《水下無封底混凝土套箱及其套用方法》是山東高速集團青島高速公路有限公司於2007年10月19日申請的發明專利，該專利的申請號為2007101133585，公布號為CN101158161，公布日為2008年4月9日，發明人是姜言泉、徐慶軍、李丕明、侯福金、蔡建軍、季輝、王兆興、王廣洋、趙建銘、吳繼福、王秀芬、董支寶、范效濱。
《水下無封底混凝土套箱及其套用方法》解決了傳統鋼圍堰施工所需要澆築很厚的混凝土封底，鋼材用量大，施工周期長，承台質量不易控制的缺點。將水下無封底混凝土套箱與混凝土承台澆築成一體，混凝土套箱上部安裝臨時防浪板圍堰，承台混凝土澆築完成後拆除防浪板。混凝土套箱可以工廠化預製生產，施工質量容易控制，安裝簡便、快捷，能加快施工進度，縮短工期、安全可靠、且經濟合理，同時套箱本身可以起到防海水侵蝕的作用，提高工程的耐久性。該發明主要適於淺海作業。
2014年11月6日，《水下無封底混凝土套箱及其套用方法》獲得第十六屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《水下無封底混凝土套箱及其套用方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：水下無封底混凝土套箱及其套用方法
- 公布號：CN101158161
- 公布日：2008年4月9日
- 申請號：2007101133585
- 申請日：2007年10月19日
- 申請人：山東高速集團青島高速公路有限公司
- 地址：山東省青島市李滄區永平路21號408室
- 發明人：姜言泉、徐慶軍、李丕明、侯福金、蔡建軍、季輝、王兆興、王廣洋、趙建銘、吳繼福、王秀芬、董支寶、范效濱
- 分類號：E02D19/04（2006.01）；E02D27/52（2006.01）；E02D27/14（2006.01）
- 代理機構：濟南誠智商標專利事務所有限公司
- 類別：發明專利
- 代理人：王汝銀
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
2007年10月前，中國國內外水下高樁承台全部採用傳統的鋼吊箱法，其鋼吊箱圍堰是為水中高樁承台施工而設計的臨時阻水結構，其作用是通過鋼吊箱圍堰的側板和底板阻水，為承台施工提供無水的乾處施工環境。鋼吊箱施工需首先在加工廠將鋼圍堰加工成型，用大型船舶或浮運至施工現場，用大型浮吊安裝，液壓設備下沉就位後，設定吊桿錨固，經過水下人工堵漏後澆築至少1～2米厚的水下封底混凝土，待混凝土強度達到要求後，抽出套箱內的水，進行封底混凝土整平後，才能進行承台施工。承台完成後，拆除鋼吊箱。此法施工工期長，水上作業量大，材料用量大，承台施工質量不易控制。如果一次封底不成功，則二次封底時可能造成承台底標高的抬高，給施工帶來很大風險。
發明內容
專利目的
《水下無封底混凝土套箱及其套用方法》的目的在於提供一種水下無封底混凝土套箱，該套箱採用工廠化預製，質量容易控制，安裝方便、快捷，能加快施工進度，同時混凝土套箱本身可作為永久結構防止承台免受海水侵蝕，提高了主體結構的耐久性。該發明還提供了水下無封底混凝土套箱在實施水下高樁承台建造施工中的套用方法。
技術方案
水下無封底混凝土套箱，其特徵在於，柱狀箱體的上部敞口，底部設有箱底，柱面箱牆封閉；箱體的內牆面與承台的外表面之間設有間隙，箱體高度同承台尺寸一致；箱底部預留孔數量和同一個墩位的鑽孔灌注樁數量相同，預留孔的直徑比鑽孔樁鋼護筒的直徑要大，預留孔的中心同鑽孔灌注樁的中心相對位置相對應；箱牆頂部預埋用於連線防浪板的預埋螺栓，箱底部預留孔周圈設定止水氣囊預留槽；箱底內預埋錨固鋼板。
水下無封底混凝土套箱套用方法，其特徵在於，將水下無封底混凝土套箱與混凝土承台澆築成一體，混凝土套箱上部安裝臨時防浪板圍堰，承台混凝土澆築完成後拆除防浪板。
具體施工方法，其步驟是：
1）混凝土套箱預製：混凝土套箱在預製場整體預製，整體吊裝出運；
2）混凝土套箱吊運及安裝固定：套箱預製完成後，採用起重船裝船出運到指定墩位，現場採用起重船安裝，混凝土套箱下放至設計標高位置；利用吊架臨時懸掛在鋼護筒上，並利用反壓牛腿臨時固定；
3）對安裝在套箱底部預留槽與鑽孔灌注樁鋼護筒之間的止水氣囊進行充氣止水；止水後抽乾套箱內的水，並調整套箱水平和上下位置，用連線鋼板將混凝土套箱內底板上預埋鋼板與鑽孔樁鋼護筒進行焊接固定，撤除起重船吊鉤和反壓牛腿，從而完成體系轉換；混凝土套箱安裝後的頂面與承台混凝土平齊；
4）安裝防浪板：防浪板採用整體拼接，在低潮位時，通過防浪板底部法蘭盤與套箱牆頂預埋螺栓連線成整體，防浪板與混凝土套箱之間設泡沫止水橡膠條；
5）承台施工：體系轉換後，混凝土套箱內形成乾施工條件，依據圖紙綁紮承台鋼筋，鋼筋綁紮完成並檢驗合格後，進行承台混凝土澆注；砼澆築完成並達到要求後拆除防浪板，承台施工完成。
在該發明施工方法中，套箱安裝完成後，將2厘米厚的高強彈性泡沫用強力膠粘在套箱內側混凝土壁上，承台完成後強力膠粘在承台和套箱之間縫隙內，可以防止承台混凝土因熱脹冷縮而引起套箱裂縫，也可以防止水份進入，起到彈性伸縮作用。
在該發明施工方法中，承台澆築完成拆除防浪板前，人工清理承台和套箱之間頂面縫隙至2厘米深，並用2厘米厚的止水橡膠條填塞縫隙。該橡膠條遇水膨脹，可以避免海水滲到套箱與承台間的縫隙內，確保承台免受海水的侵蝕。
改善效果
《水下無封底混凝土套箱及其套用方法》取消了大型混凝土封底，混凝土套箱採用工廠化預製，質量容易控制，安裝方便、快捷，能加快施工進度，縮短施工周期，減少水上作業量，同時混凝土套箱本身可作為永久結構防止承台免受海水侵蝕，提高了主體結構的耐久性。具有快速、經濟、安全、高效、工程更耐久的特點。
實踐證明，該技術不但容易保證承台質量、提高結構耐久性，而且施工方便、快捷、高效具有很好的經濟效益，為大橋建設節省了投資，具有較大的推廣套用價值。
附圖說明
圖1是混凝土套箱及其施工結構圖；
圖2是反壓牛腿示意圖；
圖3是混凝土套箱施工總工藝流程圖。
圖中：1混凝土套箱，2鋼護筒，3反壓牛腿，4抱箍，5螺栓，6砂漿，7止水膠囊，8錨筋，9錨固鋼板，10連線鋼板，11預埋螺栓，12止水橡膠條，13防浪板，14型鋼加筋肋。
權利要求
1.水下無封底混凝土套箱，其特徵在於，柱狀箱體的上部敞口，底部設有箱底，柱面箱牆封閉；箱體的內牆面與承台的外表面之間設有間隙，箱體高度同承台尺寸一致；箱底部預留孔數量和同一個墩位的鑽孔灌注樁數量相同，預留孔的直徑比鑽孔樁鋼護筒的直徑要大，預留孔的中心同鑽孔灌注樁的中心相對位置相對應；箱牆頂部預埋用於連線防浪板的預埋螺栓，箱底部預留孔周圈設定止水氣囊預留槽；箱底內預埋錨固鋼板。
2.水下無封底混凝土套箱套用方法，其特徵在於，將水下無封底混凝土套箱與混凝土承台澆築成一體，混凝土套箱上部安裝臨時防浪板圍堰，承台混凝土澆築完成後拆除防浪板。
3.根據權利要求2所述的水下無封底混凝土套箱套用方法，其特徵在於，步驟是：
1）混凝土套箱預製：混凝土套箱在預製場整體預製，整體吊裝出運；
2）混凝土套箱吊運及安裝固定：套箱預製完成後，採用起重船裝船出運到指定墩位，現場採用起重船安裝，混凝土套箱下放至設計標高位置；利用吊架臨時懸掛在鋼護筒上，並利用反壓牛腿臨時固定；
3）對安裝在套箱底部預留槽與鑽孔灌注樁鋼護筒之間的止水氣囊進行充氣止水；止水後抽乾套箱內的水，並調整套箱水平和上下位置，用連線鋼板將混凝土套箱內底板上預埋鋼板與鑽孔樁鋼護筒進行焊接固定，撤除起重船吊鉤和反壓牛腿，從而完成體系轉換；混凝土套箱安裝後的頂面與承台混凝土平齊；
4）安裝防浪板：防浪板採用整體拼接，在低潮位時，通過防浪板底部法蘭盤與套箱牆頂預埋螺栓連線成整體，防浪板與混凝土套箱之間設泡沫止水橡膠條；
5）承台施工：體系轉換後，混凝土套箱內形成乾施工條件，依據圖紙綁紮承台鋼筋，鋼筋綁紮完成並檢驗合格後，進行承台混凝土澆注；砼澆築完成並達到要求後拆除防浪板，承台施工完成。
4.根據權利要求3所述的水下無封底混凝土套箱套用方法，其特徵在於，套箱安裝完成後，將2厘米厚的高強彈性泡沫用強力膠粘在套箱內側混凝土壁上，承台完成後強力膠粘在承台和套箱之間縫隙內。
5.根據權利要求3或4所述的水下無封底混凝土套箱套用方法，其特徵在於，承台澆築完成拆除防浪板前，人工清理承台和套箱之間頂面縫隙至2厘米深，並用2厘米厚的止水橡膠條填塞縫隙。
實施方式
主要結構設計：如圖1，該方案技術結構分為永久結構和臨時結構兩部分。其中永久結構部分包括：混凝土套箱1、錨固鋼板9、止水膠囊7等；臨時結構部分包括：防浪板3、反壓牛腿3、吊架、止水橡膠條12。
混凝土套箱1（鋼筋砼套箱）結構設計、安裝說明：柱狀箱體的上部敞口，底部設有箱底，柱面箱牆封閉；箱體的內牆面與承台的外表面之間設有間隙，箱體高度同承台尺寸一致；箱底部預留孔數量和同一個墩位的鑽孔灌注樁數量相同；箱牆頂部預埋用於連線防浪板的預埋螺栓11，箱底部預留孔周圈設定止水氣囊預留槽；箱底內預埋錨固鋼板9，與錨固鋼板9一體的錨筋8位於箱底內。
混凝土強度等級：混凝土採用海工耐久混凝土，保護層厚度取50毫米。混凝土的配置應選用優質水泥和級配良好的優質骨料，水泥以及骨料應符合交通部標準《海港工程混凝土結構防腐蝕技術規程》（JTJ275-2000）的規定及規範要求。
套箱預製安裝技術要求：
（1）套箱預留孔平面位置應根據現場實測樁位確定，以便減少安裝誤差。
（2）套箱吊裝索具採用2007年10月前已有定型鋼絞線索具。
（3）套箱止水採用充氣止水膠囊。
（4）套箱安裝須趁落潮施工作業，根據功效合理安排作業時間。
（5）套箱與鋼護筒連線時，應該確保焊縫質量。
（6）上部防浪板與混凝土套箱採用圓台螺母連線，預製時應保證位置準確。
（7）安裝防浪板時，應該將內部支撐安裝好。
凝土套箱的斷面尺寸根據承台尺寸來確定，一般套箱長寬尺寸比承台每側大2厘米，高度同承台尺寸一致。砼套箱側壁厚30厘米，底板厚40厘米，該尺寸可以根據套箱的斷面尺寸、水壓力、澆築砼產生的側向壓力和衝擊力等計算後適當調整。
混凝土套箱底部根據鑽孔灌注樁的實際數量和位置預留孔洞，預留孔數量和同一個墩位的鑽孔灌注樁數量相同，預留孔的直徑比鑽孔樁護筒的直徑要大一些，預留孔的中心同鑽孔灌注樁的中心相對位置相同。
吊架：吊架是吊裝混凝土套箱的臨時工具，由鋼框架和吊索組成。鋼框架用型鋼焊接而成多邊形框架，框架下均布八根下吊索，八根下吊索用於吊掛混凝土套箱，框架上均布四個吊耳，與吊耳連線的上吊索與起重船相連。
反壓牛腿3：反壓牛腿的作用是防止混凝土套箱上浮。如圖1、圖2，一個套箱設八組反壓牛腿，上端通過抱箍4（上下各一個）固定於鋼護筒2上，下端支撐於套箱底板上，防止因套箱內抽水後，套箱隨水浮力上移。反壓牛腿結構由三根工字鋼焊接而成Π型，上端一根工字鋼焊接於抱箍上，兩側工字鋼下端斜撐在套箱底板上，斜撐水平角60度。
抱箍4：抱箍的作用是固定反壓牛腿，提供向下的支撐力防止套箱上浮。抱箍結構為兩片半圓型鋼板結構，半徑與鋼護筒相同，每片半圓鋼板端頭設法蘭，用高強螺栓5把兩片半圓型鋼板的端頭緊固從而使抱箍固定在鋼護筒上，抱箍內塞橡膠皮以增加摩擦阻力，每套抱箍共設6套固定高強螺栓。
每一鋼護筒均設止水膠囊、反壓牛腿和抱箍。
防浪板13：防浪板的作用是防止水分進入套箱內，安裝於混凝土套箱1的頂部，防浪板的底腳板通過混凝土套箱牆頂的預埋螺栓11及橡膠墊圈與套箱連線成整體，在防浪板和混凝土套箱頂面之間設定泡沫止水橡膠條12，以阻止水分滲入，以形成內部水密空腔，為橋墩承台鋼筋綁紮和砼澆注提供乾施工條件。防浪板13為筒狀鋼結構，外圍面板採用鋼板，採用型鋼加筋肋14保證其剛度不變形，在內部設定型鋼支撐，以抵抗外部水壓力。詳見圖1。
施工方法：該發明的水下無封底混凝土套箱技術，承台圍堰採取混凝土有底套箱結構，與混凝土承台澆築成一體，混凝土套箱上部安裝臨時防浪板圍堰，承台混凝土澆築完成後拆除。
混凝土套箱施工總工藝流程見圖3。
混凝土套箱製做：混凝土套箱在預製場整體預製，整體吊裝出運。預製混凝土套箱模板採用定型鋼模，2007年10月前已有專業廠家可製作。
混凝土套箱吊運及安裝固定：套箱預製完成後，採用起重船裝船出運到指定墩位，現場用起重船通過吊架將混凝土套箱起吊下放指定的墩位處，將吊架放在事先調整好標高的鋼護筒上，鋼護筒標高根據設計承台標高和吊索長度事先計算調整到位，在低潮位時安裝反壓牛腿等設施臨時固定設施，在體系轉換後拆除吊架和反壓牛腿。
在混凝土套箱的底部預留孔周圈設定止水氣囊預留槽，當砼套箱吊裝就位調整後，對事先在套箱底部預留槽與灌注樁鋼護筒之間安裝的止水氣囊7進行充氣，在低潮時間抽乾套箱內積水，並調整套箱水平位置，用連線鋼板10將混凝土套箱底板上的預埋錨固鋼板9與鋼護筒2進行焊接，進行永久固定後，撤除吊架和反壓牛腿，從而完成體系轉換。止水膠囊7上方填充砂漿6。
套箱安裝完成後，將2厘米厚的高強彈性泡沫用強力膠粘在套箱內側混凝土壁上，可以防止承台砼因熱脹冷縮而引起套箱裂縫，起到彈性伸縮作用。
體系轉換後，混凝土套箱頂面與承台混凝土平齊，防浪板的作用主要是為承台乾施工創造條件。
在運輸及存放過程中，應對鋼結構採用相應措施防止變形，對發生變形的構件在安裝前需整形好方可使用。
承台施工：防浪板安裝完成，混凝土套箱內形成乾施工條件後，切樁，鑿樁頭；依據圖紙綁紮承台鋼筋，承台鋼筋加工完成並檢驗合格後，拌合船就位，澆注承台混凝土、混凝土養護。
承台澆築完成並拆除防浪板後，人工清理承台和套箱之間頂面縫隙至2厘米深，並用2厘米厚的止水橡膠條填塞，該橡膠條遇水膨脹，可以避免海水滲到套箱與承台間的縫隙內，確保承台免受海水的侵蝕。止水橡膠條安裝後，起重船就位，拆除防浪板。拆除後防浪板在下次施工時再次使用。
該發明主要適於淺海作業。
榮譽表彰
2014年11月6日，《水下無封底混凝土套箱及其套用方法》獲得第十六屆中國專利優秀獎。
