新水東大橋雙壁鋼圍堰設(shè)計(jì)

陳傳軍

（深圳市西倫土木結(jié)構(gòu)有限公司，廣東 深圳 518057）

0 引言

近年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和城市化進(jìn)程加快，國(guó)家大力發(fā)展交通基礎(chǔ)工程，高速公路和城市快速路迅速發(fā)展。隨著公路和城市道路等級(jí)的提高，橋梁所占的比例越來(lái)越大。然而，由于目前國(guó)內(nèi)施工單位的技術(shù)水平參差不一，橋梁安全事故越來(lái)越多，公開(kāi)報(bào)道的事故中，大多為施工方案對(duì)安全沒(méi)有足夠重視導(dǎo)致。

根據(jù)這一現(xiàn)狀，業(yè)主作為建設(shè)單位，越來(lái)越依賴設(shè)計(jì)單位的技術(shù)專業(yè)性，要求設(shè)計(jì)單位采用精細(xì)化設(shè)計(jì)，以指導(dǎo)施工單位順利完成施工；而發(fā)改局在審查造價(jià)咨詢單位根據(jù)施工圖編制的標(biāo)底時(shí)，亦要求設(shè)計(jì)公司對(duì)施工方案圖（如水上施工平臺(tái)、現(xiàn)澆支架圖、安全防護(hù)棚等）不斷細(xì)化，以得到較準(zhǔn)確的工程量作為批復(fù)造價(jià)的依據(jù)；最后，隨著EPC工程總承包模式的日趨成熟，設(shè)計(jì)院也逐漸向著工程總承包的方向發(fā)展，這些都要求設(shè)計(jì)圖紙接地氣，不再停留于以往“僅作為指導(dǎo)性施工方案”的粗淺方式。

新水東大橋由福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)，2012年9月受施工單位中鐵一局集團(tuán)二分公司的委托，作為設(shè)計(jì)院對(duì)新建南平水東大橋3號(hào)和4號(hào)橋墩深水基礎(chǔ)施工方案進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)。因篇幅所限，本文僅對(duì)3號(hào)橋墩深水基礎(chǔ)設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。

1 工程概況

新水東大橋位于福建省南平市區(qū)東，橋梁橫跨建溪河，是水東街道社區(qū)通往南平市區(qū)的必經(jīng)之路，是市政的搶險(xiǎn)工程。與新橋相距50 m的舊水東大橋已經(jīng)禁止機(jī)動(dòng)車通行，原本到市區(qū)幾百米的路程要繞道數(shù)十公里，市民們十分期待大橋早日通車。主橋?yàn)橐宦?lián)57.5 m+105 m+57.5 m變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，引橋?yàn)?-15.4 m和2×25 m連續(xù)箱梁，橋梁全長(zhǎng)220 m。橋位處建溪河河道水面寬近300 m，河底高低不平，水深7.5～15 m。

橋梁為整體式斷面，橋面全寬20 m，橫斷面布置為：2.5 m人行道+15 m機(jī)動(dòng)車道+2.5 m人行道。

1.1 承臺(tái)尺寸

主橋橋墩為薄壁式單箱三室空心墩，承臺(tái)尺寸：20.1 m×9.1 m×3.5 m，其下接2.2 m鉆孔灌注樁群樁基礎(chǔ)，樁基縱橋向兩排，橫橋向四列布置，間距5.5 m。承臺(tái)頂部高程均為60.5 m，底部高程57 m。圖1為新水東大橋立面圖。

1.2 水文地質(zhì)

施工區(qū)域內(nèi)水系屬建溪水系，汛期集中在3～9月，建溪常水位為61.5～62.8 m，水流速3 m/s。3#主墩常水位河床水深約為15 m，河床覆蓋層比較薄（約2～4 m多厚），為土加石。

根據(jù)地質(zhì)資料顯示，3#墩地質(zhì)土層情況如下：

（1）卵石:松散、飽和、黃色，取芯率約 30%，成份以卵石為主，含有30%～35%的黏性土、砂等，分選性差，級(jí)配較好，粒徑2～4 cm為主，個(gè)別大于6 cm，呈磨圓狀或半磨圓狀，充填物主要以砂、黏性土為主。

（2）含黏土、卵礫石粗砂:中密、密實(shí)、飽和、灰黃色。成份以粗砂為主，鉆進(jìn)過(guò)程中返漿中多為粗砂顆粒，含約30%～35%的卵礫石。黏土，分選性差，級(jí)配好；卵石粒徑2～4 cm為主，個(gè)別大于6 cm，呈磨圓狀或半磨圓狀。

圖1 新水東大橋立面圖

（3）砂土狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰質(zhì)粉砂巖:灰黃色，礦物主要可見(jiàn)殘余的石英、長(zhǎng)石顆粒，可辨別出粉砂～砂狀結(jié)構(gòu)，大部分礦物已風(fēng)化成次生礦物，巖體極破碎，呈散體狀結(jié)構(gòu)，巖芯呈砂土狀，夾雜少量碎塊狀，手捏易散，泡水易軟化、崩解，強(qiáng)度低，屬極軟巖。該層標(biāo)貫擊數(shù)大于50擊。

（4）碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)粉砂巖夾煤線:深灰色、灰黑色，礦物主要可見(jiàn)長(zhǎng)英質(zhì)和炭質(zhì)碎屑等，泥質(zhì)、粉砂結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造，巖質(zhì)不新鮮，節(jié)理裂隙很發(fā)育，43m以上裂隙面多見(jiàn)鐵錳質(zhì)渲染，局部礦物已風(fēng)化成次生礦物，巖體極破碎～破碎，呈碎裂狀結(jié)構(gòu)，巖芯以碎礫～碎塊狀為主，碎塊塊徑在3～5 cm間，偶見(jiàn)巖芯長(zhǎng)5 cm，敲擊易碎，TCR值約為20～30，RQD值近0，屬極軟巖。

（5）中風(fēng)化炭質(zhì)粉砂巖夾煤線:深灰色、灰黑色，礦物主要成分為長(zhǎng)英質(zhì)和炭質(zhì)碎屑等，泥質(zhì)、粉砂結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造，巖質(zhì)較新鮮，堅(jiān)硬，敲擊聲較鈍，節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙面上多有絲絹光澤，巖體較破碎～較完整，呈鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)，巖芯呈短柱狀、碎塊狀，最長(zhǎng)見(jiàn)35 cm柱狀，TCR值約為50～60，RQD值約為10～20，屬極軟～軟質(zhì)巖。在鉆進(jìn)過(guò)程中，有出現(xiàn)忽快忽慢的現(xiàn)象，故判定存在軟弱夾層。62.5 m以下，巖芯炭質(zhì)含量明顯增高，用手搓敲斷的裂隙面，易污手，手感滑膩，且光澤明顯，暴露空氣中一天后，多出現(xiàn)崩解現(xiàn)象。71.1 m以下，巖芯呈碎塊狀為主。

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）新水東大橋工期短、時(shí)間緊，水中3號(hào)、4號(hào)主墩已為控制工期的節(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)，頂面標(biāo)高按高出62.8 m常水位0.5 m以上考慮。

（3）考慮到不妨礙承臺(tái)施工要求、抽水設(shè)備、匯水井布置等因素，圍堰內(nèi)直徑采用較承臺(tái)對(duì)角線每側(cè)大1 m左右。

2.2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)一覽表

3 圍堰設(shè)計(jì)方案

3.1 總體布置

新水東大橋3#墩雙壁鋼圍堰采用圓形雙薄壁鋼結(jié)構(gòu)，圍堰堰腳穿越覆蓋層置于基巖面并入巖0.5 m左右，刃腳底標(biāo)高為41.5 m。圍堰隔倉(cāng)內(nèi)澆注混凝土至封底混凝土頂面以上1.5 m即46.0 m標(biāo)高位置處。鋼圍堰現(xiàn)場(chǎng)總體布置如圖2所示。

3.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)造

3#墩雙壁鋼圍堰高度為H=22.0 m，沿高度方向分成了5個(gè)節(jié)段，即：刃腳段4.0 m（刃腳段）+6×3.0 m（標(biāo)準(zhǔn)段）。每個(gè)圓環(huán)形圍堰節(jié)段等分為10個(gè)環(huán)塊，節(jié)與節(jié)之間、塊與塊之間的連接均采用連續(xù)滿焊等強(qiáng)度焊接。單塊鋼圍堰吊裝最大重量約5.4 t，為保證圍堰下沉過(guò)程中保持豎直狀態(tài)，在外壁和內(nèi)壁鋼板間焊接8塊隔倉(cāng)板，形成相對(duì)獨(dú)立的倉(cāng)室，利用各倉(cāng)之間水位高差來(lái)調(diào)整圍堰豎直度。

圍堰制作材料均采用Q235鋼材，內(nèi)外壁鋼板厚6 mm，橫向水平主龍骨托架采用16 mm扁鋼圓環(huán)加強(qiáng)，壁板之間的豎肋、水平橫撐、水平斜撐和豎直斜撐均采用L50×6 mm角鋼。豎肋間距：內(nèi)壁板上50 cm，外壁板上33.3 cm；水平托架豎向間距1.5 m。結(jié)構(gòu)構(gòu)造見(jiàn)圖3所示。

圖2 鋼圍堰總體布置圖

圖3 鋼圍堰結(jié)構(gòu)構(gòu)造圖

3.3 施工方法

3#墩承臺(tái)下河床河沙覆蓋層厚度為1.4～8 m，根據(jù)水下摸底情況得知地勢(shì)較為平坦，方便了鋼圍堰的下沉。鋼圍堰在岸邊加工場(chǎng)制作，設(shè)四座胎模以保證加工精度。圍堰底節(jié)在臨時(shí)碼頭上拼裝焊制成形后，采用2臺(tái)浮吊和2臺(tái)汽車吊整體起吊下水。

4 計(jì)算分析

鋼圍堰在其自身拼裝形成過(guò)程中和其下沉就位后的各種工作狀態(tài)下，均受到流水、土體、風(fēng)力等外界的作用。為了滿足在各種外界力的作用下，鋼圍堰結(jié)構(gòu)能夠完好地工作，處于良好的工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)它的各種功能，需要對(duì)其在各種狀態(tài)下進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。

4.1 力學(xué)性能參數(shù)

該項(xiàng)目于2012年施工，其方案中所選用鋼材鋼號(hào)均為Q235A，力學(xué)性能根據(jù)《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ 025-86）規(guī)定，考慮臨時(shí)工程容許應(yīng)力提高系數(shù)1.3，按以下規(guī)定計(jì)算：

（1）彈性模量：E=200 GPa；

（2）抗彎容許應(yīng)力：[σ]=1.3[σw]=1.3×145=188.5（MPa）；

（3）抗剪容許應(yīng)力：[τ]=1.3×85=110.5（MPa）。

4.2 圍堰堰壁在靜水壓力作用下的強(qiáng)度驗(yàn)算

鋼圍堰在堰內(nèi)抽水完成以后，由于內(nèi)外水頭差較大，此時(shí)其處于不利的受力狀態(tài)下，應(yīng)對(duì)無(wú)填壁混凝土的圍堰壁進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。

經(jīng)計(jì)算，圍堰外壁和內(nèi)壁所能承受的最大水頭差分別為13.25 m和5.88 m。澆筑承臺(tái)混凝土?xí)r，堰內(nèi)抽水至承臺(tái)底面以下0.5 m處標(biāo)高，即56.5 m。施工期間，保持河床常水位與鋼圍堰內(nèi)外壁之間的水頭差不大于3 m，即可滿足受力要求。

4.3 壁板豎向角鋼受力計(jì)算

水平托架間距為1.5 m，豎向角鋼按三跨連續(xù)梁驗(yàn)算。梁跨徑為1.5 m，其斷面形式考慮40倍壁板厚度豎肋共同受力時(shí)，如圖4所示。

圖4 豎肋角鋼與堰壁的組合截面圖

最高施工水位為62.8 m，圍堰內(nèi)抽水至承臺(tái)底面以下0.5 m即標(biāo)高56.5 m時(shí)，隔倉(cāng)內(nèi)注水至標(biāo)高59.8 m處。此時(shí)，經(jīng)計(jì)算截面上下緣最大應(yīng)力分別為：σ上=52.3 MPa，σ下=158.4 MPa均小于容許應(yīng)力[σ]=188.5 MPa。

剪應(yīng)力為：τ=55.4 MPa＜[τ]=110.5 MPa

可見(jiàn)，堰內(nèi)抽水達(dá)到最大水頭差時(shí)，圍堰壁豎向肋角鋼處于良好的受力狀態(tài)，結(jié)構(gòu)安全。

4.4 鋼圍堰承受靜水壓力時(shí)整體的穩(wěn)定性驗(yàn)算

設(shè)實(shí)際水頭差為：h0=62.8-56.5=6.3（m），則驗(yàn)算荷載為：q=h0v=63×10-3（MPa）=0.063（MPa）。

可見(jiàn)：q＜＜qcr，所以鋼圍堰在施工過(guò)程中不會(huì)發(fā)失穩(wěn)現(xiàn)象。

4.5 抗浮驗(yàn)算

F?。溅裧V排=1.0×103×10×π ×13.3692×（62.8-56.5）/103=35 374.3（kN）；

雙壁鋼圍堰及自重：G1=322.9×10=3 229（kN）；

封底混凝土自重：G2=π×11.9372×3×24=32 230.9（kN）；

填充混凝土自重：G3=π×（13.3692-11.9372）×（3+1.5/2）×24=10 246.1（kN）；

圍堰內(nèi)外壁之間的水重：G4=π×（13.3692-11.9372）×（59.8-46）×10=15 710.7（kN）；

則抗浮穩(wěn)定系數(shù)：K=（G1+G2+G3+G4）/F浮=1.89，滿足要求。

4.6 封底混凝土強(qiáng)度驗(yàn)算

封底混凝土底部水壓：q水=γ水h水=10×（62.8-56.5）=63（kPa）；

混凝土自重產(chǎn)生的壓強(qiáng)：q混凝土=γ混凝土h混凝土=24×3=72（kPa）。

混凝土自重比水壓大，故其強(qiáng)度不需驗(yàn)算。

上述分析計(jì)算結(jié)果表明：圍堰尺寸擬定是合理的，圍堰各構(gòu)件受力比較合理，滿足施工過(guò)程中的受力要求，圍堰整體抗浮和抗滑移穩(wěn)定性都能得到保證。該圍堰取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和工期效益，其設(shè)計(jì)和計(jì)算可為類似工程的使用提供參考。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)新水東大橋主墩鋼圍堰的設(shè)計(jì),得出以下結(jié)論:

（1）采用增大環(huán)板厚度的方式可以明顯減小結(jié)構(gòu)的受力,因?yàn)閲呓Y(jié)構(gòu)大體相當(dāng)于承受均勻水壓的圓環(huán),主要承受壓力,增大環(huán)板厚度即等于增大了承壓面積,因此效果十分明顯。而增大橫撐截面積的方式對(duì)于減小整個(gè)結(jié)構(gòu)受力并不明顯,因?yàn)闄M撐主要起到傳遞剪力,使內(nèi)外壁共同受力的作用,對(duì)于減小結(jié)構(gòu)的整體受力并不明顯。

（2）圍堰夾壁內(nèi)填充混凝土較填充水可有效減少結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力和變形,提高結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性。

（3）在鋼圍堰加工過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格保證各部分焊縫的質(zhì)量,對(duì)關(guān)鍵受力焊縫應(yīng)作探傷檢驗(yàn),對(duì)有水密性要求的所有焊縫應(yīng)作水密性試驗(yàn)。對(duì)各種型式的焊縫應(yīng)作標(biāo)準(zhǔn)樣焊縫試驗(yàn)。

（4）在鋼圍堰施工過(guò)程中,應(yīng)盡量避免使其遭受船舶的撞擊,并加強(qiáng)施工期間的航道維護(hù)工作,如設(shè)置導(dǎo)航標(biāo)、安排專門(mén)人員進(jìn)行巡邏等,盡量將船撞的風(fēng)險(xiǎn)降到最低。