杭埠河特大桥双壁钢围堰应力监测及预警研究

王晓龙 （中铁一局集团铁路建设有限公司，陕西 咸阳 712000）

1 引言

近年来，随着国家大型基建设施的发展，跨海、跨江的大型桥梁日益增多，大型深水承台也越来越多。桥梁的深水承台通常采用双壁钢围堰措施来辅助施工[1]。然而，在当前的钢围堰设计中，钢围堰通常被设计得十分保守[2-4]。同时，现场工程师在施工钢围堰时，普遍仅重视对钢围堰的拼装、下沉及抽水等施工环节时围堰结构的变形以及位移姿态[5-6]。

然而，目前的钢围堰事故大多由于对地质水文情况的差异以及施工不当所引起，而非围堰结构设计不足[7]。当事故出现反应到围堰结构出现变形或姿态变化时，往往已是“事后”，损失不可避免[8-9]。如何实时监测钢围堰的状态，并建立有效的预警机制，是目前大型钢围堰安全施工的一个努力方向[10]。本文基于合安铁路杭埠河特大桥双壁钢围堰的应力监测及预警经验进行总结，以供类似工程参考。

2 双壁钢围堰设计及有限元计算

2.1 工程概况

新建合肥至安庆铁路站前工程HAZQ-2标段杭埠河特大桥40+4×72+40m连续梁跨越杭埠河主河道，其中67#～69#墩位于河道内，每墩为12根φ1.5m钻孔灌注桩基础。

承台尺寸均为14.3m×10.4m×3m，上设1.5m加台，加台尺寸为10.8m×6.1m×1.5m。67#钢围堰顶标高+11.93m，承台底标高-1.068m，基坑深度15.5m；68#钢围堰顶标高+12.05m，承台底标高-0.946m，基坑深度15.5m；69#钢围堰顶标高+12.18m，承台底标高-0.825m，基坑深度15.5m。设计采用施工水位标高+11.52m，现场实测水位+7.327m。承台位置地质情况为：第一层土为细沙层（+5.41m～+0.91m）；第二层土为粉质粘土（标高+0.91m～-0.09m）；第三层土为中砂（标高-0.09m～-10.49m）。

2.2 设计参数

钢围堰堰长16.5m，宽12.4m，高15.5m，围堰壁厚1m，C30封底混凝土厚2.0m。围堰竖向分为A、B、C三个节段，A节段高度6m（含刃角高度1m），B节段高度4.5m，C节段高度5m，其中A节段内舱填充C15混凝土4m。平面划分为I、II、III、IV四型共14个单元，Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型、Ⅳ型长度均为3.9m，Ⅱ型单元为直角单元，外侧长4.6m，内侧长2.6m；A节段环向肋间距1m，B/C节段环向肋间距均为0.5m，竖肋间距均为0.3m。在内支撑位置竖向通长设置加强桁架。双壁钢围堰纵向设置3道支撑，横向设置2道支撑，第一道内支撑在围堰顶标高以下3m处，第二道内支撑设置在围堰顶以下9.5m处，内支撑采用φ630×10钢管，竖向两层内支撑之间竖向连接采用φ426×8钢管。

图1 围堰立面布置图

2.3 有限元计算

本文对67#墩承台矩形双壁钢围堰采用有限元分析软件MIDAS/CIVIL 2015，按实际施工流程建立其施工阶段模型。围堰内外壁采用板单元模拟；内支撑、竖肋、环肋及横撑采用梁单元模拟；封底混凝土、夹壁混凝土采用实体单元模拟。封底混凝土底部所有节点各向固结。静水压力采用板单元荷载形式施加。

图2 围堰平面布置图

图3 围堰有限元模型

3 矩形钢围堰应力监测及预警方案

为了获知钢围堰结构在施工过程中的真实受力状况，需要对钢围堰进行应力监测。通过在关注截面位置布置应变测点并粘贴传感器，获取关注截面位置的实测应变值，并通过胡克定律得到其应力值。通过分析比较各测点的应力数据，了解结构的真实受力状况，对围堰结构的工作性能进行状态评估并预警。

3.1 应力测点方案

应力监测分别对内支撑、内壁、环肋、竖肋以及平撑进行测试。应变计在抽水前的结构低应力状态下进行安装，并读取初始读数。在抽水过程中，以每抽水1m进行一次测试的频率对结构各测点进行应力监测。

①内支撑轴向应力测点平行于钢管轴线，由于上层内支撑在施工常水位之上，故仅对下层内支撑受力最大的横向中管布置两个测点，平行布置在跨中处；

②由于夹壁混凝土位于节段A范围内，其余节段为空腔段，空腔段以节段B受力最为不利。因此，内壁、环肋、竖肋以及平撑的测点立面位置均位于节段B的底部；平面位置位于围堰纵横两条中轴线上，对称布置。

图4 测点布置平面图

3.2 应力预警方案

对于大型水下基坑施工而言，钢围堰结构的重要性十分突出。由于在设计水位普遍较高，考虑了较大的安全储备，而施工中可能出现的穿水、倾斜等各种异常情况的风险不可预估。因此以钢材强度为预警值显然不能对结构的工作状态做出及时的判断。基于有限元分析结果，本文提出如下两条准则作为预警方案：

①采用钢材强度的50%作为实测应力预警线；

②采用测点变化趋势分析作为结构状态的异常预警准则。

图5 围堰壁上测点布置立面图

67#钢围堰应力预警值（单位：MPa） 表1

当应力测点测试值出现异常值时，暂停抽水，结合测点变化趋势及其他测点测试值综合分析，决定下一步施工。

4 应力监测及预警结果

在围堰抽水期间，杭埠河施工区域水位无明显变化，保持在+7.327m左右，夹壁水位维持砼面以上8m不变。抽水之前，利用连通管使围堰壁内水位同壁外水位一致，抽水时关闭连通管。

图6～图10分别为内支撑、环肋、竖肋、内壁及平撑部位各测点的理论计算值及实测值对比图：

由图6～图10可知：

①围堰内支撑、环肋、竖肋、内壁及平撑各测点的实测值均未达到预警值；且各测点的实测应力与理论应力变化趋势基本一致，规律明显。说明围堰在抽水施工期间是安全的。

图6 内支撑理论与实测应力（单位：）

图7 环肋理论与实测应力（单位：）

图8 竖肋理论与实测应力（单位：）

②围堰内水位自+7.327m开始下降，而各测点的位置均位于2.02m左右，两者高差5.307m。所以在刚开始抽水阶段，由于围堰内水位的下降，各测点受到较大的影响。当抽水至2.0m时，内支撑最大应力变化达到了46.8，环肋最大应力变化达到了78.7，竖肋最大应力变化达到了35.7，内壁最大应力变化达到了28.9，平撑最大应力变化达到了60.9。之后各测点的应力基本不再变化。这是因为围堰内水位在各测点高程之下，后续的水位下降对各测点已无明显影响。

③各测点的实测值均小于理论计算值。这是由于在有限元计算时采用的边界条件以及其他模型参数与实际情况有所偏差导致。

5 结论

在当前的钢围堰施工中，对围堰应力的监测尚不多见，这是由于围堰结构的应力变化不如位移及变形来得直接。然而，当围堰结构发生位移或变形时，事故的发展往往剧烈而快速。

图9 内壁理论与实测应力（单位：）

图10 平撑理论与实测应力（单位：）

合安铁路HAZQ-2标段杭埠河特大桥67#～69#墩承台钢围堰的监测经验表明，对钢围堰的应力监测是可行的。当结构发生状态变化时，其内在应力往往会提前出现异常，通过对应力的监测，工程师可提前发现施工异常。通过本文提出的预警方案，工程师可方便掌控围堰结构的真实内在状态，可有效避免围堰结构已外显出变形和位移时的不可控。这与钢围堰的位移及变形监测可形成良好的互补，为大型钢围堰的施工监测提供了良好的借鉴意义，进而可为钢围堰的设计提供反馈，节省工程造价。