵，加工9、時其偏差不得大于2 mm，確保在拼裝階段能夠順利對接。每個內支撐塊段加工完成后均單獨進行檢驗，其加工精度要求以下：表2 內支撐加工精度序號項目許可偏差1平面長寬尺寸20 mm2高度方向尺寸5 mm 3 鋼套箱整體吊裝、分節吊裝鋼套箱整體吊裝：當鋼套箱平面尺寸較小，重量較輕時。能夠采取浮吊或纜索吊整體起吊。在岸邊組拼鋼套箱，氣囊頂升后牽引下水，或在岸邊滑道上拼裝鋼套箱，拼裝完成，借助滑移設備滑移入水。用推輪將鋼套箱推至浮吊作業區，然后用浮吊或纜索吊起吊鋼套箱下沉就位。鋼套箱分節吊裝：當鋼套箱整體重量較重，高度較高時，能夠在岸上分節組拼，然后采取浮吊或纜索吊分節吊裝。4 鋼套箱墩位處分塊組拼利用現10、有墩位鉆孔平臺作為拼裝鋼套箱時支撐。在墩位平臺上拼裝鋼套箱，接高鉆孔灌注樁鋼護筒，在其頂面設起吊分配梁，再由起吊系統滑車組起吊鋼套箱。并將鋼套箱臨時吊掛于鋼護筒支撐牛腿上。拆除墩位平臺，解除臨時吊掛，由起吊滑車組將鋼套箱緩緩下沉就位。然后轉換吊點，由多根吊桿將鋼套箱吊掛于鋼護筒支撐鋼牛腿上。5 鋼套箱水密試驗鋼套箱每個分塊加工完成后，應進行煤油滲透試驗。即用刷子在焊縫兩側刷上石灰水，待其干后在圍堰內側焊縫刷上煤油，等3060min后察看圍堰外側是否有煤油痕跡。試驗檢驗不合格部位應進行補焊并匯報監理工程師，補焊后還須進行復驗，合格后才能進入。鋼套箱壁板在現場拼裝完成為整體后，對現場拼裝焊縫一樣要11、求進行煤油滲透試驗，確保套箱壁板整體密水性能。6.2.3 鋼套箱測量放線用全站儀或經緯儀在平臺上將該墩縱橫軸線放出，并標示于作業平臺上。在鋼套箱外壁板上標示出鋼套箱中心線，下放過程中，嚴格控制壁板中心和平臺上標示縱橫軸線對齊。6.2.4 鋼套箱下沉1 鋼套箱下沉依據地質資料及實測情況，探明淤泥厚度。為降低圍堰著床后吸泥工作量，在圍堰著床前能夠先用挖泥船清淤，待無底鋼套箱著床后，再用高壓水管和吸泥機出土下沉。無底鋼套箱河床以下部分除土下沉關鍵設備為吸泥機和和之配套風壓機。當鋼套箱圍堰精密著床后，即進行吸泥下沉。當水深較小時，用高壓水破土，砂石泵吸泥；當水深較深時，用高壓水破土，2臺273空氣吸泥12、機吸泥(管徑及臺數依據土質情況確定)；后期，當刃尖進入黏土層下沉較慢時，增加鉆吸機出土吸泥。施工中因下沉系數太小，自重下沉難問題，可在套箱頂部采取多臺千斤頂加載方法助沉。直至沉入需要河床土層及標高。吸泥時注意要由鋼套箱周圍往中心均勻出土，以使鋼套箱圍堰均勻下沉。2 鋼套箱下沉時糾偏方法鋼套箱下沉過程中，要采取數次測量和系統比較方法確定鋼套箱下沉情況，測定節段基準點坐標，求得各軸線偏移、底中心偏移、刃腳高程、扭角、傾斜等鋼套箱觀察資料，指導鋼套箱接高下沉和糾偏實施。常見糾偏方法有三種：1）圍堰內偏挖。在刃腳較高一側多挖土，在圍堰下沉同時把傾斜糾正過來。2）偏心壓重。在圍堰頂面較高一側壓重，可利用13、鋼軌進行懸吊壓重，以糾正其傾斜。3）堰外挖土或填土。在圍堰較高一側挖土，以減小摩擦力；在低一側填土增加其摩擦力，經過數次調整，使圍堰恢復到設計位置。6.2.5 鋼套箱定位1 水流流速較小時簡易定位方法依據水流速度，計算水流沖擊力，在鉆孔平臺每邊鋼管支撐樁上設置倒鏈葫蘆，鋼套箱邊下沉，邊用倒鏈葫蘆調整，以調整好套箱水平位置。2 水流流速較大時定位方法當水流流速較大時，水面以上水平定位能夠用設置于鉆孔平臺鋼管支撐樁上倒鏈葫蘆，對鋼套箱進行水平糾偏。水面以下鋼套箱底部定位則經過設置于其下部1/3處錨纜調整。6.2.6 無底鋼套箱基底處理1 無底鋼套箱河床清淤當鋼套箱經過出土下沉至設計位置，在進行封底14、混凝土前，要用高壓水管和吸泥機在鋼套箱內側根本清除河床沉淀下淤泥，以免影響封底混凝土質量。2 鋼套箱封底混凝土施工當河床基巖裸露，高低不平時，可對其進行二次封底：第一次先找平，再進行第二次澆注；封底混凝土施工采取垂直導管法灌注水下混凝土，通常情況下，因為封底混凝土面積較大，能夠進行分倉，分次灌注封底混凝土，詳見“2.4 有底鋼套箱施工工藝”。6.2.7 鋼套箱抽水及內支撐安裝1 已安裝內支撐整體吊裝、分節吊裝鋼套箱抽水對于已安裝內支撐整體吊裝、分節吊裝鋼套箱，當封底混凝土強度達成設計強度后。即可封閉鋼套箱上所設連通管，進行抽水施工。若在承臺施工中，內支撐對其有礙，則需對內支撐進行置換(通常在鋼15、套箱設計時，內支撐要略高于承臺頂50cm左右，盡可能避開承臺位置)。2 墩位處分塊組拼鋼套箱抽水及內支撐安裝于墩位處分塊組拼鋼套箱，當封底混凝土強度達成設計強度后，即可封閉鋼套箱上所設連通管，進行抽水施工。依據鋼套箱內支撐設計位置，能夠將底層內支撐用鋼絲繩先下沉至封底混凝土上，并將鋼絲繩引出；然后抽水，當抽水至第一層內支撐時，停止抽水，安裝第一層內支撐，接著抽水安裝第二層內支撐，直至內支撐安裝完成，將套箱內水抽干，進行承臺施工。6.2.8 鋼套箱拆除在橋墩灌注出水面后，鋼套箱在承臺頂面50cm以上部分可拆除回收。依據浮吊或纜索吊機起吊重量可分段切割后整體吊出或分塊切割解體起吊拆除。其具體方法是16、：1 拆除套箱內、外相干物件，鑿開吊耳眼孔，由潛水工在外壁板用潛水氧電弧切割作業來實現。2 當切割完成，由潛水工再進行一次檢驗外壁板割縫，確定無一漏割后，再由潛水工掛好吊鉤，待潛水工及設備撤離安全地點后，全方面進行水域檢驗，確定無一障礙后起吊，運至岸上。當套箱較小時，在套箱加工時可在承臺頂面以上20cm位置處分節，此處采取螺栓連接，拆除時由潛水工擰掉螺栓即可。7 勞動力組織無底鋼套箱圍堰施工人員配置見表3。表3 無底鋼套箱圍堰施工所需勞動力序號工種人數序號工種人數1技術員26電工22領工員27電焊工63起重工48鉗工34潛水員39船工85測量工310普工128 關鍵機具設備無底鋼套箱圍堰施工順17、利進行很大程度決定于施工機械選擇，當決定選擇何種機械時，需考慮現場條件。關鍵機械設備見表4。表4 無底鋼套箱圍堰施工機具設備表序號機械及設備名稱規格及型號單位數量備注1等離子切割機LGK-8臺12電焊機臺63汽車吊16t臺14頂桿自制支45射水設備臺6交通船艘7吸泥設備臺8拋錨船艘依據實際需要選擇9浮吊艘110駁船艘111拖船艘112卷揚機、滑車組數量依據需要確定13千斤頂臺數量依據需要確定9 質量控制9.1 易出現質量問題 在加工拼裝過程中，焊縫質量不合格； 鋼套箱下沉過程中，偏離設計值。9.2 確保方法 焊縫檢驗方法1 外觀檢驗。全部焊縫均應冷卻后進行外觀檢驗，并填寫檢驗統計。全部焊縫不得18、有裂紋、未熔合、夾渣、未填滿及漏焊等缺點，不得有外觀檢驗不合格焊接件，在未返修合格前不得進入下一道工序。2 內部質量檢驗。對鋼吊箱下方吊點位置受力焊縫應沿焊縫進行全長超聲波探傷，質量等級要求為I級。3 對加工件各條焊縫要求進行密水試驗。 常見糾偏方法有三種：1 圍堰內偏挖。在刃腳較高一側多挖土，在圍堰下沉同時把傾斜糾正過來。2 偏心壓重。在圍堰頂面較高一側壓重，可利用鋼軌進行懸吊壓重，以糾正其傾斜。3 堰外挖土或填土。在圍堰較高一側挖土，以減小摩擦力；在低一側填土增加其摩擦力，經過數次調整，使圍堰恢復到設計位置。10 安全方法10.1 關鍵安全風險分析 現場大型設備操作使用過程中，出現安全事故19、； 水上作業，施工船舶作業，通航時安全事故； 在施工過程中，施工水域其它船舶經過時安全事故。10.2 確保方法 施工現場內管理人員、特種作業人員必需持證上崗，對電工、焊工、塔吊、起重工等工人還要進行培訓、考評，要求持相關證件上崗。 大型浮吊、纜索吊等專用設備操作應按安全作業規程嚴格進行，上崗前必需經過專門培訓，考評合格后方可上崗。 對安全設施、設備、防護用具等要嚴格進行檢驗驗收。 加強現場安全管理。1施工現場部署須符合防火、防爆、防高溫、防雷電、防風、防霧、防墜江等安全要求和文明施工要求。2 加強易燃、易爆危險品管理。 加強施工期間水上安全管理。1 施工船舶(包含交通船、運料船)應辦理簽證，是20、施工船舶在港內航行和作業，應實施定時簽證。未辦理簽證船舶，不準航行和作業。2 嚴格遵守水上交通安全管理。3 制訂施工船舶安全管理，并嚴格實施。4 加強施工船舶安全檢驗。11 環境保護方法11.1 建立健全環境保護管理機構，制訂各項規章制度，并加強監督和檢驗。11.2 加強教育宣傳工作，提升全體職員文明施工和環境保護意識。11.3 降低施工中噪聲和振動，避免擾民。11.4 采取有效方法，預防機械用油、施工和生活垃圾污染河水。12 應用實例12.1 工程介紹中鐵一局福州灣邊大橋5墩在主河槽，河床覆蓋層均為砂層，套箱斷面尺寸橫向較承臺外輪廓線大60cm，頂面標高控制在5米，依據施工期水位改變情況，可對頂面進行加高，在洪水期能夠施工，為確保洪水期施工將迎水面板塊加固，鋼套箱長度合適加大，套箱制作尺寸為28.510.214米。12.2 施工情況鋼吊箱實施過程中，步驟多，控制點多，經過實施前多種計算模擬及嚴格現場監控實施，根據預定工期完成了基礎部分施工。12.3 工程結果評價從技術角度講，無底鋼套箱設計和施工技術已趨于成熟；從經濟角度講，和其它施工方法比較，無底鋼套箱使用從一定程度了節省了施工成本。12.4 建設效果及施工圖片圖3鋼套箱內支撐 圖4 鋼套箱下沉