杭州湾跨海大桥南滩涂区承台钢吊箱围堰设计与施工.doc

杭州湾跨海大桥技术交流会交流材料之二杭州湾跨海大桥南滩涂区承台钢吊箱围堰设计与施工中铁四局 李学民 姚飞明 张万虎 （2005年8月5日） 摘要： 本文介绍了在杭州湾复杂恶劣的海洋环境中，根据承台的结构特点，利用钻孔桩钢护筒支撑和潮水涨落间隙，进行水中承台钢吊箱围堰的设计与施工技术。关键词: 杭州湾跨海大桥 南滩涂区承台 钢吊箱围堰 设计 施工1.工程概况1.1设计概况杭州湾跨海大桥起于嘉兴市乍浦工业园区，终于慈溪市庵东镇，全长35.7km，为跨越杭州湾天堑而设，大桥北接嘉兴、上海，南连宁波，辐射浙东和东南沿海经济发达地区。大桥的建成通车将形成上海、宁波、杭州三个中心城市集群的经济和交通金三角。杭州湾跨海大桥IX-A合同段工程由中铁四局集团承建，本合同段由主桥和栈桥两部分组成，主桥全长5.35km，由钻孔桩、承台及墩身组成,为107孔50m先简支后连续整孔箱梁结构.滩涂前沿段基础采用4-2.0m钻孔灌注桩，桩长100m，承台为圆形，直径为11.2m，厚度3m，滩涂中间段基础采用5-1.5m钻孔灌注桩，桩长8190m；承台直径为9.8m，厚度2.5m，桥墩为花瓶式矩形桥墩。 承台均设计为高桩承台，其底标高为-1.0(-0.5)m，低潮位为-2.1m左右，承台底露出水面。 承台结构图示 承台实物图1.2 水文地质状况1.2.1工程地质杭州湾大桥位于我国东中部沿海，大桥工程所处的杭州湾水域为世界三大著名的强潮海湾，潮差大，水流急，建设条件复杂。南岸滩地称为三北浅滩，滩涂极为宽阔、平缓，微向北倾，坡降0.50.6，滩宽约9km，滩面高程+2.0-3.0m，以淤长为主，表层的亚砂土厚1116m，该层土极易起动，流速达0.6m/s,即可流动，下伏40m左右的淤泥质亚粘土层。根据南岸滩涂区水文地质情况，考虑水深和流速因素，确定局部冲刷深度为35m。当滩涂面标高小于-1.0m时，局部冲刷为5m；当滩涂面标高在-1.00m时，局部冲刷为4m；当滩涂面标高在0m以上时，局部冲刷深度在3m。1.2.2海洋环境风速大，全年极大风速（8级）平均为11.1天，全年各月均有出现，夏季台风时有发生，平均2.56个/年。年波高0.5m的波浪出现频率为92.33%，但每年的79月，受月球引力的影响，波高可达2m以上，十年一遇波高可达3m以上。潮差幅度大。杭州湾属浅海半日潮海区，桥址区平均高潮位2.52m，平均低潮位-2.12m，平均潮差4.65m，最大潮差7.57m，涨落潮时的流速为3.55.16m/s。紊流。由于风、潮交互作用和杭州湾的特殊地形、地貌等诸多因素，造成滩涂区海水出现流向多变的紊流。2 承台施工方案比选南岸滩涂区承台处于滩涂区表层，其亚砂土厚度为1116m。杭州湾水域为半日潮，每天淹没承台有规律的两次，水位变化主要来自潮水的作用，大潮水流速度快，高潮位时水位较高，低潮位水位较低，间隔时间长，有利于承台施工作业。滩涂面河床标高随着向深海中推进，越来越低，同时由于潮水流速大，冲刷变得越来越严重，冲刷深度增大，滩涂面与承台底之间的距离变大，从而影响承台施工方案的选择。根据本工程的特点及桥址处地质状况,下面以直径11.2承台为例对单壁钢围堰、钢板桩围堰、钢吊箱围堰方案三种围护结构进行比选。2.1单壁钢围堰单壁钢围堰设计采用13.2m圆形结构，外壁为=8mm的钢板，横肋采用厚度为=10mm，宽度为200mm的钢板制作，L75×75×8角钢作为竖肋，横肋间距0.5m，竖肋间距0.45m。在围堰内侧每隔0.8m增设一道14槽钢作为环向加劲肋。围堰高12.5m，分三节，底节4.5m，其余两节为4.0m，每节间采用法兰连接，环向分四块加工制作。单壁钢围堰结构见下图 单壁钢围堰在工厂按钢结构标准进行加工制作，并经预拼、编号，检查合格后方可投入使用。围堰的组拼利用80t履带吊在作业平台上进行，拼装时需在刃脚底部安装临时支腿，起到稳定和承重的作用。围堰接高要求做到对接位置准确，上、下节之间法兰要连接紧密，做到不渗水。2.2、钢板桩围堰钢板桩围堰采用13.1m的圆形，采用拉森型，钢板桩内围囹及内支撑架为型钢结构，外导向环梁为12槽钢，与内围囹对应设置；内支撑架采用HN250*125型钢，共5根，施工时利用钢护筒将内支撑焊接在一起。钢板桩围堰结构示意图详见下图：钢板桩围堰由拉森钢板桩组成，施工时先利用5080t履带吊在工作平台上将钢板桩每3根为一组进行遍插，插桩竖直，分散偏差，有偏即纠，调整合拢，插打方向为自上游向合拢口进行，逐步分次振打至设计标高。根据墩址处滩涂面地质情况，封底厚度按1.0m计算,这样可以满足高潮位情况下承台的施工要求。混凝土浇注之前，对导管编号，按顺序依次进行，当导管首封完成后，继续均匀输送混凝土，通过布设的测点读取数值，有效控制封底混凝土浇注的全过程。2.3 钢吊箱围堰传统的钢吊箱围堰主要有吊箱侧模、吊箱底板、吊挂系统、下沉系统及支撑系统组成，本工程结合杭州湾特殊的水文地质环境，以及承台的结构特点，创造性地提出利用装配式砼底板施工钢吊箱围堰，无吊挂和下沉系统，从而最大限度的节省时间和节约成本。即采用牛腿支撑装配式砼底板将钢结构箱体固定在原钻孔桩施工时设置的钢护筒上，经过封底施工将吊箱底部的缝隙完全封住，从而形成一个隔水箱体，用以达到承台干施工的目的。钢吊箱围堰外形图钢吊箱围堰参数确定顶标高确定:十年一遇潮水位:+4.92m,浪高:0.6m顶标高=4.92+0.6=5.52m,顶面标高确定为+5.5m.底标高确定:钢吊箱落在砼底模顶面上，即钢吊箱底面标高与砼底模顶标高一致,钢吊箱底板标高=-1.50m,封底砼厚度0.50m 结构尺寸确定：钢吊箱高度拟确定为7.0m,围护结构同时作为承台模板,钢吊箱内径为=11.2m。钢吊箱围堰施工时，利用落潮时间在每个钻孔桩钢护筒周边人工焊接型钢牛腿，采用50-80t履带吊在工作平台上分块吊放安装25cm厚钢筋混凝土底板预制块，焊接好底板各块间的连接钢板，再利用履带吊在工作平台上将钢吊箱分节组拼成形，分节吊装在混凝土底板上，采用U型卡将吊箱底口法兰盘与混凝土底板卡固。围堰封底混凝土厚0.5m，在落潮时无水状态下浇注成形。2.4 方案比选名称内容单壁钢围堰钢板桩围堰钢吊箱围堰经济性均为加工件，周转性差,不经济为通用件，较经济为通用件，周转性好，较经济工艺难度常规施工方法可下沉打拔桩速度快，可确定入土深度，确保封底砼质量全新的施工工艺，有难度但工艺简单稳定性一般差好成本投入一套钢材88t，共计10套。一套钢材106t，共计10套。一套钢材40.13t，砼15.8m3，共计10套造价45 万元,10套合计450万元53万元，10套合计530万元20元，10套合计200万元回 收底节无法拆除，回收率低回收率高, 周转性好回收率高, 周转性好刚度、抗风浪潮冲击能力一般差强适用性施工周期长施工周期长施工周期较短封底形式砂石回填，工程量大砂石回填，工程量大装配式砼底板，无回填2.5 方案确定针对杭州湾海域风大、流急、冲刷严重、潮差大等特殊的施工环境，根据南岸滩涂区地貌及承台结构设计特点，通过上述多方面进行比较，钢吊箱围堰具有相当的可比性，实用性，经济性，安全性，因此杭州湾跨海大桥滩涂区承台施工宜采用钢吊箱围堰方案施工。同时结合杭州湾特殊的海洋环境，提出装配式砼吊箱底板的设计理念，是对传统钢吊箱围堰设计施工的一种开拓和创新，施工工艺简单，操作方便，节省时间，提高工效，节约成本。3钢吊箱围堰结构设计与施工3.1 围堰主体钢吊箱平面设计采用圆形，内部直径11.2m，高7.0m，分为三节加工，底节节高1.0m，第二节与顶节节高为3.0m，每节侧模按照圆周等分为四块。吊箱节块间设有法兰盘，采用22螺栓连接，并夹入橡胶条密封，以防渗水、漏水。侧模由3mm、5mm、18mm钢板焊接加工而成；侧模水平肋为圆弧形，采用8mm钢板制作，宽度20cm；竖肋采用=8mm钢板加工，宽度20cm；法兰盘采用18mm钢板。3.2 型钢牛腿采用钢板加工成三角形，沿圆周方向布置4组，每组由3块钢板组成；牛腿顶面用钢板封闭，圆弧状，宽度与每组牛腿顶面一致；每组牛腿3块钢板间用钢板水平连接，位置在牛腿定向下20cm处。牛腿平面图 装配式混凝土底板3.3 装配式砼底板承台钢吊箱底模采用分块装配式混凝土结构，砼标号为C30，厚度为25cm，直径为11.7m考虑到涨退潮时保持砼底模不受水的浮力作用，箱体内外水压相等，钢吊箱底模砼设有4个200mm的减压孔。经过结构受力分析底模需配筋，配筋采用16螺纹钢筋，两层网片，钢筋间距呈10*10cm正方形结构3.4连接系待砼底模接缝砼达到设计强度的90%时，利用退潮期间安装吊箱底节，安装时将吊箱底节4块分块运至现场，拼装成整体吊装，吊箱底节自重18t，回转半径8.7m，采用80t履带吊吊装；必须调整吊箱底节圆心的位置，使其与承台圆心一致；调整完毕后，将U型卡卡住吊箱底节底口法兰盘，沿砼底模圆周方向0.4m间距均匀布置，使吊箱底节与砼底模连接牢固，用沙浆填堵吊箱底节与预留槽间空隙；由于封底砼利用钢吊箱作施工模板，即其与承台直径相同，钢吊箱与砼无需采取止水处理，利用封底砼直接止水。钢吊箱底节安装就位后，采用型钢支撑在护筒顶口与钢吊箱形成顶部连接，采用型钢支撑在护筒底口以及底模预埋件上与钢吊箱形成底部连接。支撑1采用14a槽钢，上部与钢吊箱底节顶部满焊，下部利用2根40cm长14号槽钢（槽钢4）与钻孔桩钢护筒满焊在一起。钢吊箱底部采用18a（槽钢支撑2），一端满焊在钢护筒上，另一端与钢吊箱内壁挤贴紧密，每个护筒上焊接2块18a槽钢，长度现场量取；其余部分采用18a槽钢（槽钢支撑3）一端固定在混凝土底模预埋件上，另一端与钢吊箱内壁挤贴紧密。封底砼标号为C30，厚度为50cm，直径为11.2m（与承台直径一致），砼顶面标高-1.0m（与承台底标高一致），底面标高-1.5m。（见下图）。3.5 钢吊箱围堰结构分析杭州湾为世界三大强潮湾之一，其特殊的海洋环境决定了钢吊箱围堰的设计和施工难度比较大，施工中结合承台底随着潮水的涨落而淹没和暴露，我们创造性的提出了拼装式钢筋混凝土底板的钢吊箱围堰施工方案，转化了传统钢吊箱围堰施工的悬吊系统及水下混凝体封底受力复杂的工序，既节约成本，又成倍提高了工效。施工工作时段及设计受力状态，取以下三个最不利工况利用MIDAS软件进行分析： 工况1、封底砼浇注完低潮位时底板受力阶段 工况2、封堵减压孔后承台施工前最高潮位阶段工况3、承台浇筑完时最低潮位阶段围堰主体分析 工况一：钢吊箱就位后承台浇筑前，高潮位时的最不利工况。主要荷载有静水压力、流水压力、波浪力。经模拟计算，钢吊箱面板mas=127MPa，加劲肋mas=92.5MPa,均小于170MPa；钢吊箱整体变形最大位移10.8mm，结构是安全的。 工况二:承台浇筑完时最低潮位阶段的最不利工况.主要荷载有承台砼侧压力.钢吊箱面板=46.97MPa;钢吊箱加劲肋mas=49.3MPa;钢吊箱整体变形最大位移1mm.结构是安全的.围堰主体整体变形工况图,面板工况分析图 工况3、承台浇筑完时最低潮位阶段，在护筒周围全为固定铰，受力有底模与封底砼的自重与，底节钢吊箱自重产生的均布压力，承台自重产生的均布荷载 加载应力输出：4 承台施工钢吊箱围堰封底砼强度达到要求后即可在无水状态下进行承台施工。钢筋在加工场按设计图纸集中下料、焊接、汽车运输运到现场进行模内常规绑扎，其中墩身预埋的环氧涂层钢筋的涂层需力求无破损现象，否则应予修补。混凝土由混凝土搅拌站集中拌合,混凝土运输车运输至现场后,泵送浇筑，插入式橡胶带嘴型振捣器和附着式低频振动器配合振捣。振捣混凝土时，在插入式振捣器的金属振捣棒上外套以橡胶套或采用非金属振捣棒，尽量避免振捣棒与钢筋的直接碰撞。混凝土浇筑完成后覆盖、洒水养护，围堰不能立即拆除，等承台混凝土达到能抗腐蚀的强度要求后，才可拆除围堰，允许潮水浸泡承台。5、结束语杭州湾跨海大桥南滩涂区承台钢吊箱围堰设计施工方案通过近一年多的实践证明是科学的，有一定的先进性，具有较强的可操作性，工艺简单，操作方便，截至目前已累计完成50个承台，取得了较好的社会效应和经济效应，具有一定的推广价值。施工中从方案的摸索、分析、计算、评审，以及设计参数，施工工况，潮水位及冲刷参数的确定，创造性地提出了以装配式砼作底模的承台钢吊箱围堰施工方案，成功解决了钢吊箱围堰的设计、加工制作及安装等过程中的一系列技术难题，为同类大桥工程的建设，积累了一定的施工经验。