橋梁深水承臺施工圍堰方案設計與施工監(jiān)測問題分析

胡鐵山，黨高峰，占揚帆

（湖北省交通規(guī)劃設計院股份有限公司，湖北 武漢 430051）

1 工程概況

廣東佛山平原地區(qū)某高速公路，按照設計速度100km/h，路基寬33.5m的六車道高速公路技術標準建設，其跨越順德水道特大橋上部結(jié)構采用115+200+115m預應力混凝土剛構連續(xù)梁橋，其中28#、29#墩為水中主墩，各設18根直徑2.5m鉆孔灌注樁，承臺結(jié)構尺寸為37×15.5×5m，承臺底面標高-9.0m，兩主墩處河床面設計標高分別為-11.0m、-6.0m，本文選取最深的28#墩進行分析。

根據(jù)水利部門資料，橋位處全斷面平均流速為0.988m/s，多年平均水位為1.59m。每年10月～次年3月為非汛期，其中11月～次年1月多年平均水位均處于低水位。結(jié)合水位計算，28#墩承臺圍堰施工水位取+4.5m，施工時間為11月～次年1月。

根據(jù)地勘資料，28#墩位處覆蓋層依次為粉砂、粉質(zhì)黏土、中砂、圓礫，各層厚度分別為8.675m、2.95m、6.6m、16.23m。

本項目承臺施工圍堰基礎條件如下：

（1）受橋墩承臺影響，圍堰平面尺寸較大，考慮河流斷面被壓縮后的河水作用，對圍堰結(jié)構的強度、剛度及穩(wěn)定性提出了更高的要求；

（2）施工水頭差不大，最大為10.0m；

（3）水流速度不大；

（4）橋墩處高透水性的粉砂層不厚，僅8.675m，圍堰設計考慮底部一般止水措施即可；

（5）工期緊，需在一個非汛期3個月內(nèi)完成施工。

2 圍堰設計

2.1 設計原則

（1）以“安全可靠、技術先進、經(jīng)濟合理、方便回收”為總原則；

（2）圍堰的整體凈空不僅要大于承臺結(jié)構本身，還要滿足施工操作需求；

（3）盡可能選用本身結(jié)構尺寸小，強度及剛度大的構件，有效降低結(jié)構空間占比，減小圍堰整體尺寸，能提供更大的施工操作空間；

（4）圍堰高度應考慮雍水高、波浪高等影響，并適當增設安全高度；

（5）在安全的前提下，以經(jīng)濟為導向，合理減少材料用量，盡可能降低圍堰的造價成本。

2.2 型式選擇

根據(jù)工程經(jīng)驗，對于水深小于4m，流速較小的水中施工，一般采用操作簡單且較經(jīng)濟的土石圍堰、木質(zhì)圍堰等簡易圍堰；而對于水深大于4m的水中施工，主要在鋼板樁圍堰和雙壁鋼圍堰中選擇，結(jié)合本項目工程特點，針對這兩種圍堰形式進行以下比選分析：

（1）工程造價：根據(jù)工程經(jīng)驗，同尺寸的雙壁鋼圍堰的造價是鋼板樁圍堰的1.5～1.8倍[4]，因此，從節(jié)約工程造價角度考慮，宜選用鋼板樁圍堰。

（2）結(jié)構形狀：雙壁鋼圍堰多為圓形，因其在水壓力作用下，只產(chǎn)生環(huán)向軸力，可不設內(nèi)撐，在提供足夠施工空間的同時還可節(jié)省用鋼量，多用于長寬比小于1.5的承臺施工，而本項目承臺長寬比達2.4，不適合采用圓形雙壁鋼圍堰，若強行采用矩形雙壁鋼圍堰，需加設內(nèi)撐，將大幅增加用鋼量；而鋼板樁圍應采用鋼板加圍檁的方式，結(jié)構可更好地適應承臺的形狀，使用更靈活。

（3）隔水效果：雖然雙壁鋼圍堰由于其整體性，剛度和強度大，隔水效果好；但由于本項目所在位置水頭差不大，地下透水層不厚，地質(zhì)條件有利于鋼板樁插打，因此，本項目使用鋼板樁圍堰同樣可以達到較好的隔水效果。

（4）施工難度：雙壁鋼圍堰由于體積龐大，需大型拼裝場地及起吊設備，在覆蓋層下沉需較多設備，且下沉速度較慢，若遇土層中障礙物，必須在水中刃腳下清除，勢必影響工期；而鋼板樁圍堰占用空間小，無需大型拼裝場地及設備，可多次周轉(zhuǎn)且插打速度快、周期短，可滿足本項目水中承臺3個月完工的要求。

因此，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，本項目采用鋼板樁圍堰。

2.3 結(jié)構設計

（1）鋼板樁長度設計：充分考慮水、土、沖刷、波浪、雍水等作用，滿足結(jié)構抗滑、抗沖刷、抗傾覆驗算。橋墩處鋼板樁施工設防水位+4.5m，鋼板樁頂標高按+5.5m設置，鋼板樁底標高為-21.5m，鋼板樁總長均為27m，封底混凝土頂面標高-9m，即鋼板樁封底后堰內(nèi)側(cè)入土深度12.5m；

（2）圍堰平面尺寸設計：考慮到施工操作的需要，在圍堰壁和承臺邊緣之間預留1m的施工操作空間，圍堰平面尺寸為39×17.5m；

（3）圍檁內(nèi)撐的設計：由于本項目承臺位于深水段且結(jié)構高達5m，在該區(qū)域5m凈空范圍不設內(nèi)撐將難以保證鋼板樁應力和變形不超標，因此將承臺分兩層澆筑，并充分考慮水、土、沖刷、波浪等作用后，結(jié)構內(nèi)分別在標高+2.5m、-2.0m、-5.5m處設圍檁內(nèi)撐，其中第一、二層內(nèi)撐侵占了橋墩的結(jié)構空間，第三層內(nèi)撐侵占了承臺結(jié)構第二層混凝土澆筑空間。因此，隨著施工操作面的增高，通過對圍檁內(nèi)撐進行“受力體系轉(zhuǎn)換”，以達到結(jié)構安全、施工操作面無內(nèi)撐侵占、材料利用周轉(zhuǎn)率提高等要求，具體方法如下：

第三層圍檁內(nèi)撐結(jié)構體系轉(zhuǎn)換：首先在已經(jīng)澆筑成型的3.0m高承臺第一層混凝土和圍堰之間的空隙里抽砂夯實填充2.6m高，然后于砂層以上承臺和圍堰之間澆筑一層0.4m厚的混凝土支撐層，再拆除第三層圍檁內(nèi)撐，以滿足第二層承臺施工的作業(yè)空間要求；

第二、一層圍檁內(nèi)撐結(jié)構體系轉(zhuǎn)換：根據(jù)承臺、橋墩的施工進度，將圍堰內(nèi)注水至作業(yè)面以下，減小圍堰內(nèi)外壓強差，增設四對角撐，再拆除1/4對撐，以滿足橋墩施工的作業(yè)空間要求。表1為圍檁內(nèi)撐構件材料表。

表1 圍檁內(nèi)撐構件材料表

2.4 結(jié)構驗算

運用Midas有限元軟件對鋼板樁圍堰施工全過程關鍵工況進行建模分析，鋼板樁采用殼單元，圍檁內(nèi)撐均采用梁單元，圍檁與內(nèi)撐構件之間固結(jié)，鋼板樁與圍檁之間只做法向連接，河底土作用利用“土彈簧”模擬。并對施工全過程中的關鍵工況進行驗算，①工況Ⅰ：封底混凝土達到強度，圍堰內(nèi)抽干水；②工況Ⅱ：第三層圍檁內(nèi)撐體系轉(zhuǎn)換后；③工況Ⅲ：第二層圍檁內(nèi)撐體系轉(zhuǎn)換后；④工況Ⅳ：第一層圍檁內(nèi)撐體系轉(zhuǎn)換后。

考慮水、土壓力、流水壓力及波浪力的情況下，經(jīng)反復驗算修改設計，并在第三層圍檁上局部區(qū)段焊接鋼板加強、方鋼內(nèi)焊接槽鋼加筋勒。圍檁內(nèi)撐最大正應力為130.1MPa，最大變形為14mm；鋼板樁最大正應力為81.5MPa，最大剪應力為15.2MPa，最大位移為1.36mm，強度、剛度、變形均滿足規(guī)范要求。

3 施工流程

采用先定位下放圍檁、再精確插打鋼板樁的施工方法。

（1）首先根據(jù)兩岸地形，在預定位置搭設簡易拼裝平臺、測量定位后安裝液壓起吊系統(tǒng)，在平臺上拼裝好圍檁內(nèi)撐、牛腿、連接件以及吊裝構件，并根據(jù)圍檁的拼裝進度利用起吊系統(tǒng)將圍檁逐層下放入水到位，精確定位后將圍檁固定在平臺周邊鋼管樁上。

（2）鋼板樁檢查合格后，將鋼板樁吊運至指定位置，然后運用兩個吊鉤吊起和放下，使鋼板樁呈垂直狀態(tài)，移向安插位置，插入已就位的鋼板樁鎖口中。逐根插打鋼板樁并合龍。

（3）將圍檁用牛腿轉(zhuǎn)換至鋼板樁上，潛水員用高壓水沖洗封底段護筒及鋼板樁表面，完善封底施工平臺、安裝導管漏斗架溜管、布設封底面標高監(jiān)測點，完成封底混凝土的澆筑后，將圍堰內(nèi)的水排干凈。

（4）根據(jù)承臺、橋墩的施工方法完成圍堰內(nèi)撐的體系轉(zhuǎn)換。

4 施工監(jiān)測

本項目鋼板樁圍堰長39m、寬17.5m、高27m；由三層圍檁內(nèi)撐和286根鋼板樁組成；圍檁內(nèi)撐的拼裝就位、鋼板樁的插打閉合、圍堰的抽水補漏、內(nèi)撐的體系轉(zhuǎn)換等各過程構成一個相互關聯(lián)的整體；同時承受土壓力、水壓力、波浪、雍水、沖刷等外力。設計與施工高度耦合，技術含量高，其中任意一個環(huán)節(jié)的問題都會影響到圍堰本身的質(zhì)量和安全，因此，在圍堰施工中采取有效的施工監(jiān)測，可以保證施工過程的安全性，且提高承臺的施工質(zhì)量。

（1）圍檁內(nèi)撐監(jiān)測

圍檁內(nèi)撐以受壓軸力為主。因此，結(jié)合受力特征，用高精度標距150mm的鋼結(jié)構表面應變計測量內(nèi)撐軸力，在受力較大處布置測點，對圍堰施工全過程進行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果見表2和表3。

表2 實況水位表

表3 圍檁內(nèi)撐應力表 單位：MPa

（2）鋼板樁監(jiān)測

鋼板樁變形以受彎撓曲變形為主。因此，結(jié)合受力變形特征，采用JMZX-7000型傾角綜合測斜儀測量鋼板樁撓曲變形，分別在變形較大的1/2截面、1/4截面處鋼板樁內(nèi)側(cè)安裝測斜管，并采用5寸鍍鋅鋼箍將測斜管與鋼板樁焊接固定，對圍堰施工全過程進行檢測，監(jiān)測結(jié)果如圖1～3所示。

（3）監(jiān)測評估

施工全過程實測結(jié)構應力、變形與理論值吻合良好，最大應力值為72.45MPa，小于安全值145MPa；相對最大變形（跨中相對于兩支點）為9.4mm，小于安全值11.25mm，施工全過程河道水位不高，圍堰控制截面處于低應力狀態(tài)，實測應力值變化平緩，與理論值比較在安全容許范圍內(nèi)，應力儲備足夠，結(jié)構受力狀態(tài)正常。

5 結(jié)論

（1）對于水深小于15m，承臺長寬比大于1.5，止水難度小、拼裝場地受限制的情況，采用鋼板樁圍堰；對于水深大于15m，承臺長寬比小于1.5，止水難度大、拼裝場地不受限制的情況，采用雙壁鋼圍堰；

（2）承臺高度大，侵占圍檁內(nèi)撐空間時，可分層澆筑承臺，在后澆筑承臺層間設置臨時圍檁內(nèi)撐，利用已澆筑承臺層支撐鋼板樁，對圍檁內(nèi)撐系統(tǒng)進行受力體系轉(zhuǎn)換，從而達到結(jié)構安全，施工操作面無內(nèi)撐侵占，經(jīng)濟合理的目標；

（3）底部封底混凝土澆筑時對圍堰底部產(chǎn)生向外的擠壓作用，抽水過程中外側(cè)的水壓力產(chǎn)生向內(nèi)的擠壓作用，導致鋼板樁發(fā)生底部向外撓曲頂部向里撓曲的變形，呈S形，建議對施工流程進行改進，在封底混凝土澆筑前將鋼板樁與圍檁鉸接，防止鋼板樁變形。