湖北宜昌香溪河大桥主桥5#桥墩套箱围堰设计

陈佛赐

摘 要：香溪河大桥工程5#桥墩施工区间水位变化幅度大，低水位时承台完全露出水面，高水位时承台淹没，水深达20m左右，该墩位交通条件较好，地势平坦，其承台施工开采用钢套箱围堰的施工方案，并根据钻孔桩的施工进度的实际情况计算各种工况，确保材料经济和结构安全。

关键词：斜拉桥；基础施工；套箱围堰；各种工况；设计计算

1 工程概况

香溪河大桥采用主跨为470m双塔双索面混合梁斜拉桥，桥面宽度23m，双向四车道。其中5#主塔墩承台采用直径为30m的圆形承台，厚度7m，承台底标高+154.0m，其下布置18根直径3.0m的钻孔灌注桩，桩长83m；墩位处地面标高+153.0m左右。墩位处每年6月至8月处于低水位（+150.0m以下），9月中旬开始涨水，9月底水位涨至173.3m左右，承台结构图见图1。

2 围堰设计的基本思路

2.1 围堰结构尺寸的拟定

施工期间最高水位为173.3m，为了保证塔墩结构出水，便于后期塔柱施工，围堰顶部的标高拟定为174m，承台底标高为154m，初步考虑封底混凝土3m左右，围堰的底标高拟定为150.9m，因此可初步确定围堰的总高度为174-150.9=23.1m。5#承台的平面尺寸为直径30m的圆，设计围堰时考虑围堰需要兼做承台模板，因此采用圆形围堰，拟定围堰轮廓内半径尺寸比承台的半径轮廓大0.1m，即套箱围堰的内径为30.2m，套箱围堰的壁厚拟定为1.2m，即套箱围堰的外径为32.6m，最后拟定的整个套箱围堰的结构尺寸为：32.6m（外径）×23.1m（高度）。

2.2 套箱围堰的分节、分块

套箱围堰的分节要充分考虑围堰的制造和安装需要，特别是要根据现场的施工条件，机械配置和工期要求等进行综合考虑。根据现场实际情况，围堰拟采用圆形钢套箱围堰，竖向共分底节、中间节及顶节三节，并分别来确定各节的高度。按照5#墩的施工计划安排，其钻孔桩的完成时间在6月底左右，此时正值低水位期，因此可充分利用7月-8月两个月枯水期进行承台施工，因此围堰分节的设想是底节套箱围堰兼做承台模板，同时必须保证能满足承台施工的需要，由于承台顶标高为161m，因此暂定底节围堰的标高和承台顶相同，底节围堰围堰的高度为161-150.9=10.1m，为双壁钢围堰。中节和顶节围堰是为了保证塔墩施工期间处于无水状态，为了保证塔墩出水的需要，并根据现场水位上涨的情况，拟定中间节高度为8.5m，为双壁钢围堰，顶节围堰高度为4.5m，为单壁钢围堰。

2.3 围堰的安装

围堰采用分块拼装的方法进行，底节、中间节围堰、顶节围堰均等分为12个节段，最重节段不超过30t，小里程侧主要利用150t浮吊进行拼装，大里程侧利用50t履带吊进行拼装。具体施工时要求在水位上升至+152.00m之前完成围堰基础及底节围堰、封底混凝土施工的施工；在水位上升至161.00m之前完成承台和中节围堰的安装施；最后在水位上升至+169.00m之前完成上节围堰安装。

2.4 钢套箱围堰的总体构造

围堰上中下三节及围堰基础构造如下：

（1）顶节为单壁，顶面标高为+174.0，高度为4.5m，外直径为32.6m，面板厚度为6mm，竖向加劲肋为∠63×8mm，绕圆心成0.85°均匀布置，水平环板厚16mm，宽300mm，水平环板竖向间距为0.75m；每个节段均设置一道径向加劲板。

（2）中间节为双壁，高度为8.5m，外径为32.6m，内径为30.2m，壁厚1.2m，内外面板厚度均为6mm，竖向加劲肋为均为∠63×8mm，绕圆心成0.85°均匀布置，水平环板厚16mm，宽250mm，水平环板竖向间距为0.5m +4×0.8m+2×0.9m+3×1.0m+0.5m，隔仓板厚度为16mm；水平斜撑为∠75×8mm。

（3）底节为双壁，高度为10.1m，外径为32.6m，内径为30.2m，内外面板厚度均为6mm，竖向加劲肋为均为∠63×8mm，绕圆心成0.85°均匀布置；水平环板厚16mm，宽250mm，竖向间距由下至上依次为2×0.6m+2×0.8m+2×0.9m+5×1.0m+0.5m；隔仓板厚度为16mm；水平斜撑为∠75×8mm。

（4）围堰底节做成1.0m×1.0m刃脚，内灌注5.6m高混凝土，刃脚埋入土内1.3m。

（5）承台底浇筑3.0m厚C30混凝土封底。围堰总体结构布置图如图2、图3所示。

3 围堰设计的荷载和工况

3.1 设计荷载取值

根据本工程围堰施工过程，围堰除了结构自重外所受外力主要有以下类型：

水压力：由围堰内外水头高度差产生，水压力按公式pw=10h计算。

浮力：对浸入水中的双壁围堰和封底后的围堰，应考虑浮力作用，浮力作用在围堰和封底混凝土底部，浮力计算公式为 F=10Ah。

新浇混凝土对围堰内壁产生的侧压力；pm=K·γ·h。

风荷载及水流冲击力，考虑到三峡库区在底水位蓄水时，水的流速与周边风荷载较小，并非主要荷载，不进行计算，具体荷载取值见下表：

3.2 工况分析及选用

工况分析要按照现场施工的实际情况，该围堰处于库区施工，水位变化幅度大，因此在围堰设计时既要考虑按照现场的施工计划理想的施工工况，也要考虑施工进度超前和施工进度滞后带来的工况的变化。当施工进度超前时，可能在进行承台施工时，水位在承台底以下，围堰兼做承台模板，围堰要考虑承受混凝土的侧压力。如果施工进度的滞后，在枯水期没有完成钻孔桩施工，要充分考虑承台施工在最高水位时的极端不利情况进行围堰验算，围堰要满足抵抗最大水头差的设计要求，来保证围堰的顺利渡洪，确保施工安全，分别计算以下5种工况：

（1）工况1：施工进度超前，浇筑承台混凝土，水面位于围堰基础以下，计算新浇混凝土对围堰内壁板的侧压力作用；

（2）工况2：施工进度滞后，承台未开始浇筑，围堰安装完毕，水位173.32m，刃脚砼标高156.5m，围堰承受h=16.82m高的静水压力，围堰仓壁内灌水13.0m；

（3）工况3：围堰安装完毕，抽水完成后，浇筑承台混凝土前，水位173.32m，围堰整体抗浮计算；

（4）工况4：围堰安装完毕，抽水完成后，浇筑承台混凝土前，水位173.32m，封底混凝土计算；

（5）工况5：围堰安装完毕，水位173.32m，承台浇筑完成且初凝之前，围堰整体抗沉计算。

4 围堰结构计算

钢围堰计算采用Midas Civil，建立1/4结构模型，面板、采用板单元模拟，内支撑，水平桁架、环板、竖肋采用梁单元模拟，封底混凝土计算采用Midas FEA建立整体模型，封底砼用实体单元模拟，并进行网格划分，水平桁架按照拉弯或者压弯构件进行强度和稳定性的验算。

4.1 钢套箱围堰计算结果如下（单位MPa）

4.2 围堰抗浮计算

围堰安装完毕，水位173.32m，承台下共18根φ3.0m的钻孔桩，钢护筒外直径为φ3.3m，由于封底3.0m，封底砼底部处水头差为22.32m，封底砼与桩间摩擦系数取15t/m2。

F浮=γ水V=10×22.32×562.0=12543.8t

F抗浮力=围堰重（围堰自重+刃脚砼重+舱壁内水重）+封底重+封底砼与钢护筒粘结力

围堰重=620.7+1472.6+1538.1=3631.4t

F粘=18×3.14×3.3×3.0×15+3.14×30.2×3.0×15=12660.5t

封底混凝土重4046.9。

由于抗浮力：F抗浮力=3631.4+12660.5+4046.9=20338.8t

F抗浮力/F浮=20337.5/12543.8=1.62>1.2

故围堰抗浮稳定性满足要求。

4.3 围堰抗沉计算

F下沉力=围堰重（围堰自重+刃脚砼重）+封底砼重+承台砼重=620.7+1472.6+1538.1+12363.8=15995.2t

F抗浮力=F浮+封底砼与钢护筒粘结力=12543.8+12660.5=25204.3t

F抗沉力/F下沉力=25204.3/15995.2=1.57>1.2

所以围堰整体抗沉稳定性满足要求。

4.4 封底混凝土计算

封底砼厚度为3m，取2.8m进行计算，封底砼主要承受底部22.12m深水压力。建立封底实体有限元模型，进行单元划分，计算结果如下：

砼最大拉应力：σmax=0.80MPa<1.0MPa，最大应力点在封底砼和钢护筒接触底部位置；最大变形量5.6×10-2mm，最大变形位置在封底砼中心，封底变形较小；计算结果表明，封底砼在此工况下强度、刚度均满足要求。

5 结语

湖北宜昌香溪河大桥的5#桥墩基础施工采用钻孔平台后钢套箱围堰的施工方法，其钢套箱围堰的设计充分考虑了现场的施工条件，充分考虑20m的水位落差和钻孔桩施工进度带来现场施工条件的变化，其围堰分为顶节、中间节、底节，即可以在低水位采用底节围堰完成承台施工，也可以满足在高水位采用三节围堰完成承台施工和塔墩出水，适合现场施工实际，其设计方法可为三峡库区内的深水基础施工提供借鉴和参考。