张仁尧
中交三航局厦门分公司 361006
摘要：随着我国基础设施的快速发展，目前我国桥梁数量逐年增加，为我国城市发展提供了良好的纽带，特别对于珠三角水域，水上桥梁随处可见。对于水上特大桥桥梁，钢套箱为承台施工提供了条件，针对不同的水域环境，如何设计一套合理的钢套箱并成功实施，是桥梁施工中的一项重大关键技术。本文以剑潭东江特大桥为例，就该桥主墩承台的钢套箱设计与施工进行研究，可为同类型承台施工提供借鉴。
关键词：大桥；柱墩钢套箱；设计；施工
一、工程概况
剑潭东江特大桥位于广东省惠州市区惠城区与博罗县交界处。在剑潭段跨东江河道，跨点位于东江水利枢纽上游约1.24km，距惠河高速公路桥约400m。剑潭东江特大桥为（136+260+136）矮塔斜拉桥，承台尺寸为35*23m。
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桥址区域属东江冲积平原及丘陵地貌，地势平坦开阔，地面标高多在-3~72m之间。两侧桥台位于低丘丘坡上，地势起伏较大，自然坡度为15~40°，植被发育，多为杂草和灌木。
东江流域属亚热带气候，降雨以锋面雨为主，多发生在4~6月份；其次是台风雨，多发生在7~9月份。桥址处，设计水位H1%=+16.26m，施工水位H10%=+13.177m。拟建大桥位于东江水利枢纽回水区内（正常蓄水位11.244m），水深条件较好，水流平稳，风浪较小。2016年06月13日，评价单位对大桥轴线上下游2km区间内进行了流迹线观测，流速始测水位为11.35m，终测水位为11.36m，最大流速为0.24m/s，最小流速为0.09m/s，最大横向流速为0.06m/s，桥轴线法线方向与水流流向交角约15°。
二、重难点分析
结合剑潭东江特大桥特点及周边环境，该承台钢套箱的施工难点，主要存在以下几个方面：
1、套箱的选型
当前针对承台套箱，存在几种形式，如有底钢套箱，无底钢套箱，其中有底钢套箱，又可分为临时性有底钢套箱或永久性有底钢套箱两种。结合本工程的特点，拟定选用无底钢套箱结构，采用混凝土进行封底。
2、套箱的设计
套箱确保承台施工质量的关键临时结构，在承台施工过程中，承受施工期间的各种施工荷载及外界荷载，因此套箱设计必须确保足够，为此选用双壁钢结构形式。
3、套箱的制作安装
钢结构制安质量是影响承台砼结构质量的关键，因为需对制安各道质量关键工序做好把控。
三、钢套箱设计
1、钢套箱介绍
该工程采用双壁钢围堰，围堰分为4块，2块顺桥向、2块横桥向。为调整围堰浮运和下沉时的姿态，对围堰进行分仓。围堰内设3层内支撑，其中第三层内支撑兼钻孔平台承重底篮。
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2、钢套箱设计参数
（1）围堰外轮廓尺寸： 40.4m(顺桥向)×28.4m(横桥向)×17.114m(高)，围堰壁板厚1.2m，围堰底高程-1.937m（底板底高程），围堰顶高程+15.177m。承台底高程+0.063m，承台顶高程+6.063m，承台混凝土分两次浇注，从下往上各层浇注高度为3.5m、2.5m。
（2）封底混凝土厚2.0m，采用C30水下混凝土。
（3） 作业平台自重及施工荷载重：273.62t（作业平台）+170t（施工荷载）=443.62t。
（4）围堰自重：约603t。
（5）钢材力学性能：
Q345：允许抗拉、抗压和抗弯应力[σ]=200MPa；
工厂贴角焊缝抗剪[τ]=120 MPa；
工地手工焊缝抗剪[τ]=100 MPa；
型钢Q235：允许抗拉、抗压和抗弯应力：[σ]=120MPa；
允许抗剪应力：[τ]=80 MPa
（6）封底混凝土力学性能：
弯曲拉应力：[σt]=0.7MPa，封底混凝土粘结力：[τ]=18t/m2
3、主要施工步骤及计算内容
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4、围堰结构计算
4.1 围堰浮运工况
假定下水时，倾角为5%，且6级风吹向河侧。抗倾覆系数K=10.1>1.5,抗倾覆满足要求。
吃水深度，经计算为3.77m。水位孔高为13m，高于吃水深度，所以河水不会进入壁体。
4.2围堰下沉工况
4.2.1 水位孔高度计算
钢套箱注水下沉时，由于水位孔位于常水位以下位置，壁体内水位与河水位相同。
4.2.2 壁板受力计算
围堰下沉到位、且水位最高，假定水位高程为+15.153m时最不利。
1）面板计算
围堰下沉到位、且水位最高，假定水位高程为+15.153m。对于壁板的面板，假定水位高度为钢箱梁顶面，即高程+15.153m处，水深为17.114m。取高程为+0.063米位置。此处水的深度为h=15.09m，面板内为7.5角钢，与面板组成槽钢进行结构受力。按五跨连续梁进行计算，面板应力为59.95MPa<120Mpa，满足要求
2） [8计算
对于角钢与面板组合而成的[8，分别取水深为7.09m，9.49m，12.69m，14.39m四个位置进行计算。为简化计算，将模型简化为五跨连续梁进行计算。
1.水深7.09m位置处，应力为153.4Mpa，满足要求。
2.水深9.49m位置处，应力为106.72Mpa，满足要求。
3.水深12.69m位置处，应力为99.08Mpa，满足要求。
4.水深14.39m位置处，应力为61.17pa，满足要求。
3）横肋计算
对于横肋，取水深12.69m和14.39米两处进行计算。由于对面板的密集加劲，偏安全考虑取有效宽度为跨径的一半，分别为350mm和500mm，按简支梁进行计算；
1.水深12.69米，应力为80.97Mpa，满足要求。
2.水深14.39米，应力为91.68Mpa，满足要求。
4）竖肋计算
对于竖肋，取面板中部，水深10.69m至15.09m区段，与水深4.59m至10.69m两段进行计算；简化为简支梁进行计算；
1.水深4.59m至10.69m，，应力为128.40Mpa，满足要求。
2.水深10.69m至15.09m，应力为153Mpa，满足要求。
5）底板验算
由于钢箱梁浮运过程中内部中空，故进行底板受力验算; ，应力为30.32Mpa，满足要求。
6）内支撑计算
对于内支撑，任取水深4.59m、10.69m处一个内支撑，将面板所受压强平均给各个内支撑，则单一内支撑所受压强面积分别为与，单一钢管的受压面积分别为0.003m2、0.037m2；
1.水深4.59m处，应力为53.15Mpa，满足要求。
2.水深10.39m处，应力为86.58Mpa，满足要求。
4.2.3 抗滑移验算
抗滑移验算分为三个水位进行验算，即常水位+11.00m、施工水位+13.177m和理论最高水位钢套箱顶高程+15.117m，水流一般冲刷线取+1.08m；
1）水位为常水位高程+11.00m时，抗滑移系数为1.67>1.3，满足要求。
2）水位为施工水位+13.177m时，抗滑移系数为1.88>1.3，满足要求。
3）水位为钢套箱顶高程+15.117m时，抗滑移系数为2.13>1.3，满足要求。
4.3 围堰封底
4.3.1 地基承载力验算
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4.4抽水工况
4.4.1 封底混凝土厚度验算
水压强对封底混凝土底部产生的应力，计算为0.97MPa<2.01Mpa,满足要求。
4.4.2 抗浮验算
水压强对封底混凝土底部产生的抗浮力，计算为1783926KN>16908632kN，满足抗浮要求。
4.5 拆除第一层内支撑
1）竖肋计算，应力为149.45Mpa，满足要求。
2）内支撑计算，应力为74.02Mpa，满足要求。
4.6转换第二层内支撑
1）竖肋计算，应力为123.98Mpa，满足要求。
2）内支撑计算，应力为103.38Mpa，满足要求。
4.7转换第三层内支撑
对于第三层内支撑，仅需验算其竖向钢管承受压强；施工期间，不再允许大型车辆上作业平台，取施工荷载为3.5kN/m2;每根竖向钢管承受6m×3.5m范围内的施工荷载；每根竖向钢管所承受的压强为9.93Mpa，满足要求。
四、钢套箱制安及拆除关键技术
1、钢套箱制安
经综合比较，3、4号主墩基础施工选择无底双壁钢套箱围堰工艺，既能为承台提供了干施工条件，又能作为桩基、墩柱、主塔的作业平台。
1.1.1 施工方法
(1) 钢套箱设计
钢套箱外尺寸为28.4×40.4m，内腔尺寸为26×38m，壁厚1.2m。钢套箱由壁体及内撑两大部分组成。壁体主要由面板、分仓板、横肋、竖肋构成，通过分仓板将钢套箱平均分成互不相通的隔仓，以便注水下沉时调整钢套箱的重心及竖直状态。内支撑布设3层，用型钢构成平面框架，与钢套箱一起形成稳定结构体系。
3、4号墩作业平台均利用钢套箱的第三层内支撑作为承重梁。
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(2) 钢套箱加工
钢套箱分节、分块在工厂加工，单片重量控制在20T以内，采用流水作业组织生产，每片钢套箱均在特制的平台和模具上组装焊接成型。每节钢套箱加工完成后，均进行该节钢套箱整体试拼工作，以检验钢套箱加工误差和加工质量。检验合格后，用车分批运输至现场拼装。
(3) 钢套箱拼装
钢套箱拟选在4号主墩上游的约100m处的河滩上进行现场拼装。对所选河滩进行整平硬化处理后，架设钢套箱拼装平台。钢套箱拼装场的地理位置如下图所示：
100T履带吊进行吊装焊接，逐块逐节拼装，直至的壁体拼装完成，最后进行内支撑安装。
(4) 钢套箱下水、浮运
钢围堰由两排气囊组（单个气囊直径1.5m，长度12m）承托在坡道上滚动前进，要求下水坡道平顺、坡度变化均缓、无横坡，坡道宽度约35m（大于围堰宽度28.4m），坡道应进行基础换填和硬化；在气囊充气前，需布置好地锚及后拉索，以免钢围堰顶起后向前滑移导致支墩倾覆。当钢围堰与支墩分离后，拆除支墩，并将支承点等各处清理干净，以免妨碍气囊滚动或损伤气囊；在钢托板边缘处将钢板向上折弯倒圆，以免损伤气囊，在钢托板前端（接续气囊喂入端）设置过渡板，方便气囊喂入。在钢托板后端设置过渡板，以免气囊被挤出时突然弹出，过渡板倾角约20°。
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(5) 钢套箱安装
基坑采用碎石整平，整体进行粗平，钢套箱壁体每边各加2.0m范围要进行极细平。钢套箱安装前，需重新检查基床平整度。
钢套箱安装采用RTK定位测量，指挥起重船移船位，使钢套箱移至安装点上，注水下沉，当钢套箱沉至距基床顶30~50cm时，停止注水。
重新测量钢套箱位置，通过起重船上的锚缆调整钢套箱位置，起重船保持100T吊力，继续注水下沉，边监测边调整钢套箱位置。
钢套箱底沉至距基床顶20~30cm时，停止注水，再次测量定位，然后起重船松钩，使钢套箱坐落在基床顶上。测量检查钢套箱的平面位置。如不合格，起重船慢慢起钩，让钢箱离开基床顶20cm，再重新安装至合格。
钢套箱安装好后，继续向壁内注水，直至注满，注水过程监测钢套箱位置。钢套箱稳定后，抛锚固定并打开水位孔。
在钢套箱顶部四个角设置沉降、位移观测点，定期进行沉降、位移观测。同时在钢套箱外角点设置防撞设施（如浮标及夜灯）以防船舶撞击。
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1.1.2 施工要点
(1) 钢套箱各模块在设计时应有足够的强度、刚度，在组装成整体后要确保其稳定性。结构表面外露的模板，挠度为模板构件跨度的1/400，结构表面隐蔽的模板，挠度为模板构件跨度的1/250，钢模板的面板变形最大不超过1.5mm，钢模板的风棱、柱箍变形允许为3.0mm。
(2) 钢套箱必须严格按设计图纸进行加工，焊接要牢靠，所用钢材必须由供应商提供合格证明及有关技术文件。
(3) 钢材下料前必须进行放样，放样应在电脑上进行，依次放出构件各节点的实样，形成电子版本，并集中进行套料，构件下料尺寸应以放样为准。
(4) 为了消除切割后钢材硬化或产生淬硬层，以保证构件连接接触严密、平整和其焊接坡口的加工质量，需要对切割后钢材的边缘进行加工，以确保加工的精度。
(5) 边缘加工的宽度、长度、边直线度、相邻两边夹角、加工面垂直度以及加工面表面粗糙度都必须符合规范的规定。
(6) 钢结构制作工艺中矫正是关键的工序，是确保钢结构制作质量重要环节。对于各种型材，如变形超标，下料前应以矫正。
(7) 钢套箱的内、外壁板对焊接缝必须进行煤油渗透试验，渗漏处必须补焊。施焊成型后，需逐节检查焊接质量并做水密性试验后方可下水。
(8) 钢套箱下水浮运时，需要打开联通孔，封闭块4外侧水位孔。
2、钢套箱拆除
钢套箱切割线标高为11.50m（正常蓄水位11.244m），水面以上部分采用火焰切割，水下部分采用氧弧切割。
2.1.1施工方法
（1）水面以上拆除
根据钢套箱的结构确定如何分块，水平切割位置原则上以每个节段接缝为准。钢套箱分块重量不得超过15T，每块钢套箱设置4个吊点，在钢套箱内外壁板上开孔作为吊点。
（2）水面以下拆除
向钢套箱内注水，使其与围堰外水位一致。根据钢套箱的结构确定如何分块。水平切割位置原则上以每个节段接缝为准。钢套箱分块重量不得超过15T，每块钢套箱设置4个吊点，在钢套箱内外壁板上开孔作为吊点。切割顺序为从下游向上游切割，这样可以防止水流冲击下钢套箱错位造成的安全隐患。
2.1.2施工要点
（1）潜水员下水前，在钢套箱壁板上做好分块切割标志线。
（2）水下切割施工期间，应防止船只和较大漂流物直接撞击钢套箱，钢套箱周围做好防护标志和防护措施。
（3）潜水员水下作业时，严禁在其作业范围内进行水面作业，严禁重物掉入水中。
（4）钢套箱解体起吊时，必须保证潜水员已经停止水中作业。
（5）潜水员在出水前对本次切割进行检查，确保全部切断。
（6）钢套箱起吊前，潜水员必须上浮到工作船上。起吊作业时遵照起吊安全规则进行。
五、结论
通过本文的研究，结合该区域的水文地质情况，对该桥梁的主墩钢套箱进行合理的设计，并指定可行性的施工方案研究，对本工程承台施工奠定了良好的基础，并确保了工程质量和工期，具有一定经济价值和创新之处。
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