深水基础钢套箱围堰下沉技术对比研究

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深水基础钢套箱围堰下沉技术对比研究

孟金强

(铁道战备舟桥处，山东 齐河 251100)

摘　要：从不同角度将常用的钢套箱下沉方法归纳总结为平台法、浮运龙门船法和顶推滑移法三种，并详细叙述了各种下沉方法的具体工艺、适用条件及优缺点，对同类工程中钢套箱下沉方法的正确选用具有一定的应用价值。

关键词：钢套箱；下沉；平台法；浮运龙门船法；顶推滑移法

1 钢套箱下沉技术简述

钢套箱是我国深水桥梁基础施工中广泛使用的一种水下承台及墩身施工的临时性围护结构，具有结构承载能力强、加工制作方便，适用水文、地质类型广等优点。

钢套箱的下沉入水作为工序中至关重要的一环，不但对其自身施工的工期、作业难度、安全性影响巨大，而且会影响到后续桥墩基础、承台的施工难度，甚至会制约总体工期。因此，如何正确选用钢套箱下沉方法，往往是广大工程技术人员在深水桥梁基础钢套箱施工中首要解决的技术难题。

本文从不同角度将常用的钢套箱下沉方法归纳总结为平台法、浮运龙门船法和顶推滑移法三种，并详细叙述了各种下沉方法的具体工艺、适用条件及优缺点，有助于工程技术人员根据现场条件快速确定适宜的钢套箱下沉方法。

2 平台法

先搭设平台用于钢套箱拼装，钢套箱首节拼装完成后，利用下沉系统将其吊放入水实现自浮，然后继续接高下沉钢套箱。根据平台所处位置的不同可分为墩位处平台法和岸边平台法。

2.1 墩位处平台法

当深水基础钻孔桩与围护结构钢套箱施作顺序不同时，因拼装平台搭设方式不同，此法又可细分为钢护筒平台法和钢管桩平台法两种。

钢护筒平台法：深水桥梁基础施工采用先搭设钻孔平台施作深水基础钻孔桩，后下沉围护结构钢套箱(简称“先桩后堰法”)，通常在部分钻孔桩钢护筒施工水位以上0.5 m处焊接牛腿，形成拼装平台，见图1。

图1 兰渝铁路嘉陵江大桥84#墩钢套箱拼装平台(先桩后堰法)

钢管桩平台法：深水桥梁基础施工采用先下沉围护结构钢套箱，后施作深水基础钻孔桩(简称“先堰后桩法”)，拼装平台结构类似于钻孔平台，通常由钢管桩基础、承重梁和面层组成(是否需要面层视情况确定)，见图2。

图2 呼准铁路黄河大桥38#墩钢套箱拼装平台(先堰后桩法)

2.1.1 适用条件及优缺点

适用条件：①地质，墩位处河床具有一定厚度的覆盖层(能够保证平台基础钢管桩的设计植入深度以确保平台结构的安全性和稳定性)，同时钢套箱埋入河床深度内无坚硬岩层，无须爆破作业。②水文，施工流域水位涨幅不大(水位上涨幅度过大没过拼装平台顶面时，会造成钢套箱无法正常拼装或已拼装钢套箱上浮的危险)。

优点：拼装平台为固定结构，钢套箱拼装下沉工艺简单成熟、安全度高。

缺点：对施工流域水文和地质条件要求较高(从适用条件即可看出)，深水基础采用“先桩后堰法”时，钻孔桩全部施工结束后方可施作钢套箱，对工期制约较大。采用“先堰后桩法”时，每个墩位处均需搭设固定平台，若采用“平行法”作业，工期易于保证，但需同时投入多套平台及钢套箱材料，费用很高；若采用“流水法”作业，平台及钢套箱可周转使用，费用降低，但工期又很难保证。

我处在宁夏中宁县黄河大桥8#～12#墩深水基础施工中，8#、10#、12#墩采用“先桩后堰法”，9#、11#墩采用“先堰后桩法”，将2种墩位处平台法交错应用于5个主墩的基础施工，平台、钢套箱材料实现了流水周转，节约了施工成本，而且工期也得到了保证，不失为一种两全其美的工法选择。

2.1.2 施工流程

搭设拼装平台→拼装钢套箱首节→安装下沉系统→钢套箱首节提升、拆除拼装平台→钢套箱下沉入水。

(1)拼装钢套箱首节。首先在拼装平台上放样出钢套箱首节拼装单元位置线，然后通过垂球、皮尺等工具控制平面位置和垂直度。将钢套箱首节拼装单元运送至墩位处后，利用吊装设备在拼装平台上按照设计顺序逐块依次拼装，拼装完成交付焊接。

(2)安装下沉系统。钢套箱首节焊接完成并验收后，即可安装下沉系统准备沉放。深水基础采用“先桩后堰法”时，通常选用合适位置处的钻孔桩钢护筒(数量不足或位置不合适时可辅助打入钢管桩)，作为下沉系统基础，在其顶部安装垫梁等构件后，再安装吊放设备。深水基础采用“先堰后桩法”时，可打设钢管桩或在拼装平台(平台为有面层结构且面积较大)上支立钢管桩作为下沉系统基础，其余构件及吊放设备同上。

吊放设备通常有卷扬机和千斤顶两种。卷扬机适用于钢套箱吨位和下放高度较小的情况，其下沉速度快，但不利于精准控制，安全性也较差；千斤顶易于控制和调整，安全性好，但下沉速度较慢。

(3)钢套箱首节提升、拆除拼装平台。先对钢套箱进行试提升，提升高度一般不超过10 cm，静置10～30 min，对下沉系统各部分进行全面检查，安全无误后，将钢套箱提升至一定高度，锁死下沉系统，拆除拼装平台。提升高度一般遵循“就低不就高”的原则，即吊放高度满足拼装平台拆除净空要求即可。 (4)钢套箱下沉入水(见图3)。拼装平台拆除后，操作下沉系统，将钢套箱缓慢下放至水中实现自浮，然后对钢套箱带缆固定，防止水中漂移，然后继续接高拼装钢套箱。

图3 兰渝铁路嘉陵江大桥84#墩钢套箱吊放下沉(先桩后堰法)

下沉过程中各吊点的设备要保持同步一致，避免引起钢套箱偏载，造成吊点受力不均。

2.2 岸边平台法

在施工水域岸边选择合适区域搭设拼装平台和沉放系统用于钢套箱首节的拼装下沉。此法根据拼装平台结构的不同也可细分为两种，当选用区域河床有覆盖层满足钢管桩入土设计深度时，平台结构采用固定平台；覆盖层较薄或无覆盖层不适用固定平台时，采用浮平台。

2.2.1 适用条件及优缺点

适用条件：施工流域水深流急、冲刷严重、水位涨幅较大时，多采用此法，且仅适用于深水基础“先堰后桩法”。

优点：①钢套箱首节的拼装下沉工序均在岸边进行，墩位处的基坑处理(开挖或爆破)可同步进行，有利于缩短工期，节省施工费用。②选用的岸边区域多为缓流区，流速较缓，施工受水情变化干扰程度轻，安全度较高。

缺点：①拼装平台采用钢管桩平台时，若拼组下沉多个墩位的钢套箱，平台及吊放系统需反复安拆；拼装平台位置处河床的覆盖层必须具有一定厚度，水位涨幅也不宜过大，原理同墩位处平台法。②拼装平台采用浮平台时，需设置单独下沉系统，因选用区域河床覆盖层较薄或无覆盖层，下沉系统基础钢管桩需冲孔栽桩，耗时较长，施工成本较大。

2.2.2 施工流程

搭设拼装平台(拼组浮平台)→拼装钢套箱首节→安装下沉系统→钢套箱首节提升→拆除拼装平台(撤除浮平台)→钢套箱下沉入水→浮运钢套箱至墩位处、钢套箱拼装接高。下面介绍其关键施工技术。

(1)搭设拼装平台(拼组浮平台)。固定平台按具体结构的不同可细分为升降式平台(见图4)和同墩位处平台法的钢管桩平台。

图4 昌赣客专赣江大桥钢套箱拼装平台(升降式平台)(单位：cm)

浮平台由浮体、联结系和拼装垫梁三部分组成，浮体通常由标准舟节、多用途浮箱等拼组成数条舟体或由数条驳船组成，其顶面两端用贝雷梁、六四梁等联结系构件将浮体连成整体，浮体中部铺设拼装垫梁构成拼装浮平台，见图5。

图5 怀邵衡铁路湘江大桥钢套箱吊放入水

(2)安装下沉系统。对于升降式平台，应首先施工下沉系统基础，再搭设拼装平台，钢套箱首节拼装完成后，再安装吊放设备。

对于浮平台，下沉系统独立设置，其施工时段，结合现场条件灵活确定。

(3)拆除拼装平台(撤除浮平台)及钢套箱下沉入水。

对于升降式平台，钢套箱首节在拼装平台上拼装完成后，利用下沉系统将拼装平台同钢套箱一同吊放下沉至水中，钢套箱实现自浮状态后，拖离平台平面位置，提升拼装平台用于另个钢套箱首节的拼装。

对于浮平台，钢套箱首节在浮平台上拼装完成后，拖入下沉系统(提升站)下，吊放设备与钢套箱连接后提升其脱离浮平台顶面，然后拖离浮平台用于另个钢套箱首节的拼装。

(4)浮运钢套箱至墩位处、钢套箱拼装接高。

钢套箱首节入水自浮后，根据实际施工需要可选择继续在岸边拼装接高后再进行浮运或首节浮运至墩位处后再拼组接高。浮运通常采用导向船夹持住钢套箱，然后利用机动舟、拖轮等水上动力设备顶推导向船带动钢套箱至墩位处，见图6。导向船由浮体和联结系两大部分构成，浮体由标准舟节、多用途浮箱等制式浮箱拼组成两条舟体或两条驳船构成，其顶面两端用贝雷梁、六四梁等将浮体连接成整体。若运距不长且流速不大时，也可通过在墩位处带缆牵引钢套箱，机动舟辅助直接顶推钢套箱至墩位处，见图7。

图6 昌赣客专赣江大桥2#墩钢套箱顶推浮运

图7 怀邵衡铁路湘江大桥钢套箱顶推浮运

3 浮运龙门船法

在河流岸边选择合适区域，拼组浮运龙门船，该船集拼装平台、下沉系统、导向船功能于一体，钢套箱首节在船体上拼装完成后，顶推浮运龙门船浮运至墩位处，然后用船上的下沉系统将钢套箱吊起，拆除拼装平台，下沉钢套箱入水实现自浮。

3.1 适用条件及优缺点

适用条件：在山区水深流急、水位涨落幅度大且频次高的河段应用较为广泛，仅适用于深水基础“先堰后桩法”。

优点：①浮运龙门船灵活机动，不受水位涨落困扰，只要岸边水深能满足船体吃水条件，基本无制约因素。②在岸边完成钢套箱拼组作业，该方面优点同岸边平台法。

缺点：①浮运龙门船船体庞大，材料使用种类、数量均较多，拼组耗时长，施工成本高。②如用于多个墩位处钢套箱的拼组、下沉作业时，其功能多的特点反而成为工序流水作业的制约因素，工期无法保证。

3.2 施工流程

拼组浮运龙门船→拼装钢套箱首节→浮运至墩位处→钢套箱首节提升、拆除拼装平台、下沉入水。现介绍其关键技术环节。

(1)拼组浮运龙门船。浮运龙门船(见图8)主要由浮平台和下沉系统两大部分组成。浮平台结构与岸边平台法中的浮平台相类似。下沉系统由龙门架和吊放设备组成，龙门架由立柱、梁体组成，立柱部分主要采用各类制式器材(六五墩、八三式墩、抢修高墩等)或型钢拼组而成，其高度为钢套箱首节高度+下沉系统高度+预留安全高度，梁体由各类制式梁(贝雷梁、六四梁等)拼组而成，吊放设备同前。

图8 重庆阿蓬江大桥钢套箱浮运龙门船

(2)浮运至墩位处。用机动舟、动力船等顶推浮运龙门船至墩位处(类似岸边平台法)。

(3)钢套箱首节提升、拆除拼装平台、下沉入水(见图9)。浮运龙门船就位锚碇后，操作下沉系统，将钢套箱吊放至适当高度，拆除拼装平台，吊放首节入水实现自浮。

图9 重庆阿蓬江大桥钢套箱吊放入水

4 顶推滑移法

顶推滑移法是对滑道法工艺的一种改进和提高，通过将滑道法中的牵引设备由卷扬机、倒链等升级为液压顶推油缸，行进速度均匀、平稳，大幅度减轻了钢套箱行进中的振动和脉冲式前进问题，有效提高了施工作业的安全性。

采用顶推滑移时，首先应在河道岸边选择边坡平缓且邻近水深超过3 m的区域作为作业场地(面积根据钢套箱的尺寸和作业需要综合确定)，对场地进行硬化后安装下滑道(下滑道分为陆地和水中两个节段)。然后在陆地下滑道顶面拼装钢套箱，拼装完成后，利用顶推系统将钢套箱沿陆地下滑道顶推至水中下滑道部分,继续顶推至钢套箱全部入水自浮。

为防止钢套箱在顶推入水过程中，下滑道水中段临水端产生翘曲现象，导致钢套箱发生侧翻、倾覆事故。临水端通常需设立支撑点，支撑点综合水深、滑道坡度、滑道前端受力、河床地质情况、水位变化幅度等因素，可设计为型钢支墩、下沉系统等结构形式。

4.1 适用条件及优缺点

适用条件：顶推滑移法适用条件较为苛刻，施工水域河岸满足上述条件时才能采用此法下沉钢套箱，且仅适用于深水基础“先堰后桩法”。

优点：①钢套箱拼装、下沉辅助结构很少，仅有滑道、顶推设备和支撑点结构物等，投入少，功效高。②在岸边作业不影响墩位处的基坑处理。③如有多个钢套箱需要拼组、下沉时，可形成流水作业，为具备条件时的首选方法。

缺点：对现场条件要求较高。

4.2 施工流程(以支撑点为下沉系统为例)

(1)下滑道及下沉系统布置。下滑道岸上段通过预埋螺栓固定在硬化地面上，其与水中段的连接部位设置铰支座。水中段临水端安装在下沉系统提升梁上。下沉系统主要由钢管桩、吊放梁、液压千斤顶、精轧螺纹钢等构件组成，如图10所示。

图10 滑道布置及吊放梁搭设图

(2)首节拼装。通常在岸边滑道上进行，拼装方法同平台法，见图11。

图11 钢套箱拼装图

(3)顶推入水。首先在钢套箱后端壁板下部安装顶推设备，安装防滑溜装置。然后适当调整岸上段滑道坡度，利用顶升设备将钢套箱完全顶推至水中段滑道上，见图12。

通过下沉系统进行升降，带动水中段滑道绕铰支座转动。

利用下沉系统将下滑道水中端下降至设计标高，调整水中段滑道坡度。继续向前顶推至钢套箱中心线进入水中，至钢套箱前端部分上浮，见图13。

图12 钢套箱顶推图

图13 钢套箱下沉图

继续顶推钢套箱，直至钢套箱后端部达到水面线。此时，钢套箱中心线已越过吊放梁中心线，前端脱离水中段下滑道，在水中浮体或其它辅助措施拖动下，首节全部进入水中实现自浮。其后续顶推浮运至墩位处及拼装接高同岸边平台法。

5 结束语

以上三种下沉方法，墩位处平台法可同时适用深水基础“先桩后堰法”和“先堰后桩法”，岸边平台法、浮运龙门船法及顶推滑移法仅适用于深水基础“先堰后桩法”，三种方法各有优缺点且适用条件不同，工程技术人员在具体选用时应综合考虑施工流域的水文、地质条件、通航、工期、成本、钢套箱重量等确定。

A Comparative Study of Different Techniques for Sinking Steel Jacket Box Cofferdams for Deep Foundation

Meng Jinqiang

( The Pontoon Department of War Preparedness of the Railway Building Corporation of China,Qihe 251100,China )

Abstract: All the commonly-used methods for sinking steel pouring jackets are summed up in the paper from different angles,and are divided into three kinds:the platform method, the method of float-transporting the gantry boat and the jacking-sliding method.The specific processes,application conditions, and the merits and demerits of all the three methods are dealt with in the paper in detail.The paper may serve as a certain reference for the right choice of the method for sinking steel pouring jackets for other similar projects.

Key words: techniques for sinking steel pouring jackets;the platform method;the method of float-transporting the gantry boat;the jacking-sliding method

收稿日期：2016-01-27

作者简介：孟金强(1980—)，男，工程师，主要从事土木工程水中作业技术工作　[e-mail]

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.03.003

中图分类号：U445.556

文献标识码：B

文章编号：1672-3953(2016)03-0012-05