近海公鐵兩用橋組合樁圍堰施工技術(shù)研究

顧建華

（廣東廣珠城際軌道交通有限責(zé)任公司，廣東 珠海 510335）

為了聯(lián)通不同城市，近年來公鐵兩用橋快速發(fā)展。公鐵兩用橋基礎(chǔ)距離近，進(jìn)行異形圍堰施工時，常見的鋼板樁圍堰整體剛度小、抗動水作用和抗沖刷能力差，難以達(dá)到水下基礎(chǔ)施工要求[1-2]。采用鋼管樁圍堰施工則會增加工程成本，連接處止水要求高，施工難度大[3]。吳玲正[4]采用帽型-H型組合鋼板樁圍堰對深中通道東泄洪區(qū)非通航孔橋的整幅式橋墩施工進(jìn)行優(yōu)化。黃厚卿等[5]在伶仃洋大橋東錨碇采用“鎖口鋼管樁+工字型板樁+平行鋼絲索”組合式筑島圍堰結(jié)構(gòu)，提高了施工效率。蔣海濤[6]對深水淺覆蓋層河床條件橋梁圍堰進(jìn)行研究，設(shè)計了新型鎖扣鋼管樁內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)形式。劉勇等[7]采用“混凝土咬合樁+雙壁鋼圍堰”混合結(jié)構(gòu)圍堰施工方案，保證了深水急流條件下的圍堰穩(wěn)定。文章以金海特大橋主墩為研究對象，采用Midas GTS軟件在不同工況下對鋼管樁+鋼板樁圍堰施工工程中的彎矩、位移、軸力以及剪力等進(jìn)行分析。結(jié)果表明，鋼管樁+鋼板樁圍堰方案可以提高整體結(jié)構(gòu)剛度，減少施工期間彎矩以及水平位移，有效控制水下土壓力和動靜水作用的綜合影響，提高構(gòu)件重復(fù)利用率，降低施工要求和成本。

1 工程概況

1.1 工程背景

金海公路大橋是珠海市道路網(wǎng)、“五縱四橫高速公路”中的重要組成部分。金海特大橋為雙向六車道的一級高速公路，設(shè)計速度為100 km/h，是我國最長的水上公鐵兩用橋，全長為11.2 km。主橋為連續(xù)梁拱結(jié)構(gòu)[9]，其橋跨布置為（90+180+90）m，上部采用分離式單幅橋，其橋面寬度為16.25 m[8]。

1.2 水文地質(zhì)條件

珠海市位于北回歸線以南，地處南海之濱，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，海洋對本地氣候的調(diào)節(jié)作用明顯，常受臺風(fēng)影響。臺風(fēng)在每年7—9月登陸最多，而由臺風(fēng)引起的增水，在最大風(fēng)速下可達(dá)約2.0 m。

金海公路大橋所處場區(qū)為海積地貌。從上到下土層依次為淤泥質(zhì)黏土、黏土夾砂、二長花崗巖、云母花崗巖。海陸相沉積的淤泥質(zhì)黏土、黏土夾砂等δ0為40～200 kPa；花崗巖全風(fēng)化層巖土δ0為200～250 kPa；強(qiáng)至弱風(fēng)化巖體巖土δ0為500～1 000 kPa。

2 組合樁圍堰結(jié)構(gòu)計算

金海大橋主墩基礎(chǔ)采用“先平臺后圍堰”的施工方法。主橋下鐵路墩和公路墩采用鎖口鋼管樁+鋼板樁圍堰施工，鋼管樁規(guī)格為Ф720 mm×10 mm，鋼板樁規(guī)格為拉森Ⅳ型鋼板樁。鐵路墩設(shè)四層圈梁及內(nèi)支撐，公路墩設(shè)三層圈梁及內(nèi)支撐，前三層圈梁及內(nèi)支撐標(biāo)高相同。在考慮實際地質(zhì)情況下，鋼板樁以及鋼管樁長度為36 m。

2.1 組合鋼板及鋼管樁參數(shù)

鋼板樁以及鋼管樁截面尺寸及單根材截面特性如表1所示。

表1 鋼板樁以及鋼管樁截面尺寸及單根材截面特性

組合樁（鋼板樁+鋼管樁）截面參數(shù)如圖1所示。

圖1 組合樁（鋼板樁+鋼管樁）截面參數(shù)（單位：mm）

2.2 荷載參數(shù)

圍堰驗算主要考慮靜水壓力、土壓力以及地震作用的影響。淤泥土層容重為17 kN/m3，內(nèi)摩擦角為4°，黏聚力為5 kPa；碎石土層容重為20 kN/m3，內(nèi)摩擦角為36°，無黏聚力。根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306—2015）確定地震動參數(shù)。地震動峰值加速度取0.1g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.35 s，基本烈度選取Ⅵ級。通過提高水位增加靜水壓力顯示臺風(fēng)對圍堰的影響程度。

2.3 計算工況

工況1：利用吊掛系統(tǒng)安裝第一層圈梁及內(nèi)支撐后，圍堰內(nèi)水下清淤至-7.0 m，準(zhǔn)備安裝第二層圈梁及內(nèi)支撐（保持內(nèi)外水頭平衡）。

工況2：圍堰內(nèi)繼續(xù)水下清淤至-9.0 m，準(zhǔn)備安裝第三層圈梁及內(nèi)支撐（保持內(nèi)外水頭平衡）。

工況3：公路左右浮墩水下清淤至墊層底，準(zhǔn)備澆筑墊層（保持內(nèi)外水頭平衡）。

工況4：鐵路墩圍堰繼續(xù)水下清淤至-12.0 m，準(zhǔn)備安裝第四層圈梁及內(nèi)支撐（保持內(nèi)外水頭平衡）。

工況5：鐵路墩水下清淤至墊層底，準(zhǔn)備澆筑墊層（保持內(nèi)外水頭平衡）。

工況6：公路墩墊層施工完成，達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后圍堰內(nèi)抽水，準(zhǔn)備澆筑第一層承臺。

工況7：鐵路墩墊層施工完成，達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后圍堰內(nèi)抽水，拆除第四層圈梁及支撐，準(zhǔn)備澆筑第一層承臺。

工況8：第一層承臺砼達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，在第一層承臺頂部澆筑0.3 m厚砼圈梁，拆除第三層圈梁及支撐，準(zhǔn)備澆筑第二層承臺。

工況9：第二層承臺砼達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，在第二層承臺頂部澆筑0.3 m厚砼圈梁，拆除第二層圈梁及支撐，準(zhǔn)備上部結(jié)構(gòu)施工。

3 結(jié)果分析

對9種工況下組合樁圍堰的內(nèi)側(cè)土反力、最大水平位移、最大彎矩以及抗隆起系數(shù)驗算分析。

不同工況下圍堰各項最大參數(shù)如表2所示。

表2 不同工況下圍堰各項最大參數(shù)

工況1～5為墊層施工前的工況，外部水壓力以及土壓力對圍堰影響較大，需要考慮內(nèi)側(cè)土反力以及抗隆起系數(shù)。其余4種工況下結(jié)構(gòu)內(nèi)部可以達(dá)到內(nèi)力自平衡，故外部水壓機(jī)土壓力不做考慮。與工況1相比，工況2～5的內(nèi)側(cè)土反力均呈下降趨勢，最大下降13.2%，均小于被動土壓力標(biāo)準(zhǔn)值。抗隆起安全系數(shù)整體也呈下降趨勢，最大降幅為8.2%，安全系數(shù)均高于規(guī)范要求的1.2。最大水平位移呈現(xiàn)先增大后減小再增加的趨勢，最大位移出現(xiàn)在工況4，且均滿足最大水平位移規(guī)范要求的80 mm。最大彎矩在工況1～5與工況6～9均呈現(xiàn)先增后減的趨勢。最大值出現(xiàn)在工況4，因此工況4需要在施工現(xiàn)場重點(diǎn)監(jiān)控。

鋼板樁+鋼管樁組合圍堰內(nèi)部最多采用四層內(nèi)支撐，分別驗算其軸力、彎矩、剪力以及變形。

第一層內(nèi)支撐最大應(yīng)力在工況9中，第二層內(nèi)支撐最大軸力在工況8中，第三層內(nèi)支撐最大軸力在工況7中，第四層內(nèi)支撐最大軸力在工況5中，且第三層內(nèi)支撐的最大軸力、最大彎矩、最大剪力以及最大變形量最大，但均滿足規(guī)范要求。最大位移出現(xiàn)在上部是由于內(nèi)支撐層數(shù)越大，距離下部土體越近，外圍土體和水的共同作用下彎矩、剪力和變形都會增大，從而導(dǎo)致位移最大。

不同層內(nèi)支撐所受各項最大參數(shù)如表3所示。

表3 不同層內(nèi)支撐所受各項最大參數(shù)

文章建立有限元模型模擬分析各工況下外部組合樁、圈梁和內(nèi)支撐的應(yīng)力以及水平位移。且三者的X向水平位移均較大于Y向，最大位移均在組合圍堰結(jié)構(gòu)X方向的兩端中間部位上側(cè)，且最大位移數(shù)值為18.78 mm。

組合樁X向水平位移如圖2所示。

圖2 組合樁X向水平位移

組合樁應(yīng)力云圖如圖3所示。

圖3 組合樁應(yīng)力云圖

上下兩側(cè)的壓應(yīng)力較小，位于第二層內(nèi)支撐上部位置所受拉應(yīng)力最大，最大值為74.7 MPa。內(nèi)支撐所受應(yīng)力均超過圈梁所受應(yīng)力，最大值出現(xiàn)在工況6的第二道內(nèi)支撐的斜撐處，最大值為85.2 MPa。整個結(jié)構(gòu)組合圍堰結(jié)構(gòu)應(yīng)力均小于材料的容許應(yīng)力值，鋼板樁、鋼管樁組合圍堰的最大變形小于容許撓度值L/400，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語

針對近海公鐵兩用大橋基礎(chǔ)施工存在的受力情況復(fù)雜、施工難度大、工期較長等問題，提出鋼管樁+鋼板樁組合圍堰施工方案，采用Midas GTS軟件驗算得到以下結(jié)論：鋼管樁+鋼板樁組合圍堰在整個施工過程中均滿足規(guī)范要求，具備較高的安全性；在安裝第一層圈梁及內(nèi)支撐后，重點(diǎn)監(jiān)測內(nèi)側(cè)土反力，在準(zhǔn)備安裝第四層圈梁及內(nèi)支撐之前，重點(diǎn)監(jiān)測水平位移以及圍堰產(chǎn)生的彎矩；圍堰內(nèi)部布置四層內(nèi)支撐及圈梁，圍堰長、短邊方向的最大變形均位于堰體中心；第二道圈梁及內(nèi)支撐的應(yīng)力大于第一道圈梁及內(nèi)支撐，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在斜桿位置處；最大變形以及最大應(yīng)力處在施工中需要重點(diǎn)監(jiān)控，以確保施工質(zhì)量。