巨型中空深水电塔基础钢吊箱设计

杨晓梅，陈建荣，黄士君，刘云飞

巨型中空深水电塔基础钢吊箱设计

杨晓梅1，陈建荣2，黄士君1，刘云飞1

（1.国网江苏省电力公司经济技术研究院，江苏南京210008；2.中交第二航务工程局有限公司，湖北武汉430040）

苏通长江大跨越项目电塔基础在地质条件差、大流速和强感潮的条件下，承台及围堰结构施工难度巨大。在局部冲刷特别大的特殊情况下，此类承台钢巨型吊箱设计时，结构安全性和稳定性问题凸显。文章对该项目基础高桩承台巨型围堰结构方案进行比选研究，结合加工、运输、拼装、整体下放、封底技术等方面条件，设计了巨型中空钢吊箱，能满足施工要求，达到保证工程质量及合理、安全可靠的指标。

电塔基础；高桩承台；巨型；中空；钢吊箱

0 引言

对于大型跨江越海输电塔工程，在水中基础规模非常庞大，相应的基础承台尺寸巨大，造型独特。承台钢吊箱设计及施工是水中承台施工的关键环节，其受水文、地形、成本、工期、设备等因素制约[1]，特别是在流速大且有潮位涨落的深水域高桩巨型中空式承台施工所用钢吊箱，其设计复杂，体积巨大，措施结构多，施工难度也大，需投入众多人力、材料及大型设备，结构安全性和稳定性问题凸显。本文对苏通长江大跨越项目承台钢吊箱设计方案进行研究，对设计关键点进行分析。

1 工程概况

苏通长江大跨越项目为淮南-南京-上海1 000 kV特高压交流输变电工程的关键节点工程，跨越档距为“1 140 m—2 600 m—1 340 m”，均跨越航道。该项目工程的南、北两个主电塔均立于江中。

电塔基础为巨型中空深水高桩承台结构，布置182根钻孔灌注桩。承台外轮廓平面尺寸为130 m×120 m。中空部分为八边形，平面尺寸为90 m×88 m，承台厚度8 m。外承台和内承台之间设置有4条安装在内外承台侧面支座上的混凝土板通道。电塔基础承台的结构见图1。

图1 基础承台结构布置（单位：m）Fig.1Structure layout of foundation cap（m）

河床顶部为松散的粉细砂和淤泥质粉质黏土，在水流作用下极易形成冲刷。南、北跨越塔墩位处的地质条件汇总见表1。

表1 南、北跨越塔墩位处的地质条件Table 1Geological condition at the piers of South toNorth crossing towerm

电塔工程河段距长江口约110 km，为每日两涨两落感潮区，潮差及波高大。航道最大水深约40 m。20 a一遇设计高潮（水）位为+5.2 m，设计低潮（水）位为-1.5 m，设计水流速为3.84 m/s（落潮），设计波高为3.0 m。

2 钢围堰方案比选

外承台为巨型中空深水高桩承台，钢吊箱的设计与承台施工难度均较大，本文以外承台钢吊箱的设计和措施结构进行研究。

由于南、北塔两个墩位处局部冲刷都特别深，承台为巨型中空结构，钢吊箱所承受的最大水头约17 m，3种常用围堰方式对该承台的适用情况对比分析见表2。

表2 承台钢围堰方案比选Table 2Scheme comparison of the steel cofferdams of cap

对比分析3种围堰方案，选择双壁钢吊箱结构用于施工。由于承台尺寸和施工条件的原因，围堰结构尺寸均非常巨大，且为整体中空式结构，钢吊箱壁体平面可达133 m×123 m，中间八边形空心尺寸为87 m×85 m。设计时不仅要能保证结构安全，还需考虑场地、分块加工、运输、吊装、现场拼装、下放控制、导向、限位、防漏浆等一系列措施，保证承台施工质量[2-3]。该种钢吊箱结构之巨大，考虑因素之多，加工及施工难度之大，非常少见。

3 钢吊箱结构设计

3.1 结构布置

承台钢吊箱采用双壁结构壁体，平面尺寸133 m×123 m，中间八边形空心尺寸87 m×85 m，壁体厚为1.5 m，总高度13.2 m，重量约9 600 t，平面形状与承台一致。壁体内、外壁板间设置环板、角钢支撑及竖肋形成稳定的壁体结构。壁体上设置了吊耳结构、导向结构、连通器以及整体下放时牛腿结构等。

底板结构为横纵交错的底板主梁、加劲梁以及顶面钢板焊接而成，整体在墩位处平台上加工，与钢护筒位置避开，平面尺寸达135 m×125 m，中间八边形空心尺寸为85 m×83 m，底板面积达9 200 m2，重量约6 100 t。底板结构上设置了吊杆结构、分仓结构、止挡环等，用于分区域浇筑封底混凝土。

底板结构与壁体焊接并加强连接，进行水密性实验后方可投入使用。在内、外侧壁体间设置了2层钢管内支撑结构。钢吊箱结构的平面及立面总体布置见图2。

图2 钢吊箱平面及立面布置Fig.2Plane and elevation layout of steel boxed cofferdams

3.2 结构计算

钢吊箱有限元计算时根据施工过程中各阶段的施工条件不同，在整体下放、浇筑封底混凝土以及抽水完成这3种工况下为最不利状态。

经计算，钢吊箱结构在浇筑封底混凝土时出现最大组合应力为187 MPa＜205 MPa，出现在底板面板上，满足要求[4-5]。

水下封底混凝土（C30）高度为3 m，割除吊杆后在底板受浮力、围堰壁体受水压力等不利条件下，封底混凝土结构受力以及抗浮能力也应进行计算校核。

该工况下封底混凝土出现的最大拉应力为1.08 MPa＜1.43 MPa；单桩最大握裹力2 156 kN，小于允许值2 956 kN，满足要求。

4 钢吊箱施工措施设计要点

钢吊箱平面尺寸和重量巨大，采用底板在现场钢护筒平台上整体加工、壁体在工厂分块加工、船运至现场通过浮吊吊装拼接，最后整体通过下放至安装位置的总体方案。

4.1 壁体结构设计

钢吊箱内、外侧壁体由多层水平环板、横向支撑及竖肋焊接组成，壁体厚度1.5 m，总高度13.2 m；壁体外侧平面周长为473 m，内侧周长288 m。分块尺寸考虑便于加工、运输，吊装浮吊选型等，将壁体高度不分节、外侧壁体分成16块、内侧壁体分成8块。单块最大长度38 m，最大重量420 t，但分块多会增加拼装时间。见图3。

图3 壁体分块划分平面示意图（单位：m）Fig.3Outline of the plane division of double wall（m）

4.2 底板结构及拼装设计

底板由横纵交错避开钢护筒的主梁、加劲梁以及顶面钢板焊接形成主体承力结构。底板上安装吊杆铰耳、在高于设计高水位的+5.5 m标高处的每根钢护筒侧壁上均设置4个钢牛腿结构，支撑底板结构主梁、次梁自身形成安装支撑平台。牛腿结构采用Q345材质的箱梁，并与钢护筒焊接加劲板加强，182根钢护筒总计728套牛腿。底板安装支撑牛腿结构见图4。

钢吊箱下放到位后，壁体与钢护筒间需通过桁架结构固定连接（图5），共计80套；然后分批、逐次解除下放结构，进行受力体系转换。并安装每根钢护筒外壁与底板间的吊杆、钢护筒顶挑梁与底板间的吊杆，这两种结构承担浇筑封底混凝土的荷载，总计1 480根吊杆，安装数量巨大。

图4 底板安装支撑平台结构Fig.4Floor mounting support platform structure

图5 钢吊箱整体下放结构立面布置Fig.5Elevation layout of integral decentralization for steel boxed cofferdams

浇筑封底混凝土前，在钢护筒周圈与底板间安装止挡环防止发生封底混凝土浇筑时漏浆现象，共计182套。

4.3 整体下放结构设计

钢吊箱通过设置壁体内侧的下放牛腿和钢护筒顶部的吊架结构，由千斤顶系统实现整体下放至设计位置[6]。整体下放结构共设置80套，由计算机和液压系统集中控制，可确保所有千斤顶受力均匀、下放同步。下放前应先将钢吊箱结构整体提升约10~20 cm，拆除安装底板安装支撑牛腿结构后，匀速缓慢下放至设计位置。

4.4 其它措施及工艺

壁体上还需要设置连通器，保证抽水完成前钢吊箱内水位随江水水位变化一致，抽水时应关闭连通器。连通器沿内、外侧壁体周圈布置，标高在-1.5 m处，总计20个。

此外，还需通过吊箱壁体内注水的工艺，以利于钢吊箱下沉及调节壁体水压，减小结构受力。钢吊箱下沉入水后壁体内逐步注水至总高度为6 m即可。

5 结语

巨型中空异形电塔基础钢吊箱设计时要考虑施工工艺、施工条件以及多种保证施工质量的措施。该巨型中空钢吊箱设计尺寸、材料用量巨大；下放控制同步性要求高，可克服大流速、强感潮等不利条件施工。本文所述的钢吊箱考虑了以上因素，通过有限元计算确定和布置了相应的结构措施，能满足施工要求，可为同类设计提供参考。

[1]欧阳效勇，任回兴，徐伟.桥梁深水桩基础施工关键技术[M].北京：人民交通出版社，2006. OUYANG Xiao-yong，REN Hui-xing，XU Wei.Key techniques for deep water bridge pile foundation construction[M].Beijing:China Communications Press,2006.

[2]张鸿，张永涛.苏通长江大桥北主墩超大型钢吊箱的设计与施工[J].公路，2006（1）：33-41. ZHANG Hong,ZHANG Yong-tao.Design and construction of super large steel hanging box in the north main pier of Sutong Yangtze River Bridge[J].Highway,2006(1):33-41.

[3]谭萍.双壁钢吊箱施工技术研究[D].上海：同济大学，2008. TAN Ping.The study on construction technology of double wall steel suspending cofferdam[D].Shanghai:Tongji University,2008.

[4]于建军.高桩承台吊箱的组合有限单元计算分析研究[D].西安：西南交通大学，2003. YU Jian-jun.Computation and analysis on hanging box of high pile cap with integrated finite element method[D].Xi′an:Southwest Jiaotong University,2003.

[5]丛义营，孙晓荣.双壁钢围堰精确下放施工技术[J].铁道建筑技术，2015（5）：45-48. CONGYi-ying,SUN Xiao-rong.Construction technology on accurate decentralization for double wallsteelcofferdam[J]. Railway Construction Technology,2015(5):45-48.

[6]GB 50017—2003，钢结构设计规范[S]. GB 50017—2003,Code for design of steel structures[S].

Design for steel boxed cofferdam of giant hollow deep-water pylon foundation

YANG Xiao-mei1,CHEN Jian-rong2,HUANG Shi-jun1,LIU Yun-fei1
（1.State Grid Jiangsu Electric Power Company Economic Research Institute，Nanjing，Jiangsu 210008,China；2.CCCC Second Harbor Engineering Co.,Ltd.,Wuhan,Hubei 430040,China）

Under the condition of poor geological,high velocity of flow and strong tide,the cap and cofferdam construction of pylon foundation are very difficult in the Sutong Yangtze River large crossing project.In the special case of large local scour, the safety and stability problems of this kind of cofferdam are prominent.Based on scheme comparison of high pile cap giant cofferdam structure,combining processing,transportation,assembly,overall decentralization,sealing technique and other aspects of the conditions,we designed a giant hollow cofferdam,which can meet the requirements of construction,to ensure the engineering quality and the reasonable,safe and reliable indicators.

pylon foundation;high pile cap;giant;hollow;steel boxed cofferdam

U445.557

A

2095-7874（2017）08-0064-04

10.7640/zggwjs201708015

2017-03-23

2017-05-07

杨晓梅（1973—），女，江苏南京人，高级工程师，主要从事电网建设研究与管理工作。E-mail：htao5201314@qq.com