船闸靠船墩加固维修中钢筋混凝土套箱的应用

◎ 方雄 江西省赣江船闸通航中心

1.工程概况

某船闸建成于2001年，全闸水工建筑物包括上游引航闸、下游引航桥及闸室。其中引航桥设计长度为300m，按20m间隔设置靠船墩，上部通过T梁连接。靠船墩为重力式浆砌块石结构，墩体底部为设计厚度100cm的素混凝土扩大基础，坡脚高度比墩体高120cm；墩身采用棱台浆砌块石结构；墩体顶部为设计厚度50cm的素混凝土压顶，同时设置系船柱。

在长期运行过程中，因遭受水流冲刷，墩身浆砌石结构已经表现出结构性破坏，靠船墩底部块石部分缺失和淘空，局部区域已经坍塌。为此，船闸管理部门必须及时实施靠船墩加固维修，提升墩体结构抗滑、抗剪稳定性能以及防冲刷、防撞能力。

2.施工方案比选

2.1 钢围堰

结合水工建筑物加固维修经验，在使用钢围堰挡水结构时，必须结合结构物实际尺寸展开钢围堰预制和加工，过程复杂，造价高；同时需要安排潜水人员进行水下堵漏，对于地形、地质条件复杂的深水区，堵漏效果较难保证，发生涌水事故的可能性大。该船闸靠船墩设置在引航道中，水深在8～10m之间，在航道底土层安装钢围堰后，很容易因来往船舶行波及水流冲击影响而发生失稳。钢围堰预制好后还必须展开组装、抽水、堵漏和支模浇筑，以上施工环节均需在水上完成，必然会对航道运行造成不利影响；最后，钢围堰不作为工程实体，待靠船墩加固维修结束后需要拆除，存在较大浪费。

2.2 无底钢混套箱

根据该船闸靠船墩体底板承载力以及所在航道运行实际，提出靠船墩抗剪、抗滑及抗倾覆要求。考虑到加固维修期间船闸必须保持航运状态，故钢筋混凝土套箱应在陆地预制，养护至设计强度后进行吊装，并浇筑浸水混凝土，以有效缩短水上施工时间。

钢筋混凝土套箱既能用作船闸靠船墩下部混凝土围堰及模板，又能作为水下永久性结构，增强靠船墩防撞性能和耐久性，还能有效避免钢围堰方案下水下堵漏技术难题[1]。

2.3 靠船墩维修方案确定

综合以上分析，该船闸靠船墩加固维修最终选择无底钢筋混凝土套箱施工方案。具体而言，将船墩上部T梁吊离，并将常水位以上墩体全部拆除。套箱在陆地预制，并在迎水面增设倒角，通过水上浮吊将预制好的套箱转运后，安装于靠船墩底板处，安装高程按22.8m控制。原墩体水下部分必须镶嵌于套箱中，同时将预制套箱内径相应放大，以确保原墩体和套箱构成整体性结构。常水位以上结构使用C25混凝土浇筑；为满足大型船舶停靠对抗滑抗剪等方面的特殊要求，必须将墩体扩大处理；并在迎水面增设钢板护面，同时在靠船墩两侧增设倒角。

3.钢筋混凝土套箱施工

该船闸靠船墩加固维修工程中钢筋混凝土套箱是工艺主体，胶囊止水是核心技术。施工过程主要以灌注桩钢护筒为支撑，借助吊装系统进行混凝土套箱安装；此后展开水下胶囊止水、抽水焊接、反压临时系统及吊架拆除；待体系转换完成后进行上部防浪钢套箱安装，抽水后成为承台施工平台；待承台混凝土浇筑结束后进行温度及混凝土套箱应力、变形等的检测。

3.1 套箱预制

为确保钢筋混凝土套箱顺利安装，并将中心偏差控制在±20mm以内，必须在套箱预制前展开现场桩位、钢护筒椭圆度、桩竖直度等的实测，根据测试结果确定钢混套箱底板预留桩孔直径及平面位置。

待确定好钢混套箱底板预留孔位后展开套箱安装施工，同时安装应力片、传感器及预埋件。无底钢筋混凝土套箱为大体积薄壁结构，自重大，预制好后需起吊、运输、水下安装，并作为挡水性结构，如果采用普通竹胶板和对拉螺栓模板制安工艺，施工质量较难保证。为此，该工程选用内外整体钢模板，并通过液压油缸内支撑+外围檩加固的工艺代替对拉螺栓[2]的使用，提升套箱预制效率，并保证施工质量。钢混模板包括内模和外模两部分，模板平面和立面结构见图1和图2。套箱底板预留孔模板组装成型后分片安装，并按照先外后内的次序支模，完成后进行混凝土浇筑和养护。

图1 套箱模板平面（单位：mm）

图2 套箱模板断面（单位：mm）

3.2 套箱外模验算

钢筋混凝土套箱外模板采用6mm厚、Q235材质的L型钢模板，因模板高度较大，故仅在模板外围设置3层钢围檩横向加固，钢围檩严格按要求设置。外模板和钢围檩设计抗弯强度均为215N/mm2，通过10#槽钢支撑。新浇筑混凝土对模板的标准侧压力为48.66kN/m，混凝土倾倒时标准荷载为6.0kN/m，混凝土振捣时的标准荷载为4.0kN/m。

3.2.1 钢模板验算

钢模板属于受弯结构，在进行其刚度和抗弯强度计算时，应按照钢围檩设计间距，按照外模板上所支撑的2层钢围檩上的三跨连续梁展开面板强度计算[3]，公式为：

式中：M为面板最大弯矩计算值（kN·m）；l为计算跨度（mm），取300mm；q为模板上所作用的线荷载（kN/m），其中，新浇筑混凝土设计侧压力q1=48.66kN/m，混凝土倾倒时标准荷载q2=6.0kN/m，混凝土振捣时的标准荷载q3=4.0kN/m，则q=1.2q1+1.4（q2+q3）=1.2×48.66+1.4×（6.0+4.0）=72.39kN/m。经过计算，面板最大弯矩为6.52kN·m。面板承受的应力按下式确定：

式中：σ为面板承受的应力（N/mm2），反应面板实际抗弯强度；M为面板弯矩最大值（k N·m）；W为面板截面抵抗矩，根据面板截面厚度和宽度计算得截面抵抗矩为6000mm³。经计算，面板承受的应力为109N/mm2<面板设计抗弯强度215N/mm2，故面板强度符合要求。

3.2.2 钢围檩验算

模板纵向钢肋以钢围檩为支承点，主要承受均布荷载，结合实际受力情况按照连续梁验算。该船闸靠船墩加固维修工程中钢围檩以20a#槽钢为主材料，故肋截面惯性矩和肋截面抵抗矩分别取1780.4cm4和178cm³；新浇筑混凝土的侧压力为q1=14.60kN/m，混凝土倾倒时标准荷载q2=1.8kN/m，混凝土振捣时的标准荷载q3=1.2kN/m，则肋截面所作用的线荷载q=1.2q1+1.4（q2+q3）=21.72kN/m。最大弯矩取8.795kN，最大变形取0.663mm，最大应力σ取49.41N/m m2<钢肋设计抗弯强度2 1 5 N/mm2，故钢围檩受力符合要求。

3.3 套箱安装

为避免钢混套箱安装过程中，套箱和钢护筒边缘发生碰撞，必须在套箱安装前在各墩台钢护筒上焊接井字形支撑与导帽结构。

3.3.1 套箱定位

钢混套箱安装必须使用吊架，该吊架结构由上吊索、下吊杆、框架梁等部分组成。连接吊杆和套箱底板吊点后进行吊杆长度微调，以确保能达到安装高度要求；此后通过起重船起钩，展开钢混套箱安装。安装期间，为确保中心位置及顶面高程的准确，必须借助套箱抗浮反压牛腿系统进行套箱临时固定，为焊接抗浮剪力体系转换预留时间。

为避免钢混套箱发生浮动，必须在钢护筒上安装4组反压牛腿抱箍结构。在对套箱实施反压处理后，在套箱各角反压牛腿下的连接托架上设置8个5t水平千斤顶，以调整套箱横向和水平加固位置，将套箱位置偏差控制在±20mm以内。

3.3.2 胶囊止水

在钢混套箱底板预留孔内的预留槽中安装止水胶囊，为保证安装的牢固性，还应在预留槽上下边缘处焊接1圈φ14mm圆钢。在套箱底部胶囊止水的过程中，必须配备空压机、高压胶管和压力检测装置。其中，高压胶管应连接胶囊，并借助吊架从钢混套箱底板处引至河岸；将4个测试能力为4.0kg/cm2的压力表安装在压力检测装置上，起到连接高压胶管和空压机进气管的作用；各套箱胶囊同时充气，期间进行胶囊充气压力检测。

待完成胶囊止水后应在缝隙内灌注砂浆，并将预留槽内积水抽干，此后便展开钢混套箱焊接和体系转换，也就是将套箱抗浮反压系统及吊架拆除，使钢混套箱自重从钢护筒间接承担转换为直接承担。

在混凝土套箱顶部安装钢套箱，并借助预埋于套箱顶的圆台螺母将两者连接成整体，并使内部形成水密性腔体，为钢筋绑扎和混凝土浇筑提供干燥的施工环境。同时将泡沫橡胶止水带设置在套箱底部（图3），确保止水效果。

图3 钢套箱底部水平接缝止水（单位：mm）

4.应用经验总结

通过对施工过程的分析看出，该船闸靠船墩钢筋混凝土套箱及水下混凝土使地基承载力增大，因技术方面的限制，无法对原基础实施加固，故必须通过上部结构的合理设计，避免基础遭受破坏。该靠船墩墩体上部最终采用扶壁式轻型结构，使套箱自重大大减轻。

承重板主要起到连接上下部结构的作用，如果原墩体结构和新浇筑承重板结合不良，必然形成套箱薄壁承受剪应力过于集中现象[4]。为此，在浇筑承重板前，必须将原墩体相应部位凿毛处理后适当植筋，确保连接牢固。

此外，钢筋混凝土套箱体积大，质量重，吊装施工必须选用扒杆高度大、起重力强的船舶，加上工程所在航道通航压力大，施工期间无法完全断航。故吊装船存在较大的定位难度和安装精度控制难度，钢混套箱发生偏位的可能性大；此外，在清理不彻底的情况下，基础存在块石或高差，同样会引发安装偏位。为此，项目组先通过角钢制备1个与钢混套箱同尺寸的框架结构展开试吊装，结果框架放置较为平稳，表明基础处理较为彻底；就定位方面，在套箱四角预留拉环，并借助缆绳钩住拉环后微调，并同时展开观测，确保定位精准。

5.结论

无底钢筋混凝土套箱在该船闸工程靠船墩等水工结构加固维修中的应用取得了成功，通过加强混凝土套箱预制、起吊、安装等施工过程控制，使施工效率显著提升，也使水上施工时间大幅缩短；施工对航道通航的不利影响降至最低。施工结束后，套箱将作为永久性水工结构发挥效用，可进一步提升靠船墩体抗冲刷、防撞性能和耐久性。该船闸靠船墩结构维修加固任务于2020年初结束，墩体加固后即投入使用，在运行期间发挥出显著的性能优势。