基于雙壁鋼圍堰的特大橋主墩承臺(tái)施工方法

摘 要：基于雙壁鋼圍堰建設(shè)涉水特大橋主墩承臺(tái)，有利于在干環(huán)境中的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)施工，也是提高工程質(zhì)量的關(guān)鍵。為更好地發(fā)揮雙壁鋼圍堰的作用，本文結(jié)合某橋梁改建工程實(shí)例，分析了圍繞雙壁鋼圍堰實(shí)施的樁基基礎(chǔ)安裝、鉆孔灌注樁施工、支撐體系安裝、圍堰下放與承臺(tái)鋼板樁施工、封底混凝土澆筑與施工收尾等工序的技術(shù)特點(diǎn)。通過構(gòu)建雙壁鋼圍堰的有限元模型，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)部位承力進(jìn)行了驗(yàn)算，為判斷技術(shù)方案是否合理提供了理論支持。

關(guān)鍵詞：雙壁鋼圍堰；涉水特大橋；主墩承臺(tái)；有限元模型

中圖分類號(hào)：U 44" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

疊合梁斜拉橋是涉水特大橋經(jīng)常采用的一種結(jié)構(gòu)形式，廣泛應(yīng)用在很多工程項(xiàng)目中。這種橋梁以鋼結(jié)構(gòu)為主梁，混凝土結(jié)構(gòu)橋面在主墩承臺(tái)的支撐下發(fā)揮更大的抗風(fēng)拉載荷能力。主墩承臺(tái)的質(zhì)量直接影響橋梁整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，屬于重要的質(zhì)量控制項(xiàng)目[1]。但是，受限于在涉水環(huán)境中進(jìn)行施工作業(yè)，主墩承臺(tái)的建設(shè)具有工序復(fù)雜、風(fēng)險(xiǎn)因素多等困難。為克服這些難題，雙壁鋼圍堰被引入主墩承臺(tái)的施工中。雙壁鋼圍堰在主墩承臺(tái)施工中發(fā)揮雙重作用，既能阻水提供干作業(yè)環(huán)境，又能作為承臺(tái)封底混凝土澆筑的模板，提供力學(xué)支撐[2]。因此，探索基于雙壁鋼圍堰的涉水特大橋施工方法對(duì)提高疊合梁斜拉橋建設(shè)水平具有重要意義。

1 橋梁工程項(xiàng)目概況

本文將廣州市某大橋擴(kuò)建項(xiàng)目作為研究對(duì)象。擴(kuò)建后的大橋是五跨連續(xù)半浮動(dòng)疊梁式斜拉橋，全長(zhǎng)2080m，寬14.5m，采用30+95+305+110+30m的雙塔、雙索面結(jié)構(gòu)形式[3]。該大橋采用八邊形風(fēng)格設(shè)計(jì)，C40混凝土澆筑的主墩承臺(tái)，其中承臺(tái)橫橋向?qū)挒?9.40m，順橋向?qū)挒?7.40m，厚為4.50m。為強(qiáng)化主墩承臺(tái)的承力性能，采用上段直徑為2.1m、下段直徑為1.8m的22根變截面鉆孔灌注樁、“梅花”形布局構(gòu)建基礎(chǔ)。承臺(tái)下設(shè)置厚度為2.5m的封底混凝土。

2 基于雙壁鋼圍堰的主墩承臺(tái)施工方法設(shè)計(jì)

2.1 雙壁鋼圍堰施工特點(diǎn)分析

雙壁鋼圍堰是一種常見的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式，在涉水特大橋建設(shè)施工中經(jīng)常起到止水、營(yíng)造干環(huán)境的作用[4]。這種結(jié)構(gòu)分塊加工制作、分塊拼裝，使用操作簡(jiǎn)單。雙壁鋼圍堰的側(cè)向剛度大于橫向剛度，具有良好的承受擠壓力的性能，適用于深水區(qū)主墩承臺(tái)施工作業(yè)。

在該大橋建設(shè)項(xiàng)目中，選擇雙壁鋼圍堰用于工程施工，除了圍堰自身的特點(diǎn)外，還考慮到以下幾種特殊情況。1）該橋梁的主墩承臺(tái)左側(cè)部分封底混凝土嵌入強(qiáng)風(fēng)化泥巖中，施工中需要將部分強(qiáng)化風(fēng)化泥巖鑿除，因此需要營(yíng)造干環(huán)境的機(jī)械結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)大的支撐力。2）橋位設(shè)計(jì)最高水位+7.68m、封底混凝土底面標(biāo)高-9.70m，高差為17.38m，這種明顯的高度差別要求支撐的機(jī)械結(jié)構(gòu)具有良好的穩(wěn)定性。3）封底混凝土底面部分位于透水性強(qiáng)、承受水浮力荷載大的覆蓋層內(nèi)，這對(duì)營(yíng)造的干環(huán)境的質(zhì)量提出了較高要求?；谝陨显?，與單壁鋼圍堰或者鋼板樁圍堰相比，雙壁鋼圍堰都是最理想的選擇。因此，在施工中，圍繞雙壁鋼圍堰設(shè)計(jì)工程項(xiàng)目建設(shè)方案。

2.2 基于雙壁鋼圍堰的技術(shù)方案

在該大橋項(xiàng)目建設(shè)中，根據(jù)雙壁鋼圍堰進(jìn)行主墩承臺(tái)施工。雙壁鋼圍堰既可以發(fā)揮擋水作用、營(yíng)造施工干環(huán)境，又可以發(fā)揮結(jié)構(gòu)支撐作用[5]。為最大化雙壁鋼圍堰的雙重作用，選用的施工技術(shù)方案如圖1所示。

在圖1中，主要工序按照施工流程的先后分別實(shí)施。為縮短工期、提高建設(shè)效率，雙壁鋼圍堰下放與承臺(tái)鋼板樁分層施工、封底混凝土澆筑與部分施工收尾工作分別交替進(jìn)行。

2.3 關(guān)鍵工序技術(shù)方法特點(diǎn)分析

2.3.1 安裝樁基基礎(chǔ)

在該大橋項(xiàng)目中，確定樁基基礎(chǔ)采用整體鉆孔鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)形式。鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)在材料廠房?jī)?nèi)制作并運(yùn)送至施工現(xiàn)場(chǎng)安裝。鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)主體采用SP-IV型鋼板制作，整體結(jié)構(gòu)尺寸為42.56m×14.65m。

為配合鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)的安裝，施工現(xiàn)場(chǎng)提前規(guī)劃好鋼結(jié)構(gòu)立柱、橫梁和縱梁的安裝位置。按照先立柱、再橫梁和縱梁的順序打樁完成后，利用吊車對(duì)鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)進(jìn)行吊裝，在安裝過程中根據(jù)水平度和垂直度測(cè)量結(jié)果實(shí)時(shí)調(diào)整方位，保證安裝誤差符合技術(shù)指標(biāo)的要求。

2.3.2 鉆孔灌注樁施工

鉆孔灌注樁施工主要由技術(shù)準(zhǔn)備和技術(shù)實(shí)施兩部分組成。其中，技術(shù)準(zhǔn)備是對(duì)承臺(tái)周邊粉質(zhì)黏土覆蓋層及強(qiáng)風(fēng)化泥巖進(jìn)行清除。在清除過程中需要控制好深度，在承臺(tái)范圍內(nèi)應(yīng)該清除至封底混凝土底部（-9.70m），在圍堰范圍內(nèi)應(yīng)該清除至鋼圍堰底部（-10.20m）。粉質(zhì)黏土覆蓋層利用抓鏟挖掘機(jī)挖除，強(qiáng)風(fēng)化泥巖利用旋挖鉆機(jī)清除。技術(shù)實(shí)施主要是鉆孔灌注樁的制備。原材料的配比及技術(shù)參數(shù)見表1。

當(dāng)應(yīng)用表1中的原材料進(jìn)行鉆孔灌注樁施工時(shí)，須及時(shí)對(duì)管壁進(jìn)行注水潤(rùn)滑。同時(shí)，漿體隨鉆孔深度的增加連續(xù)注入，增設(shè)引流裝置及時(shí)將溢出的泥漿重新引入泥漿池。漿體注入完畢后，采用深挖法埋設(shè)護(hù)筒，利用吊車將護(hù)筒放入灌注樁孔內(nèi)進(jìn)行灌注施工。灌注時(shí)首批砼方量的計(jì)算過程如公式（1）所示。

V=D（h1+h2）2π/4+d（h1+h2）2π/8 （1）

式中：V為首批砼方量，m3；D為樁孔直徑，m；h1和h2分別為樁孔底與孔底的差距以及護(hù)筒埋深，m；d為導(dǎo)管內(nèi)徑，m。

由公式（1）可以看出，V由h1和h2共同決定。在該工程項(xiàng)目的實(shí)施過程中，h1和h2的處于連續(xù)變化的過程中，因此V的變化過程如圖2所示。圖2（a）是V隨h1變化的情況，圖2（b）是V隨h2變化的情況。

2.3.3 安裝支撐體系

當(dāng)護(hù)筒吊裝進(jìn)入灌注樁孔內(nèi)時(shí)，需要在其外部加裝支撐體系以達(dá)到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的目的。支撐體系采用主副筋十字交叉的鋼筋籠結(jié)構(gòu)，主筋間距偏差±8mm，接頭錯(cuò)開布置，副筋采用點(diǎn)焊方式連接。每個(gè)鋼筋籠與樁孔利用電焊焊接成型，避免在灌漿過程中浮動(dòng)。

2.3.4 下圍堰與承臺(tái)鋼板樁施工

為同時(shí)發(fā)揮干環(huán)境營(yíng)建與支撐結(jié)構(gòu)的作用，雙壁鋼圍堰的幾何尺寸與灌注樁、承臺(tái)鋼板樁互相匹配。圍堰總高度為18.5m，如圖3所示，分3節(jié)制作，從上向下高度分段為5.0m+6.0m+7.5m。

雙壁鋼圍堰采用10mm的Q235B型鋼板作為連接板，采用14mm同型鋼板作為橫隔板，其余結(jié)構(gòu)參數(shù)及說明見表2。

拼裝完成后的雙壁鋼圍堰在施工現(xiàn)場(chǎng)利用起重船進(jìn)行整體吊裝。在吊裝過程中，吊臂角度控制在60°內(nèi)，船舷與輔助平臺(tái)鋼管立柱間距約為1.2m，單個(gè)圍堰布設(shè)4個(gè)吊點(diǎn)且沿對(duì)角均勻分布，單個(gè)吊點(diǎn)最大起重設(shè)計(jì)為≥150t。吊裝高度超過平臺(tái)頂面后可平移下放，直至套進(jìn)護(hù)筒內(nèi)且下放至設(shè)計(jì)標(biāo)高為止。

雙壁鋼圍堰下放施工完成后，進(jìn)行承臺(tái)鋼板樁施工。作為主承力構(gòu)件，采用剛性連接承臺(tái)鋼板樁內(nèi)鋼管支撐與圍檁間。全線采用長(zhǎng)8m咬扣鋼板樁，利用震動(dòng)錘機(jī)進(jìn)行施打作業(yè)。在施打過程中，隨時(shí)觀測(cè)樁入孔深度，根據(jù)深度的不同動(dòng)態(tài)調(diào)整振動(dòng)的力度和速度。樁入孔完畢后，將多個(gè)鋼板組成的聯(lián)合結(jié)構(gòu)體吊裝至樁基礎(chǔ)上，利用螺栓固定并用電焊進(jìn)行焊接，使鋼板與樁基礎(chǔ)成為一個(gè)整體。

2.3.5 封底混凝土澆筑與施工收尾

承臺(tái)封底位于水面以下，采用標(biāo)號(hào)C35水下混凝土澆筑成型。為加快施工進(jìn)度，封底利用多點(diǎn)并行的方法進(jìn)行澆筑施工，共規(guī)劃41個(gè)澆筑點(diǎn)且單個(gè)主墩承臺(tái)澆筑方量為592.5m3。封底混凝土澆筑分兩次進(jìn)行，第一次采用一次成型技術(shù)共澆注2.2m，51m3。將圍堰內(nèi)部抽水后再干封第二層0.3m，約71m3。當(dāng)澆注時(shí)，按由中間向四周逐漸推進(jìn)順序澆注。在開灌過程中，每隔30min對(duì)已經(jīng)開罐完畢的導(dǎo)管進(jìn)行補(bǔ)料，補(bǔ)料時(shí)間一般為5min，直至達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高。

施工收尾工作主要為拆除各種臨時(shí)性結(jié)構(gòu)。包括主墩承臺(tái)施工時(shí)的各種預(yù)埋件，包括塔柱預(yù)埋筋、勁性骨架、塔吊電梯基礎(chǔ)預(yù)埋板、套箱懸掛預(yù)埋平板橡膠板、下橫梁及施工支架預(yù)埋板、沉降觀測(cè)點(diǎn)以及防雷鋼筋等，都需要被移除，為后續(xù)工序施工創(chuàng)造良好環(huán)境條件。

3 雙壁鋼圍堰結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算

3.1 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算有限元模型

在大橋項(xiàng)目施工的過程中，為確保雙壁鋼圍堰始終能發(fā)揮預(yù)期的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度承力作用，對(duì)圍堰的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行模擬分析。采用大型通用有限元軟件Midas Civil建立雙壁鋼圍堰有限元模型進(jìn)行分析計(jì)算，其中靜水壓力采用軟件中“流體壓力荷載”形式加載，流水壓力采用“壓力荷載”形式加載。制作完成的雙壁鋼圍堰有限元模型如圖4所示。

3.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果及分析

在主墩承臺(tái)澆筑的過程中，當(dāng)圍堰內(nèi)灌注填芯混凝土至-2.70m時(shí)，水下封底混凝土澆筑完成，圍堰內(nèi)抽水。在此工況下，圍堰內(nèi)外水位高差為15.13m。選擇這種工況下的圍堰結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，計(jì)算圍堰各構(gòu)件承力水平和變形量，結(jié)果見表3。

由表3可以看出，基于有限元模型的計(jì)算結(jié)果，在荷載作用下雙壁鋼圍堰各結(jié)構(gòu)部位承受的最大組合應(yīng)力均＜16mm的Q235B鋼材的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為215N/mm2，滿足規(guī)范要求。由此可見，在特殊工況下對(duì)雙壁鋼圍堰的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算，可以預(yù)先判斷圍堰的強(qiáng)度指標(biāo)是否滿足技術(shù)規(guī)范的要求，從而確定圍堰施工技術(shù)是否合理。

4 結(jié)語(yǔ)

雙壁鋼圍堰越來越廣泛應(yīng)用于涉水特大橋項(xiàng)目建設(shè)的過程中，對(duì)提高橋梁建設(shè)質(zhì)量具有重要作用。應(yīng)用圍繞雙壁鋼圍堰，在擬定橋梁施工方案的過程中，需要做好樁基基礎(chǔ)安裝、鉆孔灌注樁施工、支撐體系安裝、圍堰下放與承臺(tái)鋼板樁施工、封底混凝土澆筑與施工收尾等工序設(shè)計(jì)。在工序?qū)嵤┲?，?gòu)建雙壁鋼圍堰的有限元模型并進(jìn)行結(jié)構(gòu)部位承力驗(yàn)算與分析，是判斷技術(shù)方案是否合理的關(guān)鍵。因此，根據(jù)雙壁鋼圍堰對(duì)涉水特大橋主墩承臺(tái)建設(shè)方法進(jìn)行研究，可以為同類工程項(xiàng)目提供參考。

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