龍溪嘉陵江特大橋主墩深水基礎鋼圍堰渡洪方案及分析

王思文，歐陽華，羅 華

(1.中交一公局第八工程有限公司，天津 300000； 2. 中交一公局橋隧工程有限公司，長沙 410114；3.湖南理工學院，湖南 岳陽 414000)

深水基礎承臺是跨江、跨河、跨海的大跨徑橋梁的控制性工程，受自然條件和技術原因的影響，其施工往往不易控制，嚴重影響施工進度。20世紀70年代，鋼圍堰在修建九江長江大橋時首次使用，并憑借其在簡化施工工序、縮短工期方面的優(yōu)勢得到了迅速推廣。在安慶長江大橋[1-3]、武漢鸚鵡洲長江大橋[4]、郁江特大橋[5]、荊州長江公路大橋[6]和嘉紹大橋[7]等深水基礎建設中都得到了應用，逐漸成為橋梁深水基礎施工的主要方式。由于受力和施工環(huán)境復雜，橋梁深水圍堰和深水施工平臺的施工安全至關重要，一旦發(fā)生安全事故將造成巨大的經濟損失和不良的社會影響。因此，橋梁深水基礎施工非常復雜，對其施工過程進行研究非常重要。重慶既是山城，又是江城，主要靠橋梁來跨越山水連接各區(qū)，山區(qū)河流彎曲，河道狹窄，水流流速高，尤其洪水期橋位處水流速度更大，橋梁基礎施工需承受較大水流壓力，施工難度非常大。國內很多學者對重慶地區(qū)的橋梁深水基礎鋼圍堰設計與施工進行了相關研究。鄧宇等[8]以重慶紅巖村嘉陵江大橋深水基礎為例，重點分析了鋼圍堰的受力、變形及穩(wěn)定性；鄭育林等[9]以重慶軌道交通六號線二期蔡家嘉陵江大橋主橋為例，對雙壁鋼圍堰的結構設計及受力情況進行了分析；耿波等[10]以重慶忠縣長江大橋雙壁鋼圍堰為背景，詳細介紹了深水橋墩大型雙壁鋼圍堰的設計思路和設計計算過程；張鵬飛等[11]以重慶豐都長江二橋主墩深水基礎施工為例，結合現場實際條件提出了適用于現場的鋼圍堰施工技術；劉小勇等[12]基于重慶曾家?guī)r嘉陵江大橋特殊的地質條件，分析了在基礎開挖空間受限情況下雙壁鋼圍堰封底的施工方法。

龍溪嘉陵江特大橋是重慶三環(huán)高速公路合川至長壽段重要控制性工程，該橋總長1 053 m，寬43.5 m，雙向8車道，是重慶市最寬的公路橋梁，主橋8#、9#墩水下施工最深達25 m，屬于深水基礎。在深水環(huán)境下進行該橋梁基礎施工，面臨以下主要難題：

1) 水流沖擊力、水力比淺水環(huán)境下大。

2) 洪峰、洪水等自然災害對施工的影響較淺水環(huán)境下大。

3) 橋梁深水基礎施工一般不太可能在一個枯水期內完成，甚至要考慮常年豐水期進行施工，基礎施工所采用的圍堰安全渡洪問題較淺水基礎難度大。

目前國內對深水基礎鋼圍堰渡洪問題無相關研究，為此本文以龍溪嘉陵江特大橋為工程背景，對該橋主橋8#橋墩深水基礎鋼圍堰安全渡洪問題進行分析，為類似環(huán)境條件下鋼圍堰的設計和施工提供借鑒。

1 工程概況

龍溪嘉陵江特大橋主橋為(108+200+108)m的預應力混凝土連續(xù)剛構橋，如圖1所示。

注：除標高以m計外，其余均為cm。

橋位置于嘉陵江和涪江匯合口約10.8 km處，具有典型的山區(qū)河流特征，洪水主要由暴雨形成，洪峰流量變幅大。一般枯水期在12月到次年3月，中洪水期在4月到11月，最大洪峰多發(fā)生在7月—9月。據訪問及現場洪痕調查，橋位水位平均保持在+203 m，根據GB/T 51295—2018《鋼圍堰工程技術標準》[13]，鋼圍堰頂部設計高程比設計最高水位應高出0.5 m～1.0 m，故鋼圍堰頂標高設計為+203.5 m。嘉陵江上游涪江50年一遇洪峰流量為35 000 m3/s，河流斷面最大水流速為3.5 m/s。橋位區(qū)位于合川向斜南東翼，巖層呈單斜狀產出，下伏基巖為侏羅系中統沙溪廟組，未見滑坡、崩塌、泥石流等不良地質現象，部分鉆孔中見軟弱夾層。8#主墩位于嘉陵江河床主河道合川側，河床砂卵石覆蓋層約4 m～7 m，在承臺中部隆起，承臺兩側河床地勢較低，承臺范圍內最大高差約為4.15 m，卵石覆蓋層地基承載力為400 kPa。

2 8#鋼圍堰渡洪方案

2.1 圍堰設計

8#主墩位于嘉陵江河床主河道合川側，承臺兩側河床地勢較低，橋墩承臺約有1/3埋入河床。綜合考慮施工條件、材料用量、安全風險、水流條件等各種因素，8#橋墩基礎采用雙壁鋼套箱圍堰施工，其設計總體布置如圖2所示，圍堰長47.8 m，寬17.8 m，壁厚1.5 m，圍堰高25 m。

2.2 圍堰施工流程

圍堰豎向分為4節(jié)，每節(jié)側板分為8塊。平面共設置28道隔艙板，其中12道為封閉的，將圍堰側板分為12個不透水的隔艙。鋼圍堰內共設置3層內支撐，每層5道。鋼圍堰主要施工步驟如下：

1) 先搭設鋼棧橋和鉆孔平臺進行鉆孔樁施工，并同步進行雙壁鋼圍堰加工。

2) 利用原樁基鋼護筒作為支撐，搭建臨時拼裝平臺，并在平臺上拼裝鋼圍堰第1節(jié)、第2節(jié)。

3) 接高樁基鋼護筒并安裝提升下放裝置。

4) 提升并下放鋼圍堰底節(jié)至自浮狀態(tài)(此時鋼圍堰吃水約3.7 m)。

5) 拆除提升下放裝置，澆筑圍堰刃腳范圍內的混凝土。

6) 利用龍門吊浮態(tài)接高第3節(jié)鋼圍堰，并向鋼圍堰隔艙內注水下沉，直至鋼圍堰吃水約7 m。

7) 浮態(tài)接高第4節(jié)鋼圍堰(此時鋼圍堰吃水約9.6 m)，繼續(xù)向鋼圍堰隔艙內注水，待刃腳下沉至河床底穩(wěn)定后，進行鋼圍堰內吸泥，使鋼圍堰下沉至設計高程。

8) 鋼圍堰封底。

9) 進行承臺施工以及墩身施工。

2.3 鋼圍堰渡洪措施

1) 鋼圍堰拼裝時，需增加吊裝及焊接設備加快拼裝，確保洪水來臨前拼裝完成。

(a) 圍堰立面

(b) 圍堰平面

(c) 圍堰側面

2) 鋼圍堰在臨時平臺上拼裝完成后，為保證圍堰的穩(wěn)定，在圍堰壁板上焊接導向架，以阻擋鋼圍堰位置平移，且保證在接到洪水通知后24 h內完成焊接工作。

3) 用Φ1 020 mm的鋼管將迎水面的鋼護筒連接起來，并且在鋼護筒內部灌砂至護筒頂部，增加鋼護筒的抗力以維持圍堰在洪水期的穩(wěn)定性。

鋼圍堰渡洪措施平面布置示意如圖3所示，鋼圍堰拼裝時渡洪結構側面示意如圖4所示。

圖3 8#鋼圍堰渡洪布置示意

注：除標高以m計外，其余均為mm。

3 8#鋼圍堰渡洪分析

采用有限元軟件Midas civil建立整體模型，水平環(huán)板、水平角鋼及內支撐采用梁單元模擬，壁板和隔艙板采用帶肋板單元模擬。8#鋼圍堰渡洪計算模型如圖5所示。圍堰主體材料均為Q235B，按理想彈塑性材料建模，采用Von-Mises屈服準則，材料彈性模量E為2.1×105MPa，泊松比μ為0.3，密度ρ為7 850 kg/m3。

洪水期橋位處流速按3.5 m/s考慮，雙壁鋼圍堰需承受較大水流力的作用，建模時將水流力以倒三角形式分配于流水壓力面上。根據JTG D60—2015《公路橋涵設計通用規(guī)范》，作用在圍堰側板迎水面上的流水壓力標準值按下式計算：

(1)

式中：K為水流阻力系數；A為計算構件在流向垂直平面上的投影面積，m2；γ為水容重，取10 kN/m3；g為重力加速度，取9.8 m/s2；v為水流速度，取洪水期橋位處流速3.5 m/s。

(a) 圍堰整體模型

根據有限元數值模擬計算，各節(jié)段圍堰渡洪過程中水平環(huán)板、導向架及鋼護筒應力如表1所示。由表1可知，洪水期鋼圍堰各節(jié)段拼裝下放過程中，鋼圍堰拼裝完成并下沉到位時處于最不利狀態(tài)，該階段水平環(huán)板最大應力為158 MPa(拉應力)，如圖6所示；導向架最大應力為90 MPa(壓應力)，如圖7所示；鋼護筒最大應力為80 MPa(壓應力)，如圖8所示，故水平環(huán)板、導向架和鋼護筒的強度均滿足JTG D64—2015《公路鋼結構橋梁設計規(guī)范》[14]的強度要求。

表1 8#鋼圍堰渡洪強度校核

注：以拉應力為正, 單位MPa。

注：以拉應力為正，單位MPa。

經分析，鋼圍堰還未封底且處于淹沒狀態(tài)下是圍堰穩(wěn)定性最不利工況，對此種工況下鋼圍堰地基

注：以拉應力為正, 單位MPa。

承載力和整體穩(wěn)定性進行檢算。

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1) 水流力

8#鋼圍堰為圓端形，參考JTG D60—2015《公路橋涵設計通用規(guī)范》取K=0.6，圍堰在流向垂直平面上的投影面積為17.8 m2，按式(1)計算水流力，圍堰所受水流力為：

(2)

2) 圍堰自重

灌滿水后，圍堰結構自重主要包括鋼結構自重部分和圍堰側板內灌注混凝土重量?？紤]浮力，經有限元計算，圍堰重9 467.8 kN，側板內灌混凝土重192 663.8 kN，則圍堰作用于基底的總豎向力N為：

N=9 467.8+192 663.8=28 734.6 kN

(3)

3) 地基承載力計算

經有限元計算，水流合力作用點距離圍堰底覆蓋層頂面的距離H為16.7 m，則水流作用下，圍堰所受最大傾覆力矩為：

M0=1 668.8×16.7=27 869.0 kN

(4)

經有限元計算，圍堰底部截面的面積A為85.2 m2，抗彎截面系數W=854.5 m3，地基承載力為400 kPa，則水流作用下，圍堰結構對基底覆蓋層產生的最大應力為：

(5)

369.9 kPa<400 kPa，地基承載力滿足JTG D63—2007《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》的要求。

4) 水平滑移穩(wěn)定性計算

根據文獻[13]第4.5.4規(guī)定，鋼套箱圍堰整體抗滑移按下式計算：

Fhk=(G1+G2-Fw)f

(6)

式中：K1為水平抗滑移安全系數，取1.3；G1為鋼圍堰自重標準值，kN；G2為圍堰上部其他結構自重標準值，kN，包括圍堰結構內腔中預灌注的混凝土及其他起穩(wěn)定作用的自重等；Ea、Ep分別為鋼圍堰外主動、被動土壓力合力標準值，kN；Fhk為鋼圍堰與基底土層的摩擦力合力標準值，kN；Fwl為鋼圍堰受到的靜水壓力合力標準值，kN；f為圍堰結構與土的摩擦系數；∑Fid為動水壓力、風荷載、波浪力、冰壓力、系纜力等可變荷載合力標準值，kN。

由式(6)可知Ep+Fhk為抗滑移力；∑Fid+Ea+Fwl為滑移力。圍堰結構與底部接觸面的摩擦系數f取為0.3，由式(3)可知圍堰作用于基底的圍堰作用于基底的總豎向力N為28 734.6 kN，則由摩擦產生的最大水平抗力RH為：

RH=fN=0.3×28 734.6=8 620.4 kN

(7)

由式(2)可知，使圍堰滑移的水流力Fw為 1 668.8 kN，則圍堰的整體抗滑移穩(wěn)定系數為：

(8)

5.2>1.3，因此，圍堰水平抗滑移穩(wěn)定性滿足文獻[13]的要求。

5) 抗傾覆穩(wěn)定性計算

根據文獻[13]第4.5.3規(guī)定，鋼套箱圍堰整體抗傾覆應以背水面腳趾為中心，按下式計算：

(9)

式中：K2為抗傾覆穩(wěn)定系數，取1.5；Ffk為圍堰與土層的摩擦力合力標準值，kN；Fw1為鋼圍堰受到的水浮力標準值，kN，當圍堰底位于透水層上時，計入波浪浮托力的影響；ha為圍堰結構底端與Ea作用點的距離，m；hp為圍堰結構底端與Ep作用點的距離，m；hwl為圍堰結構底端與Fwl作用點的距離，m；hid為圍堰結構底端與∑Fid作用點的距離，m；R為重心位置到圍堰背水面腳趾力矩，m；Rw為浮力合力重心到圍堰背水面腳趾力矩，m。

由式(9)可知(G1+G2+Ffk)R-FwRw+Ephp為抗傾覆力矩；Eaha+Fwlhwl+∑Fidhid為傾覆力矩。由圖2(b)可知，圍堰的重心離端部的距離為23.9 m，則由式(3)可知，考慮浮力下圍堰自重28 734.6 kN，產生的抗傾覆力矩MR為：

MR=28 734.6×23.9=686 756.9 kN

(10)

由式(4)可知圍堰所受最大傾覆力矩為27 869 kN·m，則圍堰整體抗傾覆穩(wěn)定系數為：

(11)

24.6>1.5，因此，圍堰整體抗傾覆穩(wěn)定性滿足文獻[13]的要求。

4 結束語

1) 根據龍溪嘉陵江特大橋主橋8#墩圍堰在深水、大流速、淺覆蓋層條件下渡洪的要求，采取鋼護筒內灌砂、鋼護筒與圍堰固結、迎水面鋼護筒連接、焊接螺旋狀鋼筋環(huán)提高鋼護筒與封底混凝土粘結力等渡洪措施，解決了深水、大流速、淺覆蓋層條件下鋼圍堰施工的穩(wěn)定問題。

2) 采用有限元數值模擬方法，對圍堰水平環(huán)板、導向架以及鋼護筒的最大應力進行分析，表明洪水條件下，鋼圍堰渡洪結構在施工過程中其強度滿足規(guī)范要求。

3) 采用規(guī)范計算方法，對圍堰的水流力、圍堰自重、圍堰地基承載力、圍堰水平滑移穩(wěn)定性及圍堰整體抗傾覆穩(wěn)定性進行驗算，結構均滿足規(guī)范要求，說明鋼圍堰渡洪方案設計和施工可行。