海上埋置式承臺(tái)裝配式雙壁鋼圍堰研究

黃劍鋒，李 冕，袁 航

（1.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 430014；2.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 430014）

1 概述

深中通道東接機(jī)荷高速，跨越珠江口，西至中山馬鞍島，是集“橋、島、隧、地下互通”為一體的系統(tǒng)集群工程。其中伶仃洋大橋東泄洪區(qū)非通航孔橋長(zhǎng)2 640 m，共4 聯(lián)，每聯(lián)6 跨，每跨上部結(jié)構(gòu)為110 m 鋼箱梁，下部結(jié)構(gòu)均采用群樁基礎(chǔ)+承臺(tái)+T 形橋墩（見(jiàn)圖1）。其中分幅式橋墩基礎(chǔ)采用4 根直徑2.2 m 的鉆孔灌注樁，埋置式承臺(tái)尺寸為9.5 m×9.5 m×3.5m；整幅式橋墩基礎(chǔ)采用6 根直徑2.5 m 的鉆孔灌注樁，埋置式承臺(tái)尺寸為16.5 m×10.5 m×4.5 m。

圖1 橋墩結(jié)構(gòu)布置示意圖

該橋所處位置潮汐屬不規(guī)則半日潮，常水位+0.58 m，極端高水位+3.2 m。河床標(biāo)高為-10.5～-12.5 m，常水位下水深為11～13 m，高潮位下水深為13.7～15.7 m，承臺(tái)頂和河床面平齊，考慮4.5 m的承臺(tái)高度和3.8 m 的封底混凝土厚度后，最大抽水水頭達(dá)24 m。另外，河床以下為超過(guò)10 m 的流塑性淤泥層。

該橋橋墩基礎(chǔ)若采用常規(guī)雙壁鋼套箱圍堰或鎖扣鋼管樁圍堰施工，存在以下難點(diǎn)：1.最大抽水水頭為24 m，水壓力、土壓力較大，鎖口過(guò)多時(shí)，封水性能難以得到保障；2.圍堰的數(shù)量較多，不采用可周轉(zhuǎn)圍堰時(shí)投入巨大，經(jīng)濟(jì)效益低；3.承臺(tái)分為整幅式和分幅式，承臺(tái)種類(lèi)并不統(tǒng)一，相互倒用較困難；4.施工環(huán)境為水上施工，施工棧橋設(shè)計(jì)荷載有限，對(duì)于大型圍堰不能進(jìn)行一次吊裝，需要長(zhǎng)期配備浮吊，施工不便捷。鑒于此，綜合考慮施工條件、安全、經(jīng)濟(jì)性等因素，設(shè)計(jì)裝配式雙壁鋼圍堰進(jìn)行基礎(chǔ)施工，對(duì)比其下沉工藝，并采用有限元法進(jìn)行驗(yàn)算。

2 裝配式雙壁鋼圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本工程承臺(tái)施工區(qū)域?yàn)槿Ｉ鲜┕?，且毗鄰十萬(wàn)噸級(jí)伶仃洋航道，大型吊裝運(yùn)輸船舶為避讓航運(yùn)，組織難度極大。埋置承臺(tái)所處位置又為深水區(qū)，抽水水頭大，圍堰受力極其復(fù)雜，保障安全的前提下圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)很強(qiáng)大，圍堰自重也相應(yīng)的增加，若不考慮裝配化施工，一次吊裝重量大，且全線圍堰數(shù)量多達(dá)28 個(gè)，吊重次數(shù)多，吊裝安全得不到保障。與此同時(shí)，圍堰結(jié)構(gòu)用鋼量大大增加，全線承臺(tái)的施工費(fèi)用也耗費(fèi)巨大。因此從圍堰施工的組織難度、安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益三個(gè)方面考慮，對(duì)處在非關(guān)鍵線路上的承臺(tái)圍堰進(jìn)行裝配化施工來(lái)減小吊裝風(fēng)險(xiǎn)和組織難度，對(duì)整幅式和分幅式圍堰進(jìn)行相互倒用，節(jié)約成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，設(shè)計(jì)了一種裝配式雙壁鋼圍堰。

圍堰設(shè)計(jì)時(shí)考慮最不利工況，最大抽水水頭取24 m。為滿足整幅、分幅式橋墩承臺(tái)圍堰的相互倒用，節(jié)約成本，避免單獨(dú)制造分幅墩承臺(tái)圍堰，結(jié)合承臺(tái)尺寸將圍堰橫向分塊，整幅式橋墩圍堰由4 個(gè)6.1 m 長(zhǎng)的角塊（側(cè)板A）和2 個(gè)7 m長(zhǎng)的水平塊（側(cè)板B）裝配而成，分幅式橋墩圍堰由4 個(gè)6.1 m 長(zhǎng)的角塊（側(cè)板A）裝配而成（見(jiàn)圖2）。圍堰結(jié)構(gòu)主要分為內(nèi)外壁板、水平環(huán)、隔倉(cāng)板、鎖口鋼管樁和內(nèi)支撐5 部分。其中內(nèi)外壁板厚24 mm，隔倉(cāng)板厚12 mm，水平環(huán)板厚12 mm，角鋼型號(hào)∠125 mm×12 mm，側(cè)板A、B 之間的鎖口鋼管為Φ800 mm×12 mm 鋼管，刃角高2 m，圍堰總高度26.5 m，內(nèi)支撐共計(jì)3 層，均由Φ1 000 mm×12 mm 的鋼管和雙拼HN400 的型鋼組成，分別設(shè)置在距離圍堰頂口1.6 m、8.8 m、15.9 m 的位置，為了方便后續(xù)墩身施工，在承臺(tái)施工完畢后將十字型內(nèi)支撐轉(zhuǎn)換為三角撐的形式，為墩身施工提供充足了的工作面。

圖2 裝配式雙壁鋼圍堰結(jié)構(gòu)布置示意圖

該裝配式圍堰的優(yōu)點(diǎn)：1）橫向向分塊，吊裝負(fù)擔(dān)小，施工進(jìn)度快；2）自身剛度大，鎖口數(shù)量少，止水效果好；3）進(jìn)行裝配組合能同時(shí)滿足整幅式、分幅式橋墩的施工需求；4）高周轉(zhuǎn)使用，節(jié)約成本，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

3 裝配式雙壁鋼圍堰施工工藝

3.1 圍堰下沉施工工藝

裝配式雙壁鋼圍堰施工工藝分為分塊下沉和整體下沉2 種，主要區(qū)別在于在鎖口鋼管樁施沉完畢后，分塊下沉是將側(cè)板A 和側(cè)板B 分批次下沉后再安裝內(nèi)支撐，整體下沉是將側(cè)板A、側(cè)板B和部分內(nèi)支撐在河床上拼裝完畢后整體吸泥下沉。下沉工藝的不同會(huì)導(dǎo)致圍堰入土深度的變化、圍堰內(nèi)支撐的數(shù)量、圍堰自重等，從而影響結(jié)構(gòu)的造價(jià)和施工的難易程度。因此從圍堰的開(kāi)挖方量、支撐數(shù)量、入土深度、設(shè)備需求等方面，對(duì)2 種下沉工藝進(jìn)行了對(duì)比。

1）分塊下沉

分塊下沉?xí)r，為保證側(cè)板的穩(wěn)定和清淤封底時(shí)的安全，需要確定河床開(kāi)挖情況、支撐數(shù)量和最小入土深度,具體分為4 個(gè)工況。根據(jù)盾恩近似法和主、被動(dòng)土壓力對(duì)內(nèi)支撐點(diǎn)的彎矩和為0 的原則，求解得到最小入土深度(見(jiàn)表1)。由表1 可知，在河床不開(kāi)挖且不設(shè)置底部?jī)?nèi)支撐的情況下，圍堰最小入土深度達(dá)9.2 m，導(dǎo)致圍堰總體用鋼量增加。因此分塊下沉?xí)r需要長(zhǎng)期配備1 臺(tái)135 t 以上履帶吊和振動(dòng)錘進(jìn)行下沉，設(shè)備占有率高。如要減小入土深度則需要多設(shè)置內(nèi)支撐，并采用長(zhǎng)臂挖機(jī)對(duì)圍堰四周進(jìn)行放坡開(kāi)挖后方可下沉。因此分塊下沉存在施工周期長(zhǎng)、施工進(jìn)度慢等一系列問(wèn)題。

表1 各工況圍堰最小入土深度

2）整體下沉

采用整體下沉工藝施工時(shí)，圍堰與內(nèi)支撐在河床面上拼裝成整體，同時(shí)將頂面2 層內(nèi)支撐與圍堰進(jìn)行了臨時(shí)連接，形成整體后吸泥下沉。圍堰在下沉過(guò)程中具有較好的整體性，因此圍堰最終的入土深度只需要滿足河床水下開(kāi)挖過(guò)程中不發(fā)生隆起即可。根據(jù)軟弱下臥層坑底隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算原則，當(dāng)入土深度為3 m 時(shí)即可滿足圍堰坑底抗隆起設(shè)計(jì)要求。另外，根據(jù)地勘報(bào)告，海床面下為10 m 以上的淤泥層，圍堰整體下沉到位時(shí)刃角位置位于砂層，受其側(cè)摩阻力和端承力的影響，僅憑自身重力可能無(wú)法下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高，需要進(jìn)行輔助下沉。通過(guò)計(jì)算，圍堰在砂層階段的側(cè)摩阻力和端摩阻力之和為5 680 kN，圍堰壁板和內(nèi)支撐。

3）工藝對(duì)比

對(duì)比2 種施工工藝可知：分塊下沉?xí)r內(nèi)支撐與圍堰無(wú)需臨時(shí)固定，單塊吊重小，工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，但考慮放坡開(kāi)挖和入土深度大的情況，需要配備135 t 履帶吊、振動(dòng)錘、長(zhǎng)臂挖機(jī)等設(shè)備，設(shè)備占用率高；整體下沉?xí)r圍堰內(nèi)支撐數(shù)量、入土深度和圍堰用鋼量較小，且不需要放坡開(kāi)挖，在河床組拼完成后吸泥下沉即可，經(jīng)濟(jì)成本可觀。因此確定選擇在河床面拼裝成整體后吸泥下沉的施工方案。

3.2 圍堰拆除倒用施工工藝

圍堰整體下沉后進(jìn)行承臺(tái)、墩身施工，待墩身超出最高水位2～3 個(gè)節(jié)段后，將3 層內(nèi)支撐豎向臨時(shí)栓接成一個(gè)整體，然后回灌水至圍堰內(nèi)水位高出圍堰外水位1.5 m 時(shí)，使圍堰產(chǎn)生一個(gè)向外的位移進(jìn)行卸荷，減小內(nèi)支撐的拆卸難度，然后采用浮吊一次拆除3 層內(nèi)支撐體系，最后依次拔出側(cè)板和鎖口鋼管樁至運(yùn)輸船，轉(zhuǎn)至下一個(gè)施工區(qū)域周轉(zhuǎn)使用。

4 有限元模擬

4.1 有限元模型

采用MIDAS Civil 建立裝配式雙壁鋼圍堰整體模型（見(jiàn)圖3），模型中鎖口采用只能傳遞軸向力的梁?jiǎn)卧M，圍堰內(nèi)壁板、外壁板、橫隔板、豎隔板均采用板單元模擬，水平環(huán)板采用梁?jiǎn)卧M。邊界條件為封底混凝土澆筑后約束底板所有自由度以及與內(nèi)壁接觸位置的法向自由度。

圖3 圍堰整體有限元模型

4.2 設(shè)計(jì)荷載及計(jì)算工況

圍堰最不利狀態(tài)為封底混凝土澆筑后圍堰內(nèi)抽水時(shí)，主要承受的荷載包括圍堰自重，側(cè)板內(nèi)、外側(cè)水壓力，圍堰吸泥下沉?xí)r圍堰內(nèi)外的土頭差。

圍堰施工階段分為6 個(gè)工況（見(jiàn)表2）。按應(yīng)力疊加原理，隨著體系轉(zhuǎn)換的進(jìn)行，需計(jì)算每一工況下圍堰的應(yīng)力變化。

表2 圍堰施工工況

4.3 結(jié)果分析

1）圍堰側(cè)板

各工況圍堰側(cè)板各構(gòu)件的應(yīng)力變化如圖4 所示，工況6 圍堰變形云圖如圖5 所示。

圖4 各工況圍堰各構(gòu)件的應(yīng)力變化

圖5 工況6 圍堰變形云圖

由圖4、圖5 可知，圍堰的應(yīng)力在抽水階段和內(nèi)支撐轉(zhuǎn)換過(guò)程中增長(zhǎng)較快，高達(dá)70 MPa，其中最大應(yīng)力出現(xiàn)在工況6 下的水平環(huán)板和隔倉(cāng)板位置，最大應(yīng)力為187.8 MPa，小于規(guī)范允許應(yīng)力210 MPa；圍堰最大變形出現(xiàn)在工況6，最大變形為25.2 mm，小于設(shè)計(jì)要求的75 mm。

2）內(nèi)支撐

隨著體系轉(zhuǎn)換的進(jìn)行，圍堰內(nèi)支撐由最初的3層十字撐結(jié)構(gòu)由下至上逐漸轉(zhuǎn)換為三角撐形式，以便于墩身施工。內(nèi)支撐體系轉(zhuǎn)換時(shí)應(yīng)力云圖如圖6 所示。

圖6 內(nèi)支撐體系轉(zhuǎn)換時(shí)應(yīng)力云圖

由圖6 可知，體系轉(zhuǎn)換中第2 道內(nèi)支撐受力最不利，最大應(yīng)力為122.7 MPa，小于規(guī)范允許應(yīng)力210 MPa。根據(jù)最大彎矩和軸力計(jì)算其穩(wěn)定性，結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求。

3）封底混凝土

封底混凝土計(jì)算時(shí)，按+3.2 m 水位，封底混凝土底端承受水壓力，在封底混凝土自重、水壓力和護(hù)筒粘結(jié)力共同作用下，檢算封底混凝土的應(yīng)力及護(hù)筒粘結(jié)力。采用ANSYS 軟件建模計(jì)算，在封底混凝土和護(hù)筒四周采用鉸接約束。

通過(guò)計(jì)算，封底混凝土最大拉應(yīng)力σ1=0.398Mpa小于封底混凝土混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ftd=1.23Mpa,最大壓應(yīng)力σ3=0.43Mpa小于封底混凝土混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fcd=11.5Mpa，同時(shí)提取鋼護(hù)筒處的豎向合力為3633.3kN，得到最大握裹力為118.1 kPa＜設(shè)計(jì)值120 kPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

綜上計(jì)算可知，裝配式雙壁鋼圍堰的受力能夠滿足各工況下深水區(qū)承臺(tái)施工的需要。

5 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合深中通道伶仃航道橋東泄洪區(qū)非通航孔橋深水區(qū)埋置式承臺(tái)施工，提出一種裝配式雙壁鋼圍堰+鎖口鋼管樁的結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)裝配組合能同時(shí)滿足整幅式、分幅式橋墩的施工需求，便于高周轉(zhuǎn)，經(jīng)濟(jì)效益明顯。該圍堰采用整體下沉工藝，具有挖方量小、支撐數(shù)量少、入土深度小、設(shè)備占有率低、圍堰總重小等優(yōu)點(diǎn)，論證了該結(jié)構(gòu)形式及施工方法在此類(lèi)項(xiàng)目中運(yùn)用的可行性。