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浅析水下封底混凝土钢套箱施工技术
[摘要]：有底套箱围堰适用于承台底面距河床面较高(高桩承台)、且河流水面标高高于承台混凝土底面标高的情况，浇筑水下封底混凝土的目的是为了实现承台的干施工：将内装有扁担梁的钢吊箱围堰悬挂在固定于钻孔桩内的支柱顶或钢护筒顶，然后利用千斤顶或滑轮组将围堰整体下沉入水，到达指定位置后固定套箱、灌注水下混凝土封底，抽水后浇筑承台混凝土，此工艺施工方便，防水性好，因围堰不进入河床而是悬吊于水中，所用钢量少、下沉时间短，质量容易控制，节省模板，易拆除再利用。
[关键词]: 水下封底混凝土套箱 施工技术
Abstract: Bottom boxed cofferdam apply to the pile cap underside away from the riverbed surface high (high pile cap), and the river water surface elevation above the elevation of the pile cap concrete underside pouring underwater sealing concrete purpose is to dry pile cap construction: built-in pole beam steel cofferdam was hanging in the pillar top bored piles or steel casing, top, and then use the jack or the pulley will cofferdam sink into the water as a whole to reach the designated fixed set of boxes in the position, pouring underwater concrete back cover, pumping after pouring pile cap concrete, to facilitate this process of construction, waterproof cofferdam does not enter the river bed but suspended in the water, the steel is less time sinking, quality, easy to control, save the template, easy to dismantle and reuse.Key words: underwater back cover concrete; sets of boxes; construction technology
1、工程简介
郧县汉江二桥的主桥与引桥的44号交界墩位于汉江主河道内，承台设计为哑铃形，平面尺寸如下图所示，承台厚度设计3.5m，承台混凝土方量584m3；水下封底混凝土设计2m厚的c20混凝土，封底混凝土方量334m3，承台底面标高150.000m、封底混凝土底面标高148.000m。承台底面距河床面12.4m。枯水季节水位标高143-145m，蓄水期水面标高153m以内，即最大施工水深按5m考虑，因工期紧迫、施工时正处于蓄水期内。
2、施工方案简述
封底混凝土施工采用单壁有底钢套箱进行水下施工。钢套箱采用现场加工的模板和加劲肋等组合而成，钢套箱尺寸与承台尺寸相对应，侧板兼作承台模板，高6m（封底厚2m＋3.5m承台厚+0.5m水平支撑预留空间）。
钢套箱在钻孔平台上组拼成整体，然后两侧承台（相当于哑铃两端）利用预埋在每个钻孔桩内的2根56b工字钢（利用缀板焊接成整体的墩式结构，工字钢
下端埋入桩头不低于0.5m）作为竖向承重立柱，立柱顶铺设I36a工字钢作为承重横梁将套箱施工的重力全部传递到桩基，为防止立柱失稳，使用型钢将立柱与外围钻孔桩的钢护筒壁连接；中间系梁（相当于哑铃中间手握把）则利用桩基钻孔平台时打入河床的6根Φ60cm钢管桩（每根桩承载力≥30吨）作为承重立柱，再在其上铺设横梁形成支承系统；然后通过ф32级精轧螺纹钢将吊箱整体悬吊起，在24根一期受力吊杆中选择其中的12根作为承力主点（见附图2），用24台16t液压油顶通过“枕头梁”将承力吊杆均匀抬起，割除操作平台牛腿，然后向上旋出其余吊杆螺帽，油顶回油卸压，使吊箱缓缓下沉，并使其余吊杆均匀受力，如此周而复始，吊箱平稳下沉到位，锁紧所有吊杆螺丝。钢套箱底部桩护筒四周堵漏后进行水下封底混凝土的浇筑，待混凝土强度达到后抽排箱体内水体进行桩头处理和承台的正常施工操作。
工艺流程：加工拼装平台→底模纵梁（I36a工字钢）安装→底板分配横梁（［14b槽钢）铺设→底模板（δ=6mm钢板）安装→桩位钢护筒位置预留孔洞（直径比钢护筒外径大10cm）→测量放样定出中轴线→拼装钢吊箱侧模板→起吊系统设置→用千斤顶通过吊杆下放钢吊箱→调整吊箱平面位置（通过与钢护筒或施工平台用钢管桩间的顶撑来精确定位）和高程→潜水员封堵底板与钢护筒之间的缝隙，并检查侧模板与底模板之间安装质量→浇筑封底混凝土→抽排吊箱内水→割除护筒、清除桩头松散混凝土、验桩→承台钢筋加工及安装→分层浇筑承台混凝土→承台成品检验及验收→拆除吊箱围堰
3、钢套箱加工方案图(图附后)
套箱施工时吊装设备采用布置在驳船上的25吨吊车来完成。每片套箱的构件组成重量以吊车吊装能力作为控制。
套箱的底板作为水下封底混凝土的底模，首先利用钢护筒和钢管桩搭设底模铺筑操作平台，即在钢护筒和管桩外侧面上焊接牛腿，牛腿顶面标高控制在153.5m；然后在操作平台上铺设I36a工字钢作为底模纵梁（两根并排工字钢组成一根纵梁）；再在纵梁顶铺[14b槽钢（双肢形式：〖〗）形成底模分配横梁，横梁间净距按35cm布设；最后在横梁上铺设δ=6mm厚钢板作为套箱底模面板。具体结构见后附：附图2。
套箱侧板由12个面拼装成，模板之间设8mm厚止水膨胀橡胶带，由于套箱高度总高度仅6m，竖向上每面一节到顶，套箱侧面与底板之间采用螺栓、夹卡和焊接等连接方式固定成箱体、保证不变形跑位，同时要保证承台施工完成后待水位下降套箱外露后能便于拆除，套箱的顶部采用I36a水平内支撑以抵抗抽水后套箱内外水头压力差，套箱的组装结构形式见施工方案附图1，主要侧面模板结构见附图3和附图4。
起吊系统包括起吊分配梁，吊杆起落梁、吊杆、千斤顶等部分，顶升下落设备由24台16吨千斤顶来完成；起吊分配梁由2根I36a工字钢拼焊而成，设置于竖向承重立柱顶，用以悬挂吊杆；吊杆起落梁是为完成吊杆下放而设计的顶升梁，也由2根I36a工字钢拼焊而成；吊杆采用Φ32精轧螺纹钢筋，吊杆接长用
联接器，固定用配套螺帽。
4、主要结构承载力验算
4.1、基本数据：封底混凝土底部与水面标高最大水位高差5米，水流速u=2m/s；除吊杆外其余钢材均为A3钢，轴向应力[σ]=140Mpa、弯曲应力[σw]=140Mpa、剪应力［t］=85Mpa；钢护筒与砼的粘结强度[τ]=1.5Mpa；模板总重G1=136T=1360KN；水下封底混凝土总重G2=334m3×25KN/m3=8350KN；承台混凝土重量G3=584m3×25KN/m3=14600KN；精轧螺纹钢抗拉强度σ1=1080Mpa，单根Φ32精轧螺纹钢筋容许承载拉力N1=868KN；每根钢管桩承载力300KN。
4.2、套箱的整体吊装计算：
按照荷载统计，套箱钢结构总重（计入支撑）：G1；计算时因水位标高的不确定性，同时从安全角度不考虑水体对套箱体的浮力作用；
4.2.1吊杆计算：套箱吊装采用精轧螺纹钢作为吊杆，用千斤顶逐步整体下沉，吊点共分12个吊点，每个吊点均匀受力N2=G1/12=113KN；安全系数K1=N1/N2=7.8；千斤顶的承载力的安全系数：K2=16T×9.8KN/T×2/N2=2.78；
水下混凝土浇筑过程中的的吊杆承载力验算：吊点共50个，则每根吊杆均匀受力N3=（G1+G2）/50=（8350+1360）/50=194.2KN∴吊杆安全系数K3=N1/N3=4.47；
4.2.2桩内预埋承重立柱（2根56b工字钢/每组）计算：经查每组立柱截面面积S1=2×146.58cm2；共8组立柱，保守角度出发：不计钢管桩的承载力、全部重力由立柱承担；则截面应力σ2=（G1+G2）/S1/8=41.4Mpa；则安全系数K4=[σ]/ σ2=140/41.4=3.38；
4.2.3钢管桩承载力计算：N4=系梁重量/管桩数量=10.8m×（8.2-2.6×2）×25KN/m3÷6=135KN；则管桩的安全系数：K5=管桩容许承载力/N4=300/135=2.22；
4.2.4封底混凝土与钢护筒之间的粘结力：N5=S×[τ]=3.14×2.1m（注：钢护筒的外径）×2m(注：封底混凝土高度)×8（注：桩体数量）×1.5Mpa=158256KN
在不考虑水体浮力时套箱、封底和承台砼总重：G4=（G1+G2+G3）=24310KN；则承载力安全系数K5=N5/G4=158256/24310=6.5；
∴该承台混凝土如能有效控制水化热反应因素对大体积混凝土的影响可一次性浇筑。
4.2.5封底砼施工完成、强度达到、抽水后，套箱的最大整体浮力：
F=ρgv=1000×9.8×（27.2×8.2-2.6×10.8×2）×5=8.177*106N；
套箱的抗浮安全系数：K6=（G1+G2+N5）/F=20.5
4.3、其它需检算的项目还有：操作平台牛腿受力、底模板的纵横梁受力、底模面板受力、模板的吊点处采用两根并排I36a作为枕头梁（制作Π形架焊接在承重立柱上铺设的工字钢梁上）的受力、吊杆承重梁的受力、侧模板的受力；封底砼施工完成、强度达到、抽水以后，单块套箱侧板的受力及变形、最底层背面骨架和竖向工字钢的受力；在抽水后抗外部水压力的内支撑架受力。因篇幅所限在这不一一列算。
5、施工过程注意事项
5.1、钢套箱下沉工作应尽量安排在水位低、流速小的时候进行；在吊杆上标上下沉速度刻度，每10cm一格，保证下沉速度缓慢均匀，千斤顶购置时选用同一产家、型号一致的顶，施工时顶升下放有专人指挥、统一行动，同时送放油保证起升高度和受力一致。
5.2、底板安装后要检查孔位是否与护筒对正，如有偏差应及时扩孔，以使底板顺利下放到位；套箱下放就绪后派潜水员下水堵漏同时检查侧模与底模之间的安装质量，主要是封堵钢护筒与套箱底板之间的孔位缝隙，补漏材料主要采用预先割好的弧形钢板焊贴。
5.3、利用焊接定位导向架（见附图1）与钢护筒或钢管桩间的受力影响，保证套箱下沉过程中不偏位，同时观察员要随时观察套箱是否水平、有无障碍物等情况，若发现套箱下沉不均匀或偏斜时立即停止纠正，及时找出原因，调整水平后继续下沉，到位后进行标高调整。
5.4、抽水后注意外侧水压力对套箱侧模的压力影响，必要时增加内支撑，以免钢套箱侧板受力变形破坏而发生事故，确保施工过程万无一失。
5.5、封底混凝土的配合比要按照和易性好、流动度大、坍落度损失小、初凝时间长、灌注中不易离析泌水的技术要求经试验确定。
5.6、由于封底过程中摊铺面积较大，水下混凝土缓凝时间控制在6h以上，用地泵将混凝土泵送至各导管口，导管口距箱底距离控制在0.2～0.3m之间，采用垂直导管法进行灌注，根据混凝土的流动半径确定导管布设间距，一般布置于桩的四周；同时受拌合能力与泵送能力及导管灌注间隔时间的限制，封底混凝土采取单向、斜面逐渐推进的灌注方法，灌注过程中导管的最小埋深保持在不小于0.6m以保证砼质量。