CN109594478A - 应用于长周期波涌浪条件下的高桩承台钢吊箱封底方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了应用于长周期波涌浪条件下的高桩承台钢吊箱封底方法，包括以下步骤：步骤一、在吊箱的钢底板上焊接竖向撑杆，将各钢护筒之间采用上层横联焊接，完成水下钢护筒和吊箱底板间隙的封堵；步骤二、进行第一层水下封底，水泵强排至干施工条件；步骤三、在二次干封底高度内钢护筒之间焊接下层横联支撑，将竖向撑杆由上层横联转换焊接于下层横联；步骤四、在二次干封底范围内配置钢筋，并在钢护筒周围转换拉压杆、焊接剪力钉，之后干浇筑形成第二层加强底板；步骤五、拆除上层横联，切除上部的钢护筒和竖向撑杆，施工承台。本发明能够抵御长周期波涌浪水平作用力和竖向作用力的反复冲击，解决了封底混凝体结构安全、耐久性及漏水问题。

Description

应用于长周期波涌浪条件下的高桩承台钢吊箱封底方法

技术领域

本发明属于深海远洋无遮掩环境下的桥梁工程施工领域。更具体地说，本发明涉及一种海洋恶劣施工环境下高桩承台钢吊箱的水下封底方法。

背景技术

高桩水中承台应用钢吊箱工艺实现干施工，钢吊箱水下混凝土封底质量决定了承台施工的成败。在国内无涌浪水域，钢吊箱水下封底为成熟技术；而在持续强涌浪海况下，吊箱封底难度极大，会出现各种问题，导致封底失败。常规的钢吊箱水下封底方法如下：1)吊箱下放到位，焊接拉压杆，封堵护筒与底板间隙封堵；2)水下封底；3)抽水至干施工状态，转换拉压杆至桩头护筒，凿桩头施工承台。

发明内容

本发明的目的是提供应用于长周期波涌浪条件下的高桩承台钢吊箱封底方法，能应用于深海远洋无遮掩环境，能够抵御涌浪水平作用力和竖向作用力的反复冲击，解决了封底混凝体结构安全、耐久性及漏水的问题。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了应用于长周期波涌浪条件下的高桩承台钢吊箱封底方法，包括以下步骤：

步骤一、在吊箱下放前在吊箱的钢底板上焊接竖向撑杆，吊箱钢底板上焊接剪力钉，在吊箱下放至设计标高后，将各钢护筒之间采用上层横联焊接，下放完成后竖向撑杆与护筒间的上层横联焊接，并完成水下钢护筒和吊箱底板间隙的封堵；

步骤二、进行第一层水下封底，待第一层水下封底混凝土强度达到90％及以上后，水泵强排至干施工条件；

步骤三、在二次干封底高度内钢护筒之间焊接下层横联支撑，将竖向撑杆由上层横联转换焊接于下层横联；

步骤四、在二次干封底范围内根据受力要求配置钢筋，并在钢护筒周围转换拉压杆、焊接剪力钉，之后干浇筑形成第二层加强底板；

步骤五、二次封底混凝土强度达标后，拆除上层横联，此时吊箱钢底板，第一层水下封底混凝土，顶部配筋的、具有下层横联的第二层加强底板形成叠合板体结构，切除上部的钢护筒和竖向撑杆，施工承台。

优选的是，水下钢护筒和吊箱底板间隙的封堵，具体为：水下钢护筒周围和吊箱底板之间采用钢板和柔性橡胶条封水，同时高韧性土工布在钢护筒上缠紧，并将土工布在钢底板上压实固定，形成柔性的防冲刷阻水膜。

优选的是，水泵强排至干施工条件后，通过暗排水系统对渗漏的海水从吊箱壁体外的排水钢管排出。

优选的是，暗排水系统包括：

排水泵，其设置于排水钢管内；

排水槽系统，其开设于第一层水下封底的上表面，所述排水槽系统包括环形水槽、支槽和连接槽，所述环形水槽围设于钢护筒的外周，所述支槽由钢护筒外壁方向向环形水槽延伸连通，各个环形水槽通过连接槽相互连通后穿过吊箱与壁体外排水钢管连通；

钢盖板，其盖设于排水槽系统上表面。

优选的是，转换拉压杆具体为在第一层水下封底上表面的钢护筒上焊接剪力牛腿，并将剪力牛腿与拉压杆焊接在一起，且不侵入承台的保护层。

本发明至少包括以下有益效果：

1)通过设置刚性平联降低护筒晃动，设置柔性阻水措施，解决了封底过程中，涌浪射水冲刷钢护筒周围混凝土造成的封底失效问题。

2)通过刚性横联设置，分担了部分混凝土底板弯矩；通过水下封底与干封加强层形成叠合板结构，解决了封底混凝土在使用过程中受疲劳荷载的开裂问题。

3)通过设置暗排水设施，解决了封底混凝土渗水腐蚀钢筋的问题。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1是现有技术钢吊箱水下封底步骤1)的施工示意图；

图2是现有技术钢吊箱水下封底步骤2)的施工示意图；

图3是现有技术钢吊箱水下封底步骤3)的施工示意图；

图4是采用现有技术施工后桩基晃动护筒变形，护筒与吊箱底部封堵板之间拉出缝隙的示意图；

图5是混凝土底板跨中开裂的示意图；

图6是21#墩承台结构主视图；

图7是21#墩承台结构俯视图；

图8是实施例1中步骤一的施工示意图；

图9是实施例1中步骤二的施工示意图；

图10是实施例1中步骤四的施工示意图；

图11是实施例1中步骤五的施工示意图；

图12是实施例1中排水槽系统的俯视图。

附图标记

1拉压杆，2封堵钢板，3钢护筒，4吊箱，5钢底板，6封底砼，7封底料斗，8剪力牛腿，9封堵间隙，10钢护筒壁体，11L形钢板，12柔性橡胶条，13直线开裂线，14环形开裂线，15剪力钉，16上层横联，17竖向撑杆，18第一层水下封底，19下层横联，20顶面钢筋，21第二层加强底板，22排水钢管，23排水泵，24环形水槽，25支槽，26连接槽，27钢盖板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1应用于印度洋中马友谊大桥高桩承台施工案例，中马友谊大桥为印度洋首座跨海大桥，连接马尔代夫首都及机场岛，主桥为五跨V型墩刚构桥，总长760m。19#～23#主墩位于深海区，采用高桩承台基础，以21#中墩为例，承台为7桩梭型结构，厚5m，承台底标高-3.0m，最大桩长104m，海床以上悬臂高度为40m，常水位为+0m，潮汐造成的水位变动约1m，设计最大水流流速为1.5m/s，最不利涌浪周期超过14s，最大波长50m，最大波高为4m，窗口期波高约1～1.5m。如图6和7所示，21#墩承台结构主视图和俯视图。

若以现有技术施工21#墩承台，钢吊箱4水下封底方法如下：1)如图1所示，吊箱4下放到位，焊接拉压杆1，封堵钢护筒3与底板间隙通过封堵钢板2封堵；2)如图2所示，通过封底料斗7水下封底形成封底砼6；3)如图3所示，抽水至干施工状态，通过剪力牛腿8转换拉压杆1至桩头护筒，凿桩头，施工承台。

21#墩承台吊箱4抽水后内外最大静水压差约3.5m，考虑1.5m波高涌浪冲击力及1m/s水流冲击力，吊箱4壁体承受的最大线型荷载约60Kpa，在该荷载条件下吊箱4壁体及内支撑设计难度不大。水下封底对于吊箱4施工的核心作用体现在：1)水下混凝土封底质量决定了吊箱4整体的封水效果，对于防腐要求高的海工混凝土结构，对封水要求更为严格；2)水下封底混凝土与桩基护筒的握裹力为吊箱4施工承载的基础，为吊箱4承担的水头压力、承台及吊箱4自重压力提供抗力。

鉴于长周期波涌浪对吊箱4水下封底的不利影响尚无量化的经验参数，为增大封底成功概率，应尽量选择涌浪较小的窗口期作业，通过物模试验及现场波浪监控显示，在1.5m涌浪冲击作用下，涌浪对吊箱4的平均水平推力可达到12Kpa,浮托力为10Kpa，波吸力为8Kpa，在该海况下，吊箱4封底施工难度分析如下：

1)如图4所示，封底施工阶段：桩基自由悬臂大于40m，在波流力与涌浪叠加作用下，对单根桩基的最大水平推力可达到50t，且长周期波作用造成单桩往复摆动，观测单桩在1.5m涌浪冲击作用下晃动幅度达到10cm。首先，水下封底混凝土在桩基护筒晃动条件下凝结质量难以保证；其次，因桩基晃动及护筒变形，使钢护筒3壁体与吊箱4底部封堵板之间拉出缝隙形成封堵间隙9，在波浪浮托力及波吸力交替作用下，形成沿护筒壁竖向的射水冲刷作用，水下封底混凝土在初凝前被反复冲洗，造成封底混凝土与钢护筒3无法有效握裹，封底失效概率极大。

2)吊箱4使用阶段：吊箱4内抽水完成后，封底混凝土使用期风险主要包括:1)40m大悬臂桩基与封底混凝土形成刚架结构，在水流力及涌浪水平冲击荷载的作用下，钢护筒3与封底混凝土结合的节点区将形成较大的负弯矩作用，钢护筒3与封底混凝土直接存在拉裂风险，需经计算分析进行量化。2)涌浪作用在底板形成的浮托力与波吸力交替作用，结合潮差影响，与混凝土自重叠加，举例：在1.5m波高涌浪作用下，水下封底混凝土底板承受的竖向力方向最大下沉力为33Kpa，最大浮托力26KPa，封底混凝土在竖向承受反复变号的疲劳荷载，增大了混凝土底板跨中开裂的风险，形成如图5所示，直线开裂线13和环形开裂线14。

针对使用阶段进行模型分析，确定吊箱4在使用阶段封底混凝土底板是否处于安全状态，采用ANYSIS软件建立封底混凝土底板与桩基模型，考虑2m厚封底混凝土，根据规范添加荷载分析。计算结果显示，在下沉组合工况的叠加作用下，封底混凝土与护筒结合区最大混凝土拉应力将达到3Mpa，背浪侧封底混凝土沿护筒中心连线区域最大应力达到1.5MPa。水下封底混凝土抗拉强度一般取0.5Mpa，计算应力已远超过开裂限值。

考虑水平荷载及竖向荷载的独立作用，则可将封底混凝土的失效机制做如下判断：

1)封底混凝土与护筒结合区开裂主要由自重及波吸力叠加荷载产生,钢护筒3与封底混凝土粘结力有限，形成相对滑动面之后，则会失去握裹力，吊箱4悬挂承载力失效。

2)封底混凝土跨中应力超标主要由水流力及波浪冲击力产生,一旦封底混凝土开裂，将造成整个封底混凝土底板划分为若干小单元，底板整体受力作用失效。

3)由于波浪及水流力方向紊乱，在各种方向叠加作用下，封底混凝土承受变号的疲劳荷载，且首层承台浇筑前可能出现2m以上的涌浪，具体开裂严重程度难以判断。

实施例1

应用于长周期波涌浪条件下的高桩承台钢吊箱4封底方法，包括以下步骤：

步骤一、如图8所示，在吊箱4下放前在吊箱4的钢底板5上焊接竖向撑杆17，吊箱钢底板上焊接剪力钉15，在吊箱4下放至设计标高后，将各钢护筒3之间采用上层横联16(上层横联16为双拼H588型钢)焊接，根据计算分析及现场实测验证，护筒连接后整体晃动幅度降低至1cm左右，下放完成后竖向撑杆17与护筒间的上层横联16焊接，并完成水下钢护筒3和吊箱4底板间隙的封堵。

因桩基间净距达到6m，封底等强制抽水使用阶段受力体系转换复杂，为规避这一不利因素，在吊箱4下放前钢底板5焊接若干竖向吊杆，吊杆的数量根据涌浪的大小设置其密集程度，来保证钢筋混凝土的应力低于设计限制值，封底前吊杆与钢护筒3之间的上层横联16连接，抽水后干浇筑第二层时将吊杆转换至钢护筒3下层横联19，使封底混凝土底板跨度大幅减小。

步骤二、如图9所示，进行1.5m第一层水下封底18，根据计算分析，采用竖向吊杆密集的支撑作用下，封底混凝土单元跨度大幅降低，抽水后使用工况中底板跨中结构应力降低至满足设计要求0.5Mpa以下。待第一层水下封底18混凝土强度达到90％后，水泵强排至干施工条件。此时，1.5米的第一层水下封底18封水效果难以达到施工要求，满足强排条件即可。

步骤三、在二次干封底高度(高度根据计算确定)内钢护筒3之间焊接下层横联19(下层横联19为双拼HW400型钢横联)支撑，将竖向撑杆17由上层横联16转换焊接于下层横联19，保证吊箱与钢护筒3处于相对稳定的状态，并分担部分锚固点负弯矩，起到抑制封底混凝土裂缝发展的作用。

步骤四、如图10所示，在二次干封底范围内根据受力要求配置钢筋，在本实施例中仅需对顶部配筋，并在钢护筒3周围转换拉压杆1、焊接剪力钉15，干浇筑形成第二层加强底板21；顶面钢筋20、拉压杆1、两层封底混凝土与吊箱4钢底板5之间形成强支撑层，该支撑层通过拉压杆1、剪力牛腿8、锚钉与钢护筒3形成拉结锚固作用。转换拉压杆1具体为在第一层水下封底18上表面的钢护筒3上焊接剪力牛腿8，并将剪力牛腿8与拉压杆1焊接在一起，且不侵入承台的保护层。

在现有技术下，封底混凝土初凝前受涌浪作用造成的壁缝射水作用难以评估，可将封底混凝土分为两层，底层封底砼6采用水下浇筑，不严格要求其封水效果，满足吊箱4悬挂承载力及要求即可。在强排水后干施工条件下，干浇筑封底加强层至承台底标高，与护筒形成较强的锚固。

步骤五、如图11所示，二次封底混凝土强度达标后，拆除上层横联16，此时上层横联16起到的竖向支撑作用及横向稳定作用转换至第二层加强底板21，此时吊箱4钢底板5，第一层水下封底18混凝土，顶部配筋的、具有下层横联19的第二层加强底板21形成叠合板体结构，且与钢护筒3形成较强的锚固，其强度与止水性能均可满足使用要求。切除上部的钢护筒3和竖向撑杆17，施工承台。

其中一种实施例中，水下钢护筒3和吊箱4底板间隙的封堵，具体为：水下钢护筒3周围和吊箱4底板之间采用L形钢板11和柔性橡胶条12封水，同时高韧性土工布在钢护筒3上利用钢丝缠紧绑扎，并将土工布在钢底板5上利用砂带(砂带30公分高)压实固定，形成柔性的防冲刷阻水膜，最终在浇筑第二层混凝土时将砂带一起浇筑进去。

其中一种实施例中，如图12所示，水泵强排至干施工条件后，通过暗排水系统对渗漏的海水从吊箱4壁体外的排水钢管22排出。

暗排水系统包括：

排水泵23，其设置于排水钢管22内；

排水槽系统，其开设于第一层水下封底18的上表面，所述排水槽系统包括环形水槽24、支槽25和连接槽26，所述环形水槽24围设于钢护筒3的外周，所述支槽25由钢护筒3外壁方向向环形水槽24延伸连通，各个环形水槽24通过连接槽26相互连通后穿过吊箱4与壁体外排水钢管22连通；

钢盖板27，其盖设于排水槽系统上表面，防止二次干封底时将排水槽系统堵住。

暗排水系统能将渗入的水汇集在排水槽系统中最终导入排水钢管22中，解决了封底混凝土渗水腐蚀钢筋的问题。

施工效果和总结

中马友谊大桥吊箱施工严格执行上述既定方案，首次抽水完成后封底混凝土与护筒出现轻微漏水现象，在二次封底施工前护筒与封底混凝土存在相对晃动在1cm的范围内，及时焊接护筒间横撑约束，浇筑完第二层刚性支撑层，并体系转换后割除竖向吊杆，施工承台。以二次封底及体系转换为核心的封底技术可有效解决上述难题，可为类似工程提供施工经验。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (5)

1.应用于长周期波涌浪条件下的高桩承台钢吊箱封底方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、在吊箱下放前在吊箱的钢底板上焊接竖向撑杆，在吊箱下放至设计标高后，将各钢护筒之间采用上层横联焊接，下放完成后竖向撑杆与护筒间的上层横联焊接，并完成水下钢护筒和吊箱底板间隙的封堵；

步骤二、进行第一层水下封底，待第一层水下封底混凝土强度达到90％及以上后，水泵强排至干施工条件；

步骤三、在二次干封底高度内钢护筒之间焊接下层横联支撑，将竖向撑杆由上层横联转换焊接于下层横联；

步骤四、在二次干封底范围内根据受力要求配置钢筋，并在钢护筒周围转换拉压杆、焊接剪力钉，之后干浇筑形成第二层加强底板；

步骤五、二次封底混凝土强度达标后，拆除上层横联，此时吊箱钢底板，第一层水下封底混凝土，顶部配筋的、具有下层横联的第二层加强底板形成叠合板体结构，切除上部的钢护筒和竖向撑杆，施工承台。

2.如权利要求1所述的应用于长周期波涌浪条件下的高桩承台钢吊箱封底方法，其特征在于，水下钢护筒和吊箱底板间隙的封堵，具体为：水下钢护筒周围和吊箱底板之间采用钢板和柔性橡胶条封水，同时高韧性土工布在钢护筒上缠紧，并将土工布在钢底板上压实固定，形成柔性的防冲刷阻水膜。

3.如权利要求1所述的应用于长周期波涌浪条件下的高桩承台钢吊箱封底方法，其特征在于，水泵强排至干施工条件后，通过暗排水系统对渗漏的海水从吊箱壁体外的排水钢管排出。

4.如权利要求3所述的应用于长周期波涌浪条件下的高桩承台钢吊箱封底方法，其特征在于，暗排水系统包括：

排水泵，其设置于排水钢管内；

排水槽系统，其开设于第一层水下封底的上表面，所述排水槽系统包括环形水槽、支槽和连接槽，所述环形水槽围设于钢护筒的外周，所述支槽由钢护筒外壁方向向环形水槽延伸连通，各个环形水槽通过连接槽相互连通后穿过吊箱与壁体外排水钢管连通；

钢盖板，其盖设于排水槽系统上表面。

5.如权利要求1所述的应用于长周期波涌浪条件下的高桩承台钢吊箱封底方法，其特征在于，转换拉压杆具体为在第一层水下封底上表面的钢护筒上焊接剪力牛腿，并将剪力牛腿与拉压杆焊接在一起，且不侵入承台的保护层。