1 工程概况 研究以渑淅高速项目淅川至豫鄂省界段关防大桥为对象，主桥设计为70 m+130 m+70 m的三跨连续刚构桥，其中19号主墩位于丹江口水库水中，库区设计正常蓄水位168.201 m，设计低水位158.0 m，施工常水位160.0 m，承台设计顶标高161.813 m，底标高157.813 m。19号墩采用左右幅一体式矩形承台，承台长29.2 m，宽13.6 m，高4 m。19号墩承台设计图如图1所示。 （b） 图1 关防大桥19号墩承台设计示意 （a）平视；（b）俯视 2 施工难点针对性分析 （1）场地受限。承台尺寸大，桥址处大型运输及起重设备受限，钢吊箱只能采用后场分块加工、现场散拼、下放的方式施工。过程中施工复杂，焊接作业多，吊装才下放安全风险高。 （2）水位差超10 m。围堰设计高水位时承台封底后干施工最大水头差达10.187 m，水位差大对过程施工中安全系数要求高。 （3）岩质边坡。关防大桥19号墩位置地形坡度陡，承台位于水下且嵌入岩质边坡，施工前需要凿除边坡与承台冲突部位岩体。 3 专用钢吊箱设计 3.1 钢吊箱结构布置 19号墩承台尺寸为29.2 m×13.6 m，承台高度为4.0 m，底标高约为+157.810 m，顶标高约为+161.810 m。钢吊箱尺寸需在承台尺寸的基础上各边外扩50 mm，吊箱内尺寸在长度方向由29.2 m扩展到29.3 m，宽度方向由13.6 m扩展到13.7 m。 吊箱壁体高12.25 m，吊箱顶标高+168.563 m，壁体分为上下2节，顶节高3.0 m，底节高9.25 m，节段之间焊接连接。 HM 588 mm×300 mm型钢为壁体环向主梁所用材料，HN 150 mm×75 mm型钢为壁体环向次梁所用材料，HN 350 mm×175 mm型钢为壁体竖向次梁所用材料。壁体在拼接时，所使用的拼接槽钢以及封底槽钢采用[36a槽钢。 支撑钢管设置在钢吊箱上下2层，直撑和角撑为内支撑钢管的主要形式， 600 mm×8 mm为钢管尺寸，上层标高为+166.460 m，下层标高为+162.510 mm。钢吊箱底板主梁采用HN 300 mm×150 mm型钢，斜杆采用HN 300 mm×150 mm型钢，次梁采用HN 150 mm×75 mm型钢，底板主梁及次梁上翼缘焊接8 mm钢板，护筒周围预留直径为2.64 m圆孔。 护筒周围底板4个角点焊接][14 a拉压杆，钢吊箱下放到位后拉压杆与护筒焊接牢固，钢吊箱壁体和底板通过对拉钢筋牢固连接。吊箱平面布置示意如图2所示。 图2 钢吊箱平面布置示意 3.2 钢吊箱制作要求 钢吊箱壁体及底板采用Q235B钢材，拉压杆耳板及销轴采用Q355B钢材，对拉钢筋采用HRB 400，下放精轧螺纹钢筋采用PSB 930，封底混凝土及底板采用强度等级为C30混凝土。 型钢侧向弯曲矢高应小于跨度的1/1 000，且不得超过10 mm。型钢高度的1/250为型钢扭曲值界限，且不得超过5 mm。 在有划痕、锈蚀时的钢材上，负偏差不超过其钢材厚度允许值的1/2，焊接时避免有夹渣等缺陷。 钢管、型钢在进行重复使用时，钢材表面不得有变形、破损、锈蚀等表层缺陷，以上应检查合格后方可使用，必要时应通过荷载试验以确定其实际承载力。 4 钢 4.1 总体施工工艺 大桥地形为U形谷，桥址区内地基岩土顶部主要分布为薄层状可塑状粉质粘土，稍密–中密状碎石，承载力相对较低，下伏强–中风化泥质石灰岩、白云质灰岩，承载力比较高。19号墩承台总体施工工艺如图3所示。 图3 19号墩承台总体施工工艺 4.2 关键性施工要点 （1）起吊。钢吊箱提前在工厂加工好后运至现场进行吊装，通过吊机进行下放，在下放前需完成支撑平台的搭设。待底节壁体拼装完成后，起吊放置在钢护筒拼接平台并采用千斤顶下放。 （2）下放。钢吊箱在进行下方时需要先进行试吊，然后采用千斤顶同步下放，需布置挑梁在护筒顶部，并焊接导向装置，保证过程中不偏位。 （3）定位。下放后根据现场竖向或者水平方向情况，适时调整，保证定位准确且不出现偏差。 （4）安装拉压杆。钢护筒与拉压杆之间上部采用焊接形式并用节点板焊接固定，下端与底板焊接固定，之间采用铰支座的形式进行固定。拉压杆全部安装就位后，在上端和底部全部安装定位后需割去下放挂腿并拆除下放系统。 （5）浇筑封底混凝土。浇筑前应做好清理工作，一方面保证无杂物，另一方面保证钢护筒与底板混凝土之间的粘结力。按图纸要求浇筑厚1.5 m封底混凝土，在施工过程中要充分做好防水工作。 （6）抽水。吊箱内抽水需在浇筑混凝土达到强度要求后进行，待水抽干后需环向割除封底混凝土以上护筒。 （7）浇筑承台。浇筑承台尽量选择在高水位进行，承台分层情况根据施工水位标高而变，前桥址处水位160.16 m，在承台施工期间，实时进行库区水位监测，综合分析水位及工期后，再确定承台是否采用分层施工，第一层承台施工水位标高位于+158.000 m≤Ah≤+160.000 m时，承台分层浇筑高度为1.5 m+2.5 m；第1层承台施工水位标高位于+160.000 m≤Δl<+164.000 m时，承台分层浇筑高度为2 m+2 m；第1层承台施工水位标高位于+164.000 m≤Ah≤+165.000 m，一次性浇筑4 m承台时，拉压杆须进行体系转换，在中部4根钢护筒上设置2处中部支座。 （8）浇筑第二层承台。待第一层承台达到设计强度后，根据施工承台、墩身期间水位情况，选择合适时机进行壁体接高，然后进行钢筋帮扎，支撑安装，以上工作完成后开始浇筑第二层承台混凝土。 （9）浇筑墩身。承台浇筑完成后可进行墩身施工，在墩身施工前需拆除影响施工的干扰因素。 （10）拆除壁体。拆除内支撑应该选择在低水位时进行，需提前检查壁体各单元之间的连接螺栓，割除底板与壁体之间的对拉钢筋。 4.2.1 首封施工顺序 由一侧开始依次向另一侧导管进行首封施工，其中1~3号导管采用大料斗首封，在进行首封时应保证相邻导管口处的混凝土埋深大于50 cm，过程中需持续不间断灌注混凝土，直至所有导管底口密封完成。首封施工顺序如图4所示。 图4 首封施工顺序示意 1~3号导管的首批混凝土灌注后，应使用天泵继续向其中灌注混凝土，使得混凝土不断向外扩散，直至淹没相邻其他导管底口0.5 m以上，即可对其他导管进行二次首封。 4.2.2 二次首封 按浇筑顺序进行首批混凝土灌注，首批混凝土灌注完成后，仍应持续浇筑直至相邻导管浇筑的混凝土埋深达50 cm，按照从一侧到另一侧的顺序进行，直至所有导管底口均被封住。 在其他导管进行二次首封时，需事先做好测量工作，测量导管处混凝土的埋深情况，当以上所做工作满足要求条件后，还需在小料斗内储存混凝土，过程中考虑到存在一定的水位差，灌注时需要提升导管，拔出小料斗下的钢板塞，使导管底口露出混凝土面，为了成功二次首封需在下料前将混凝土导管内的水挤出并将导管下放至混凝土内。 4.2.3 承台施工 承台开始施工时需保证无漏水和无渗水，应严格检查漏水情况，过程中为防止桩头破除的干扰，对于钢护筒的切割一般采用环向切割的方式，其目的是尽可能不破坏桩头，切割过程中要保证护筒切除后与封底混凝土面保持齐平。 需保护好桩头的完整性，施工前用红色油漆标线，切割时应测定钢筋保护层厚度及钢筋位置，避免切割过程中伤及主筋，切缝深度控制在3~4 cm，环向切割完成后进行承台钢筋绑扎，而后分层浇筑混凝土。 4.3 不利因素影响 考虑抽水时的不利因素，通过构建钢吊箱有限元模型并施加相应荷载，得到钢吊箱整体位移、环向主次梁应力、竖向次梁应力、内支撑应力、封底混凝土主拉应力和主压应力。 水位标高Δh<+164 m时，拉压杆割除封底混凝土以上，进行承台钢筋绑扎，分层浇筑承台。 当施工水位标高Δh≥+164 m时，拉压杆增设中部支座，割除中部支座以上拉压杆，一次性浇筑承台。考虑在高水位+165.000 m不利因素下抽水，钢护筒接触面与混凝土固结为抽水时的约束条件。钢吊箱有限元模型如图5所示。考虑钢吊箱在抽水时位移的变化，通过有限元分析计算，可得出在抽水情况下x向位移（横桥向），y向位移（顺桥向），z向（竖向）位移，以顺桥向为例，顺桥向位移最大值为6.2 mm。钢吊箱顺桥向位移云图如图6所示。 图5 钢吊箱有限元模型示意 图6 钢吊箱顺桥向位移云图 考虑钢吊箱在抽水时环向主梁应力的变化，通过有限元分析计算，环向主梁最大应力为121.2 MPa，其应力云图如图7所示。 图7 钢吊箱环向主梁应力云图 考虑钢吊箱在抽水时环向次梁应力的变化，通过有限元分析计算，环向次梁最大应力为183.7 MPa，其应力云图如图8所示。 图8 钢吊箱环向次梁应力云图 考虑钢吊箱在抽水时竖向次梁应力的变化，通过有限元分析计算，竖向次梁最大应力为158.0 MPa，其竖向次梁应力云图如图9所示。考虑钢吊箱在抽水时壁板应力的变化，通过有限元分析计算，壁板产生的最大应力为127.0 MPa。钢吊箱壁板应力云图如图10所示。 图9 钢吊箱竖向次梁应力云图 图10 钢吊箱壁板应力云图 考虑钢吊箱在抽水时封底混凝土主压应力变化，通过有限元分析计算，封底混凝土产生的主压应力为16.4 MPa。钢吊箱封底混凝土主压应力云图如图11所示。 图11 钢吊箱封底混凝土主压应力云图 以上钢吊箱经过有限元模型的建立和计算分析，可知，不利因素抽水时x方向位移（横桥向）最大变形为5.7 mm，y方向位移（顺桥向）最大变形为6.2 mm，z方向位移（竖向）最大变形为0.2 mm。抽水时钢吊箱环向次梁最大应力为183.7 MPa，环向主梁最大应力为121.2 MPa，竖向次梁最大应力为158.0 MPa。 钢吊箱内支撑最大应力为68.8 MPa，壁体最大应力为127.0 MPa。封底混凝土最大主拉应力和主压应力考虑不同材料产生的应力集中均在安全范围内，混凝土强度满足要求，钢吊箱强度最大值183.7 MPa＜f=215 MPa，满足强度要求。 5 结束语 本技术在渑池至淅川高速公路淅川至豫鄂省界段项目关防大桥19号墩水中承台施工中得到了成功应用，通过对本技术进行研究以及工程实践，得出以下主要结论。水中承台施工采用钢吊箱工艺，可提高施工效率和施工质量，解决了承台施工困难的问题。 钢吊箱采用后场预制加工，现场拼装，整体下放的工艺，可大量减少水中设备的投入，减少了施工风险，节约了成本。本项目水中承台钢吊箱施工技术的成功运用值得推广。
