混凝土底板单壁钢吊箱滩海高桩承台施工工法 工法编号：GGG(中企)C2-2009 1 前言随着我国公路建设大发展时代的到来，许多近海或跨江大桥都采用了大直径钻孔下部结构的基础形式，进而发展了高桩承台基础这一独特的形式。套箱围堰施工工艺也因此产生并经大量的施工实践得到发展和完善，结构形式也趋于多样化。上海长江隧桥工程B1标属于近海的跨江大桥，所有涉水承台均为高桩承台。该工程位于长江入海口的长兴岛北岸，受潮汐、风浪和季节性台风影响。由于施工环境复杂，工期紧，施工难度大，为确保工程质量，加快施工进度，中铁二十四局集团有限公司专门成立了攻关小组，对采用混凝土底板单壁钢吊箱滩海高桩承台施工技术进行研究，在施工技术和方法上进行创新。混凝土底板单壁钢吊箱法施工工艺成功应用于长江隧桥工程B1标段的水中墩施工，该工艺技术含量高，施工便捷，攻克了桥梁下部结构施工中的一系列难题，形成了整套适应滩海地区水中墩高桩承台施工的创新技术。该科技成果通过了中国铁建股份有限公司的科技成果评审，其成果达到国际先进水平。2 工法特点2.0.1 充分利用潮差自然条件，采用了混凝土底板和钢侧板组合的吊箱围堰，实现了组合围堰的整体吊放就位。2.0.2 安装时不需要大型机械设备，施工方法简便，周转速度快，从而加快施工进度。2.0.3 采用混凝土预制板作为底板，无需拆除，可大大节省施工周期并避免因底板抽出带来的施工难度。2.0.4 单壁钢吊箱既可作为承台施工的围堰结构，同时又作为承台施工的外模，经济实用。2.0.5 采用精轧螺纹钢和螺旋千斤顶作为钢吊箱围堰的下沉系统，精准度高，下沉速度快。2.0.6 钢吊箱结构轻便，可节约大量材料，并可在现场制作，减少运输距离。3 适用范围适用于公路、市政、铁路桥梁的水中高桩承台的施工，尤其是采用长钢护筒的近海或跨江大桥的大直径钻孔桩基础的水中墩施工。4 工艺原理混凝土底板钢吊箱是为水中高桩承台而设计的围堰形式，通过对当地水文、地质条件的分析，以及对钢吊箱的稳定性、抗浮性和自身刚度的计算，基于钢护筒上所搭建的施工平台和支撑体系，利用精轧螺纹钢、螺旋千斤顶和扁担梁作为下沉系统，可以快速、便捷的下沉并安装到位，再利用单壁钢吊箱的内壁作为模板，创造无水的施工环境，实现围堰内干施工的目的。5 施工工艺流程及操作要点5.1 施工工艺流程循环周转使用钢吊箱加工、组装校正、试拼改进合格不合格拆除桩基水上施工平台搭设临时拼装平台（高于常水位50cm）在钢护筒上焊接牛腿分块吊装、拼装混凝土底板至临时拼装平台上吊装侧模、组拼并安放下沉系统钢吊箱下沉到位割除临时牛腿浇筑封底混凝土承台施工、养护拆除钢吊箱检修、保养图5.1 混凝土底板钢吊箱法施工水中承台工艺流程图5.2 操作要点5.2.1 钢吊箱的设计钢吊箱的设计须充分考虑施工水位的影响，并按相关规范的要求选取参数，设计的围堰高度应高出施工期间可能出现的最高水位(包括浪高)0.50.7m；围堰外形应考虑河流断面被压缩后，流速增大引起水流对围堰、河床的集中冲刷及影响通航、导流等因素，并应满足堰身强度和稳定的要求；堰内平面尺寸应满足基础施工的需要。钢吊箱的设计还包括合理选择吊箱结构形式，根据高桩承台的特点和混凝土预制板的优点，采取底包侧的结构；合理划分钢围堰的节段（钢吊箱钢结构部分和混凝土底板部分），尽可能减少拼装节段，以节省拼装的层次和时间，适用于低潮位维持时间短的特点。1 设计参数1）施工水位、最高水位、最低水位、常水位；2）静水荷载、结构自重、封底混凝土自重；3）水流荷载、波浪荷载、风荷载；4）钢护筒与混凝土的黏结力；5）承台顶、底面高程及承台结构尺寸；6）承台混凝土浇筑速度。2 计算工况1）钢吊箱结构受力计算：考虑混凝土的浇筑速度、钢模的刚度。2）钢吊箱吊装、下沉计算：考虑钢吊箱结构自重、风荷载、波浪荷载。3）封底混凝土施工阶段计算：考虑封底混凝土厚度。4）封底混凝土达到设计强度、钢吊箱封闭平衡阀、抽水完毕工况计算：考虑风荷载、波浪荷载、模板内外水压、内支撑刚度和位置、混凝土底板（含结构自重）抗浮。5）承台混凝土浇筑：牛腿支撑力、钢护筒和混凝土的黏结力。6）承台施工完毕：割除内支撑、钢吊箱结构受力。3 计算分析1）大直径钻孔桩的钢护筒，是该施工工艺的主要受力构件，其与混凝土的黏结力是施工计算的重要影响因素。2）底板主要承担封底混凝土、钢吊箱钢结构部分重量和自重，其设计可按双向简支预制板考虑。3）单壁钢吊箱的壁板既是主要的阻水构件，又可作为承台的模板，设计中须考虑它的结构刚度和混凝土浇筑速度的影响因素。4）钢吊箱下沉阶段，主要是与钢吊箱的静载有关，并以竖向荷载为主。5）钢吊箱的吊装阶段则需要考虑风荷载和结构自重的影响，受天气影响很大。6）封底混凝土的验算也是钢吊箱设计的主控项目。本部分验算主要考虑两个阶段，一个是抗浮验算，以及封底混凝土与钢模、钢护筒接触部分的抗剪切、摩擦力的计算。5.2.2 钢吊箱的加工和组装1 钢结构主体的加工1）编制分块加工和试拼施工工艺及质量保证措施，按有关规范、工艺要求编写钢板与钢板间、钢板与型钢间及型钢与型钢间焊接工艺和施焊原则，以防止焊接变形过大使局部或整体尺寸超出图纸允许误要求差。2）下料平台半成品钢板或半成品型钢加工前应制作下料平台，半成品均应在下料平台下料。3）模具下料平台上应设置钢板或型钢下料模具，用模具确保下料半成品符合图纸尺寸要求（含允许误差）。4）分块加工平台及其定位、限位装置各分块钢吊箱必须在专用的事先制作好的加工平台上加工。加工平台应具有足够的刚度和强度，其上设置定位、限位装置，以确保半成品组拼成分块钢吊箱时各细部和整体结构尺寸符合该分块钢吊箱设计尺寸要求（含允许误差）。5）半成品数量表加工前认真复核图纸，按块分类统计各类半成品钢板或半成品型钢数量，并制作一一对应的标识。6）标识半成品应分类堆放，并悬挂、张贴、涂写唯一的标识。堆放时应采取防止半成品变形的有利措施。7）焊缝质量检查钢吊箱壁板上的所有焊缝加工厂必须使用煤油100%检查有无漏焊孔洞。焊缝厚度和长度必须达到图纸要求，否则以不予验收。2 钢吊箱的试拼装1）试拼装钢吊箱加工完成，必须进行钢吊箱陆地整体试拼工作。试拼平台放在两个加工场中间，应具有足够的刚度和强度以满足试拼要求。2）平台放样在试拼平台上进行钢吊箱内壁缘线及各分块线放样，以利于进行试拼验收，试拼平台顶标高为同一标高。3）钢吊箱各节段按顺序编号，并在焊接现场拼装。3 混凝土底板的设计和加工 1）混凝土底板的设计混凝土底板在钢吊箱整体沉放就位后承台混凝土浇筑前，需承受来自钢吊箱钢侧模自重、混凝土底板自重、封底混凝土自重等荷载，并将该荷载组合全部传递给钢护筒上的焊接牛腿，因而该底板须按双向简支板考虑，并配筋验算合格。混凝土底板根据实际桩位情况可对称分为四个部分，每个部分按钻孔桩的位置，设置预留孔洞，该孔洞须充分考虑施工偏差等情况，可比钻孔桩直径大20cm。每块混凝土底板内侧都采用槽钢包边，作为后期四块底板拼装时焊接接口。每块底板按吊挂系统的设置情况，须在预留孔附近安设吊环，该吊环在后期底板、钢侧模整体下沉中的精轧螺纹钢与底板的连接点，同时也可兼做混凝土底板吊装、运输过程中的吊点。每块混凝土底板在牛腿受力位置处，须设置钢板预埋件，防止该处混凝土由于受力过于集中而被压碎。2）混凝土底板的加工钢吊箱由于占地面积不大，可在后方陆地加工厂进行整体预制，预制时将整个混凝土底模对称分成四块，根据设计尺寸先安装混凝土底模钢筋，每块底模根据钢护筒位置设置预留孔以及进行吊环等预埋件安装，检查合格后灌注混凝土，并及时做好分块标识。4 牛腿的加工牛腿是高桩承台钢吊箱施工的重点，在施工的过程中需两次焊接牛腿，分别是作为钢吊箱的临时拼装平台支撑和下沉到位后钢吊箱支撑。牛腿可采用=10 mm钢板加工成梯形，沿钢护筒圆周方向布置4组（根据钢吊箱钢模、预制板和封底混凝土的重量确定组数），每组由3块梯形钢板组成。为方便施工，采用倒挂牛腿的形式，安装时必须保证4组牛腿顶面在统一水平面上。5.2.3 桩基施工平台的拆除钻孔灌注桩施工完毕，拆除原承台位置处可能阻碍钢套箱侧模下沉的钢平台（钢管桩及平台横、纵平联）。同时保留原钻孔桩上的钢护筒，以作为后续施工的支撑平台。5.2.4 钢吊箱的运输钢吊箱经试拼装并验收合格后，方可分节段运送到施工地点；混凝土底模预制完毕到设计强度时，分四块用平板车分别运至现场栈桥平台上。考虑到水上拼装的难度以及施工方便易控，在钢套箱每节段距上端焊接两个吊耳、在混凝土底板的预留孔附近设置两个吊环，作为吊装的主起吊点。5.2.5 钢吊箱的支撑系统钢吊箱支撑体系沿承台四周各个桩基（大直径钻孔桩）全部布置，每个钢护筒设置两个牛腿焊接位置，每个位置处根据钢吊箱钢模和混凝土底板的自重计算牛腿的数量和焊缝长度。第一个位置设置在施工常水位以上50cm既可，如果钢护筒高度不足，可接长作为钢吊箱的水上拼装平台；第二个位置设置需根据承台底标高减去混凝土底板的厚度确定最终支撑平台的牛腿顶面标高，此处标高因位于施工常水位以下，故采用倒挂牛腿的结构形式，在钢护筒的上方（常水位以上）焊接，无需潜水员等人员操作，该平台作为钢吊箱下沉到位后的最终支撑平台。图5.2.5 混凝土底板钢吊箱断面图5.2.6 钢吊箱的下沉系统吊挂系统设于既有钻孔桩的钢护筒上，充分利用永久结构，方便承台施工，钢吊箱主承重梁一般可采用双拼I45工字钢（根据实际受力情况计算确定），沿桥横向护筒上平行布置2条，主梁在钢护筒两侧对称预留2个吊杆穿孔，穿孔间距需大于钢护筒的直径。主梁吊挂采用32mm精轧螺纹钢筋，扁担梁可采用双拼I25a工字钢（根据实际受力情况计算确定）。5.2.7 钢吊箱的安装1 混凝土底板的安装混凝土底板运至现场后，利用50t履带吊（预制板分节重量较轻）起吊、安装。安装时利用钢护筒作为导向系统，将其安放在钢护筒的临时支撑上，用钢筋焊接固定，然后根据桩中心位置调整每块混凝土底模的中心位置。采用同样的工艺安装另一块混凝土底模，当四块都安装完毕后，根据承台中心位置精确调整混凝土底模的中心位置，确保两者在误差允许范围内。2 拼装钢吊箱钢结构部分及下沉系统在施工过程中采用8根6m长的32精轧螺纹钢、扁担梁以及8个32t螺旋千斤顶作为整个钢吊箱的下沉系统。钢吊箱的下沉系统采用钢护筒搭设扁担梁吊装钢吊箱。在下沉过程中，2个千斤顶为一组，操作人员两人一组，在下沉过程中，设专人指挥，统一指令，确保同步下沉。图5.2.9 混凝土底板钢吊箱下沉系统5.2.8 封底混凝土的浇筑钢吊箱下沉到位后，首先封堵护筒和混凝土底板之间的缝隙，根据实际需要设立潮位观测桩，观测桩利用原有栈桥钢管桩，定时观测，及时汇总观测数据，并询问当地居民历年潮水涨落情况，参照当地潮汐表，制定钢吊箱下沉和混凝土浇注计划。封底混凝土采用水下C30早强混凝土，在浇筑过程中，须严格控制混凝土各点的分布厚度，确保封底混凝土的质量。在封底过程中，为了避免浇筑的混凝土被冲散以及稳定箱体的需要，在承台底标高上20cm处设平衡阀，封底时尽量选择潮位在平衡阀门以下的时段，如潮位增势过猛，可及时开启该平衡阀，让围堰外江水缓慢流入，平衡内外水差，保证混凝土上下水压一致，确保封底成功。5.2.9 承台施工封底成功结束两天后，在低潮位时，封堵平衡阀，然后边抽水边加设横向支撑，抽干