较大卵石块河床深水底桩承台围堰设计

巩福春

摘 要：成昆铁路沙坝安宁河连续梁主墩围堰河道内，承台为底桩承台，承台底位于水面下13m。河床主要地质条件为卵石层并含较大卵石块。结合沙坝安宁河大桥15#墩围堰施工，介绍较大卵石地质条件下围堰方案选择与施工技术。

关键词：深水；低桩承台；较大卵石块；围堰方案选择；施工技术

中图分类号：TU472 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）01-0124-02

1 引言

成昆铁路NASZ-16标段，标段全长22.5公里，位于四川省攀枝花市米易县，施工区域跨越沙坝安宁河，河床主要底层为较大块卵层，成昆铁路跨越河道设计均为底桩承台，承台施工时需要采用围堰进行施工。沙坝安宁水深9.5m，围堰方案经多方案比较，采用钢混结合式双壁钢围堰施工。

2 工程简介

2.1 工程概况

沙坝安宁河双线特大桥位于四川省攀枝花市米线沙坝村，中心里程D1K534+077.00，全桥孔跨布置为1×32m+（52+88+52）m连续梁+2×24m+（52+88+52）m连续梁+5×32m+（52+88+52）m连续梁+26×32m+2×24m，桥全长L=1738.66m。

2.2 地质条件

沙坝安宁河桥主墩15、16#墩河床以下主要地层为：卵石土，昔格达地层。卵石层含较大卵石块。

2.3 水文特征

沙坝安宁河双线特大桥15、16墩位于安宁河水中，桥址处设计水文资料：H1%=1109.67m，Q1%=2000m3/s，V1% =7m/s，H常水位=1103.0m，H施工期高水位经现场调查，确定为1108.0m。

3 施工总体思路

沙坝安宁河桥位现场地质条件为河床覆盖4m以上400kpa软石层，卵石土层中分布有直径1～3米巨块卵石。洪水期水流湍急，水流速达7m/s，洪水夹有大块卵石冲击围堰，另由于河床有巨块卵石，开挖过程中需要将巨块卵石进行爆破，要求围堰应具有较强的抗冲击强度；因围堰底层为较大块卵石，围堰选择时应方便开挖。深水基础围堰方案对比下：

方案一：采用钢板桩围堰方案，经现场试打，钢板桩在400kpa卵石土无法打入，该方案无法实施，不适合采用。

方案二：采用钢管桩围堰方案，钢管桩现场仍无法打入，需采用冲击钻引孔，引孔工程量大，周期长，投入大，且不能满足工期要求，改方案不宜采用。

方案三：采用钢混结合式双壁钢围堰，其填充混凝土可方便开挖时爆破施工，开挖时具有较大大开挖工作面，方便大型设备开挖，为优选方案。

经过以上施工方案经优化比选，拟采用方案三：钢混结合式双壁钢围堰方案进行施工。

4 围堰结构设计

4.1 围堰结构设计

针对围堰要求特点，对围堰进行了以下几个方面关键技术的设计。

4.1.1 围堰采用钢混结合式结构

为降低工程造价，并方便施工完工后的围堰拆除，将钢围堰的设计分为2种结构类型。底部围堰受力较大部分，采用壁厚80cm双壁式钢围堰，内部填充C30砼；顶部围堰受力相对较小，为方便拆除，并节省工程造价，利用圆形结构纯受压的受力特点，顶节围堰采用80cm厚C30砼围堰。

4.1.2 钢围堰结构设计

双壁钢围堰河床以下部分采用钢围堰，钢围堰的结构设计在确保使用安全的情况下，做到结构设计受力合量，用钢量达到尽量最小程度，降低工程造价。围堰外径30.4m，为增加整体刚度，并考虑开挖时需要采取爆破等因素，围堰面板采用10mm钢板做面板，∠100×10mm等型号角钢做龙骨、竖肋、横肋焊制而成，15#墩钢围堰部分高度10m，就位后填充C30水下砼。如图1所示。

4.2 设计检算

计算采用midas/civil 2006软件，建立整体计算模型，计算各工况受力状态。围堰内角钢骨架采用梁单元，3mm厚面板采用板元，填壁C30砼采用实体单元；模型共建立点12970个，单元：20880个，整体模型如下图2。

根据双壁钢围堰施工工序，检算分为二个阶段：

（1）围堰就位后C30填壁砼浇筑砼阶段；（2）承台施工围堰内抽水阶段围堰结构强度及整体稳定性。

4.2.1 施工填壁砼阶段

施工填壁砼，采用灌筑C30填壁砼，围堰在水下承受新浇砼侧压力作用，由于本结构为薄壁结构，需对结构受力情况进行验算。砼在水下其对围堰的侧压力按照浮容重進行计算，计算如下：

围堰在新浇砼侧压力下，围堰面板计算结果如，最大应力57.27MPa，小于Q235钢材容许应力145MPa。

围堰骨架在砼侧压力状态下，内力较大；最大应力为122MPa，位于骨架焊接处，小于Q235钢材容许应力145MPa。

4.2.2 承台施工阶段

（1）围堰壁受力计算。围堰内抽水后，围堰外壁河床以上受静水压力+流水压力作用，河床面以下受水压力+土压力作用，受力如下图3。

顶节素砼围堰部分应力情况如下：砼主要内力为压应力，最大值位于底部，为1.54MPa。素砼顶部位于水面上50cm部分，其内力为受拉应力，最大值为0.09MPa。小于砼C30砼容许强度。

底节钢围堰为钢、混结合，位于围堰下部，是围堰受力较大处，底节围堰钢混结合，受力较为复杂，其受力情况如下：

C30填壁砼部分，其内部应力情况如下：底节围堰C30填壁砼，上部在外侧压力作用下均为压应力，最大值1.93MPa，远小于C30砼抗压强度。围堰底部靠近封底砼部分，由于需承受较大切应力，反映在砼内部拉应力较大，为1.23MPa，小于C30砼容许抗拉强度为1.1MPa。endprint

（2）封底混凝土強度验算。封底砼在水浮力作用下，承受向上的均布荷载及自重，周边围堰臂及钻孔桩对其进行约束，砼为脆性材料，这类材料的抗弯性能差，破坏时往往是由于弯矩产生的封底砼顶面拉应力而导致脆性断裂，按照第一强度理论-最大拉应力理论，对封底砼强度进行安全性对比。

封底砼在水压力作用下压应力最大值0.47MPa，远小于容许抗压强度7.2MPa；最大拉应力0.7MPa，容许抗拉为0.91，安全系数1.3。最大应力分布在承台长边与位于围堰边中间位置。

根据计算情况，封底砼强度最薄弱处为桩基周边及围堰周边，在进行施工时桩基周围及围堰周边应清理干净，避免该处发生破坏。

（3）封底砼与围堰整体抗浮稳定性检算。封底砼与钢围堰一起，共同抵抗水的抗浮作用，参与抵抗水浮力因素有：钢围堰、钢围堰填壁砼、素砼及封底砼的总重力；围堰周边土层与钢围堰的摩阻力；护筒与封底混凝土之间摩擦力。将上以因素共同考虑，验算围堰抗浮稳定性如下：

式中—护筒与封底混凝土之间的摩擦力；

G—钢围堰、钢围堰壁中砼、素砼及封底砼的总重力（kN）；

F—总的上浮力，即地下水位以下的钢围堰、封底的总排水量；

—土与钢围堰的摩阻力。

以最不利工况15#墩计算围堰抗浮稳定性。

将以上数据代入公式得：

，故满足抗浮要求。

5 结语

本工程在经详细调查了河道的水文特征的基础上，充分用了枯水期进行有效的施工组织，在枯水期填土筑岛施工完钻孔桩，利用填土钻孔平台，原位拼装钢围堰，在汛期来临前围堰就为完成，省去了码头拼装，浮运、下水过程，施工简洁、方便。采用钢混结合式双壁钢围堰，顶部河床内采用壁厚80cm钢筋砼结构，既结省了工程造价，又可工程结束后方便拆除，为此后类似工程的设计思路提供了借鉴。

参考文献

[1]江正荣.《建筑施工计算手册》[J].北京：中国建筑工业出版社，2001.

[2]周水兴.《路桥施工计算手册》[J].北京：人民交通出版社，2001.

[3]张益多，周亚运等.大型桥梁承台双壁钢围堰施工三维有限元分析[J].江苏科技大学学报（自然科学版），2016，（5）：508-512.

[4]王宏伟.钦防铁路茅岭江特大桥主墩双壁钢围堰施工技术[J].铁道建筑，2013，（5）：35-37.endprint