福源路大橋主橋水中墩圍堰設(shè)計(jì)方案比選

熊建國

1 工程概況

福源路大橋系廣東省中山市三角鎮(zhèn)福源路至港口鎮(zhèn)阜港路道路工程橫跨雞鴉水道的一座特大橋，該橋中心里程為K 4+479m，主橋上部結(jié)構(gòu)為(0+75+135+75+50)m剛構(gòu)組合梁，兩側(cè)引橋采用30m跨簡支箱梁(先簡支后連續(xù))，橋梁全長1202.6m。河道水面寬近 300m，水深12m。15號(hào)，16號(hào)，17號(hào)墩為水中墩。由于水中 3個(gè)墩情況基本相似，故取 16號(hào)墩圍堰設(shè)計(jì)方案作比較。

主橋左右幅分離，單幅橋面寬度15.5m。

1.1 承臺(tái)尺寸

16號(hào)、17號(hào)墩共計(jì)各 12根φ2m結(jié)構(gòu)樁、14根φ1.2m防撞樁，結(jié)構(gòu)樁基底高程-78.292m，樁頂高程-8.292m，左右幅承臺(tái)截面尺寸均為14m×9m×3.5m，間距為2.5m。

1.2 水文地質(zhì)

受大氣降雨及西江支流河水和伶仃洋海水補(bǔ)給，雞鴉河道在張家邊和小欖水道匯合成橫門水道匯入伶仃洋海域排泄，受潮汐影響較大，河道水深，水流急，沖刷作用較大。主橋水中墩墩位處自上而下地質(zhì)情況為:流塑淤泥，軟塑 ～流塑，淤泥質(zhì)土，軟塑粉質(zhì)粘土，松散 ～稍密粉砂，稍密～中密中砂，稍密～中密圓礫。

1)Ⅰ類土:②-1淤泥，流塑、黑色，容重r=16.6 kN/m3。浮容重r′=6.6 kN/m3，內(nèi)摩擦角φ=3.67°，粘聚力C=7.66 kPa，土的主動(dòng)土壓力系數(shù)Ka=0.879 7，被動(dòng)土壓力系數(shù)KP=1.136 8。2)Ⅰ類土:②-2淤泥質(zhì)土，軟塑～流塑、黑色，容重r=16.8 kN/m3。浮容重r′=6.8 kN/m3，內(nèi)摩擦角φ=6.8°，粘聚力C=10.5 kPa，樁周摩擦阻力qk=25 kPa，土的主動(dòng)土壓力系數(shù)Ka=0.788 3，土的被動(dòng)土壓力系數(shù)KP=1.268 6。3)Ⅱ類土:③-1粉質(zhì)粘土，軟塑、黑色，容重r=19.3 kN/m3，浮容重r′=9.3 kN/m3，內(nèi)摩擦角φ= 13.01°，粘聚力C=21.6 kPa，樁周摩擦阻力qk=45 kPa，土的主動(dòng)土壓力系數(shù)Ka=0.632 5，被動(dòng)土壓力系數(shù)KP=1.581 1。

2 圍堰設(shè)計(jì)原則及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 設(shè)計(jì)原則

1)福源路大橋工期短、時(shí)間緊，水中主墩 16號(hào)、17號(hào)已為控制工期的節(jié)點(diǎn)工程，故必須選擇施工周期短、施工速度快、材料資源豐富的鋼圍堰方案。2)鋼圍堰必須具備足夠的剛度以保證施工安全及渡洪要求，圍堰為臨時(shí)結(jié)構(gòu)，均按 50年一遇洪水位進(jìn)行設(shè)計(jì)。3)根據(jù)目前已經(jīng)搭設(shè)并開始施工的主墩鉆孔平臺(tái)尺寸及不妨礙承臺(tái)施工要求、抽水設(shè)備、匯水井的布置等因素，故以防撞樁為參考依據(jù)，圍堰輪廓尺寸至防撞樁最小距離不小于 1.5m。

2.2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

圍堰設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 圍堰設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) m

3 設(shè)計(jì)方案

1)雙壁鋼圍堰。16號(hào)，17號(hào)墩:長邊:46m，短邊:19m(見圖1)。圍堰頂標(biāo)高+4.00m，底標(biāo)高-16.00m。封底混凝土厚度2.5m，換填碎石土厚度 1.0m。圍堰沿 z軸方向垂直度不大于 1/50。內(nèi)外壁板均為 12mm鋼板，圍堰龍骨采用角鋼。為了保證圍堰能下沉到預(yù)定的標(biāo)高，格倉內(nèi)自下而上澆筑 14m高C30混凝土，并采用2.5m厚C 30混凝土進(jìn)行封底。

2)鋼板樁圍堰。16號(hào)、17號(hào):長邊:38.4m，短邊:16.8m(見圖2)。圍堰頂標(biāo)高+4.00m，底標(biāo)高-20.00m。封底混凝土厚度2.5m，換填碎石土厚度1.0m。鋼板樁沿z軸方向垂直度不大于1/100。鋼板樁均為larssenrⅣ號(hào)樁，樁長24 m。圍堰內(nèi)設(shè)置5層圍囹，圍囹材料均為φ630×10無縫鋼管。圍堰內(nèi)澆筑 2.5m厚 C30混凝土進(jìn)行封底。

3)鎖口鋼管樁圍堰。16號(hào)、17號(hào):長邊:39.2m，短邊:17.8m (見圖3)。圍堰頂標(biāo)高+4.00m，底標(biāo)高-16.00m。封底混凝土厚度2.5m，換填碎石土厚度1.0m。鎖口鋼管樁沿z軸方向垂直度不大于 1/100。鋼管樁采用φ630×10榫卯式無縫鋼管樁，樁長20m。圍堰內(nèi)設(shè)置2層圍囹，圍囹材料均為φ630×10無縫鋼管。圍堰內(nèi)澆筑2.5m厚C 30混凝土進(jìn)行封底。

4 技術(shù)性和安全性比較

4.1 雙壁鋼圍堰施工方案

優(yōu)點(diǎn):大壁厚、少支撐或小壁厚、密支撐，其整體剛度大，抗?jié)B水性能好。不受施工水位限制，可承受較大的水土壓力，能安全渡洪。工序單一，施工簡便，制作方便，安全性較好。

缺點(diǎn):鋼材用量較大、所需施工場地大，需要大型運(yùn)輸、起吊設(shè)備和拼裝平臺(tái)，下沉工藝較復(fù)雜，施工周期長。

4.2 鋼板樁圍堰施工方案

優(yōu)點(diǎn):截面模量較大，可承受較大的水土壓力，支撐簡單，作業(yè)方便，施工速度快，制作、加工、安裝、插打方便靈活，工藝簡單，無需大型機(jī)具設(shè)備，不要浮運(yùn)設(shè)施;結(jié)構(gòu)形式靈活，安全性較好。

缺點(diǎn):由于承臺(tái)輪廓尺寸大且為矩形，不能像圓形圍堰那樣能自成穩(wěn)定受力結(jié)構(gòu)抵抗外力。因此，如采用普通的鋼板樁圍堰，其內(nèi)支撐密集程度使得施工相當(dāng)困難。無論是排水開挖或不排水開挖都相當(dāng)困難。內(nèi)支撐的安裝更無法實(shí)現(xiàn)。加上該處地質(zhì)條件由淤泥到淤泥質(zhì)亞粘土，內(nèi)外主、被動(dòng)土壓力值非常大;又由于承臺(tái)埋深較大，其鋼板樁圍堰的抗彎模量如需滿足所需要的強(qiáng)度及剛度、穩(wěn)定性，則需大量密集內(nèi)支撐，受洪水和波浪力影響的安全性相對較差，滲水難以控制。

4.3 鎖口鋼管樁圍堰施工方案

優(yōu)點(diǎn):截面模量、剛度大，具有很強(qiáng)的抗彎能力，支撐簡單方便，并可用常備萬能桿件等材料作內(nèi)支撐，具有可靠的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和作業(yè)方便性;施工速度快，制作、加工、安裝、插打方便靈活，工藝簡單，無需大型機(jī)具設(shè)備，不要浮運(yùn)設(shè)施;結(jié)構(gòu)形式靈活，適用于各種形狀水下承臺(tái)基礎(chǔ)形式，安全性較好。

缺點(diǎn):目前市場使用的鎖口鋼管樁圍堰鎖口間榫卯截面積不等，造成鎖口鋼管樁不對稱，故易產(chǎn)生傾斜;廣東地區(qū)材料供應(yīng)市場不成熟;鎖口止水性要求高;管樁下沉?xí)r相互擠壓使鎖口間產(chǎn)生施工附加力而加大施工難度，相對用料大。

5 經(jīng)濟(jì)性比較

5.1 雙壁鋼圍堰施工方案

一次性投入少，回收率低，重復(fù)利用率小;一個(gè)雙壁鋼圍堰所需型鋼約1 019 t，C30混凝土 3503m3、換填 646m3，費(fèi)用約 1 165萬元。

5.2 鋼板樁圍堰施工方案

材料市場較活躍，回收率高，可租可買，重復(fù)使用率高。

一個(gè)鋼板樁圍堰所需型鋼約 936 t，C30混凝土 1 405m3、換填562m3，需費(fèi)用約 346萬元(鋼板樁為租賃，其他材料自備)。

5.3 鎖口鋼管樁圍堰施工方案

設(shè)備式投入，可重復(fù)利用，經(jīng)濟(jì)、適用。

一個(gè)鎖口鋼管樁圍堰所需型鋼約 762 t，C30混凝土 910 m3、換填 1 230m3，費(fèi)用約 324萬元(鎖口鋼管樁為租賃，其他材料自備)。

一個(gè)鎖口鋼管樁圍堰所需費(fèi)用約1 213萬元(所有材料自備)。

6 結(jié)語

通過以上各種因素比選表明，以上 3種方案在施工技術(shù)上均是可行的。安全方面雙壁鋼圍堰及鎖口鋼管樁圍堰有優(yōu)勢，經(jīng)濟(jì)方面鎖口鋼管樁圍堰有優(yōu)勢。但結(jié)合本工程的實(shí)際情況綜合分析，最后選定在工期方面更具優(yōu)勢的鋼板樁圍堰。

[1] 劉自明.橋梁深水基礎(chǔ)[M].北京:人民交通出版社，2003.

[2] GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] 張國偉.旬陽漢江大橋水中墩施工技術(shù)[J].山西建筑，2009，35(1):332-333.