水东湾大桥为双塔双索面混凝土梁斜拉桥, 跨径布置为150m+328m+150m, 总长628m, 主塔高125m。主塔承台为高桩承台, 呈哑铃形, 平面尺寸18m×54.4m, 高6m, 顶标高为5.000m, 底标高为-1.000m, 混凝土设计强度等级为C40, 单个承台共4 797m³, 封底混凝土厚度为2m, 采用C35水下混凝土, 主塔承台构造如图1所示。

1) 主塔钢吊箱设计难度大, 钢吊箱重达约415t, 最大吃水深度约6m, 侧壁水压较大, 对单壁钢吊箱的整体结构强度、刚度提出较高要求。

2) 主塔钢吊箱采用12台连续千斤顶同步下放, 下放行程较长 (约6m) , 且下放过程中受潮汐波浪影响, 加大了钢吊箱下放过程中平面位置、下放同步性及施工安全的控制难度。

3) 主塔承台钢吊箱水下封底混凝土一次浇筑成型, 封底厚2m, 混凝土共1 344m³, 浇筑面积800m², 施工组织难, 封底质量控制难度大, 混凝土连续浇筑25h以上, 时间长, 混凝土质量控制要求高。

4) 钢吊箱结构分块多、接缝多, 须采取严密的堵水措施。

5) 主塔钢吊箱封底前的清理、堵漏及钢吊箱壁体拆除均为水下作业, 安全风险较大。

主墩承台均采用单壁钢吊箱作为挡水和模板结构, 钢吊箱内轮廓尺寸同承台尺寸, 钢吊箱主要结构包括底板、壁体、内支撑、拉压杆及搁置梁、下放及导向系统、定位装置、封底混凝土, 钢吊箱设计参数如表1所示。

钢吊箱内轮廓尺寸同承台尺寸一致, 钢吊箱壁体高8.5m, 钢吊箱内部设1层钢管支撑, 底板在钢护筒和辅助桩位置预留扩孔20cm, 预留下放空间, 承台系梁区域设置4根1 200mm辅助桩。

钢吊箱底板和壁体受力构件采用H型钢、槽钢、角钢组合的骨架结构, 面板为8mm钢板;壁体各单元块间、壁体与底板均采用可拆卸的螺栓连接, 分块加工制作, 拼装焊接。

钢吊箱拼缝均加入2条宽3cm、厚1.2cm的泡沫止水橡胶条进行止水。

钢吊箱总体结构如图2, 3所示。

钢吊箱底板及壁体工厂制作、试拼, 考虑运输宽度及现场起吊设备的因素影响, 钢吊箱底板分为14个单元块, 最大运输宽度、最大单块质量为底板Ⅱ, 其平面尺寸为6.656m (宽) ×11.028m (长) , 质量为9.2t, 壁体分为24块单元块, 共6类形式, 分块单元最重8.1t。钢吊箱底板分块如图4a所示, 壁体分块如图4b所示。

钢吊箱底板及壁体拼装前, 先利用钢护筒及辅助桩安装拼装平台, 拼装平台采用牛腿与连系梁结合的方式, 牛腿布置于钢吊箱壁体下方, 连系梁布置于底板下方, 主塔承台钢吊箱拼装平台布置如图5所示。

1) 主塔钢吊箱底板拼装顺序拼装Ⅴ类、Ⅵ类板块→Ⅰ类板块→Ⅱ类板块→Ⅲ类板块→Ⅳ类板块, 如图6所示。

2) 底板现场焊接考虑到底板离水面净空高度较低, 底板型钢现场焊接不具备仰焊条件, 因此, 底板型钢焊接一律在底板顶面进行, 底板钢面板预留40cm缝隙方便型钢焊接, 型钢下翼缘板采用陶瓷垫片打底焊接, 型钢焊接完毕后焊接面板。钢吊箱同一类型构件对接应采用等强度焊接, 并达到二级焊缝标准, 所有拼接焊缝均应连续满焊, 构件角焊缝连接位置须保证连续满焊, 并要求达到三级焊缝标准。

连通器采用钢管制作, 主塔钢吊箱底板共设10处, 安装时在钢吊箱底板面板上开孔, 将连通器插入孔下5cm。连通器顶口设置法兰盘与盖板连接, 法兰盘与盖板之间设置密封橡胶圈止水, 连通器在封底混凝土达到设计强度之前一直保持开启状态。

主塔承台钢吊箱壁体共24块, 分10步对称安装, 步骤为: (12) , (24) 号→ (13) , (1) 号→ (14) , (2) 号→ (11) , (15) , (3) , (23) 号→ (10) , (16) , (4) , (22) 号→ (17) , (5) 号→ (18) , (6) 号→ (19) , (7) 号→ (20) , (8) 号→ (21) , (7) 号, 每步安装前均测量放线, 拼接缝隙加膨胀型止水条, 壁体与底板以及壁体与壁体之间均用M22螺栓连接, 每块壁体焊接2根I25a临时支撑固定。具体拼装步骤如图7所示。

单壁钢吊箱整体刚度弱于传统的双壁钢吊箱, 所以为了钢吊箱的顺利下放, 施工过程中要严格控制钢吊箱的制作及安装质量, 下放过程中要严格控制下放的同步性, 以防钢吊箱变形或倾覆。

根据图纸设计挂腿位置及下放要求, 主塔承台钢吊箱下放承重架安装护筒需接长至标高8.000m, 钢护筒标高为5.000m, 需接长3m, 主塔接长护筒具体位置如图8所示。

因下放过程中与钢吊箱内支撑位置冲突, 其余钢护筒需割除至标高2.000m处, 不影响下放。

钢吊箱下放前, 先安装拉压杆, 拉压杆底端与钢吊箱底板采用销轴铰接, 上端靠在钢护筒及辅助桩上, 随着钢吊箱沿钢护筒一起下放。

下放牛腿在加工厂预制, 现场焊接于钢吊箱壁体上。下放挑梁通过支撑牛腿焊接在接长护筒上, 下放挑梁由挑梁、肋板、贴板、加强板等部件组成;主塔钢吊箱下放挑梁底标高8.000m, 共计12套, 挑梁结构为2HM588×300组合型钢。下放系统总体平面布置如图9所示。

钢吊箱可采用12台70t穿心千斤顶整体下放, 下放吊杆为PSB930-40精轧螺纹钢;也可采用12台TS200-250型连续千斤顶整体下放, 下放吊杆为^s15.2钢绞线, 方案比选如表2所示。

综上所述, TS200-250型连续千斤顶在同步性及安全系数上相较于传统的70t穿心千斤顶有较明显优势。

钢吊箱整体提升10cm, 割除拼装平台连系梁, 低潮水时割除拼装平台牛腿。提升过程中检查千斤顶是否正常运行, 检查下放系统, 确保下放顺利。

下放前在各千斤顶位置设置标尺, 标尺由卷尺和标杆组成, 下放时标杆不动, 尺子随着钢吊箱一起下放, 统一调整卷尺最开始读数为0, 作为初始数据并记录, 卷尺贴在壁体上并固定, 卷尺上端要求伸出钢吊箱3m, 伸出部分在卷尺后面用角钢固定, 可直观读出全过程各吊点的下放行程。

下放前对千斤顶进行编号, 相应的油表同样编号, 一一对应, 钢绞线要预紧, 防止受力不均匀, 测量钢吊箱的初始顶标高, 反算出下放所需行程。下放过程中对钢吊箱的垂直度进行观测, 垂直度要求控制在l/200以内。

下放前要调整各千斤顶的供油量一致, 但由于各千斤顶距油泵的距离不同, 所以供油速率要调整, 距离远的千斤顶供油速率要略大于距离近的千斤顶供油速率, 保证在同一时间内的供油量以及总供油量一致, 保证下放的同步性, 避免较远位置千斤顶供油速率慢导致局部下放延迟, 在下个行程开始前未回油到位引发事故。

统一指挥, 合理分工, 读数人员与指挥人员通过对讲机沟通并汇报下放行程的读数, 指挥人员负责收集数据并与千斤顶操作人员沟通, 若行程误差>2cm或发现油表读数超过允许要求, 暂停下放, 及时进行纠偏处理。

钢吊箱临时支撑如图10所示。

根据水流对壁体的最大冲击力, 在主塔钢吊箱壁体标高2.000m焊接8个20t吊耳, 并挂设25钢丝绳, 现场根据钢吊箱需精调的情况 (由于潮水影响, 钢吊箱向横桥方向偏位) 和需求确定调位方向, 现场在横桥侧及顺桥向各挂设4台10t手拉葫芦对钢吊箱平面位置进行调节。在钢吊箱完成拼装未下放前, 在钢护筒顶口搭设辅助平台作为钢吊箱平面位置调位操作平台, 钢吊箱下放精调示意如图11所示。

钢吊箱下放到位, 平面及竖向定位后, 在低水位焊接临时支撑I25a, 限制钢吊箱的平面位移。钢吊箱下放就位后, 拉压杆上端与钢护筒采用节点板焊接固定, 再进行受力体系转换, 将下放千斤顶的拉力转换到拉压杆上。钢吊箱拉压杆总体布置如图12所示。

拉压杆全部焊接完成后, 解除千斤顶的受力, 拆除千斤顶以及下放挑梁, 潜水员水下操作, 清理封底范围内护筒上海蛎子, 在护筒与封堵抱箍的缝隙间填充砂袋, 拧紧连接螺栓。

钢吊箱封底的控制主要包括对混凝土浇筑标高的控制、整个钢吊箱封底混凝土顶面平整度的控制、浇筑时的过程控制等。

1) 封底混凝土的选择、坍落度的控制与流动半径的关系决定浇筑的标高, 封底混凝土坍落度为220mm, 流动半径约为3.5m。

2) 导管封底混凝土导管型号为325×10, 配合1m³料斗, 为简化封底工序, 集中控制, 确保封底质量, 仅布置2根导管, 横桥向逐步推进一次到顶的移动封底工艺。

3) 封底标高控制采用测绳测量封底混凝土标高, 钢吊箱周边以吊箱顶标高反算封底标高, 中间部位通过壁体标尺读出水位标高进行反算控制。

4) 封底混凝土90型搅拌站27m³/h, 2台为54m³混凝土, 封底总方量为1 344m³, 浇筑时间约25h。

5) 导管移动当浇筑位置混凝土标高到位后, 导管不提空, 在混凝土内向未浇筑侧缓慢拖动, 首先吊车落臂, 导管倾斜, 要注意落臂幅度, 以防导管根部上翘过多, 露出混凝土面, 然后向未浇筑侧摆臂, 稍稍提升, 导管受力, 导管在自重下开始向未浇筑侧滑动, 逐渐处于垂直状态, 拖动过程中泵车泵管随着料斗一起移动, 混凝土持续浇筑, 避免了二次封底风险, 而且节约了重新封底所需花费的时间。导管移动示意如图13所示。

水东湾大桥主塔哑铃形承台单壁钢吊箱工厂预制、试拼, 现场分块拼装, 拼缝贴2条泡沫橡胶条止水, 12台连续千斤顶同步下放, 2根导管水下封底施工, 施工过程顺利, 工序转换流畅, 施工质量及进度可控, 其中钢吊箱拼缝的堵水、钢吊箱同步下放及水下封底施工最关键, 本方案成功实施对类似工程项目具有较大推广意义。