5无底钢套箱围堰施工工艺工法.docx
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5无底钢套箱围堰施工工艺工法
无底钢套箱围堰施工工艺
（QB/ZTYJGYGF-QL-0205-2011）
桥梁工程廖文华涛
1前言
1.1工艺工法概况
桥梁深水基础的施工，施工技术各有差异，且各具特色。
无底钢套箱在深水低承台桩基础的施工中，得到了广泛的应用。
1.2工艺原理
无底钢套箱相对有底钢套箱而言，去掉了底板系统，钢套箱侧面壁板直接插入河床，并通过吸泥下沉至设计标高，浇筑封底混凝土后，使嵌入河床的钢套箱与河床、共同组成封闭的临时隔水结构。
2工艺工法特点
2.1无底钢套箱一般用于低桩承台施工，此时水中钻孔桩施工已经完成，可利用钻孔工作平台及钢护筒为无底钢套箱施工提供作业平台。
2.2其结构构造简单，下沉施工干扰小，封底混凝土直接与河床接触，套箱竖向受力小，壁板重复利用率高。
2.3无底钢套箱下沉定位难度大，封底混凝土易漏失，数量不确定，套箱围堰需着床，对河床表面的地质情况及大面平整要求较高。
3适用围
无底钢套箱适用于水深10m以，河床易清淤吸泥，河床覆盖软弱层较薄的低桩承台的施工。
4主要技术标准
《铁路桥涵地基和基础设计规》（TB10002.5）
《铁路桥涵工程施工质量验收标准》（TB10415）
《铁路桥涵施工规》（TB10203）
《铁路桥涵设计基本规》（TB10002.1）
《公路桥涵施工技术规》（JTG/TF50）
《公路工程质量检验评定标准》（JTGF80-1）
《钢结构设计规》（GB50017）
5施工方法
无底钢套箱与有底钢套箱的施工方法基本相同，包括墩位组拼和场外组拼两种。
不同的是套箱定位后，由大型起吊设备配合下沉套箱至床上，并通过高压水破土，吸泥机吸泥，使套箱下沉至河床中的设计标高，施工封底混凝土，套箱抽水机及支撑安装，施工承台混凝土。
6工艺流程及操作要点
6.1施工工艺流程
具体施工工艺流程见图1。
图1无底钢套箱围堰施工工艺流程图
6.2操作要点
6.2.1无底钢套箱的设计
无底钢套箱围堰与有底钢套箱区别是无底钢套箱底部直接落在河床上。
无底钢套箱主要结构由壁板、外圈梁、支撑、导向架组成。
根据结构尺寸、水深及经济性确定单壁或双壁。
1水文地质技术参数的选择
水深4m以上，河床为硬土、卵石层或软质岩层采用钢（管）板桩围堰；河滩浅基开挖不稳定土壤，或在既有线旁开挖桥涵基坑，采用钢筋混凝土围堰；在水深5～6m以上深水基础时，采用双壁钢围堰。
2钢套箱壁板及加劲肋、支撑系统技术参数的选择
设计时按照抽水作平台时最不利工况计算，分别进行受理参数计算，最终选择壁板、加劲肋、支撑系统等；围堰考虑在墩位拼装，受起吊限制，考虑分节分块拼装。
3锚固定位系统的选择
一般单壁钢套箱施工时，钻孔桩钢管平台均为固定式，因此钢套箱的定位均依靠钢管工作桩，锚锭较为简单，有以下两种定位方式：
1）水流流速较小时的简易定位措施。
根据水流速度，计算水流冲击力，在钻孔平台每边钢管支撑桩上设置倒链葫芦，钢套箱边下沉，边用倒链葫芦调整，以调整好套箱水平位置。
2）水流流速较大时的定位措施。
当水流流速较大时，水面以上的水平定位可以用设置于钻孔平台钢管支撑桩上的倒链葫芦，对钢套箱进行水平纠偏。
水面以下钢套箱底部的定位则通过设置于其下部1/3处的锚缆调整。
4封底混凝土选择
无底钢套箱封底混凝土选择原则是当围堰位于施工最高水位时，围堰抽水后封底混凝土在浮力作用下不被破坏。
5主要检算项目及方法
1）无底钢套箱板入土深度确定及验算
无底钢套箱壁板为单壁结构刚度较小，靠自身入土较为困难，而且入土过程要确保均匀下沉，保证平面高差不超过20cm。
围堰入土一般均要求围堰穿过覆盖层，切入河床岩层。
围堰入土深度的计算原理是围堰加重大于围堰板壁覆盖层间摩阻力。
实际施工时入土主要靠在套箱外部采用长臂挖掘机进行挖砂，套箱采用抓斗进行水下捞砂，再配合高压水泵冲砂入土下沉。
入土深度计算：
取决于围堰下沉力与摩阻力比值。
围堰下沉系数R：
2）封底混凝土验算。
荷载取值：
式中：
——水的容重；
——计算水深；
——混凝土容重；
——封底混凝土厚度。
封底混凝土计算可取1单元（宽取1m，高度去封底混凝土的计算厚度）计算，将该单元混凝土按连续梁模式用有限元分析方法得出封底混凝土最大弯矩M。
根据弯矩验算封底混凝土拉、剪应力应符合要求。
拉应力验算：
式中：
M——封底混凝土容许弯矩；
——封底混凝土容许拉应力；
——封底混凝土计算弯矩。
剪应力验算：
式中：
——封底混凝土剪力；
——封底混凝土剪切面积；
——容许剪应力；
3）钢套箱抗浮计算。
计算抗浮稳定性应考虑在计算最高水位条件下的浮力。
式中：
G——钢套箱自重、支撑自重、封底混凝土中、封底混凝土与钢护筒握裹力（握裹系数取10t/㎡）；
F——钢套箱所受浮力；
K——安全系数，取1.1～1.2。
浮力计算时应注意：
（1）浮力计算若扣除钢护筒排开水的体积产生的浮力，这时G不计算桩重和钢护筒重，只计算封底混凝土与钢护筒握裹力。
（2）若封底混凝土按安全面积计算，G算入，但不计算封底混凝土与钢护筒握裹力。
但应对握裹力、桩重和钢护筒重进行比较，取最小值。
4）锚锭系统验算。
锚锭按水流力、风力的最不利组合确定定向所需锚锭力。
6.2.2钢套箱加工
1钢套箱壁板加工制造
按照设计图纸在加工场加工成分块，并进行编号。
加工精度要求：
根据套箱结构的受力要求，保证每层水平肋板在同一高程很关键，加工时其偏差不得大于2mm，保证在拼装阶段能够顺利对接。
每个壁板块段加工完成后均单独进行检验，其加工精度要求如下：
表1壁板加工精度
序号
项目
允许偏差
1
宽度方向尺寸
±15mm
2
壁板厚度
±2mm
3
外形对角线
±20mm
4
高度方向
0，-30mm
2钢套箱支撑系统加工制造
根据现场的吊装能力，对支撑进行分块；按照设计图纸在加工场加工成分块，并进行编号。
加工精度：
根据支撑结构的受力要求，保证块之间顶、底层支撑钢管在同一高度很关键，加工时其偏差不得大于2mm，保证在拼装阶段能够顺利对接。
每个支撑块段加工完成后均单独进行检验，其加工精度要求如下：
表2支撑加工精度
序号
项目
允许偏差
1
平面长宽尺寸
±20mm
2
高度方向尺寸
±5mm
3钢套箱整体吊装、分节吊装
钢套箱整体吊装：
当钢套箱平面尺寸较小，重量较轻时。
可以采用浮吊或缆索吊整体起吊。
在岸边组拼钢套箱，气囊顶升后牵引下水，或在岸边滑道上拼装钢套箱，拼装完毕，借助滑移设备滑移入水。
用推轮将钢套箱推至浮吊作业区，然后用浮吊或缆索吊起吊钢套箱下沉就位。
钢套箱分节吊装：
当钢套箱整体重量较重，高度较高时，可以在岸上分节组拼，然后采用浮吊或缆索吊分节吊装。
4钢套箱墩位处分块组拼
利用现有墩位钻孔平台作为拼装钢套箱时的支撑。
在墩位平台上拼装钢套箱，接高钻孔灌注桩钢护筒，在其顶面设起吊分配梁，再由起吊系统滑车组起吊钢套箱。
并将钢套箱临时吊挂于钢护筒支撑牛腿上。
拆除墩位平台，解除临时吊挂，由起吊滑车组将钢套箱缓缓下沉就位。
然后转换吊点，由多根吊杆将钢套箱吊挂于钢护筒支撑钢牛腿上。
5钢套箱水密试验
钢套箱每个分块加工完成后，应进行煤油渗透试验。
即用刷子在焊缝两侧刷上石灰水，待其干后在围堰侧焊缝刷上煤油，等30～60min后察看围堰外侧是否有煤油痕迹。
试验检查不合格的部位应进行补焊并报告监理工程师，补焊后还须进行复验，合格后才能进入。
钢套箱壁板在现场拼装完成为整体后，对现场拼装焊缝同样要求进行煤油渗透试验，保证套箱壁板整体密水性能。
6.2.3钢套箱的测量放线
用全站仪或经纬仪在平台上将该墩的纵横轴线放出，并标示于作业平台上。
在钢套箱的外壁板上标示出钢套箱的中心线，下放过程中，严格控制壁板中心与平台上标示的纵横轴线对齐。
6.2.4钢套箱下沉
1钢套箱下沉
根据地质资料及实测情况，探明淤泥的厚度。
为减少围堰着床后的吸泥工作量，在围堰着床前可以先用挖泥船清淤，待无底钢套箱着床后，再用高压水管和吸泥机出土下沉。
无底钢套箱河床以下部分除土下沉的主要设备为吸泥机和与之配套的风压机。
当钢套箱围堰精密着床后，即进行吸泥下沉。
当水深较小时，用高压水破土，砂石泵吸泥；当水深较深时，用高压水破土，2台φ273空气吸泥机吸泥（管径及台数根据土质情况确定）；后期，当刃尖进入黏土层下沉较慢时，增加钻吸机出土吸泥。
施工中因下沉系数太小，自重下沉难的问题，可在套箱的顶部采用多台千斤顶加载的方法助沉。
直至沉入需要的河床土层及标高。
吸泥时注意要由钢套箱的周边往中心均匀出土，以使钢套箱围堰均匀下沉。
2钢套箱下沉时的纠偏措施
钢套箱下沉过程中，要采用多次测量和系统比较的方法确定钢套箱的下沉情况，测定节段基准点的坐标，求得各轴线偏移、底中心偏移、刃脚高程、扭角、倾斜等钢套箱观测资料，指导钢套箱接高下沉和纠偏的实施。
常用的纠偏方法有三种：
1）围堰偏挖。
在刃脚较高一侧多挖土，在围堰下沉的同时把倾斜纠正过来。
2）偏心压重。
在围堰顶面较高的一侧压重，可利用钢轨进行悬吊压重，以纠正其倾斜。
3）堰外挖土或填土。
在围堰较高的一侧挖土，以减小摩擦力；在低的一侧填土增加其摩擦力，通过多次调整，使围堰恢复到设计位置。
6.2.5钢套箱的定位
1水流流速较小时的简易定位措施
根据水流速度，计算水流冲击力，在钻孔平台每边钢管支撑桩上设置倒链葫芦，钢套箱边下沉，边用倒链葫芦调整，以调整好套箱水平位置。
2水流流速较大时的定位措施
当水流流速较大时，水面以上的水平定位可以用设置于钻孔平台钢管支撑桩上的倒链葫芦，对钢套箱进行水平纠偏。
水面以下钢套箱底部的定位则通过设置于其下部1/3处的锚缆调整。
6.2.6无底钢套箱基底处理
1无底钢套箱河床清淤
当钢套箱通过出土下沉至设计位置，在进行封底混凝土前，要用高压水管和吸泥机在钢套箱侧彻底清除河床沉淀下的淤泥，以免影响封底混凝土的质量。
2钢套箱封底混凝土施工
当河床基岩裸露，高低不平时，可对其进行二次封底：
第一次先找平，再进行第二次浇注；封底混凝土施工采用垂直导管法灌注水下混凝土，一般情况下，由于封底混凝土面积较大，可以进行分仓，分次灌注封底混凝土，详见“2.4有底钢套箱施工工艺”。
6.2.7钢套箱抽水及支撑安装
1已安装支撑的整体吊装、分节吊装钢套箱抽水
对于已安装支撑的整体吊装、分节吊装的钢套箱，当封底混凝土强度达到设计强度后。
即可封闭钢套箱上所设的连通管，进行抽水施工。
若在承台施工中，支撑对其有碍，则需对支撑进行置换（一般在钢套箱设计时，支撑要略高于承台顶50cm左右，尽量避开承台位置）。
2墩位处分块组拼的钢套箱抽水及支撑安装
于墩位处分块组拼的钢套箱，当封底混凝土强度达到设计强度后，即可封闭钢套箱上所设的连通管，进行抽水施工。
根据钢套箱支撑的设计位置，可以将底层的支撑用钢丝绳先下沉至封底混凝土上，并将钢丝绳引出；然后抽水，当抽水至第一层支撑时，停止抽水，安装第一层支撑，接着抽水安装第二层支撑，直至支撑安装完毕，将套箱水抽干，进行承台施工。
6.2.8钢套箱的拆除
在桥墩灌注出水面后，钢套箱在承台顶面50cm以上部分可拆除回收。
根据浮吊或缆索吊机的起吊重量可分段切割后整体吊出或分块切割解体起吊拆除。
其具体方法是：
1拆除套箱、外相干的物件，凿开吊耳眼孔，由潜水工在外壁板用潜水氧电弧切割作业来实现。
2当切割完毕，由潜水工再进行一次检查外壁板割缝，确认无一漏割后，再由潜水工挂好吊钩，待潜水工及设备撤离安全地点后，全面进行水域检查，确认无一障碍后起吊，运至岸上。
当套箱较小时，在套箱加工时可在承台顶面以上20cm位置处分节，此处采用螺栓连接，拆除时由潜水工拧掉螺栓即可。
7劳动力组织
无底钢套箱围堰施工人员配备见表3。
表3无底钢套箱围堰施工所需劳动力
序号
工种
人数
序号
工种
人数
1
技术员
2
6
电工
2
2
领工员
2
7
电焊工
6
3
起重工
4
8
钳工
3
4
潜水员
3
9
船工
8
5
测量工
3
10
普工
12
8主要机具设备
无底钢套箱围堰施工的顺利进行很大程度决定于施工机械的选择，当决定选用何种机械时，需考虑现场条件。
主要机械设备见表4。
表4无底钢套箱围堰施工机具设备表
序号
机械及设备名称
规格及型号
单位
数量
备注
1
等离子切割机
LGK-8
台
1
2
电焊机
台
6
3
汽车吊
16t
台
1
4
顶杆
自制
支
4
5
射水设备
台
6
交通船
艘
7
吸泥设备
台
8
抛锚船
艘
根据实际需要选用
9
浮吊
艘
1
10
驳船
艘
1
11
拖船
艘
1
12
卷扬机、滑车组
数量根据需要确定
13
千斤顶
台
数量根据需要确定
9质量控制
9.1易出现的质量问题
9.1.1在加工拼装过程中，焊缝质量不合格；
9.1.2钢套箱下沉过程中，偏离设计值。
9.2保证措施
9.2.1焊缝检验措施
1外观检验。
所有焊缝均应冷却后进行外观检查，并填写检查记录。
所有焊缝不得有裂纹、未熔合、夹渣、未填满及漏焊等缺陷，不得有外观检查不合格的焊接件，在未返修合格前不得进入下一道工序。
2部质量检查。
对钢吊箱下方吊点位置的受力焊缝应沿焊缝进行全长超声波探伤，质量等级要求为I级。
3对加工件的各条焊缝要求进行密水试验。
9.2.2常用的纠偏方法有三种：
1围堰偏挖。
在刃脚较高一侧多挖土，在围堰下沉的同时把倾斜纠正过来。
2偏心压重。
在围堰顶面较高的一侧压重，可利用钢轨进行悬吊压重，以纠正其倾斜。
3堰外挖土或填土。
在围堰较高的一侧挖土，以减小摩擦力；在低的一侧填土增加其摩擦力，通过多次调整，使围堰恢复到设计位置。
10安全措施
10.1主要安全风险分析
10.1.1现场大型设备操作使用过程中，出现安全事故；
10.1.2水上作业，施工船舶作业，通航时安全事故；
10.1.3在施工过程中，施工水域其他船舶通过时的安全事故。
10.2保证措施
10.2.1施工现场的管理人员、特种作业人员必须持证上岗，对电工、焊工、塔吊、起重工等工人还要进行培训、考核，要求持相关证件上岗。
10.2.2大型浮吊、缆索吊等专用设备操作应按安全作业规程严格进行，上岗前必须经过专门培训，考核合格后方可上岗。
10.2.3对安全设施、设备、防护用品等要严格进行检查验收。
10.2.4加强现场安全管理。
1施工现场的布置须符合防火、防爆、防高温、防雷电、防风、防雾、防坠江等安全规定和文明施工要求。
2加强易燃、易爆危险品管理。
10.2.5加强施工期间水上安全管理。
1施工船舶（包括交通船、运料船）应办理签证，是施工船舶在港航行和作业，应实行定期签证。
未办理签证的船舶，不准航行和作业。
2严格遵守水上交通安全管理。
3制定施工船舶安全管理，并严格执行。
4加强施工船舶的安全检查。
11环保措施
11.1建立健全环境保护管理机构，制定各项规章制度，并加强监督和检查。
11.2加强教育宣传工作，提高全体职工的文明施工和环境保护意识。
11.3减少施工中噪声和振动，避免扰民。
11.4采取有效措施，防止机械用油、施工和生活垃圾污染河水。
12应用实例
12.1工程简介
中铁一局湾边大桥5＃墩位于主河槽，河床覆盖层均为砂层，套箱断面尺寸横向较承台外轮廓线大60cm，顶面标高控制在5米，根据施工期的水位变化情况，可对顶面进行加高，在洪水期能够施工，为保证洪水期施工将迎水面的板块加固，钢套箱长度适当加大，套箱制作尺寸为28.5×10.2×14米。
12.2施工情况
钢吊箱实施过程中，环节多，控制点多，通过实施前的各种计算模拟及严格的现场监控实施，按照预定工期完成了基础部分施工。
12.3工程结果评价
从技术角度讲，无底钢套箱的设计与施工技术已趋于成熟；从经济角度讲，与其他施工方法比较，无底钢套箱使用从一定程度了节约了施工成本。
12.4建设效果及施工图片
图3钢套箱支撑图4钢套箱下沉
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