較大卵石塊河床深水底樁承臺圍堰設計

鞏福春

摘 要：成昆鐵路沙壩安寧河連續(xù)梁主墩圍堰河道內(nèi)，承臺為底樁承臺，承臺底位于水面下13m。河床主要地質(zhì)條件為卵石層并含較大卵石塊。結(jié)合沙壩安寧河大橋15#墩圍堰施工，介紹較大卵石地質(zhì)條件下圍堰方案選擇與施工技術。

關鍵詞：深水；低樁承臺；較大卵石塊；圍堰方案選擇；施工技術

中圖分類號：TU472 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）01-0124-02

1 引言

成昆鐵路NASZ-16標段，標段全長22.5公里，位于四川省攀枝花市米易縣，施工區(qū)域跨越沙壩安寧河，河床主要底層為較大塊卵層，成昆鐵路跨越河道設計均為底樁承臺，承臺施工時需要采用圍堰進行施工。沙壩安寧水深9.5m，圍堰方案經(jīng)多方案比較，采用鋼混結(jié)合式雙壁鋼圍堰施工。

2 工程簡介

2.1 工程概況

沙壩安寧河雙線特大橋位于四川省攀枝花市米線沙壩村，中心里程D1K534+077.00，全橋孔跨布置為1×32m+（52+88+52）m連續(xù)梁+2×24m+（52+88+52）m連續(xù)梁+5×32m+（52+88+52）m連續(xù)梁+26×32m+2×24m，橋全長L=1738.66m。

2.2 地質(zhì)條件

沙壩安寧河橋主墩15、16#墩河床以下主要地層為：卵石土，昔格達地層。卵石層含較大卵石塊。

2.3 水文特征

沙壩安寧河雙線特大橋15、16墩位于安寧河水中，橋址處設計水文資料：H1%=1109.67m，Q1%=2000m3/s，V1% =7m/s，H常水位=1103.0m，H施工期高水位經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，確定為1108.0m。

3 施工總體思路

沙壩安寧河橋位現(xiàn)場地質(zhì)條件為河床覆蓋4m以上400kpa軟石層，卵石土層中分布有直徑1～3米巨塊卵石。洪水期水流湍急，水流速達7m/s，洪水夾有大塊卵石沖擊圍堰，另由于河床有巨塊卵石，開挖過程中需要將巨塊卵石進行爆破，要求圍堰應具有較強的抗沖擊強度；因圍堰底層為較大塊卵石，圍堰選擇時應方便開挖。深水基礎圍堰方案對比下：

方案一：采用鋼板樁圍堰方案，經(jīng)現(xiàn)場試打，鋼板樁在400kpa卵石土無法打入，該方案無法實施，不適合采用。

方案二：采用鋼管樁圍堰方案，鋼管樁現(xiàn)場仍無法打入，需采用沖擊鉆引孔，引孔工程量大，周期長，投入大，且不能滿足工期要求，改方案不宜采用。

方案三：采用鋼混結(jié)合式雙壁鋼圍堰，其填充混凝土可方便開挖時爆破施工，開挖時具有較大大開挖工作面，方便大型設備開挖，為優(yōu)選方案。

經(jīng)過以上施工方案經(jīng)優(yōu)化比選，擬采用方案三：鋼混結(jié)合式雙壁鋼圍堰方案進行施工。

4 圍堰結(jié)構(gòu)設計

4.1 圍堰結(jié)構(gòu)設計

針對圍堰要求特點，對圍堰進行了以下幾個方面關鍵技術的設計。

4.1.1 圍堰采用鋼混結(jié)合式結(jié)構(gòu)

為降低工程造價，并方便施工完工后的圍堰拆除，將鋼圍堰的設計分為2種結(jié)構(gòu)類型。底部圍堰受力較大部分，采用壁厚80cm雙壁式鋼圍堰，內(nèi)部填充C30砼；頂部圍堰受力相對較小，為方便拆除，并節(jié)省工程造價，利用圓形結(jié)構(gòu)純受壓的受力特點，頂節(jié)圍堰采用80cm厚C30砼圍堰。

4.1.2 鋼圍堰結(jié)構(gòu)設計

雙壁鋼圍堰河床以下部分采用鋼圍堰，鋼圍堰的結(jié)構(gòu)設計在確保使用安全的情況下，做到結(jié)構(gòu)設計受力合量，用鋼量達到盡量最小程度，降低工程造價。圍堰外徑30.4m，為增加整體剛度，并考慮開挖時需要采取爆破等因素，圍堰面板采用10mm鋼板做面板，∠100×10mm等型號角鋼做龍骨、豎肋、橫肋焊制而成，15#墩鋼圍堰部分高度10m，就位后填充C30水下砼。如圖1所示。

4.2 設計檢算

計算采用midas/civil 2006軟件，建立整體計算模型，計算各工況受力狀態(tài)。圍堰內(nèi)角鋼骨架采用梁單元，3mm厚面板采用板元，填壁C30砼采用實體單元；模型共建立點12970個，單元：20880個，整體模型如下圖2。

根據(jù)雙壁鋼圍堰施工工序，檢算分為二個階段：

（1）圍堰就位后C30填壁砼澆筑砼階段；（2）承臺施工圍堰內(nèi)抽水階段圍堰結(jié)構(gòu)強度及整體穩(wěn)定性。

4.2.1 施工填壁砼階段

施工填壁砼，采用灌筑C30填壁砼，圍堰在水下承受新澆砼側(cè)壓力作用，由于本結(jié)構(gòu)為薄壁結(jié)構(gòu)，需對結(jié)構(gòu)受力情況進行驗算。砼在水下其對圍堰的側(cè)壓力按照浮容重進行計算，計算如下：

圍堰在新澆砼側(cè)壓力下，圍堰面板計算結(jié)果如，最大應力57.27MPa，小于Q235鋼材容許應力145MPa。

圍堰骨架在砼側(cè)壓力狀態(tài)下，內(nèi)力較大；最大應力為122MPa，位于骨架焊接處，小于Q235鋼材容許應力145MPa。

4.2.2 承臺施工階段

（1）圍堰壁受力計算。圍堰內(nèi)抽水后，圍堰外壁河床以上受靜水壓力+流水壓力作用，河床面以下受水壓力+土壓力作用，受力如下圖3。

頂節(jié)素砼圍堰部分應力情況如下：砼主要內(nèi)力為壓應力，最大值位于底部，為1.54MPa。素砼頂部位于水面上50cm部分，其內(nèi)力為受拉應力，最大值為0.09MPa。小于砼C30砼容許強度。

底節(jié)鋼圍堰為鋼、混結(jié)合，位于圍堰下部，是圍堰受力較大處，底節(jié)圍堰鋼混結(jié)合，受力較為復雜，其受力情況如下：

C30填壁砼部分，其內(nèi)部應力情況如下：底節(jié)圍堰C30填壁砼，上部在外側(cè)壓力作用下均為壓應力，最大值1.93MPa，遠小于C30砼抗壓強度。圍堰底部靠近封底砼部分，由于需承受較大切應力，反映在砼內(nèi)部拉應力較大，為1.23MPa，小于C30砼容許抗拉強度為1.1MPa。endprint

（2）封底混凝土強度驗算。封底砼在水浮力作用下，承受向上的均布荷載及自重，周邊圍堰臂及鉆孔樁對其進行約束，砼為脆性材料，這類材料的抗彎性能差，破壞時往往是由于彎矩產(chǎn)生的封底砼頂面拉應力而導致脆性斷裂，按照第一強度理論-最大拉應力理論，對封底砼強度進行安全性對比。

封底砼在水壓力作用下壓應力最大值0.47MPa，遠小于容許抗壓強度7.2MPa；最大拉應力0.7MPa，容許抗拉為0.91，安全系數(shù)1.3。最大應力分布在承臺長邊與位于圍堰邊中間位置。

根據(jù)計算情況，封底砼強度最薄弱處為樁基周邊及圍堰周邊，在進行施工時樁基周圍及圍堰周邊應清理干凈，避免該處發(fā)生破壞。

（3）封底砼與圍堰整體抗浮穩(wěn)定性檢算。封底砼與鋼圍堰一起，共同抵抗水的抗浮作用，參與抵抗水浮力因素有：鋼圍堰、鋼圍堰填壁砼、素砼及封底砼的總重力；圍堰周邊土層與鋼圍堰的摩阻力；護筒與封底混凝土之間摩擦力。將上以因素共同考慮，驗算圍堰抗浮穩(wěn)定性如下：

式中—護筒與封底混凝土之間的摩擦力；

G—鋼圍堰、鋼圍堰壁中砼、素砼及封底砼的總重力（kN）；

F—總的上浮力，即地下水位以下的鋼圍堰、封底的總排水量；

—土與鋼圍堰的摩阻力。

以最不利工況15#墩計算圍堰抗浮穩(wěn)定性。

將以上數(shù)據(jù)代入公式得：

，故滿足抗浮要求。

5 結(jié)語

本工程在經(jīng)詳細調(diào)查了河道的水文特征的基礎上，充分用了枯水期進行有效的施工組織，在枯水期填土筑島施工完鉆孔樁，利用填土鉆孔平臺，原位拼裝鋼圍堰，在汛期來臨前圍堰就為完成，省去了碼頭拼裝，浮運、下水過程，施工簡潔、方便。采用鋼混結(jié)合式雙壁鋼圍堰，頂部河床內(nèi)采用壁厚80cm鋼筋砼結(jié)構(gòu)，既結(jié)省了工程造價，又可工程結(jié)束后方便拆除，為此后類似工程的設計思路提供了借鑒。

參考文獻

[1]江正榮.《建筑施工計算手冊》[J].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001.

[2]周水興.《路橋施工計算手冊》[J].北京：人民交通出版社，2001.

[3]張益多，周亞運等.大型橋梁承臺雙壁鋼圍堰施工三維有限元分析[J].江蘇科技大學學報（自然科學版），2016，（5）：508-512.

[4]王宏偉.欽防鐵路茅嶺江特大橋主墩雙壁鋼圍堰施工技術[J].鐵道建筑，2013，（5）：35-37.endprint