小凈距大高差深埋承臺圍堰優(yōu)選分析及應(yīng)用

胡義新，陳丹

（中交二航局第六工程分公司，湖北 武漢 430014）

0 引言

在國內(nèi)外橋梁基礎(chǔ)施工領(lǐng)域中，對于水中相鄰多承臺，各種形式的圍堰結(jié)構(gòu)應(yīng)用較為普遍，各類規(guī)范標準對結(jié)構(gòu)強度、剛度、穩(wěn)定性及驗收等要求進行了規(guī)定[1-3]。在承臺標高不同，水位較大的情況下，為提高基礎(chǔ)在水位較高、流速較大、覆蓋層復雜條件下的強度、剛度、穩(wěn)定性，工程技術(shù)人員做了相關(guān)研究[4-7]。劉寧波等[8]介紹了在超大水頭差條件下，采用新型組合型板樁圍堰的設(shè)計與施工，闡述了該結(jié)構(gòu)優(yōu)點和施工要點，該結(jié)構(gòu)材料需求大、現(xiàn)場焊接量大、組合結(jié)構(gòu)板樁質(zhì)量控制難度較高；曹勤濤等[9]提出相鄰承臺基礎(chǔ)采用整體圍堰結(jié)構(gòu)形式，該方法存在清淤量大（按同一設(shè)計標高考慮），封底混凝土消耗量大等特點。本文將依據(jù)在建漳州金峰大橋主墩及廊橋基礎(chǔ)，結(jié)合橋位區(qū)水文地質(zhì)特點，通過多工藝對比分析，結(jié)合有限元建模分析，研究提出一種新的圍堰結(jié)構(gòu)形式，同時總結(jié)該結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵施工要點，進而解決水中小凈距大高差深埋承臺施工難題。

1 工程概況

福建省漳州市金峰大橋主橋跨越九龍江西溪河道，為變截面預應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，分幅設(shè)置，單幅橋?qū)?3.5 m，跨徑組合為75 m+120 m+75 m，采用“廊橋薌韻”設(shè)計方案，為國內(nèi)最大廊橋，主墩位置橫橋向設(shè)置2座觀景閣，廊橋與主橋結(jié)構(gòu)體系見圖1。

圖1 廊橋與主橋結(jié)構(gòu)布置圖Fig.1 Structural layout diagram of gallery bridge and main bridge

承臺采用分離式設(shè)計，主橋單個承臺尺寸10.4 m×22.15 m×4 m，廊橋承臺在主橋承臺的兩側(cè)，單個承臺尺寸10.8 m×8.8 m×1.8 m。其中廊橋承臺與主橋承臺的間距為2.275 m，主墩承臺間距為2.35 m，屬于小凈距設(shè)計；廊橋承臺與主橋承臺底標高相差2.128 m，頂標高相差4.328 m，屬于大高差布置；其中廊橋承臺埋深5.26 m，屬于深埋承臺。具體設(shè)計的相對位置關(guān)系見圖2所示。

圖2 主墩承臺立面圖Fig.2 Vertical section of main pier cap

橋址處水文地質(zhì)條件如下：

1）橋位與河道水流方向基本呈正交，橋梁軸線的法線方向與水流夾角接近0°。

2）水流平均流速按2 m/s計，常水位+3.5 m。

3）地質(zhì)含有淤泥、細砂和中砂等地層，地質(zhì)情況見表1。

表1 墩位地質(zhì)情況表Table 1 Geological conditionsof pilecaps

2 方案優(yōu)選分析

根據(jù)工程水文地質(zhì)情況，結(jié)合橋梁的結(jié)構(gòu)和水文特點，擬采用3種方案：方案一為分階段獨立鋼板樁方案；方案二為整體鋼板樁圍堰方案；方案三為帶隔艙不等長鋼板樁圍堰方案。

2.1 不同方案介紹

由于廊橋承臺底較深，廊橋承臺圍堰采用18 mSP-IVw型鋼板樁，主橋承臺相對較淺，采用15 mSP-IVw型鋼板樁。因此方案一選用18 mSPIVw型和15 mSP-IVw兩種鋼板樁，廊橋圍堰尺寸為：13.8 m×11.8 m，主橋圍堰尺寸為：13.4 m×25.15 m；方案二選用18 mSP-IVw型鋼板樁，圍堰尺寸為47.25 m×12.8 m；方案三選用18 mSPIVw型和15 mSP-IVw兩種鋼板樁，圍堰尺寸為47.25 m×12.8 m，隔艙距離邊側(cè)板樁12.8 m。共用板樁部分（為明顯區(qū)分，稱為隔艙）為18 mSP-IVw型鋼板樁。

方案一：分階段獨立鋼板樁方案

圖3 分階段獨立板樁圍堰方案Fig.3 Stage independent sheet pile cofferdam scheme

施工時，對于鄰近承臺，采用間隔分階段施工。第一階段：先施工其中埋深較深的一側(cè)廊橋圍堰以及間隔承臺的主墩圍堰，在墩身出水后拔除相應(yīng)承臺周圍圍堰板樁；第二階段：施工一階段完成的相鄰承臺，周轉(zhuǎn)拔出后的板樁，施打剩余的主墩圍堰和間隔承臺的廊橋圍堰板樁，直到墩身出水后拔除相應(yīng)承臺板樁。分階段獨立板樁圍堰方案見圖3。

方案二：整體鋼板樁圍堰方案

對于相鄰承臺采取整體板樁圍堰施工，一次插打成環(huán)封閉，以埋深大的承臺板樁規(guī)格作為參考基準，高差較大主墩承臺下需設(shè)置砂墊層，直到全部墩身出水后拔除所有承臺鋼板樁。整體板樁圍堰方案見圖4。

圖4 整體板樁圍堰方案Fig.4 Integral sheet pile cofferdam scheme

方案三：帶隔艙不等長鋼板樁圍堰方案

采用一種帶隔艙的不等長鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)，該圍堰采用差異化布置，可滿足多作業(yè)面同時施工，不同標高情況下進行分艙差異化清淤和封底，待墩身出水后，廊橋和主墩鋼板樁圍堰可根據(jù)情況分別拆除。帶隔艙不等長板樁圍堰方案見圖5。

圖5 帶隔艙不等長板樁圍堰方案Fig.5 Schemeof unequal-length sheet pile cofferdam with compartment

綜上所述，3種方案各有特點，為比選出適合本工程項目的方案，下面對各方案進行對比優(yōu)選以及分析計算。

2.2 基本工藝參數(shù)對比

根據(jù)現(xiàn)場實際施工情況和以往施工進度對比，結(jié)合本工程地質(zhì)情況和人員、設(shè)備配置情況。對承臺板樁圍堰方案進行比選，結(jié)果如表2所示。

表2 不同圍堰形式施工工藝分析表Table2 Analysistableof construction technology for different cofferdam forms

由表2可知：方案一所需工期長；方案二所需人員多，清淤量大，封底混凝土消耗量大；方案三工期最短，清淤量最少。綜合來看，方案三具有較大優(yōu)勢。下面分別對3種方案進行結(jié)構(gòu)受力及剛度計算分析。

2.3 計算分析

根據(jù)鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)要求，設(shè)置圍檁、內(nèi)支撐及斜撐等。鋼板樁材質(zhì)為Q295bz，其余構(gòu)件材質(zhì)均采用Q235B。采用MIDAS-civil及MIDAS-FEA進行有限元分析。

2.3.1 工況分析及模型計算

工況一：高水位帶水開挖至設(shè)計標高，且尚未澆注封底混凝土時的工況。

工況二：封底澆筑完畢，在施工高水位條件下的抽水工況。

運用MIDAS對各工況進行建模計算，把板樁結(jié)構(gòu)作為彈性支撐連續(xù)梁。邊界條件：鋼板樁之間采用鉸連接，模擬鋼板樁鎖扣作用；外荷載沿單元法向加載；圍檁與鋼板樁之間采用只受壓彈簧模擬；鋼管支撐與圍檁之間采用剛性連接，模擬焊接效果；巖土對鋼板樁的被動作用依彈性地基梁理論等效為一般彈簧單元。

1）方案一計算結(jié)果：獨立圍堰各工況應(yīng)力計算結(jié)果見表3。

表3 獨立圍堰方案計算結(jié)果表Table 3 Calculating results of independent cofferdam scheme

圍堰最大組合應(yīng)力為132 MPa＜295 MPa，最大位移變形為24.6 mm＜L/200=18 000/200=90 mm，滿足要求。

2）方案二計算結(jié)果：整體圍堰各工況應(yīng)力計算結(jié)果見表4。

表4 整體圍堰方案計算結(jié)果表Table4 Calculating results of integral cofferdam scheme

圍堰最大組合應(yīng)力為160 MPa＜295 MPa，最大位移變形為78.3 mm＜L/200=18 000/200=90 mm，滿足要求。

3）方案三計算結(jié)果：帶隔艙圍堰各工況應(yīng)力計算結(jié)果見表5。

表5 帶隔艙圍堰方案計算結(jié)果表Table 5 Calculating result table of cofferdam schemewith compartment

圍堰最大組合應(yīng)力為165 MPa＜295 MPa，最大位移變形為86.2 mm＜L/200=18 000/200=90 mm，滿足要求。

圖6 鋼板樁圍堰施打順序Fig.6 Construction sequence of steel sheet pile cofferdam

2.3.2 結(jié)果分析

由上述計算結(jié)果歸納出3種方案不同數(shù)值分析結(jié)果可知：

3種方案各構(gòu)件強度及剛度均滿足設(shè)計及規(guī)范要求，方案一的兩種工況圍堰變形較小且接近，方案二與方案三兩種工況圍堰變形相差較大，基本上第二工況形變值為第一工況的1/4；

工況一情況下，3種方案板樁應(yīng)力均高于圍檁和支撐應(yīng)力，且3種方案同類型結(jié)構(gòu)應(yīng)力較為接近，方案三板樁應(yīng)力較其他方案應(yīng)力大5%，方案三圍檁及支撐應(yīng)力較方案二小20%，方案一圍堰變形最小，方案二與方案三圍堰變形接近；

工況二情況下，方案一各構(gòu)件應(yīng)力及變形最小，方案二與方案三結(jié)構(gòu)接近，其中方案二板樁應(yīng)力較圍檁和支撐應(yīng)力小，方案一與方案三較圍檁和支撐應(yīng)力大，3種方案圍堰變形值接近。

2.4 方案優(yōu)選確定

綜合分析得知：工藝方面，方案三在工期、清淤量、人工及可實施性均優(yōu)于其它方案；結(jié)構(gòu)計算分析方面，方案一圍堰結(jié)構(gòu)受力最優(yōu)，方案二與方案三計算結(jié)果近似，強度、剛度及穩(wěn)定性均滿足設(shè)計及規(guī)范要求。綜上所述，采用方案三“帶隔艙鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)”，對大高差小凈距深埋承臺進行施工，為最優(yōu)方案。

3 關(guān)鍵施工要點及現(xiàn)場應(yīng)用情況

3.1 關(guān)鍵施工要點

帶隔艙鋼板樁圍堰施打順序：根據(jù)施工順序，先施打隔艙板樁，再從左至右逐個封閉成環(huán)施打，最后于角樁處合龍，施打順序如圖6所示。

內(nèi)支撐處理：由于廊橋承臺圍堰和主墩圍堰板樁規(guī)格長度不同，且水頭差存在較大差異，廊橋承臺1次澆筑，共設(shè)置兩層支撐，主墩承臺分2次澆筑，為確保圍堰受力均衡合理，支撐位置需于同一標高部位對稱布置，主要為K字撐結(jié)構(gòu)，相關(guān)設(shè)置見圖7。

圖7 隔艙板樁內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Internal support structure diagram of bulkhead sheet pile

隔艙板角樁處理：主橋承臺圍堰與連廊承臺圍堰相接，在隔艙板樁兩端加工成定尺異形板樁，與長邊方向板樁橫向連接采用T形角樁形式，主要結(jié)構(gòu)形式見圖8。

圖8 隔艙板樁T形角樁結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Structural schematic diagram of T-shaped corner pilesfor bulkhead sheet piles

連廊與主墩過渡板樁連接：主橋承臺圍堰與連廊承臺圍堰相接，在隔艙板樁兩側(cè)設(shè)計為不等長鋼板樁。廊橋承臺埋深較深，四周采用長板樁，主橋承臺相對埋深淺，長邊方向采用短板樁，短邊方向與廊橋板樁共用，結(jié)構(gòu)差異見圖7～圖8，具體結(jié)構(gòu)形式見圖9所示。

圖9 隔艙板樁兩側(cè)連接結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Diagram of connection structure between two sides of bulkhead sheet pile

3.2 現(xiàn)場應(yīng)用情況

福建省漳州市金峰大橋主橋及廊橋承臺施工成功應(yīng)用了帶隔艙式組合板樁圍堰結(jié)構(gòu)，2017年10月開始鋼板樁圍堰施工，2017年12月完成主墩承臺混凝土澆筑，相對常規(guī)圍堰施工方法，縮短了近1.5個月的工期。依托項目采用帶隔艙的鋼板樁圍堰進行差異化施工，有效解決了小凈距大高差水中深埋承臺施工難題，減少了資源消耗，節(jié)約了工期。

4 結(jié)語

通過對方案分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計及關(guān)鍵施工要點研究，優(yōu)選研發(fā)出帶隔板的鋼板樁圍堰及其施工方法，主要優(yōu)點為：結(jié)構(gòu)新穎，有效規(guī)避了獨立鋼板樁和整體鋼板樁方案資源消耗大、工期持續(xù)長的問題；根據(jù)鄰近承臺水頭差不同，采用基于同一圍堰的差異化設(shè)計，包括板樁長、內(nèi)支撐層數(shù)、水下吸泥量、封底混凝土厚度等，社會經(jīng)濟效益顯著。本文形成結(jié)論如下：

1）帶隔艙的鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)形式較獨立圍堰方案及整體圍堰方案，具有工期短、清淤量少且資源消耗少等優(yōu)勢；

2）通過3種圍堰結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析對比，獨立圍堰應(yīng)力及變形最小，整體圍堰與帶隔艙圍堰計算結(jié)構(gòu)較為接近；

3）隔艙板樁起到了差異化施工效果，但需要注意一系列施工要點，首先施工順序應(yīng)從隔艙板樁開始，其次內(nèi)支撐應(yīng)對稱布置，然后拐角處板樁應(yīng)進行獨特加工，最后主墩承臺縱橋向板樁為隔艙板樁，橫橋向板樁相對廊橋板樁長度較短。

通過依托工程應(yīng)用，驗證了帶隔艙板樁圍堰結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟合理性及結(jié)構(gòu)安全性，滿足了小凈距大高差水中深埋承臺快速施工的要求。