深水库区重载凹形浮箱平台水上施工技术

深水库区重载凹形浮箱平台水上施工技术

车纵横中铁四局集团第三建设有限公司300100

摘要：在桥梁水上建设施工中，机械多利用固定式的支架平台作为施工作业平台，但其承载力和稳定性受水深、地质条件影响较大。或利用浮箱和浮船等浮体组拼成作业平台，浮台的锚固及稳定性控制一直是其在设计和使用中控制的重难点。我单位在遂宁田家渡渡改桥项目施工过程中，自主研制出适用于重型机械作业的“凹”形浮箱施工平台及其上下通道，施工精度和安全保障性高，为项目的深水基础施工提供了较大便利，应用效果良好。现将该技术的施工经验和重点进行归纳总结，供类似工程借鉴与参考。

关键词：凹形浮箱；浮船；上下通道；精度保证；

文章编号：中国分类号：U445.4 文献标识码：B

1工程概况

遂宁老池乡至蓬溪书房沟田家渡特大桥主桥主跨采用（102+170+102）m预应力混凝土连续刚构跨越涪江主航道（见图1）。主桥桥墩墩号为P10#～P13#，其中P10#、P13#墩为主引桥交界墩，属矩形实体墩，基础型式为钻孔桩和承台，分别位于涪江西、东两岸。P11#、P12#主墩为低桩承台，承台上覆卵石层厚度约0.5～1.0m，结构尺寸均为17.1m×12.6m×5m，P11#墩距涪江西河岸约90m，P12#墩距涪江东河岸约80m，桥址位于涪江三星枢纽库区内，常水位为+262.5m，水流缓慢，未开闸放水时常年平均流速约0.09m/s，受上下游水库蓄水量调节及季节影响，水位常年变化幅度约为1.5m，该工程桥址位于库区水电站内，施工最大水位15m，大型船舶无法进入进行深水基础施工；

图1 田家渡特大桥主桥平面图

2水文情况

勘察场地位于涪江三星枢纽库区内（如图2），工程桥址区水面宽度约370m，勘察期间河水水面高程在262.44-262.80m之间变化（平均水位262.62m）。区内水速缓慢，未开闸放水时常年平均流速约0.09m/s，水温变化幅度约6～21℃。工程区所在的区域100年一遇洪水位为273.86m，50年一遇洪水位272.33m，20年一遇防洪水位为270.27m，10年一遇防洪水位为268.49m。常年水位为262.50m，最高通航水位为267.51m。

3水上施工总体施工方案

对于库区深水基础需要大型机械施工，则对船舶的吃水性能要求很高，一般施工采用船舶、浮箱、栈桥作为施工平台，库区施工上下游存在水电站，大型船舶无法进入施工区域，小型船舶无法满足承载。栈桥施工成本过高，大型机械在船舶上施工时，机械本身会有一部分悬挑。采砂船所产生水波及施过程中因为机械晃动会产生共振，在库区施工时对施工机械安全影响较大，并且机械在回转过程中会损坏既有施工部位，导致二次修补和施工盲区。结合本项目工程特点，拟采用适用于重型的机械作业的“凹”形浮箱平台进行深水施工，机械作业臂直接贯穿“凹”形浮箱预设的缺口进行作业，机械和浮箱平台整体的重心位于浮体形心，浮体稳定性好。

机械水上施工平台的主要施工工艺流程如图3-1所示。

图3-1 深水库区凹形浮箱平台水上施工工艺流程

4机械水上施工

4.1施工准备工作

（1）施工前对施工水域的水深、历史水位、水位变化情况等进行调查和勘测，并对库区水路、陆路交通情况进行调查，明确浮箱平台加工制作地点。

（2）确定浮箱平台的施工作业机械及其技术参数，从而根据施工机械的规格型号确定浮箱平台的设计标准。

（3）浮箱平台的原材料进场应进行严格验收，必须有材质证明书，符合国家标准要求。焊缝应进行探伤检测，焊接设备、焊丝必须与加工件材质相匹配，以便有效控制焊接变形。

4.2浮箱平台和通道设计验算

（1）浮箱平台结构的尺寸设计可按式4-1计算选用。

（4-1）

式中：——浮箱平台安全系数，通常取1.5～2.0；

——水的重度（），淡水取9.8；

——浮箱平台总长度（），一般不小于15m；

——浮箱平台总宽度（），一般不小于12m；

——浮箱平台总高度（），一般取1.5～2.5m；

——浮箱平台自重（）；

——施工作业机械最大自重（）；

根据水上作业的最重施工机械的型号、尺寸和荷载大小（150t）对浮箱平台和通道进行设计验算[1-2]，在保证浮箱平台吃水深度满足安全系数条件下，根据计算确定，浮箱平台总长度为16m，总宽度为15m，总高度为2.0m，额定承载重量达200t，空载吃水0.375m。可满足机械施工作业需求。如图4-2所示，为便于检测与拼装，将浮箱平台平面等宽均分为5个小长方体块，两侧的四个单体长条浮箱长16m，中间的单体长条浮箱长11m；组拼完成后浮箱平台平面呈“凹”字形。每个单体长条浮箱均预设检查井，四周表面涂刷防锈防腐漆。

图4-2浮箱平台平面结构构造图（单位：cm）

如图4-3所示，浮箱箱体底板、侧板、端板的厚度为6mm，箱体甲板横梁采用I16a工字钢，甲板厚度为10mm。甲板立柱处分别采用I16a工字钢和16a槽钢作为加强底肋骨。底板中内龙骨和中间甲板纵桁采用

I25a工字钢，底板旁内龙骨和两侧甲板纵桁采用I16a工字钢。深水库区重载浮箱体单体长条浮箱由中厚钢板焊接为全封闭箱体，由上面板、下面板、端面板和侧面板组成，各面板内侧分别设有型钢框架作为分配梁，上、下面板之间通过立柱和斜撑传力支承。

图4-3 单体长条浮箱结构示意图

4.3 浮箱平台抗倾覆计算

浮箱平台的计算工况分为拼装好未使用和浮箱平台使用期间两大基本工况。根据本工程的实际情况，采用以下三种工况对浮箱平台进行抗倾覆稳定分析：

工况一：浮箱平台组拼完成并拖至指定水域位置使其浮在水面，平台上存在施工荷载，主要受到浮体自重以及库区水流力、风力、波浪力等，主要用于验证浮箱平台组合体的正确性；

工况二：浮箱平台在施工水域进行锚固，旋挖钻机站位于浮箱平台上，浮箱平台主要受到浮体自重、锚绳牵引力及旋挖钻机履带作用荷载，以及库区水流力、风力、波浪力等。

工况三：浮箱平台在施工水域进行锚固，75t 履带吊利用浮箱作为作业平台进行起重吊装作业，最大吊重考虑为20t，浮箱平台主要受到浮体自重、锚绳牵引力、75t 履带吊履带作用荷载及吊物作用荷载，以及以及库区水流力、风力、波浪力等。

（1）抗倾覆稳定性计算

浮箱平台是否处于平衡状态，确定是否倾覆的关键是看倾覆力矩与抗倾覆力矩的大小关系。

对于工况一，浮箱平台受到结构自重及平台顶施工荷载，外力主要考虑为水的浮力与所受到的水流力、风力、波浪力对浮箱的边缘取矩，计算浮箱的合力矩。浮箱平台按倾斜状态提供抗倾覆力矩，一端顶面刚刚入水，另一端底面刚离开水面，该工况下的荷载作用形式如图4-4所示。

图4-4工况一最不利情形的荷载作用示意图（单位：cm）

对于工况二，旋挖钻机站位于浮箱平台的横向中心，浮箱平台横向不会发生倾覆，仅对旋挖钻机纵向站位位置及区域进行抗倾覆稳定分析。浮箱平台按倾斜状态提供抗倾覆力矩，一端顶面刚刚入水，另一端底面刚离开水面。

对于工况三，75t 履带吊站位于浮箱平台上进行起重吊装作业，考虑履带吊履带中心站位于浮箱平台的形心，对履带吊正向吊装作业和侧向吊装作业时的最大吊装半径进行计算分析。

当履带吊侧向吊装时，浮箱平台有可能发生横向倾覆，按履带吊位于浮箱平台形心时的倾覆力矩计算得吊物产生的倾覆力矩允许值。

基于对浮箱平台的抗倾覆稳定的分析和计算，机械在浮箱平台上作业时通过采取限制作业区域、限制吊重和回转半径等技术措施，确保浮箱平台及机械作业处于稳定安全状态，保障了各类机械施工作业的顺利进行。

4.4浮箱平台的锚固系统设计

浮箱平台四角设置有锚固系统，如图4-5所示，采用四组电动卷扬机、钢丝锚绳和霍尔铁锚组成锚固系统。每组锚固系统中电动卷扬机通过底座与浮箱平台焊接紧固，并绕入钢丝锚绳，末端与霍尔铁锚系绑。通过将霍尔铁锚（距浮箱平台中心距离不小于100m，这样可使钢丝锚绳斜向上的角度趋小并减少对霍尔铁锚的上拔分力，保证锚固效果）沉入水中并与河床紧抓锚固[3]，电动卷扬机的额定载荷不小于10t，霍尔锚的型号不小于5t，钢丝绳为“6×37”型且直径不小于26mm，四组锚固系统在浮箱两端分别从两个方向斜向交叉进行锚固[4]，以保证施工作业时浮箱平台的可靠和稳定。

图4-5浮箱锚固系统的结构示意图

4.5浮箱平台和通道加工制作

浮箱加工制作时，严格按照现行《钢结构施工规范》（GB50755）和《钢结构工程施工质量验收规范》（GB50205）要求的加工允许误差对几何尺寸、直线度、扭转变形等项目进行控制。深水库区重载浮箱体单体浮箱采用CO2气体保护焊进行焊接，板材对接焊缝为二级焊缝；角焊缝为三级焊缝，除面板与型钢分配梁间采用双面间续角焊缝外，其余均满焊焊接。焊接前宜按现行《钢结构焊接规范》（GB50661）要求进行焊接工艺评定，并按焊接工艺评定和验收规则的要求施焊。浮箱四周表面喷涂两遍防锈防腐漆，应保证其表面平整、均匀，且漆层厚度满足要求。

4.6浮箱平台拼装、加固、试使用

单体长条浮箱加工制作完成后，运输至工程现场。在河岸边逐块吊装放入水中，为便于组拼和拆除，本工程单体小浮箱之间采用高强螺栓连接。在浮箱端部焊接连接板和加劲板，连接板上按间距30cm均匀布设有螺栓孔，三角加劲板分别与连接板和浮箱端面板进行焊接，将连接板的荷载传递至浮箱的内部结构中，整体受力性能更好。如图4-6所示。

图4-6小浮箱的螺栓连接构造图（单位：mm）

单体浮箱拼装及加固时，两端应用钢丝绳与河岸埋设的地锚连接，以免浮箱漂离，

经过研究和分析，在浮箱平台顶面焊接工字钢横梁作为小浮箱之间的连接装置，浮箱前端、中部和尾端各焊接一道承重横梁工字钢，工字钢的下翼缘与浮箱上面板双面角焊缝满焊，使浮箱平台形成有机受力整体。

4.7浮箱平台的使用和维护

（1）浮箱平台运输

施工机械就位后，利用动力船将浮箱平台整体浮运至施工区域，抛锚锚固浮箱，开动卷扬机调整挪动浮箱平面位置，定位并锚固稳定后，施工机械可正常施工作业。施工作业中，应加强对锚固系统稳定性的检查，如有松动应及时处理。

（2）浮箱平台施工控制

采用GPS-RTK放样出设计钻孔点位的坐标，调整浮箱各组锚固系统即开动电动卷扬机适当收紧或放松钢丝锚绳，使旋挖钻机的钻杆中心距设计钻孔点位的距离控制在20cm之内后同时收紧各组钢固系统的钢丝锚绳，使浮箱就位锚固。

4.8机械沿通道上下浮箱平台

通道与浮箱平台之间采用销接连接，通过增加零弯矩的铰接点，降低通道的最大弯矩和弯曲应力；将浮箱平台锚固在河岸边，在浮箱尾部的端面板焊接横向槽钢（侧向扣置）和销板，分别将两组通道的前端安放于横向槽钢上并穿入销棒，安放后通道前端的高程与浮箱平台顶面高程保持一致，过渡平顺。通道的后端搭放于坚实的河岸地基上，搭接长度为2m。两组通道的横向距离为施工机械的履带中心距或轮距。

图4-7 浮箱平台的上下通道结构

检查确认浮箱平台锚固可靠后，施工机械沿两组通道缓慢行驶，随着施工机械重心的前移，浮箱平台以销棒中心线为转轴发生自由转动，转动过程中通道及浮箱平台顶面高程仍保持基本一致。待施工机械全部行驶至浮箱平台且稳定后，再撤除上下通道，并加焊浮箱尾部剩余的一道承重横梁[5]。

5结语

5.1深水库区重载凹形浮箱平台在位置测量放样过程中应注意浮箱体惯性状态下位移量，可以更快速进行放样及位置找准。

5.2机械上下深水库区重载凹形浮箱平台的通道，通道与浮箱平台通过铰接相连，使得机械行驶中通道与浮箱平台之间能够实时发生变化并转动，适应水位变化对机械上、下浮箱平台的变化需求，保证机械行驶中的平稳、安全。

5.3适用于重型机械作业的“凹”形浮箱施工平台及其上下通道，为项目的深水基础施工提供了较大便利，施工精度和安全保障性高。该浮箱平台先后应用于该项目钢栈桥钢管桩插打、旋挖钻开挖水下基坑、伸缩臂挖掘机开挖水下基坑、水上起重吊装作业、水中墩物资材料转运等的施工中，即为水上作业的机械设备提供可靠、稳定、便捷的施工平台，保障了机械设备的安全。

参考文献：

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[4]陈春玲.李小炎.水上桥梁建设的施工平台研究与应用[A].住宅与房地产，1006-6012（2019）02-0154-01

[5]孙同兴.钢浮箱浮运安装非自浮防浪型沉箱新技术[A].公路，中国港湾建设，2095-7874（2015）08-0011-03