《钢围堰技术标准》DBJ50/T-300-2018解读

2019-02-18戴利刘安双杨寿忠

重庆建筑 2019年1期

关键词：钢护筒壁板围堰

戴利，刘安双，杨寿忠

（1重庆建工第一市政工程有限责任公司，重庆 400020；2林同棪国际工程咨询(中国)有限公司，重庆 401121；3重庆城建控股（集团）有限责任公司，重庆 400013）

0 引言

钢围堰是桥梁深水基础施工中一种重要大型临时设施，作为桥梁基础、承台和墩柱施工时的挡水结构，供施工人员在围堰内无水环境进行水位以下桥梁结构的施工。

钢围堰一般受力非常大，在20～30m水深时，钢围堰底节最大水压力达到20～30t/m2，水浮力可能超过万吨，加上水流、风浪作用，其荷载作用远超过一般的施工临时设施。

钢围堰整体坍塌或上浮事故时有发生，重庆2013、2014均发生过钢围堰坍塌和倾覆事故，造成巨大的生命、财产损失和不良的社会影响。

从事故原因分析，暴露出钢围堰在设计和施工以及管理方面缺乏标准，为此，重庆市城乡建设委员会（现重庆市住房和城乡建设委员会）2014年制定了技术标准编制计划，并由重庆城建控股（集团）有限责任公司组织设计、施工，科研院校等多家单位进行研究并编制，技术标准于2017年完成征求意见稿，于2018年正式批准发布，为钢围堰设计和施工提供指导，将为防止钢围堰安全事故作出贡献。

1 钢围堰结构设计解读

技术标准中第3、4、5章主要对钢围堰设计进行规定，是本标准核心内容。钢围堰设计计算方法不同，围堰的安全度也不一定，钢围堰设计上的缺陷可能导致严重的后果。

1.1 设计荷载

钢围堰设计应考虑的荷载，在没有规定之前很多设计考虑不全，本规范3.1.3条规定了钢围堰结构设计荷载应包括：结构自重、风荷载、静水压力、动水压力、土压力、施工荷载以及壅水所产生的压力等。

结构自重主要用在计算钢围堰抗浮和地基（或钢围堰支撑平台）承载力。

风荷载、土压力、施工荷载以及壅水所产生的压力对多数钢围堰影响相对较小。

钢围堰的主要荷载是静水压力和动水压力。浮力是围堰承受向上水压力的表现，属于静水压力。

双壁钢围堰隔仓内静水压力也是一个重要荷载。隔仓水位较高时，外壁板水压部分可以通过隔仓水传递至内壁板，内外壁之间的桁架受力则较小，当钢围堰下沉，某个隔仓内水位未及时补充提高，则可能导致外壁板和桁架受力过大，甚至产生外壁板压溃或桁架杆件受压失稳。

隔仓水位一般是由施工单位现场控制，可以随外部水位变化相应进行控制，设计时，可进行最不利隔仓控制水位分析，以指导施工现场进行相对有利的隔仓水位控制。

根据钢围堰荷载的影响敏感性，多数钢围堰主要考虑水压力荷载和结构自重，而其他荷载相对次要一些。

1.2 计算内容

规范3.1.4条，钢围堰的结构计算内容包括强度、刚度、稳定性以及抗浮、抗倾覆、抗滑移和抗下沉稳定系数及封底混凝土验算。

在实践中，围堰钢结构部分可以依据《钢结构设计规范》[2]进行设计，其强度、稳定性是钢围堰设计的主要指标，钢结构强度、稳定性不满足要求是钢围堰结构破坏的主要形式。

钢围堰抗浮、抗倾覆、抗滑移是钢围堰整体稳定的主要指标，应充分分析，保证具有足够的安全度。

下沉稳定系数是验算下沉过程中围堰下方河床岩土的承载能力的，属相对次要指标，一般根据现场河床基础情况，岩层或密实砂卵石地层可不作下沉稳定性计算。

钢围堰内土体隆起在重庆地区很少见，只在对围堰下方土体为不透水土层时，采干封底时可进行钢围堰内土体隆起计算，采用混凝土封底时，可不计算。

1.3 抗浮计算

钢围堰抗浮考虑因素较多，技术标准没有一一列举，这里进行一个解释。

总体而言，抵抗浮力的荷载主要有钢围堰自重，包括钢结构、封底混凝土、隔仓混凝土（或填料）、隔仓水等，当考虑桩与钢围堰整体上浮时，还要计入桩基自重，一般桩底透水的摩擦桩需要考虑桩基自重。考虑桩基自重时，钢围堰封底混凝土上浮，带动桩基上浮，则必须是封底混凝土与桩基钢护筒、钢护筒与桩身之间的粘接力或桩身抗拉力大于桩基自重加上土层反向摩阻力，否则桩可能会在围堰底部出现桩基断裂、桩基与钢护筒之间或钢护筒与封底混凝土之间的粘接破坏。

当桩基基底为不透水岩层时，不需要考虑桩底浮力，即钢围堰浮力受力面积应扣出桩基面积，同时桩基自重、岩土对桩的反向摩擦力，通过桩身对钢护筒、钢护筒对封底混凝土起锚固作用，抵抗上浮力。桩基自重+岩土反向摩擦力、桩身对钢护筒粘接力、钢护筒对封底混凝土的粘连力三者应取小值，作为抵抗浮力的锚固力。

钢围堰外侧岩土对钢围堰外壁板也存在反向摩阻力，由于下浮过程中土体存在扰动，钢围堰外壁与岩土接触不紧密，其反向摩阻力也不准确，故一般不计算该反向摩阻力的抗浮作用。

另外计算岩土对桩的反向摩阻力时，如果是群桩，还要考虑群桩效应，即较密较长桩基，有可能将桩基范围内岩土整体拔出，群桩抗拔力小于单桩抗拔力的代数和，这时应取较小值作为抗浮效应，某铁路钢围堰就是未考虑群桩效应，导致桩基、钢围堰整体上浮[3]。

一般情况下，封底混凝土验算也可以归入抗浮计算中，作为抗浮验算的一部分，即使上浮力过大，而桩基已对封底混凝土进行了锚固；但封底混凝土本身出现破坏，将直接导致封水失败。

1.4 钢围堰壁板和加劲肋的计算

目前钢围堰壁板计算方法也是多种多样，不同的方法计算结果相差很大，与现场实际的吻合度也不尽相同，有的计算方法可能导致计算结果与实际严重不符，致使钢围堰结构处于危险状态。

技术标准对壁板计算进行了规定。

钢围堰壁板由钢板、环向加劲肋、竖向加劲肋组焊而成，加劲肋一般采用扁钢、角钢、槽钢、工钢等构件，与壁板之间现场采用间断焊接或满焊。

对于壁板和加劲肋计算，有的计算采用将加劲肋等效为一定厚度的壁板，这种计算相对简单，但计算结果不能反应出加劲肋应力，仅对壁板整体进行分析，存在一定的缺陷。

本标准推荐简化计算时，采用梁板法，梁板法是将壁板作为板单元，水平加劲肋和竖向加劲肋均作为梁单元，加劲肋（梁）与壁板单元共用节点（有的将水平加劲肋也作为板单元）。

这种计算结果相对而言，加劲肋应力偏大，结构设计偏于安全，对采用槽钢、工钢作为加劲肋，且采用间断焊接是较适合的，对于角钢作为加劲肋，局部计算应力相比实际应力偏大。

本规范推荐采用有效宽度法计算加劲肋应力。根据《水利水电工程钢闸门设计规范》，面板兼做主（次）梁翼缘时，考虑壁板的有效作用宽度取50～60δ和主（次）梁间距的较小值[4]。本标准略严，要求按不大于40δ取值。

1.5 关于钢围堰设防水位

钢围堰作为一种临时结构，一般使用周期为1～4年，其设防水位一般为10～20年一遇的洪水位，但多数钢围堰一旦完成了承台以及洪水位以下墩身施工，就完成了使命，即使被水淹也不会对工程造成重大影响。有的桥墩施工不属于关键工期，可以让洪水淹没，退水后再施工，甚至可以等到下一个枯水期再施工，所以钢围堰的设防水位可以根据施工进度安排和成本控制确定，故本标准未对设防水位提出具体要求。

一般来说，钢围堰在部分永久结构桩基完成施工并完成浇筑封底混凝土后，就具备了较强大的防洪水冲击能力，所以在汛期来临前必须完成封底混凝土浇筑，并完成一半以上永久结构桩。

2 钢围堰施工解读

《公路桥梁施工技术规范》中没有专门的钢围堰章节，在“13.3承台”中对各类围堰进行了简单的规定，可以作为钢围堰施工参考[5]，但钢围堰因施工环境、地质水文不同，施工差异也非常大。

钢围堰施工安排与水位变化关系非常大，经常是与洪水赛跑。周密的安排、详细的气象水文资料、最大程度利用枯水期施工，对钢围堰是非常重要的。钢围堰封底混凝土完成，抽干围堰内的水，开始承台施工时，钢围堰安全风险最大，但此时如还在枯水期，围堰内外水位差不大，围堰相对高水位是安全的，承台完成后，钢围堰基本上就不再有大的风险。

在枯水期如果能形成干封底，对抗浮是非常有利的，封底混凝土根据水浮力情况还可以大大减薄。

钢围堰加工主要注意对焊缝的要求，特别是采用角钢加劲肋，角钢翼缘与壁板焊接时，当计算考虑利用壁板作为角钢加劲肋的一部分时，不宜采用间断焊接。

钢围堰基础应具有一定的承载力，不得位于淤泥上，可以是岩层或其它覆盖层。位于岩层上时基岩应尽量整平，这有利于钢围堰就位的精度控制。

钢围堰的安装有多种，原位安装时，对首节钢围堰要通过吊装系统整体下放入水，当采用大型吊装设备吊装时，对设备要求较高，当采用多台千斤顶下放时，对千斤顶支承结构以及下放同步性要求较高。钢围堰入水后，可以采用注水下沉，此时应注意如有的隔仓忘记了注水，可能会导致隔仓内外水头差过大，隔仓壁板或水平桁架破坏。

封底混凝土浇筑采用水下施工时，应按水下混凝土施工工艺严格控制，防止出现混凝土不连续、夹渣等情况。为加强钢护筒与封底混凝土的摩阻力，施工现场采取在钢护筒表面焊接钢筋、钢板等剪力键结构，这是一种非常有效的措施。

在施工过程中，应准确收集水文情况信息，当出现超出设防水位的洪水时，应立即撤离钢围堰内的人员与设备，打开注水阀，向围堰内注水，保证围堰安全。如洪水来临时，部分稳定围堰的桩基和封底混凝土应尽可能完成，还未完成时，可能存在钢围堰冲击移位或倾覆风险，应采取必要的固定措施，包括已有永久结构、临时结构的固定，回填混凝土或土石对钢围堰进行稳定。