1、老桥下水中承台施工技术方案探索老桥下水中承台施工技术方案探索魏星,赵留芳,王平,孟瑞(江苏省交通工程集团有限公司南京分公司,南京21l500)摘要:水中承台施工采用钢套箱是一种常规施工方法,但是在净空狭小的老桥下承台施工采用钢套箱则比较少见.以某市某路快速化改造工程项目为例,介绍老桥下狭小净空内铜套箱的设计及施工,对低净空下钢套箱分节位置选取,受力计算,拼装,下沉,混凝土封底等施工难题进行探索,供类似工程参考.关键词:老桥下;小净空;承台施工;技术方案探索文章编号:10096477(2010)06005905中图分类号:U445.4文献标识码:BDiscussiononTechnicalPla2、nsforConstructionofUnderwaterPlatf0rmsunderOldBridgesWEIXing,ZHAOLiufang,WANGPing,MENGRui1工程概况某市某路快速化改建丁程为一个城市新建高架桥,主桥为45ITI+75Ill+45in变截面预应力混凝土连续刚构,双向4车道,全长649.38m,跨越原有老桥,是典型的桥上桥.原有老桥为3跨40m刚架拱桥,分为3幅,其中中间一幅宽5.2133老桥需拆除,剩余两边2幅留用.新建桥6,7号主墩基础为6根直径1.5in的钻孔灌注桩,每幅老桥下各有2根;主墩承台为10.5mx8.5mX3m,位于老桥的2个边跨,底标高3.3、0Ill,常水位7.3m,桥下最小净空仅为3.0nl.由于桥下净空狭小,桥上交通量巨大,施上组织异常困难.2施工方案构想本桥施工最大难点为主墩的桩基和承台,经多方论证,桩基已找到最佳施工方案.对于承台施工构想如下:一是采用钢板桩围堰法,因为老桥下净空狭小无法实施;二是采用人T构筑物围堰法,因为老桥的中孔为航道,承台位置河床地面坡度很陡且水又较深,支护问题很难解决;三是采用钢套箱法,基本可行,但又受净空限制,必须要分节,因此需解决如何拼装,下沉等相关施工难题.本文就该特殊情况下套箱施工技术方案进行探讨,提出相关解决办法,确保工程顺利进行.3施工方法和要求收稿日期:20100508作者简介:魏星(4、1976一),男,江苏省沭阳县人,本科,T程师3.1设计条件3.1.1工况条件对钢套箱围堰施工时受力状态可按以下工况进行分析:拼装下沉阶段,封底混凝土施工阶段,抽水后承台施工阶段.3.1.2水位条件根据现场水位观察结果,分析水文资料,确定钢套箱顶标高为+7.8Ill.3.1.3结构设计综合各工况及水位条件,确定:承台长宽厚=10.51TI6.5133X3In;套箱围堰内部净尺寸为6.0m;钢套箱每侧留11TI作为承台装模工作空间和套箱安装的偏位空间;钢套箱侧板底面设计标高1.8133;承台混凝土底标高3.0m;封底混凝土底标高1.8Ill,封底混凝土厚1.2m,内支撑2道标高分别为+6.7,+5、4.81TI.主墩钢套箱围堰设计示意见图1.3.2钢套箱设计思路及组成因套箱体积较大,且施工现场又受净空限制,故钢套箱设计,制作,安装采用分解成8片组件在现场拼装一逐步整体下沉的思路.根据钢套箱使用功能,将其分为侧板,封底混凝土,内支撑共3大部分.其中,侧板,封底混凝土是钢套箱围堰的主要阻水结构.根据钢套箱设计条件和经验,侧板选用单壁钢结构.3.3钢套箱构造考虑到钢套箱的安装和运输方便,将长向单边60公路交通技术2010丘施注:1.A为套箱顶;B为第l道内支撑中心;C为施工时水面标高;D为河床顶;E为套箱底;F为第2道内支撑中心;G为第2道内支撑的牛腿下支点;H为封底混凝土顶;I为第2道内支撑6、的牛腿下支点,下同.2.单位:cm.图1主墩钢套箱围堰设计示意设计为1大块组件,短向单边设计为1大块组件;竖向分2层,每层高3m,其长向单边每大块组件尺寸为l2.5m3m,其短向单边每大块组件尺寸为8.5rn3m,块与块之间采用双拼20a槽钢加16mm螺栓连接,用1cm厚膨胀橡胶带止水.为方便以后拆除,所有连接螺栓均设在外侧.3.3.1钢套箱侧板钢套箱侧板尺寸为长边l2.5m31TI,短边8.5m3nl.面板为6mm钢板,竖向背楞立柱均为20a,间距500mm;横肋为8a,间距0.5m.块与块之间的连接为角钢160mm160mm12mm(钻18mm螺栓孔,间距200250ram).采取钻孔加螺7、栓或焊接将上下层竖肋链接形成整体.钢套箱总重36.07t.3.3.2钢套箱内支撑内支撑由内圈梁,内斜撑,水平支承3部分组成.所有杆件均为焊接.内圈梁:内圈梁设2层,设在钢套箱侧板的内侧,标高分别为+6.7,+4.8m.上层内支撑由双拼工字钢125组成的水平环,下层采用三拼工字钢145a组成的水平环安装在侧板内壁牛腿上.内斜撑:为避开钢护筒和以后绑扎承台钢筋需要,把部分水平撑水平撑杆改为内八字撑,内斜撑设的位置同内圈梁.由单根工字钢I25或145a组成的内斜撑安装在侧板内圈梁内壁和水平撑杆上.水平撑杆:第1道水平撑杆设在长边的正中间,水平撑杆设置位置同内圈梁.单根工字钢I25组成的水平撑杆安装在8、侧板2根内圈梁内壁上.第2道水平撑杆因影响承台施工不设.3.4钢套箱设计计算荷载取值依据:考虑钢套箱围堰设计荷载组合.水平荷载=静水压力+风力+其他.竖直荷载GJ=钢套箱自重+封底混凝土重+浮力+其他施工荷载.其中,单位面积上的静水压力按10kN/m计,水压随高度按线性分布,风速很小,可忽略;封底混凝土容重为24kN/m;水的浮力为10kN/m.综合工况条件分析和计算内容,对钢套箱各部分取最不利受力工况进行计算.1)工况1:主墩承台钢套箱围堰抽水施工第2道内支撑时且第2道围囹未上前的安全验算.该工况下横向加劲肋不需验算,只需对竖向加劲肋进行安全验算.实际施工时水需抽至标高为4.3m位置(图1)9、,此位置受力简图见图2.注:1.q为施1二时水需抽至标高为4.3m时竖向加劲肋的荷载,下同.2.单位:cm.图2工况1受力简图通过受力分析,最不利位置最大弯矩=19.882kN?m,截面抵抗矩W=178cm.:1.7810m.,应力1=W=112MPa<ty=145MPa,这是Jrr.J02586公路桥涵钢结构及木结构设计规范规定的钢材容许应力,显然竖向加劲肋强度能满足要求.2)工况2:主墩承台钢套箱围堰抽水加内支撑至承台混凝土浇筑前的安全验算.(1)面板强度,竖向加劲肋20a槽钢,横向加劲肋8a槽钢强度验算.面板按四周固定的弹性双向板计算,板厚6mm,每块板为50Clll50cm,根据10、路桥施工计算手册,应力=MW=692.55/6=115.4MPa,小于JTJ02586规定值145MPa,可满足规范规定要求.挠度验算.构件冈0度B0=Eh3/12/(11,)=2.11063/12/(10.3)=41.5410N?mm.式中,E为钢材弹性模量,取2.1105MPa;h为钢板厚度,mm;为钢板泊松系数,取值0.3.板的挠度=ql4/B0=0.001270.0542010年第6期魏星,等:老桥下水中承台施工技术方案探索D点F点B点c点单位:t2m图3工况2竖向加劲肋受力简图q.=(21+12)/2=16.5kN/ml8O单位:P,m图4工况2最不利竖向加劲肋受力简图5001/4111、.54/100000=1.03mm.60=1.03<l/250=500/250=2,满足JTJ02586规范要求.式中,为挠度计算系数;q为荷载,N/m;为构件长度,mm.竖向加劲肋计算,采用20a槽钢,间距0.5in,按连续梁计算,则D点荷载qo=420.5=21kN/m,F点荷载qF=240.5=12kN/m,点荷载qB=50.5=2.5kN/m.竖向加劲肋受力简图见图3.验算最不利即最底下180em跨径的竖向加劲肋简化受力,见图4.该段构件平均受力荷载q=16.5kN/m=16500N/m,长度L=1.8nl,截面抵抗矩W=178em=1.7810nl(查路桥施工计算手册型热轧普通12、槽钢截面特l生表所得),最不利弯矩M一=ll8qF=0.125165001.86682.5N?no_,最大应力=W=37.54MPa<=145MPa,最大挠度=5ql!/384EiI=516500x1.8/384/2.1/100000/1000000/1780.4100000000=0.0006in,小于3mm(JTJ02586规范规定容许挠度),故满足要求.式中,为截面惯性矩,查路桥施工计算手册型热轧普通槽钢截面特性表所得.in,横向加劲肋计算,采用【8槽钢,问距0.5跨径0.5in,按简支梁计算.计算最下面1根槽钢荷载q=(7.21.8)100.5=27kN/m=27000N/m.横13、向加劲肋受力见图5.构件长度L=0.5nl,截面抵抗矩W=25.3em=2.5310ITI,最不利弯矩=1/8qF:0.125270000.52=843.75N?in.50单位:cm图5横向加劲肋受力简图最大应力=M/W=33.35MPa<fol=145MPa,最大挠度.=5q11/384/E/I=5270000.54/384/2.1/100000/1000OO0/101.3100000000=0.0001in,小于3mm(JTJ02586规范规定容许挠度),故面板强度,竖,横向加劲肋强度和挠度能满足规范规定要求.(2)围囹及其内支撑计算.以第2道围囹为例.采用I45a三拼工字钢,取每114、11工字钢作为计算单元,荷载q=100.51=5kN/m.短边最长一段简支梁双拼工字钢受力验算:长度L=4.145ITI,截面抵抗矩W2401.4=802.8em,弯矩M=l/8q/2=0.12550004.145=10738N?in,最大应力=M/W:13.38MPa<o-=145MPa,满足规范要求(JTJ02586规定值为145MPa).中间支撑工字钢的验算,其简化结构为框架结构,见图6.依据力矩平衡原理,得N6.25=6.255q=5kN/m2604136459单位:em图6中间支撑工字钢受力简图6.25/24-4.2554.25/2,计算N=22.85kN,则压应力=N/A=215、2.851000/(48.5110)=4.7MPa<o-=145MPa,满足规范要求(JTJ02586规定值为145MPa).式中,为轴向压力;A为构件截面面积.(3)抗浮力计算.钢套箱内抽完水后至浇筑承台混凝土前整个阶段,必须满足钢套箱自重+封162公路交通技术2010丘底混凝土自重+粘结力>浮力.根据抽干水后钢套箱所承受的浮托力进行估算(不考虑封底混凝土与土地基的粘结力和内支撑重量,可作安全储备),Q+h(A+,zrrDR)kyHA,即36.0710+h(24106.25+6X3.142100)1.210(7:21.8)106.25.式中,Q为钢套箱总重;h为封底混凝土厚度,取16、1.2m;7c为封底混凝土容重;A为围堰净面积;,z为桩基数量;D为桩基外径;rl为钢护筒与封底混凝土的容许粘结力;为水容重;k为安全系数;H为钢套箱内外水头差.3.5套箱制作,拼装,下沉3.5.1套箱制作钢套箱在工厂加工完成后用汽车运至现场进行试拼并编号,以避免使用时错号组拼产生过大的拼装误差.在接近施工现场的位置进行拼装.钢套箱内,外壁涂刷底漆(防锈漆)2道,面漆1道.3.5.2钢套箱拼装,下沉1)基坑开挖.采用专用于河道清淤的水下水枪并配合空压机和吸泥管来清理河床,开挖时清低一点,以确保封底混凝土的厚度.对钢护筒周边死角处派潜水员进行清理后再挖除,经测量确认标高到位后再进行下一道工序施工17、.2)套箱拼装及下沉.步骤1:拼装前采用I25a工字钢在下层钢套箱沿侧板内侧焊接设置1道临时内支撑(标高设置为+3.5m,即距顶1.3m),要求工字钢平放并与钢套箱面板焊接牢固,且上下都设牛腿固定,顶部牛腿间距不大于1.5m.步骤2:利用12个5t手拉葫芦将各块侧板悬吊固定于老桥上(吊点位置按侧板尺寸均分选取),每块侧板用80t施工船运送至现场,然后用手拉葫芦吊起,空中拼装成下层钢套箱;在临时支撑上纵桥向方向设置6道125a工字钢,用6个10t葫芦和钢丝绳与下层钢套箱临时内支撑上12个吊点连接,作为安全保险装置.共同用l8个葫芦缓缓下沉下层钢套箱,沉至该节套箱顶露出水面30cm位置后暂停.步骤18、3:用水平仪在每个钢护筒上标出+7.2m标高线,然后割除钢护筒顶部分使其形成一个水平面,在钢护筒上架设2层125a工字钢,并与护筒焊接牢靠,作为固定下层钢套箱的悬吊支架,在下层钢套箱顶面内侧设置挂点,用6个10t葫芦将原侧板悬吊转换到护筒上悬吊.步骤4:利用固定于老桥上12个5t手拉葫芦和施工船拼装上层钢套箱.拼装完成后,将钢护简上2层10个挂点松开,利用12个5t手拉葫芦和6个临时内支撑上的10t手拉葫芦缓缓将钢套箱降到设计点位后,再全部松开.组织18个人一起操作5t和10t手拉葫芦,同步下放钢套箱,为防止下放失控应注意控制下放速度在10cm/min左右.步骤5:钢套箱着床后为防止受水流压力19、的作用向下游漂移,应立即在钢套箱侧板内壁与钢护筒之间设置定位支撑系统.3.5.3水下封底混凝土浇筑1)钢套箱下放到位后,检查着床情况,如果其四周与河床有间隙,立即在钢套箱外侧抛填沙包,以防止封底混凝土泄漏导致封底失败.2)派潜水员将桩基钢护简周围的泥土和钢套箱内侧用钢丝刷等_T具清洗干净,同时用水下水枪将套箱内侧基坑整平.套箱内局部河床面如出现积淤现象,应及时采用空压机和吸泥管进行清淤,以保证封底混凝土质量.3)利用套箱顶面平台架设浇筑水下封底混凝土的平台与导管.每个墩的封底采用C25混凝土,数量约为127.5m.,厚1.2m,封底净面积106.25m.导管用直径为250mm的钢管制作,内壁表20、面应光滑并有足够的强度和刚度,布置时应使各导管的浇筑面积相互覆盖,按每根导管作用半径计算,本套箱需布置12根浇筑封底混凝土导管.4)水下封底混凝土浇筑顺序.封底混凝土浇筑顺序是从围堰内的下游开始到上游结束.浇筑前对所有机具,材料,混凝土配合比及施工布置情况进行全面细致的检查,保证施工机械在灌注桩过程中不发生故障;采用C25水下混凝土,塌落度控制在1820cm,同时在混凝土中掺入0.015%(水泥重)铝粉,以保证混凝土和钢套箱紧密结合.每根导管首批混凝土的储存方量应使首次灌注的混凝土能满足导管的初次埋深.封底时,每根导管依次灌注,初次浇筑混凝土时导管口比河床底提高1520cm为宜,每次下料间隔应21、不超过1h,以确保下料流畅.浇筑过程中应随时观测封底混凝土面标高(可在测绳头上固定一块1002010年第6期魏星,等:老桥下水中承台施工技术方案探索63mmX100mmX5mm钢板作为丈量使用).实际浇筑高度应比承台底设计标高低10cm,预留作为承台底排水隔离层用的空问.浇筑到位后再逐排吊拔导管沿套箱向另一侧移动直至封底结束.5)为保证封底混凝土养护期间套箱内外水压平衡,预先在水面以上约20em处预留2个0cm洞口以自动调节水位变化,同时在钢套箱内外各挂2台25m的潜水泵,以防止钢套箱外水头高度超过自动调节范围.3.5.4内支撑安装和抽水待水下混凝土达到设计强度后,将洞口封堵,开始抽水安装支撑22、.内支撑共分成2道,逐道加固时,需将套箱内水位控制在该道内支撑以下约50cm内;待本道加固完成并经验收合格后,再抽水加固第2道内支撑;待所有内支撑加固完后,用大功率水泵抽水,边抽水边观测套箱,发现异常及时从外向里回水,无异常可连续抽水,直至抽完为I匕4承台施工待封底混凝土达到一定强度后,抽水并清理封底混凝土面上的杂物,破桩头,桩基检测并拆除临时内支撑.按常规方法进行承台钢筋绑扎,立模,混凝土采用泵送,分层浇筑,一次成型.5结语水中承台施工采用钢套箱是一种常规施工方(上接第58页)以上研究结论,可为类似工程提供参考.参考文献1陈伟,李明.桥梁施工临时结构设计【M.北京:中国铁道出版社,2002.23、【2】沈世钊,徐崇宝,赵臣,等.悬索结构设计M】.北京:中国建筑工业出版社,2006.3】3胡建华.现代自锚式悬索桥理论与应用M】.北京:人民交通出版社,2008.【4】吴恒立.悬索与吊桥及薄壁杆件理论【M.重庆:重庆大学出版社,1992.【5】湖南省建筑工程集团总公司.四川广安奎阁渠江大桥工法,但是在低净空的老桥下采用钢套箱施工则比较少见.本文对低净空老桥下承台施工钢套箱设计,运输,拼装,下沉,封底等问题进行了有益探索,可为类似工程提供参考.参考文献1】周水兴,何兆益,邹毅松,等.路桥施工计算手册【M】.北京:人民交通出版社,2001.2】董广文.南京大胜关长江大桥主桥8号墩钢吊箱围堰封底施24、工fJ1.桥梁建设,2009(1):13.3】3丁玉春.申张大桥8号墩钢围堰施工J1.交通科技,2002(9):4145.【4】杨文渊.桥梁施工_T二程师手册【M.北京:人民交通出版社.1997.【5】路桥集团第一公路二r程局.JrrJ041-2000公路桥涵施T技术规范【S.北京:人民交通出版社,2000.61中交公路规戈q设计院.JTGD62-2004公路钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土桥涵设计技术规范1.北京:人民交通出版社,2004.【7J交通部公路规划设计院.JTJ02586公路桥涵钢结构及木结构设计规范S.北京:人民交通出版社,1986.【8】宋伟俊,文武松,连泽平,等.南京大胜关长江25、大桥主墩深水基础施工技术J1.桥梁建设,2008(4):1519.9J建筑施T手册编写组.建筑施工手册【M.北京:建筑工业出版社,1999.10姚玲森.桥梁程【M.北京:人民交通出版社,1990.【11】凌治平.基础工程MJ.北京:人民交通出版社,1993.程吊装工程施1-方案(2009)Z1.湖南:湖南省建筑工程集团总公司,2009.6刘兴臣.大跨度钢筋混凝土箱形拱桥缆索吊装系统的检验J.岩土力学,2008(增1):3233.【7】陈保春.钢管混凝土拱桥设计与施M1.北京:人民交通出版社,1999.【8】潘寿东.钢管混凝土拱桥钢管拱肋无塔架缆索吊装施下技术fJ1.西部探矿工程,2004,16(7):191-193.I91刘映种,张挺,傅字文.无支架缆索吊装钢管桁架拱肋的施TJl_公路交通技术,2002(9):5557.10】袁海庆,范剑锋,范小春.钢管混凝土拱桥拱肋吊装过程的线形优化方法fJ1.武汉理工大学,2002,24(2):32.