预应力钢套箱在湘江长沙综合枢纽工程中的应用

杨桂根，夏 芳

（中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430040）

湘江长沙综合枢纽船闸及左汊桥梁工程的引航道工程有水上墩台112个，墩台底标高长期位于施工水位以下，经过方案比较，决定采用钢套箱施工工艺。目前已经采用过的钢套箱一般分为不可拆卸的及螺栓连接的可拆卸套箱，不可拆卸的钢套箱材料浪费量巨大，成本太高；采用螺栓连接的可拆卸钢套箱在拆卸钢套箱时需要潜水作业，施工成本高、效率低，而且连接螺栓极易生锈，影响到套箱的拆卸。

开发、应用的预应力钢套箱采用钢丝绳预加应力连接，全部工作都在水面以上完成，不用潜水作业，工作效率大大提高，节省大量的施工措施材料。预应力钢套箱操作简便可靠，不需要特殊的作业工种。由于预加应力钢丝绳数量少，而且全部操作在水面以上完成，用时极短。

1 工程特点

湘江长沙综合枢纽工程位于湖南长沙市望城区，距市中心仅20～30 km。枢纽工程船闸为2 000吨级的双线船闸，设计代表船型为1顶2艘2 000吨级船队。双线船闸共用设计宽度146 m的引航道，靠船墩及隔水墙墩台采用钻孔灌注桩基础、现浇承台、墩身结构。墩台合计156个，其中112个需水上施工，下游大隔水墩承台顶高程22.8 m，承台高度2.5 m，封底混凝土高度为1.0 m，承台长度与宽度都为6.5 m，小隔水墩长宽为2.9 m。

湘江为雨水补给型河流，每年4—9月为汛期，10月至次年2月为枯水期。坝址多年平均流量为2 237 m3/s。承台均在湘江枯水期施工，高水位为26.0 m，低水位为22.0 m。根据水上承台数量多、工期紧的特点，开发并应用了一种新型的易拆卸式预应力钢套箱，在水下承台施工中应用，节约了措施钢材用量和工期，圆满地完成了水下承台施工任务。

2 施工工艺原理及工艺流程

2.1 工艺原理

钢套箱由四片（整体吊装） 或若干片（分体式吊装）模板组成，模板端头使用型钢焊接成M形和V形，V形插入M形槽，中间垫橡胶片止水。采用钢丝绳，通过钢管转向形成U形兜住两块M槽模板。钢丝绳两端采用接头套筒与φ25 mm精轧螺纹钢连接将水平力转换为竖向力，传出水面，进行张拉将套箱组合成整体后进行吊装。

套箱下放、封底后进行承台和墩身的施工，施工完后钢套箱拆除，循环使用。拆除钢套箱的过程为：先放张，然后解索，最后使用浮吊分块拆卸下来后，放置机驳上，清理套箱内壁，以便循环使用。

2.2 工艺流程

工艺流程见图1。

图1 预应力钢套箱施工工艺流程

3 钢套箱加工与制作

3.1 板面结构加工

预应力钢套箱由多个组合片组成，组合片又要起到模板的作用，因此钢套箱组合片的质量就决定了钢套箱的质量。加工套箱的板面结构时要注意以下要点[1]：

1） 要制作专门的加工平台，平台应采用型钢加工而成，牢固而平整；

2） 加工时先固定边框位置，然后以边框确定分配梁的位置；

3）面板大小应比设计规格小5 mm；

4） 要做好焊接变形的预控工作，防止过大的焊接变形影响套箱的质量；

5）钢板之间的缝隙必须满焊，并达到母材的强度；

6）相邻两块板的连接槽应套入后焊接。

3.2 套箱接缝加工处理

钢套箱接缝既要满足套箱侧壁止水的目的，又要满足板块之间有效齿合、传递应力的能力，因此接缝必须平直、凹凸对应，齿合密切，缝间设有具有一定压缩性而又不透水的软橡胶垫。

接缝加工时要注意下列几点：

1） 齿合缝必须上下顺直、紧贴，为此加工时齿合部分应合成加工，齿合部分单独加工成型，然后与壁板（面板）焊接在一起，焊接时先间断焊。

2） 齿合槽内不允许有焊缝，焊缝应设置在齿合槽的外侧，对于齿合槽内的任何凸起，都要打磨平整。

3） 止水橡胶垫板应预先用胶水粘贴在齿合缝的一侧齿合板上，为防止胶板掉落，齿合板面应适当打磨。

4） 齿合部分与面板焊接时应采用防止齿合板变形的措施。

5） 止水橡胶板的厚度应在7~10 mm，正条胶带最好没有接头，如无法避免，应采用斜接头；胶板的硬度以手捏微微变形为宜。

接缝设计详见图2。

3.3 钢套箱预应力系统加工与制作

预应力系统包括：预应力索、拉杆、转向系统、转换接头、张拉台座等。

1） 预应力索。预应力索采用钢丝绳，根据拉力的大小选择，在长沙枢纽工程项目施工中选用了直径φ28 mm的钢丝绳[2]。根据套箱挡水水头差的大小及套箱受力情况，确定预应力索高度方向的分层布置，本工程设上下两层预应力索。

2） 拉杆。拉杆主要是方便预应力的施加与卸载，多采用精轧螺纹钢做拉杆，其直径应根据应力确定，拉应力值不能超过允许应力的72%，拉杆的长度要保证接头处于预应力索槽内。

3）转向系统。由于钢套箱需要的是水平的预加应力，但为了施工方便，必须将其转换为竖向，为此必须设置预应力索转向杆。转向杆可采用无缝钢管或者圆钢，为了转动的需要，可在无缝钢管或圆钢的外面加设钢套，钢套的外径应不小于钢丝绳转动最小半径的要求。转向杆应与承力梁焊接牢固，使预应力索与其呈垂直状态。见图3所示。

4）转换接头。预应力索部分由钢丝绳和精轧螺纹钢构成，其间通过转换接头连接。转换接头为独立体系，可采用工厂化的加工件。见图3所示。

5）张拉台座。张拉台座主要用于承受张拉时的压力，台座位于传力钢梁的最上端，与传力钢梁焊接成整体。张拉台座要能满足承受全部张拉荷载的能力，其钢板厚度应根据应力计算确定。

6）壁板连接接头。对于断面尺寸较大的钢套箱，面板间需平行同心连接，为了保证连接的可靠性，在接头处设计有接头预应力索和内置撑杆，撑杆采用钢管加工，其与面板采用承插式，因此撑杆的规格应与面板上的开孔严格对应，同时撑杆与面板接触处应垫设橡胶止水环。详见图4。

4 钢套箱施工要点

4.1 钢套箱组装

1）根据流水线施工要求，选用2艘或多艘300 t自航平板驳，在平板驳舱面上使用型钢焊接制作钢套箱拼装平台，然后在平台上拼装钢套箱，如浮吊甲板面积较大，可直接在浮吊甲板上焊接拼装平台进行拼装。在陆上选一平地进行拼装平台骨架的制作，整体吊装上船进行固定。

2）制作4根螺旋撑杆，4根连接杆件两两连接于带有“V”形槽的壁板上。连接杆件的作用一是用于支撑壁板，使套箱壁板在套箱拼装时不倾覆；二是在拼装时可以利用螺旋撑杆来调整壁板的垂直度，保证套箱壁板在拼装时垂直。螺旋撑杆由φ102×6钢管、左右旋螺母及左右旋螺杆等材料制作，钢管为Q235材质，螺杆及螺母材质为45号钢。

3）橡胶止水的粘贴。橡胶止水条采用普通硅胶条，硅胶条宽度100 mm，采用万能胶水粘贴在套箱的止水槽上。橡胶止水粘贴注意事项：①止水条应尽量取整根完整无接头的硅胶条；②如分缝较长，止水条宜采用万能胶水斜接；③为保证粘贴效果，可对板面进行打磨后粘贴；④每次套箱使用前应对止水条进行检查，如发现损坏，立即更换或修补。

4）侧板吊放。使用浮吊或履带吊将钢套箱壁板吊起，立放在平板驳舱面上的拼装平台上，然后将加工好的螺旋撑杆连接于壁板背面。使用三角板控制，调整螺旋撑杆来保证壁板垂直度。当两块带有“V”形槽的壁板按照定好的尺寸放好后，再吊放带有“M”形槽的壁板。侧板吊放操作要点及注意事项：①为保证侧板安装的准确性，根据套箱的外形尺寸在拼装平台上使用圆钢焊接定位及限位装置；②船舶上拼装套箱应预制混凝土块配重，保证套箱壁板分块安放时船舶甲板大致水平；③6级及以上大风天气不得进行板壁拼装。见图5。

5） 套箱组装。板壁安放到位后使用钢套箱上口的连接螺杆将4片套箱板壁连接起来，临时固定。

6）穿索。4片板壁连接好后，将钢丝绳从预留孔道中穿过，然后将索头用钢丝绳卡固定在转换盘上，并将带有精轧螺纹钢的转换盘安置在承力平台上。施工过程中应注意以下两点：①不得使用编结接长的钢丝绳；②穿索之前应对钢丝绳进行检查，检查内容包括：钢丝绳磨损程度、断丝情况、腐蚀程度、润滑情况、变形情况、钢丝绳转向及转换盘位置以及其他异常现象等。视检查情况，若有不合适的，必须立即更换；③两股钢丝绳重叠部位不得发生缠绕现象。

7） 张拉与锚固。拉杆穿好后，用2台穿心千斤顶同时张拉同一高度的钢丝绳至设计的预应力值，张拉时需设置承力架。承力架采用20 mm厚的钢板焊接而成，千斤顶放置在承力架上，边张拉边紧固精轧螺纹钢上的螺母，当张拉到位后将螺母拧紧、固定。

拼装平台制作质量要求如表1。

表1 钢套箱拼装平台制作允许偏差、检验数量和方法[3]

4.2 钢套箱下放

1） 基床整平。基床的整平采用水上整平船进行，使用一艘350 t的自航平板驳改造成整平船，整平船上放置有18 m长臂挖机，长臂挖机底座应使用型钢进行有效的固定，防止挖机滑移。基床的顶标高应较设计标高低20~30 cm。基床整平前应先对基床的标高进行水下测量，高点挖除，低点补抛砂卵石，使基床标高大致水平后在长臂挖机斗体上安装刮平器进行精平。待套箱安装完成后在其内部填充砂卵石至设计标高，基床整平过程中使用测深砣检测标高。

2） 焊接限位导向装置。基床整平完成后，先由测量人员测放钢护筒中心线，根据钢护筒中心线制作限位导向装置。在制作限位导向装置时要预留富余量，故限位导向装置的结构尺寸比钢套箱每个方向往内收1 cm。考虑钢套箱高度方向较高，故采用双层限位。限位装置采用φ50 mm弯曲钢管，因为钢管刚度比钢筋好，而且钢管表面光滑，有利于钢套箱的下滑安装。

3） 钢套箱下放。基床整平完成，限位导向装置焊接准确后，使用50 t、80 t浮吊进行套箱的起吊，吊装钢套箱时采用四点吊，整体吊装。起吊钢套箱时，钢套箱吊耳全部起吊受力后，浮吊将整个套箱起吊10 cm，观察其稳定性。然后用浮吊下放钢套箱，要始终保持整个套箱的稳定性，并事前在套箱的内壁上做好水尺进行观察。要求操作人员全部携带对讲机，并使用统一频道作为工作频道，待套箱下放到设计标高后，浮吊进行再次下放10 cm，观察套箱的稳定性。待下放完成后检查钢套箱的垂直度以及平面位置是否准确，然后再进行钢套箱内的平整工作以及钢套箱内的回填工作。见图6。

4.3 封底

套箱安装好后，套箱内用砂卵石回填至设计封底混凝土底标高，施工时可用长臂挖机配合。

封底采用“带有底封口的混凝土导管技术”，导管可采用钻孔桩浇筑用导管，也可用直径300 mm的钢管加工；漏斗的容积应能满足封底的需要。

操作平台采用移动式平台，平台采用小型型钢焊接成宽度1 m、长约8 m的钢桁架结构，可以在套箱上移动。

浇筑混凝土要加强对浇筑面的监测控制，防止混凝土超浇，对于局部有超浇的地方，应采用振捣棒振捣赶平；对于局部浇筑高度不足的地方可拖动导管到该处补浇混凝土。

4.4 套箱拆除

封底后进行承台和墩身的施工，施工完后钢套箱拆除，循环使用。拆除钢套箱的过程为：先放张，然后解索，最后使用50 t、80 t浮吊分块拆卸下来后，放置机驳上，清理套箱内壁，以便循环使用。

5 结语

湘江长沙综合枢纽船闸工程通过使用预应力钢套箱，圆满完成了引航道水下112个墩台的施工任务，保证了承台的施工质量，节约了施工成本，缩短了施工周期。

1）节约工期。对于由4块壁板构成的预应力钢套箱，在平台上拼装的时间约需2.5 h，拆除时间大约1 h，如果是边拆、边拼装大约需要3.5 h。施工时只需要50~80 t的浮吊即可满足施工强度要求。由于全部的工作都是在陆上或者船上进行，不需要潜水作业，功效高，费用省。对于外形尺寸较大的导流墩钢套箱，采用分节下放，水下组拼的方案，全部采用预应力钢索连接，避免了潜水作业，解决了套箱重量大的问题，大大提高了工效，节约了工期。

2） 经济效益。若按传统的不可拆卸的双壁钢套箱施工，共需制作大小套箱各56个，大套箱单个重约80 t[4]，小套箱单个重约36 t，112个需加工钢套箱6 500 t，加工单价按7 100元/t计，需要资金4 615万元；采取预应力组合套箱，拆卸方便，大小套箱各制作了12套，大套箱单个重约36 t，小套箱单个重约20 t，前期仅需要投入钢套箱672 t，由于设计加工简单，制作单价降低为6 200元/t。总体节省投资约4 200万元。

3） 社会效益。经查新，目前国内外尚未有同类型的钢套箱出现以及相关的文献，该类型的钢套箱是最新设计方案。该设计方案已申报国家专利，目前国家专利局已经受理，专利号为：ZL2011110246420.4。

由于现在桥梁以及其他水中构筑物中钢套箱的使用非常普遍，因而可以降低施工成本、加快施工进度的预应力易拆式钢套箱将有非常广阔的运用前景。对于需要进行钢围堰施工的水中构筑物，采用预应力易拆式钢套箱是明智的选择，在桥梁、码头、船坞等交通工程的施工中将大有可为。

[1]GB 50205—2001，钢结构工程施工质量验收规范[S].

[2] 建筑施工计算手册[M].2版.北京：中国建筑工业出版社，2007.

[3]JTS257—2008，水运工程质量检验标准[S].

[4] 韩伟奇.潮汐河深水承台施工技术[J].铁道标准设计，2010（4）：55-56.