論橋梁項(xiàng)目深水承臺(tái)施工圍堰及施工監(jiān)測(cè)

陳忠銀

摘要 建設(shè)各類交通基礎(chǔ)設(shè)施時(shí)，根據(jù)項(xiàng)目建設(shè)實(shí)際情況，有些橋梁承臺(tái)及基礎(chǔ)只能建于深水當(dāng)中，施工現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件較為復(fù)雜，淤泥厚度大，且水流速度較快，極大地增加了施工難度及風(fēng)險(xiǎn)?；诖耍恼乱阅硺蛄汗こ添?xiàng)目為研究案例，總結(jié)了橋梁深水承臺(tái)施工圍堰設(shè)計(jì)原則，分析了圍堰形式選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及驗(yàn)算、施工監(jiān)測(cè)等內(nèi)容，旨在為同類項(xiàng)目的建設(shè)提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞 深水承臺(tái)；鋼板樁圍堰；施工監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào) U445.556文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）09-0105-03

0 引言

大型橋梁基礎(chǔ)體積較大，需要埋藏在較深的位置，因?yàn)榈刭|(zhì)環(huán)境較差且多變，極大地增加了施工難度及風(fēng)險(xiǎn)，這就需要采取有效措施，解決圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工方面存在的問(wèn)題。鋼板樁作為一項(xiàng)成熟產(chǎn)品，內(nèi)部構(gòu)造較為靈活，易于支撐，且施工難度小，因此在橋梁基礎(chǔ)施工中得到廣泛應(yīng)用。鋼板樁施工過(guò)程中，需要綜合考慮施工場(chǎng)地環(huán)境、地質(zhì)、氣候等因素對(duì)施工環(huán)節(jié)及支撐結(jié)構(gòu)使用年限的影響。該文以某高速公路橋梁工程為例，全面分析了深水承臺(tái)施工圍堰及施工監(jiān)測(cè)。

1 工程概況

某高速公路橋梁工程屬于剛構(gòu)連續(xù)橋梁，橋梁的上部結(jié)構(gòu)是由（115+200+115）m預(yù)應(yīng)力混凝土澆筑。橋梁的28#、29#墩為主體橋墩，建造于水下，每個(gè)橋墩設(shè)計(jì)有18根直徑2.5 m鉆孔灌注樁，承臺(tái)底面標(biāo)高為?9.0 m，其尺寸大小為37 m×15.5 m×5 m，兩主墩在河床面的設(shè)計(jì)標(biāo)高依次是?11.0 m、?6.0 m。該文以28#墩為分析對(duì)象。

從水利部門獲悉，該橋位的年均水位是1.59 m。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)，28#橋墩所處位置的覆蓋層由上到下依次是粉砂，黏土及各種礫石。該工程項(xiàng)目施工圍堰基礎(chǔ)條件如下：

（1）橋墩承臺(tái)對(duì)應(yīng)的圍堰整體面積比較大。

（2）施工過(guò)程中的水位差異較大，最大差值10 m。

（3）由于河水流速較小，在橋墩處形成的粉砂層厚度為8.675 m，設(shè)計(jì)圍堰時(shí)只需采用常規(guī)止水措施。

（4）非汛期只有3個(gè)月，需在此時(shí)間段內(nèi)完成施工。

2 圍堰設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則

設(shè)計(jì)圍堰應(yīng)采用先進(jìn)技術(shù)，確保圍堰能安全穩(wěn)定地運(yùn)營(yíng)，建設(shè)成本低，且便于回收再利用。

（1）圍堰的整體凈空應(yīng)超過(guò)承臺(tái)結(jié)構(gòu)，同時(shí)確保施工順利進(jìn)行。

（2）要求所用的構(gòu)件外形小，但有足夠的剛度及強(qiáng)度，避免構(gòu)件占據(jù)較大空間。

（3）因?yàn)樗桓咔液恿鞑ɡ溯^大，設(shè)計(jì)圍堰時(shí)應(yīng)增加其高度，提升安全性。

（4）確保項(xiàng)目安全的基礎(chǔ)上，適當(dāng)減少建材使用量，避免出現(xiàn)浪費(fèi)，降低圍堰建設(shè)費(fèi)用[1]。

2.2 型式選擇

從工程實(shí)踐來(lái)看，施工水域的水深如果不超過(guò)4 m且流速較慢，可以使用一些比較容易施工，且造價(jià)成本較低的簡(jiǎn)易圍堰，例如土石圍堰、木質(zhì)圍堰等。但是，如果水深超過(guò)4 m，則只能選擇使用鋼板樁圍堰和雙壁鋼圍堰[2]。下文結(jié)合該項(xiàng)目具體特點(diǎn)，對(duì)比分析兩種圍堰形式：

（1）工程造價(jià)：依照實(shí)際項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)可知，在圍堰尺寸相同的情況下，鋼板樁圍堰的造價(jià)比雙壁鋼圍堰低一半多，為降低工程建設(shè)成本，鋼板樁圍堰是最佳選擇。

（2）結(jié)構(gòu)形狀：大部分雙壁鋼圍堰屬于圓形結(jié)構(gòu)，受到水壓影響，會(huì)出現(xiàn)軸向環(huán)力，因此無(wú)須設(shè)置內(nèi)撐結(jié)構(gòu)，有利于降低鋼鐵消耗量，承臺(tái)的長(zhǎng)寬比在1.5以下時(shí)，可選擇該形式的圍堰。該項(xiàng)目承臺(tái)長(zhǎng)寬比為2.4，該形式的圍堰并非優(yōu)選，可使用鋼板樁圍堰，在結(jié)構(gòu)方面更加搭配，且易于操作[3]。

（3）隔水效果：雙壁鋼圍堰的構(gòu)造較為完整，因此具有良好的剛度及強(qiáng)度，能有效防水。

（4）施工難度：因?yàn)殡p壁鋼圍堰的體型較大，所以需要有大型的拼裝場(chǎng)地及起吊設(shè)備。相比之下，鋼板樁圍堰所占據(jù)的空間很小，不需要有大型的拼裝場(chǎng)地及設(shè)備，可以進(jìn)行多次周轉(zhuǎn)及拆裝，施工周期短，可在三個(gè)月內(nèi)建設(shè)完水中承臺(tái)。根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)具體狀況，確定選用鋼板樁圍堰。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）鋼板樁長(zhǎng)度設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)鋼板樁圍堰，需要將流水、土層、波浪等因素綜合考慮在內(nèi)，圍堰結(jié)構(gòu)應(yīng)具備良好的抗滑性和抗沖刷性。澆筑橋墩建設(shè)鋼板樁，其防水位為+4.5 m，配套鋼板樁的頂標(biāo)高為+5.5 m，底標(biāo)高為?21.5 m，鋼板樁長(zhǎng)度總計(jì)為27 m，封底混凝土頂面標(biāo)高?9 m。

（2）圍堰平面尺寸設(shè)計(jì)：為便于開(kāi)展施工，圍堰壁與承臺(tái)的間隔至少為l m，圍堰長(zhǎng)度為39 m、寬度為17.5 m。

（3）圍檁內(nèi)撐的設(shè)計(jì)：該項(xiàng)目的承臺(tái)高度為5 m，且位于深水下，結(jié)構(gòu)承受較大水壓，若不設(shè)置內(nèi)撐，則鋼板樁的應(yīng)力不符合要求且會(huì)發(fā)生嚴(yán)重變形。所以，澆筑承臺(tái)需要分上下兩層施工，并在合適位置安裝三層圍檁內(nèi)撐，前兩層內(nèi)撐位于橋墩結(jié)構(gòu)內(nèi)部，最后一層內(nèi)撐占據(jù)了混凝土澆筑空間。設(shè)計(jì)方法如下：

1）第三層圍檁內(nèi)撐結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換：高度為3 m的承臺(tái)澆筑完成后，清理圍堰與首層混凝土間的砂石，并將其填充至2.6 m高，之后進(jìn)行混凝土支撐層澆筑，厚度為0.4 m，澆筑成型后將最后一層支撐拆除，確保第二層承臺(tái)施工有充足的空間。

2）第二、一層圍檁內(nèi)撐結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換：結(jié)合橋梁及承臺(tái)施工情況，將水注入圍堰，使其降至作業(yè)面之下，確保圍堰內(nèi)外壓強(qiáng)基本一致，再配置四對(duì)角撐，并將相應(yīng)的對(duì)撐拆掉[4]。表1為圍堰內(nèi)撐構(gòu)件材料表。

2.4 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

通過(guò)Midas有限元軟件構(gòu)建模型，全面分析鋼板樁圍堰施工環(huán)節(jié)，鋼板樁及圍模內(nèi)撐分別運(yùn)用殼單元與梁?jiǎn)卧?，牢固連接圍檁與內(nèi)撐構(gòu)件，連接完成后，通過(guò)“土彈簧”開(kāi)展模擬活動(dòng)。此外，還需驗(yàn)算施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)內(nèi)容。

工況Ⅰ：用于封底的混凝土的強(qiáng)度達(dá)標(biāo)，將圍堰內(nèi)部河水抽排出來(lái)。

工況Ⅱ：第三層圍檁內(nèi)撐體系轉(zhuǎn)換后。

工況Ⅲ：第二層圍檁內(nèi)撐體系轉(zhuǎn)換后。

工況Ⅳ：第一層圍檁內(nèi)撐體系轉(zhuǎn)換后[5]。

為提升結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，需在第三層圍檁上焊接鋼板及鋼槽，這是在綜合分析現(xiàn)場(chǎng)水、土壓及流水速度等因素后作出的設(shè)計(jì)決定。圍檁內(nèi)撐正應(yīng)力最大為130.1 MPa，最大變形為14 mm。鋼板樁正應(yīng)力最大為81.5 MPa，最大剪應(yīng)力為15.2 MPa，最大位移為1.36 mm。由此可知，各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[6]。

3 施工流程

施工過(guò)程中，明確位置后下放圍檁，之后插打鋼板樁。

（1）結(jié)合岸邊實(shí)際地形條件，選取合適位置安裝施工平臺(tái)，通過(guò)精確定位后，再搭建液壓起吊系統(tǒng)，將圍檁內(nèi)撐、牛腿等構(gòu)件安裝到平臺(tái)上，結(jié)合具體拼裝進(jìn)度，將圍檁吊裝到水下，并連接固定到鋼板樁上。

（2）檢查鋼板樁，無(wú)問(wèn)題后將其吊至指定位置，所用吊具為兩個(gè)吊鉤，保證鋼板樁保持垂直，移動(dòng)到指定位置后安插鋼板樁鎖口中，再一一進(jìn)行插打合龍。

（3）通過(guò)運(yùn)用牛腿，將圍檁移至鋼板樁，潛水員使用高壓水槍對(duì)襯底護(hù)筒及鋼板樁進(jìn)行沖洗，構(gòu)架完整的施工平臺(tái)，到澆筑結(jié)束后，及時(shí)排掉圍堰內(nèi)積水[7]。

（4）依照橋梁施工方法，有效轉(zhuǎn)換圍堰內(nèi)支撐體系。

4 施工監(jiān)測(cè)

該項(xiàng)目的鋼板圍堰尺寸為39 m×17.5 m×27 m，主要構(gòu)造為三層圍檁內(nèi)撐及286根鋼板樁，設(shè)計(jì)所用技術(shù)較為先進(jìn)，施工環(huán)節(jié)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，會(huì)對(duì)整個(gè)圍堰施工質(zhì)量及安全性產(chǎn)生影響。所以，為提升施工安全性，施工過(guò)程中需開(kāi)展施工監(jiān)測(cè)[8]。

4.1 圍檁內(nèi)撐監(jiān)測(cè)

圍檁內(nèi)撐主要承受壓軸力，對(duì)內(nèi)撐軸力進(jìn)行測(cè)量，必須使用精確度較高的標(biāo)距150 mm的鋼結(jié)構(gòu)表面應(yīng)變計(jì)，將其安裝在受力較大的部位，及時(shí)有效地監(jiān)測(cè)圍堰施工活動(dòng)[9]，所得結(jié)果見(jiàn)表2～3。

4.2 鋼板樁監(jiān)測(cè)

由于鋼板樁受到外部壓力，從而發(fā)生受彎和撓曲變形。根據(jù)受力變形狀況，通過(guò)JMZX-7000型傾角綜合測(cè)斜儀對(duì)其變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，選取變形程度大的部位安裝測(cè)斜管，使用鍍鋅板將其焊接到鋼板樁上，實(shí)現(xiàn)全方位監(jiān)測(cè)。其監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖1～3所示。

4.3 監(jiān)測(cè)評(píng)估

通過(guò)對(duì)整個(gè)施工環(huán)節(jié)進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形量基本符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，未超過(guò)數(shù)值上限。施工過(guò)程中，河流水位較低，圍堰控制界面的應(yīng)力值較低，并未出現(xiàn)明顯變動(dòng)，結(jié)構(gòu)承受應(yīng)力保持了正常水平[10]。

5 結(jié)論

綜上所述，該文以橋梁工程深水承臺(tái)施工圍堰為研究對(duì)象，研究得出如下結(jié)論：

（1）如果水深不足15 m，承臺(tái)長(zhǎng)寬比超過(guò)1.5，易于止水且拼裝場(chǎng)地受限時(shí)，選用鋼板樁圍堰；如果水深超過(guò)15 m，承臺(tái)長(zhǎng)寬比低于1.5，難于止水且拼裝場(chǎng)地面積足夠時(shí)，選用雙壁鋼圍堰。

（2）項(xiàng)目施工過(guò)程中，由于承臺(tái)較高，圍檁內(nèi)撐空間被擠占，建造承臺(tái)時(shí)應(yīng)分層澆筑，澆筑時(shí)需增強(qiáng)圍檁內(nèi)撐，澆筑完成的承臺(tái)層能對(duì)鋼板樁起到一定的支撐作用。通過(guò)轉(zhuǎn)換圍檁內(nèi)撐系統(tǒng)受力體系，可提升結(jié)構(gòu)安全性，且不擠占施工操作空間，有利于降低建造成本。

參考文獻(xiàn)

[1]劉校峰， 杜先順， 魏涵雨， 等. 白沙河大橋深水承臺(tái)鋼板樁圍堰施工技術(shù)[J]. 云南水力發(fā)電， 2022（9）： 99-103.

[2]錢有偉， 王杰， 卓為頂. 深水基礎(chǔ)超長(zhǎng)鋼板樁圍堰施工仿真及監(jiān)測(cè)研究[J]. 江蘇建筑， 2022（2）： 85-88+131.

[3]錢越， 楊帥. 鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)與施工[C]. 《施工技術(shù)》雜志社， 亞太建設(shè)科技信息研究院有限公司. 2021年全國(guó)土木工程施工技術(shù)交流會(huì)論文集（上冊(cè)）， 2021： 495-498.

[4]朱榮浩， 章晨昊， 劉松濤， 等. 拉森鋼板樁圍堰施工有限元數(shù)值模擬及優(yōu)化研究[J]. 科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新， 2021（28）： 98-101.

[5]毛景權(quán)， 雷志強(qiáng)， 王剛， 等. 鋼板樁圍堰施工全過(guò)程數(shù)值模擬分析[J]. 廣東建材， 2020（9）： 50-55.

[6]倪波文. 復(fù)雜環(huán)境下橋梁承臺(tái)鋼板樁圍堰的設(shè)計(jì)與施工[C]. 中國(guó)公路學(xué)會(huì). 全國(guó)第二屆品質(zhì)工程論壇暨惠清高速公路綠色科技示范工程現(xiàn)場(chǎng)觀摩會(huì)論文集， 2019： 177-185.

[7]王勇. 橋梁深水承臺(tái)鋼板樁圍堰施工技術(shù)——以漯河新區(qū)牡丹江路沙河大橋工程為例[J]. 交通世界， 2020（15）： 90-91.

[8]吳帥. 超長(zhǎng)鋼板樁圍堰在深水區(qū)施工中的應(yīng)用[C]. 《施工技術(shù)（中英文）》雜志社， 亞太建設(shè)科技信息研究院有限公司. 2022年全國(guó)工程建設(shè)行業(yè)施工技術(shù)交流會(huì)論文集（下冊(cè)）， 2022： 277-281.

[9]周新亞， 劉昌箭， 錢有偉. 深水基礎(chǔ)超長(zhǎng)鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)[J]. 世界橋梁， 2020（2）： 20-24.

[10]王德懷. 深埋式承臺(tái)鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)[J]. 中外公路， 2021（3）： 130-134.