大型钢套箱围堰多点智能同步下放技术研究及应用

周 游

（广东省长大公路工程有限公司，广东番禺511431）

0 引言

潮连西江桥主墩承台设计为八边形结构，整体尺寸为21.4 m×29 m×5 m，采用有底钢套箱进行施工，钢套箱重量约700 t，下放高度约6.5m。同时，该项目承台为整体式高桩承台，承台面积大，施工时水位高、水流急，且河床面上覆盖淤泥层较厚，不利于采用无底套箱和钢板桩施工，故考虑采用有底钢套箱进行施工。

国内对于有底钢套箱下放施工技术主要有大吨位千斤顶少点下放、多点人工整体下放、大型浮吊下放三种，三种方法各有利弊，在实际工程的运用实例也很多。根据该桥项目特点，经过方案比选后建议采用进口PLC同步顶升控制系统多点进行下放，该系统独特的多点下放技术充分利用人工智能，实现了少人力、省工时、高质量的目标。本文即以潮连西江斜拉桥主墩承台施工为背景，总结整套系统、安全、经济的钢套箱下放工艺，重点介绍钢套箱设计构造和PLC同步顶升控制系统，并对施工工艺要点进行概括，以将成套的技术运用在今后类似工程中。

1 工程概况

潮连西江桥为独柱双塔中央双索面半漂浮体系混凝土斜拉桥。主桥跨径为（50+115+320+115+55）m。大桥效果图如图1所示，总体立面见图2所示。

图1 潮连西江桥效果图

图2 潮连西江桥立面布置图（单位：cm）

潮连西江桥C3、C4主墩都位于西江流域上，两个主墩基础均采用18根直径3 m的嵌岩桩，桩长70 m～89 m，桩基顶面标高为-1.426 m，其中设计桩身埋入承台20 cm。主墩承台为整体式高桩承台，设计桩身埋入承台20 cm，承台设计为八边形结构，整体尺寸为21.4 m×29 m，承台厚5 m。承台下设2m封底混凝土，其上设高3 m的多边形塔座。承台混凝土为C40，封底混凝土采用C20。

2 钢套箱智能下放技术研究

2.1 国内钢套箱下放方案比选

目前国内常用的大型钢套箱的下放工艺有以下几种：

（1）大吨位千斤顶少点下放。如苏通长江大桥，首节吊箱重约3 000 t，采用16个吊点整体吊放。该方法的优点是下放速度快、平稳，但此下放方式对套箱结构的要求高，要求吊架系统具备较大的刚度，钢材用量大。

（2）多点人工整体下放。如金塘大桥东通航孔桥，套箱重约1 600 t，采用54个32 t液压千斤顶整体下放。该方法单点下放受力小，结构简单，但人为控制因素影响较大，安全风险大，且下放过程需组织较多人员进行，劳动强度大，下放速度较慢。

（3）大型浮吊下放。如南京长江第四大桥，采用两台大型浮吊抬吊的方法下放套箱。该方法下放速度快，但需要使用大型浮吊，费用较高，对套箱结构的整体性要求也高。

结合该桥的实际情况，利用桥梁顶升的PLC同步控制系统进行多点下放，该工艺具备以下特点：

（1）与大吨位千斤顶少点下放相比，该工艺下放点多，单点受力小，吊架系统和套箱结构要求简单，钢材用量小，装拆、下放方便快捷，套箱结构中主要采用现有的周转材料。且该系统千斤顶为200 t，具备足够的顶升力，可根据施工需要选择下放点的数量，潮连西江桥采用24个千斤顶进行套箱下放。

（2）与多点人工整体下放相比，该工艺同步控制性强，下放过程平稳、迅速，安全风险低。下放过程通过计算机智能控制，同步性好，各吊点的受力情况可通过计算机读取，可更好地监控套箱下放情况并进行调整。同步液压千斤顶的顶升及回缩通过计算机智能控制，其操作只需一人即可完成，劳动力大大减少，下放只需一天即可完成（采用人工下放一般为3～5 d）。

（3）与大型浮吊下放相比，采用该工艺的施工单位已有设备，节约了现金支出。

2.2 多点智能同步下放系统

PLC同步控制系统主要由电控系统、泵站系统、油缸及附件系统组成。有线电脑同步控制台控制泵站，单个泵站控制8台千斤顶，千斤顶上配置传感器，将数据传送至控制台。图3为PLC同步控制系统流程图，图4为PLC同步控制系统软件界面图。

2.3 钢套箱构造设计

考虑承台底面和河床面高差较大，承台面积较大，施工时水位高、水流急，且河床面上覆盖淤泥层较厚，不利于采用无底套箱和钢板桩施工。结合施工条件、经济指标、施工工艺等综合考虑，该桥采用有底钢套箱进行施工。根据桥位处河道的情况，在该桥钢套箱设计时按照如下设计原则进行：

图3 PLC同步控制系统流程图

图4 PLC同步控制系统软件界面图

（1）承台分两次浇注，第一次2 m，第二次3 m。封底分两次浇注，第一次1.2 m，第二次0.3 m。

（2）模板为大块钢模，分块制作，共加工2套，套箱高度均为7.8 m，共设有2种标准模板，2种转角模板。模板块与块之间通过法兰螺栓连接，中间垫3 mm橡胶垫止水。

（3）底承重系统采用混凝土结构：底板采用20 cm厚的预制底板，主梁采用40 cm×60 cm的预制混凝土梁，次梁采用现浇混凝土尺寸为40 cm×40 cm，底板和主梁都采用C30混凝土结构。

（4）体系转换前上承重系统直接采用在桩基钢护筒铺设2I45工字钢梁，体系转换后采用焊接在桩基钢护筒上的2I25牛腿代替。支承力柱始终采用桩基钢护筒。

（5）套箱内支撑采用螺旋钢管，共设有两道，圈梁采用工字钢，其位置跟内撑梁对应，圈梁间采用法兰连接。

（6）套箱下放时需要穿好吊杆，吊杆考虑采用Ф32精扎螺纹钢。套箱下放时设12个千斤顶同步下放，下放采用200 t螺旋千斤顶。

（7）套箱拼装时采用在钢护筒上焊接I25工字钢牛腿作为支撑。

承台钢套箱主要由四部分组成，分别为上吊系统、下吊架系统（上吊架、底板、底板主梁、次梁等）、模板系统、内侧及圈梁系统（见图5）。下面介绍各部分的具体构造。

图5 潮连主墩承台套箱吊架侧面图

2.3.1 上吊架系统

体系转换前：通过在桩基钢护筒上设置的2I45a工字钢(面梁)作为直接的受力结构，套箱下放时利用千斤顶对反力梁的反顶作用将套箱下放至制定标高。面梁和反力梁可利用平台钻孔区拆除的材料制作。为防止面梁标高不统一，桩基施工完成后需将护筒割至统一标高（+4.5 m）。

体系转换后：承台第一层封底完成后，通过在桩基钢护筒上焊接2I25a工字钢牛腿，将工字钢组合梁的受力转换到牛腿上。

2.3.2 吊杆

吊杆采用Ф32精轧螺纹钢，吊杆从上承重梁及承重底梁中穿过，将上下承重结构联系在一起，支承点以螺母、垫板固定。套箱下放时采用24根吊杆，下放完成后采用44根吊杆。注意体系转换的螺母、垫板需预先穿设好。

2.3.3 预制底板主梁

底板主梁所受荷载主要有套箱模板自重、预制底板自重、封底混凝土自重、第一层承台混凝土自重、浮力、施工动荷载。主梁采用40 cm×60 cm的混凝土梁，采用C30混凝土。主梁在预制场内加工好，利用平板车或货船转运至现场安装。

2.3.4 底板次梁

为增加套箱底架的整个体稳定性，次梁考虑采用C30混凝土现场立模浇筑。其结构尺寸为40 cm×40 cm。

2.3.5 底板

底板承受上部封底混凝土和套箱侧板传来的荷载，根据计算确定采用20 cm厚的钢筋混凝土板，每个承台底板按实测桩位平面尺寸分块在岸上预制场预制。单个承台共34块底板，底板混凝土强度等级采用C30。底板纵向铺设在混凝土底梁上，相互之间，以及与护筒之间预留有8 cm的安装间隙，作为施工缝处理，在进行封底混凝土前处理好各道施工缝。

2.3.6 侧模

套箱侧模的总高度为7.8 m，横向进行分块预制，每个主墩考虑各加工1套。各块套箱侧板通过法兰螺栓连接起来。模板面板采用6 mm的钢板，法兰部分采用L7.5等边角钢，竖向加劲采用I12a工字钢，工字钢间采用75×5 mm钢带作为加劲肋。

2.3.7 内撑梁及圈梁

根据受力需要，套箱共设置2道内撑，均采用螺旋钢管制作。其中第一道内撑采用Ф820 mm钢管，标高为+1.0m。第二道内撑采用Ф426 mm钢管，标高为+4.0 m。套箱的圈梁共设两道，其设置位置跟内撑位置对应。其中第一道圈梁采用2I56a工字钢加工，第二道圈梁采用2I25a工字钢加工。

3 钢套箱下放施工工艺

3.1 施工工艺流程

该桥承台施工采用有底套箱的施工方案，两次封底，体系转换后利用牛腿反吊。先利用在桩基钢护筒上的上承重吊架实现套箱的下放和第一次封底混凝土施工。第一层封底完成后，抽干水后在桩基护筒上焊接牛腿，将上承重系统转换到牛腿上。避免众多吊杆的存在，使得承台的施工空间大大增加而提高施工速度。钢套箱总体施工工艺流程如图6所示。

图6 钢套箱施工流程图

3.2 钢套箱下放施工具体工艺

该桥钢套箱多点智能同步下放施工具体作法为：

（1）根据每次10 cm的下放行程，先将所有反力梁锚固螺母上拧10 cm，然后计算机控制千斤顶同步顶升0.5～1 cm，此时套箱的重量已转换为千斤顶承受。在下放前先将套箱向上顶起5 cm，记录下此时每个千斤顶的压力读数，以此作为压力控制的基准，在后面的下放过程中，千斤顶的压力读数不断与基准读数进行对比，当偏差超过10%时，对有偏差千斤顶进行调整以确保整体平衡。

（2）将所有面梁锚固螺母上拧10 cm，准备套箱下放。为避免下放过程中行程的误差累积，在下放初始位置往上2 m处画好刻度，按每10 cm行程下放后，均用卷尺从2 m刻度处往下量至最终位置进行复核，如：下放第一个10 cm行程后，从2m刻度处往下量至最终位置应为1.9 m。

（3）计算机控制千斤顶活塞同步下落，进行套箱的整体下放，直至面梁锚固螺母贴紧面梁，完成一个行程的下放。如此反复，直至下放到指定的位置。

现场施工实景如图7所示。

3.3 钢套箱同步下方施工要点

（1）下放时要有专人统一指挥，统一协调下放的行程。

（2）下放时吊杆预先统一做好刻度，刻度以10 cm为标准间距，由于下放的行程较长，每下放50 cm的行程需要复测整个套箱模板顶面的标高，及时调整整个套箱的水平，避免吊杆和底梁受力不均匀。

（3）整个下放过程分为两步走，第一步为下放2 m的行程后，将螺母拧紧；第二步为再次下放2m的行程，将螺母拧紧；第三步为用螺旋千斤顶直至将套箱下放到指定的标高，拧紧承重螺母；然后拆除反力梁，同时派潜水员下水将桩基护筒和底板间的空隙使用钢围箍封死，准备进行承台封底。

图7 钢套箱同步下放现场施工实景

4 结语

本文以潮连西江斜拉桥主墩承台施工为背景，对钢套箱下放工艺进行了总结和对比，针对该桥承台施工的特点，采用PLC同步控制系统进行钢套箱下放。此项工艺摒弃了传统的多人工人力操作同步顶升，创新性的选择了智能化控制系统。

目前潮连西江桥两座特大斜拉桥全部主墩的套箱下放工作已完成，下放过程轻松简单，速度快，同步性好，保证了后面的封底质量，套箱的封底都一次成功，无任何漏水现象,不论是在工期还是施工质量上都得到了极大的保证，且此套工艺可操作性强，取得了良好的施工效果、经济效益和社会效益，创造了新的桥梁施工工艺，可供同类型承台施工参考。