涪江特大橋深水基礎(chǔ)鋼壁混凝土圍堰設(shè)計與施工

任建偉

（中鐵十七局集團(tuán)有限公司勘察設(shè)計院 山西太原 030032）

1 概述

涪江特大橋位于重慶市潼南區(qū)桂林鎮(zhèn)、雙江鎮(zhèn)境內(nèi)，先后跨越漢江和涪江，起訖樁號為K73＋449.5～K75＋392.5，橋長1 943.0 m，孔跨布置為（62 m＋110 m＋62 m）連續(xù)梁＋37×30 m T梁＋（100 m＋190 m＋100 m）連續(xù)梁＋5×27.5 m T梁＋2×30 m T梁。擬建大橋所跨涪江在項目區(qū)內(nèi)蜿蜒曲折，河床寬240～350 m不等，橋位區(qū)屬亞熱帶氣候，溫暖濕潤，雨量充沛。多年平均氣溫17.9℃～18.5℃，多年平均降雨量986 mm?？菟谒粸椋?35.66 m，十年一遇洪水水位＋248.51 m，三百年一遇洪水水位＋255.14 m，洪水多發(fā)于6～10月，其中7～9月最集中，洪水歷時4～7 d。由于近年河床底部的砂石大量挖掘，導(dǎo)致河底地形起伏變化大，經(jīng)現(xiàn)場踏勘，枯水期橋位區(qū)內(nèi)水深一般3～5 m，局部可達(dá)10余米［1］。

其中190 m主跨41#、42#主墩跨位于涪江中，上部為連續(xù)剛構(gòu)梁，下部為薄壁墩，低樁承臺＋群樁基礎(chǔ)。主墩承臺尺寸均為28 m×14 m×5 m，每墩設(shè)計鉆孔灌注樁3排，每排6根，共計18根，樁徑2.2 m，樁長36 m，為嵌巖樁。

2 工程條件

橋位區(qū)主要屬河流侵蝕堆積地貌，場地地形平坦，橋位區(qū)內(nèi)及附近無斷層通過，地震活動微弱，地質(zhì)構(gòu)造簡單，河谷漫灘上多為旱地。地表為第四代河流沖積層，覆蓋層厚度變化較大，但下伏基巖完整，裂隙不發(fā)育，場內(nèi)無斜坡穩(wěn)定問題。

所跨涪江河床寬約370 m，河床地層為上伏卵石土，下伏強(qiáng)風(fēng)化＋中風(fēng)化泥巖，卵石層厚3.5～6 m，卵石為雜色，稍濕，稍密～密實，一般粒徑20～60 mm，最大粒徑120 mm，含量約60%，以砂土充填為主。強(qiáng)風(fēng)化泥巖為紫紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄～中厚層狀構(gòu)造，主要由黏土礦物組成，巖芯較破碎，呈塊狀、短柱狀，巖質(zhì)軟。中風(fēng)化泥巖為紫紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，局部含砂質(zhì)較重，薄～中厚層狀構(gòu)造，主要由黏土礦物組成，巖芯較完整，多呈柱狀，局部巖芯破碎呈塊狀，巖質(zhì)較軟。根據(jù)地質(zhì)勘察資料，41#、42#墩地質(zhì)情況見表1。

表1 41#、42#墩地質(zhì)情況

3 圍堰設(shè)計方案比選

涪江特大橋41#墩、42#墩承臺位于主河槽中，水流速度2.74 m/s，承臺底標(biāo)高229.0 m，五年設(shè)計洪水位246.41m（H5%）。根據(jù)河床地質(zhì)及水位變化等特點，設(shè)計初期從施工技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性和安全性等多角度對深水基礎(chǔ)施工設(shè)計方案進(jìn)行了比較（見表2），最終確定采用鋼壁混凝土圍堰方案施工［2］。

表2 圍堰設(shè)計方案對比

4 鋼壁混凝土圍堰設(shè)計

4.1 鋼壁混凝土圍堰的特點

鋼壁混凝土圍堰在卵石層、巖石層等地質(zhì)狀況下的深水基礎(chǔ)承臺施工中相比其它圍堰有以下特點［3］：

（1）鋼壁混凝土圍堰的鋼結(jié)構(gòu)部分由專業(yè)的鋼結(jié)構(gòu)加工廠加工制成，其質(zhì)量、精度均能滿足現(xiàn)場施工拼裝要求［4］。

（2）鋼壁混凝土圍堰內(nèi)部填充了一定強(qiáng)度的混凝土，圍堰整體密封性能好，能保證承臺干施工環(huán)境的相關(guān)要求。

（3）鋼壁混凝土圍堰是鋼材與混凝土的組合體，根據(jù)圍堰受力特點合理設(shè)計能充分發(fā)揮兩者的結(jié)構(gòu)特點與性能，不僅大幅減少了鋼材的利用率，降低工程整體造價，與傳統(tǒng)的鋼圍堰相比，還能減少施工周期，充分利用河流短暫枯水期施工節(jié)約工程投資［5］。

（4）鋼壁混凝土圍堰鋼材部分采用分塊、分單元設(shè)計與施工，具有連接簡單、運輸便利、安裝迅速等優(yōu)點。

4.2 鋼壁混凝土圍堰主要設(shè)計原則

根據(jù)以下幾點要求確定鋼壁混凝土圍堰主要參數(shù)。

（1）結(jié)合水文資料與工點近年氣象數(shù)據(jù)分析［6］，合理確定施工期間最高水位，設(shè)計圍堰頂標(biāo)高應(yīng)至少高出該水位0.5 m。

（2）圍堰結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)經(jīng)濟(jì)合理，并應(yīng)充分考慮施工季節(jié)的流水?dāng)嗝?，盡可能減少對既有河床的沖刷影響。

（3）圍堰內(nèi)應(yīng)考慮滿足施工空間需求，合理設(shè)置內(nèi)支撐、圍囹等結(jié)構(gòu)形式與位置［7］。

4.3 鋼壁混凝土圍堰構(gòu)造

矩形鋼壁混凝土圍堰由頂至底依次分為上中下三節(jié)，其中下部第一節(jié)與第二節(jié)為鋼壁混凝土圍堰，頂部第三節(jié)為鋼筋混凝土圍堰。圍堰外壁平面尺寸為30.1 m×16.1 m，圍堰高度11.0 m；圍堰內(nèi)壁平面尺寸為28.1 m×14.1 m。內(nèi)外壁之間相距1.0 m，見圖1。

圖1 矩形鋼壁混凝土圍堰剖面（單位：mm）

鋼壁混凝土圍堰所有鋼材均為Q235鋼，圍堰內(nèi)填充C30混凝土。其中圍堰側(cè)壁板內(nèi)外殼鋼板采用兩種不同厚度，分別為8mm（刃角鋼板）和4mm（側(cè)面板）。刃角［8］加強(qiáng)鋼板（500×500×8）mm，雙壁環(huán)向肋為（200×8）mm鋼板，雙壁豎肋為（63×63×6）mm角鋼，雙壁間支撐桿為（70×70×7）mm角鋼。

混凝土圍堰內(nèi)設(shè)兩道鋼圍囹內(nèi)支撐，鋼圍囹采用3拼HM350×250型鋼，內(nèi)支撐采用φ630 mm鋼管，壁厚10 mm。

4.4 設(shè)計結(jié)構(gòu)分析

為更好地模擬鋼壁混凝土圍堰結(jié)構(gòu)在實際施工中的受力狀態(tài)，運用Midas Civil有限元分析軟件進(jìn)行模擬計算。鋼壁混凝土圍堰采用空間實體模型進(jìn)行分析計算，外壁板、內(nèi)壁版采用板殼單元，豎肋、水平桁架等結(jié)構(gòu)采用空間梁單元，填充C30混凝土、封底混凝土采用空間實體單元。模型見圖2。

圖2 鋼壁混凝土圍堰數(shù)值模型

4.5 圍堰計算荷載及工況

（1）靜水壓力［9］

qjmax＝0.125 N/mm2。

（2）動水壓力

qdmax＝Kγv2/（2g）＝0.000 488 N/mm2。其中形狀系數(shù)K取1.3，水的容重γ取10 kN/m3，重力加速度g取10 m/s2，平均水流速度v取2.74 m/s。

（3）圍堰下部土壓力

qt＝Kaγh＝0.013 4 N/mm2。其中系數(shù)Ka取0.2，土的浮容重γ取12 kN/m3，土層厚度h取5.6m。

（4）封底混凝土浮力

qf＝0.11 N/mm2。

混凝土圍堰共分兩節(jié)澆筑。澆筑到設(shè)計標(biāo)高后，澆筑封底混凝土［10］。封底混凝土達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度，抽水施工承臺時混凝土圍堰受力最大，此時為最不利工況，受力如圖3所示。

圖3 鋼壁混凝土圍堰受力簡圖

4.6 鋼壁混凝土圍堰計算結(jié)果分析

鋼壁混凝土圍堰最不利工況的荷載條件為圍堰內(nèi)部抽干水后，圍堰側(cè)壁受到的土壓力、靜水壓力、動水壓力以及C25封底混凝土的浮力。計算結(jié)果見表3。

表3 主要構(gòu)件計算結(jié)果匯總

根據(jù)有限元軟件分析結(jié)果可知，最大位移為2.8 mm＜14 100/400＝35.25 mm，滿足要求；C30混凝土主拉應(yīng)力為6.0 MPa＞［σtp-1］＝1.43 MPa，不滿足要求，需對混凝土圍堰配置抗拉型鋼；C30混凝土主壓應(yīng)力13.86 MPa＜［σb］＝14.3 MPa，滿足要求；Q235鋼圍囹、內(nèi)支撐組合應(yīng)力98.1＜145 MPa，剪應(yīng)力 25.8＜85 MPa，滿足要求［11］。

由圖4可知，C30混凝土主拉應(yīng)力大于1.43 MPa的區(qū)域主要分布在圍堰與封底混凝土交界處外緣，圍堰4個角隅外緣處，由于圍堰采用鋼壁混凝土結(jié)構(gòu)，且混凝土圍堰內(nèi)已配置支撐角鋼、加勁肋等型鋼結(jié)構(gòu)，故鋼壁混凝土圍堰的整體強(qiáng)度和剛度均能滿足拉應(yīng)力要求。

圖4 圍堰混凝土主拉應(yīng)力大于1.43 MPa分布區(qū)域

4.7 封底混凝土計算分析

涪江鋼壁混凝土圍堰采用C25混凝土進(jìn)行封底作業(yè)，混凝土厚度為2.5 m，有效計算厚度2.5 m。圍堰尺寸為30.1 m×16.1 m×11 m，樁基外徑為2.5 m，共18根。

鋼壁與混凝土、混凝土與混凝土粘結(jié)力取120 kN/m2，混凝土容重取23 kN/m3，水的容重取10 kN/m2，圍堰封底混凝土底標(biāo)高為226.5 m。

水的浮力為：

P＝ρghs＝10×11×28.4×14.4＝44 985.6 kN

封底砼自重為：

G＝ρv＝23×（28.1×14.1-18×3.14×2.52）×2.5＝2 470.2 kN

封底砼與樁基的粘聚力為：

N1＝18×3.14×2.5×2.5×120＝42 390 kN

封底砼與鋼板的粘聚力：

N2＝（28.1＋14.1）×2×2.5×120＝25 320 kN

則抗浮安全系數(shù)為：

K＝（G＋N1＋N2）/P＝1.56＞1.2

封底混凝土抗浮性能夠滿足要求。

對C25封底混凝土采用有限元實體單元模型進(jìn)行抗彎強(qiáng)度驗算，如圖5所示。

圖5 圍堰封底混凝土抗彎強(qiáng)度驗算模型

通過計算可知：鋼壁混凝土圍堰封底混凝土最大拉應(yīng)力為0.02＜1.1 MPa（C25混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計值），封底混凝土彎曲拉應(yīng)力滿足要求。

5 鋼壁混凝土圍堰關(guān)鍵施工工藝

5.1 鋼壁混凝土圍堰運輸安裝施工

涪江特大橋41#、42#墩鋼壁混凝土圍堰鋼套箱壁板節(jié)段按設(shè)計要求在工廠集中加工后運送至現(xiàn)場拼接安裝施工［12］。節(jié)段拼焊后進(jìn)行焊接質(zhì)量檢驗及水密試驗，完成后在鋼平臺一側(cè)鋼棧橋上支立汽車吊吊裝節(jié)段，在鋼平臺上分節(jié)段拼裝鋼吊箱。拼裝時，先由測量人員在底板上精確放出承臺邊線，由汽車吊對稱吊裝鋼套箱的拐角節(jié)段，由拐角節(jié)段兩側(cè)同時拼裝中間節(jié)段（為加快施工進(jìn)度，可在場地內(nèi)預(yù)拼出二、三塊節(jié)段再吊裝到拼裝平臺上拼裝鋼套箱）。

鋼套箱拼裝完成后對照設(shè)計圖進(jìn)行檢查、校正與圍焊作業(yè)。嚴(yán)格控制其圍堰尺寸及垂直度偏差，經(jīng)檢測符合要求后方可固定鋼套箱。當(dāng)拼裝某一塊段時，如平面位置尺寸及垂直度與設(shè)計位置誤差較大，盡可能采用切割接縫等方法調(diào)整該塊段處于設(shè)計位置，以減少合龍段拼裝時出現(xiàn)較大的累積誤差。焊接兩塊鋼圍堰之間的拼裝縫，要求雙面滿焊，并用煤油檢測其滲透情況，焊接應(yīng)采取措施減少面板的變形，如先分節(jié)段對稱跳焊，再補(bǔ)焊達(dá)到焊縫飽滿、密實。

第一層鋼箱拼裝完成后，安裝鋼套箱懸吊系統(tǒng)，利用吊桿將底托梁與扁擔(dān)梁連接，在鋼套箱內(nèi)壁與樁基護(hù)筒之間安裝限位裝置。

5.2 鋼壁混凝土圍堰下沉施工

鋼套箱下沉施工步驟：千斤頂起吊鋼套箱，拆除鋼套箱下部的局部施工平臺，利用千斤頂循環(huán)操作下沉鋼套箱入水。鋼套箱自浮，拆除起吊梁，固定鋼套箱在鋼管樁牛腿上，拼裝下沉第二層鋼套箱，并向艙內(nèi)泵送C30混凝土，增加鋼套箱下沉自重，如圖6所示。沉至河床時，遇到阻力，利用長臂挖掘機(jī)將鋼套箱刃腳處卵石排出使鋼套箱下沉到設(shè)計高程。

圖6 鋼壁混凝土圍堰拼裝與下沉施工

在流水中施工，鋼套箱下沉?xí)r會受到水平力的作用，在下沉過程中鋼套箱傾斜度及平臺位置要求不超過規(guī)范允許值，采用有效的導(dǎo)向、定位設(shè)施是非常必要的。鋼套箱定位系統(tǒng)可利用鋼管樁作為定位樁，安裝導(dǎo)向橫撐和滾動軸承，布置在前、后、左、右四個方向，分上下2層，既控制了鋼套箱平面位置，又能控制其傾斜度。鋼套箱定位系統(tǒng)是在露出水面的鋼管樁上對稱焊接兩層導(dǎo)向橫撐，控制套箱斜度。導(dǎo)向橫撐前端安裝滾動軸承，以利于下沉滑動。

5.3 鋼壁混凝土圍堰封底施工

封底混凝土采用水下導(dǎo)管法對稱灌注，混凝土在拌和站集中拌和?？紤]封底時水深、樁間距、圍堰排水后的浮力及封底混凝土與鉆孔樁之間的摩擦力等，鋼套箱圍堰采用2.5 m厚水下C25混凝土進(jìn)行封底。

為保證混凝土的流動面積（每根導(dǎo)管最大流動范圍為3 m）及封底質(zhì)量，考慮到護(hù)筒對混凝土流動的影響，封底作業(yè)施工時采用3根導(dǎo)管同時灌注水下封底混凝土，采用輸送泵泵送混凝土，并將導(dǎo)管固定在施工平臺上。灌注混凝土?xí)r，應(yīng)控制混凝土下落速度，以免速度過快對導(dǎo)管口的混凝土造成沖擊，并用測繩隨時測量各點位的混凝土澆筑高度及流動面積，確保封底厚度基本一致，必要時調(diào)整導(dǎo)管位置。

6 結(jié)論

涪江特大橋水中基礎(chǔ)鋼壁混凝土圍堰的設(shè)計、施工經(jīng)過實踐證明是科學(xué)的，具有一定的指導(dǎo)性和先進(jìn)性。鋼壁混凝土圍堰在設(shè)計上充分考慮了橋墩基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式、橋址地形地貌、水文地質(zhì)情況及現(xiàn)場施工需求，有針對性地解決了傳統(tǒng)鋼圍堰拼裝、下水、接高繁冗的施工流程。在施工上具有工藝簡單、操作方便、節(jié)省鋼材和有效縮短工期等特點，可為同類大橋工程的深水基礎(chǔ)施工提供參考［13］。