鋼套箱圍堰施工數(shù)值仿真分析及拼裝技術(shù)研究

張 永

（廣東冠粵路橋有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

隨著我國交通基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展，公路橋梁從原來的陸地逐漸轉(zhuǎn)向復雜程度更高的深水[1-2]。水上施工相對陸地施工難度較大，一方面因為沒有機械設(shè)備的支撐點。另一方面以水下地質(zhì)作為橋梁地基的基礎(chǔ)不確定因素更多[3]。工程中的水下施工一般也將其轉(zhuǎn)化為陸地形式施工，在計劃施工的范圍內(nèi)設(shè)置圍堰，阻擋水流進入施工區(qū)域。鋼套箱圍堰是施工中常用的臨時性設(shè)備，因其剛度大、不容易變形、可重復使用等特點廣受好評[4-6]。鋼套箱圍堰可以根據(jù)基礎(chǔ)的埋置深度合理分段，但水下拼裝難度仍然較大，且水域情況復雜，鋼套箱面板會受到河流的沖刷和土體的擠壓，因此其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性待研究。眾多學者對圍堰外壁所受的壓力從理論上進行了計算和分析[7-8]。另有一些學者根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，對已有工程的鋼套箱圍堰進行研究分析[9-10]。但大多數(shù)工程，尤其是水下工程，地質(zhì)情況和自然情況都較為復雜，可供選擇的經(jīng)驗較少，具有不可復制性。因此數(shù)值模擬是深水圍堰中常用的手段，其可以不受地域的限制建立模型，分析結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和變形。本文以巴河河道中的鋼套箱為例，分析鋼套箱圍堰在拼裝過程中存在的難點，以現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬兩種手段為基礎(chǔ)，研究圍堰結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并根據(jù)結(jié)果對施工中的難點工序進行分析。

1 基坑工程概況

1.1 工程及周邊情況介紹

347 國道黃岡市巴河特大橋中心樁號K6+829，起止樁號為K6+079～K7+579，全長1 500 m，橋面寬度34.5 m，交叉角度90°，主橋（70+120+70）m 剛構(gòu)連續(xù)梁跨越巴河。21#，22#為主墩，墩基礎(chǔ)采用雙壁鋼圍堰施工，根據(jù)施工單位確認，圍堰設(shè)防水位為+14.854 m。雙壁鋼圍堰側(cè)板厚1.5 m，高度為23.5 m。圍堰結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 圍堰結(jié)構(gòu)圖（cm）

1.2 工程地質(zhì)條件

土層的各項參數(shù)見表1。

表1 土層物理信息

2 鋼套箱圍堰監(jiān)測點設(shè)置及監(jiān)測結(jié)果分析

2.1 監(jiān)測點的布設(shè)及監(jiān)測內(nèi)容

為確保鋼套箱安全，21#，22#墩上各設(shè)置2 個觀測基點，鋼套箱拼裝有10 個節(jié)點，水位高于鋼套箱時，采取在鋼套箱上焊接角鋼接高延伸，在角鋼上安萊卡反射片，測量鋼圍堰布設(shè)點使用前的坐標，高程初始讀數(shù)，實現(xiàn)監(jiān)測目的。監(jiān)測周期及頻率見表2。

表2 監(jiān)測周期及頻率

2.2 鋼套箱圍堰監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

1）圍堰頂部水平位移

由圖2 可知，隨著埋置深度的增加，圍堰結(jié)構(gòu)面板水平位移逐漸減小，測點2 和測點5 位于面板的兩側(cè)，水平位移較?。粶y點3 和測點4 位于圍堰中間部位，水平位移較大。從圖2 可以看出，圍堰結(jié)構(gòu)的埋置深度和水平位移并非呈正相關(guān)。當埋置深度為20 m，14 m 時，水平位移出現(xiàn)突變。圍堰結(jié)構(gòu)頂部水平位移最大未超過7 mm，滿足設(shè)計要求。以測點4 為例，圍堰結(jié)構(gòu)水平位移6.4 mm，相對基坑深度控制值為0.027%，遠小于控制值。

圖2 面板處水平位移監(jiān)測結(jié)果

2）圍堰頂部沉降

圖3 為圍護墻頂部沉降數(shù)據(jù)。由于圍堰結(jié)構(gòu)較大，在圍堰結(jié)構(gòu)頂部布置4 個測點，監(jiān)測4 個測點處，圍堰沉降與時間的關(guān)系，并取沉降最大的測點7為研究對象。由圖3 可知，隨著時間增長，圍堰結(jié)構(gòu)不斷下沉，安裝完成1 d 后，沉降最為明顯，達10 mm。沉降量大的原因：①圍堰結(jié)構(gòu)較深，分節(jié)安裝，安裝部位存在誤差，待安裝完成后，在上部結(jié)構(gòu)的壓力下，各結(jié)構(gòu)之間連接緊密。而圍堰結(jié)構(gòu)屬于剛性基礎(chǔ)，不易發(fā)生變形，因此圍堰結(jié)構(gòu)頂部產(chǎn)生直接的沉降量；②水下土體的不穩(wěn)定性，水流量的大小會對圍堰沉降造成影響。

圖3 圍堰頂部沉降

圍堰頂部沉降最終穩(wěn)定在28 mm 左右，超出控制值。從監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，第8 d～第14 d，沉降速率最大，這個階段應加強監(jiān)測頻率，并采取相應措施指導施工。14 d 以后，沉降有波動的增大，最終穩(wěn)定在28 mm。

3 鋼套箱圍堰數(shù)值仿真力學特性分析

3.1 數(shù)值仿真模型建立

運用MIDAS Civil 2016 建立模型，研究鋼套箱圍堰施工過程中的結(jié)構(gòu)力學特性。圍堰結(jié)構(gòu)的集合參數(shù)見表3。圍堰均采用Q235B 鋼，材料參數(shù)見表4。

表3 圍堰結(jié)構(gòu)參數(shù)

表4 Q235B 鋼材料參數(shù)

3.2 施工荷載計算

1）水壓力

水壓力按照內(nèi)外水頭差進行計算，按照三角荷載進行布置，其他控制水位均為+14.854 m，圍堰底標高為-7.549 m，圍堰水頭差計算公式為：

2）水流

水流力按《港口工程荷載規(guī)范》進行計算。水流力簡化為倒三角形荷載，水面處水壓力計算公式為∶

式（2）中：當河床處水壓力為0 時，ρ為水密度，g/cm3，此處取1 g/cm3；V為水流流速，m/s；Cw為水流阻力系數(shù)，取值1.3。當水流流速V=2 m/s 時，水流力計算公式為：

3.3 圍堰結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬結(jié)果分析

1）面板和側(cè)板結(jié)果分析

由圖4 可知，當圍堰內(nèi)抽水后，彎曲應力和剪應力最大的部位是圍堰底部與側(cè)板連接處。彎曲應力σmax=114 MPa＜[σ]（[σ] 為188 MPa），剪應力τmax=65 MPa＜[τ]（[τ]為110 MPa）。滿足鋼圍堰的結(jié)構(gòu)要求。

圖4 面板和側(cè)板的剪應力圖（MPa）

2）水平斜桿結(jié)果分析

由圖5～圖6 可知，水平斜桿的應力組合和剪應力圖均滿足設(shè)計要求，其中水平斜桿應力組合最大值為123 MPa＜[σ]（[σ]為188 MPa），剪應力最大值為0.4 MPa＜[τ]（[τ]為110 MPa）。從數(shù)據(jù)分析來看，水平斜桿組合幾乎不承擔剪應力，用Q235B 鋼作為水平斜桿，會造成材料的浪費。

圖5 水平斜桿應力組合圖（MPa）

圖6 水平斜桿剪應力圖（MPa）

3）圍堰整體變形結(jié)果分析

圖7 為圍堰結(jié)構(gòu)的整體變形。底部和上部變形最小，隔倉板和水平圈梁的位置變形較小，變形由外側(cè)向中心擴張，越來越大。變形最大的位置為側(cè)板中心處，最高達8 mm。從圖7 中的云圖可以明顯看出，面板有豎向隔倉板，將面板劃分成多個小方塊，變形由“方塊四邊”承擔，整體面板變形較小。而側(cè)板是整體的方塊，變形多由側(cè)板面承擔，因此中心處變形較大。在實際施工中，為避免側(cè)板中心處變形過大，可適當加設(shè)豎向支撐桿，分擔側(cè)板面上的變形。

圖7 圍堰整體變形（mm）

4）圍堰封底混凝土計算

圍堰封底混凝土厚度為3.5 m，封底混凝土參數(shù)：軸心抗拉強度ft=1 MPa，軸心抗壓強度fk=150 kPa。用MIDAS Civil2016 建立模型，其中控制水頭Δh和水頭產(chǎn)生的外荷載ΔP計算公式為：

建立的模型如圖8 所示。

封底混凝土應力如圖9 所示，封底混凝土最大有效應力為0.59 MPa＜[σt]=1 MPa，表明結(jié)構(gòu)安全。

鋼護筒受力如圖10 所示，最大鋼護筒軸力為292 t，鋼護筒直徑為2.2 m，則抗壓強度fk=，滿足要求。

圖10 鋼護筒軸力圖（t）

3.3 圍堰結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測對比分析

圖11 為現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬的對比圖，從圖中可以看出，現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值仿真結(jié)果相似，數(shù)值仿真最大水平位移8 mm，現(xiàn)場監(jiān)測最大水平位移為6 mm，因此數(shù)值仿真可為現(xiàn)場指導施工。

圖11 現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值仿真對比

4 鋼套箱圍堰施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 底節(jié)拼裝

1）底節(jié)拼裝平臺搭設(shè)

依據(jù)設(shè)計圖紙可知，在施工現(xiàn)場需搭設(shè)直徑d=529 mm 的鋼管樁40 根，在其上部布置型號為I32a的牛腿，布設(shè)位置在施工水位500 mm 處，進而在牛腿上部搭設(shè)型號為I32a 橫墊梁，從而形成拼裝平臺。在施工過程中，為提高拼裝及焊接圍堰的便利性，可采取鋪設(shè)木板的措施來搭設(shè)圍堰焊接施工平臺。使用履帶吊將鋼套箱底節(jié)（第四節(jié)）塊件吊裝，平板車運送至岸邊，再利用運輸船運至指定位置，在條件允許的情況下也可以利用棧橋進行運輸[11]。

2）底節(jié)鋼套箱拼裝

底節(jié)鋼套箱拼裝是在平臺上進行的，在平臺上準確放出各單元體的輪廓位置，使用浮吊將鋼套箱底節(jié)（第四節(jié)）塊件吊裝至拼裝平臺上。通過測量放樣預先在拼裝平臺上標出刃腳平面輪廓線，然后采用20 t 浮吊逐節(jié)進行預拼裝，第四節(jié)（底節(jié)）整體預拼完成后，再鎖定焊接。為了防止圍堰側(cè)翻，可用倒鏈內(nèi)外固定在鋼管樁上；經(jīng)10 d 左右拼裝施工，底節(jié)側(cè)板各節(jié)段合攏拼接，完成底節(jié)鋼套箱的拼裝。檢查焊接情況且確?？?jié)B性能良好后，填寫鋼套箱驗收合格報告，做好下水的準備[12]。

4.2 底節(jié)鋼套箱起吊下水

1）提升系統(tǒng)施工

底節(jié)鋼圍堰預拼裝完成后鎖定焊接時，即可開展提升系統(tǒng)的施工。提升系統(tǒng)由承重梁和扁擔梁兩部分組成，依托鋼管樁為承重柱，在鋼管樁上設(shè)置單層2I56a 作為承重梁，在每個承重梁上布設(shè)2 個100 t 的千斤頂，千斤頂上方設(shè)置2I40a 扁擔梁。利用千斤頂對扁擔梁的頂升和下落實現(xiàn)對鋼圍堰的調(diào)整。

2）鋼套箱底節(jié)下水

懸吊系統(tǒng)與鋼套箱連接安裝完畢后，經(jīng)現(xiàn)場檢查無誤后，準備底節(jié)下水。利用提升系統(tǒng)吊住底節(jié)鋼套箱兩側(cè)吊點，起吊后，觀察一段時間，待穩(wěn)定后便可拆除橫墊梁和牛腿。用千斤頂將底節(jié)鋼套箱緩緩下沉，最終使鋼套箱憑借自身浮力漂浮在水中。

4.3 鋼套箱中節(jié)接高

1）鋼套箱中節(jié)接高

中節(jié)鋼套箱拼裝，履帶吊可停放在棧橋及施工平臺上對鋼套箱實施接高吊裝工序。中節(jié)第三節(jié)拼接在底節(jié)鋼套箱上進行，先拼裝好一側(cè)后再旋轉(zhuǎn)拼裝好另外一側(cè)。可采取在已拼裝完成的鋼套箱對側(cè)灌水的措施實現(xiàn)鋼套箱整體平衡。中節(jié)鋼套箱接高完成后依據(jù)設(shè)計圖紙進行第一層、第二層內(nèi)支撐構(gòu)件的安裝。預先在加工廠對內(nèi)支撐安裝件進行預制，采用運輸車將其送至現(xiàn)場；安裝過程中安裝人員應將螺栓安裝完整并及時緊固，不遺漏任一螺栓（見圖12）。

圖12 吊裝拼裝鋼套箱

2）中節(jié)下沉

第三層接高施工完成后下沉，采用向隔倉內(nèi)灌水下沉法，灌水下沉鋼套箱至第三節(jié)鋼套箱頂面在距離水面上方1.5 m 左右處停止，然后用同樣的方法接高第二節(jié)鋼套箱，待第二節(jié)鋼套箱接高完成后不再進行下沉。

5 結(jié)語

本文以鋼套箱圍堰為研究對象，分析水中圍堰結(jié)構(gòu)的受力特點和變形。以現(xiàn)場監(jiān)測為基礎(chǔ)，建立數(shù)值仿真模型，分析實際工程中的重難點，得到以下結(jié)論。

1）圍堰結(jié)構(gòu)的埋置深度和頂部水平位移并非呈正相關(guān)。圍堰結(jié)構(gòu)頂部水平位移最大未超過7 mm，滿足設(shè)計要求。

2）圍堰頂部沉降量最終穩(wěn)定在28 mm 左右，超出控制值，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，在第14 d 采取控制措施最佳。

3）鋼套箱底節(jié)自重較大，底節(jié)鋼套箱的拼裝和下水可在承重梁上鋪放木板搭設(shè)焊接作業(yè)平臺。