深水大直径双壁钢围堰设计与三维仿真分析

◎ 王孝先 中铁二十二局集团市政工程有限公司

双壁钢围堰作为临时挡水结构和支撑结构，具有结构刚度大、承受水压大、结构安全、施工简单等优点，在桥梁深水基础施工中得到广泛应用。目前，针对围堰设计、拼装、下放、下沉和监控等已开展了大量的研究。

设计上，有关文献通过建立钢围堰三维有限元模型，深入分析了具有大高差刃脚的双壁钢围堰在不同抽水水位及流水速度下的应力应变特性、分布及发展规律。由于实际水流压力较难确定，文献在数值模型中采用了水槽试验测得的水流压力，提高了计算分析精度。此外，针对复杂的水下地质工况，文献通过建立陡峭面上的力学模型用以评估钢围堰的整体抗滑风险。施工上，双壁钢围堰在深水中下放导向、精确着床和下沉等仍是施工中的关键控制技术。

综上所述，由于受复杂水文、地质等多种不确定因素的影响，深水大直径双壁钢围堰的强度、刚度和稳定性等仍是设计和施工的难点。本文结合工程实例，论述了深水大直径双壁钢围堰设计和施工的关键技术，并通过数值仿真分析了结构的受力和变形规律。研究成果可为类似深水钢围堰施工提供一定的参考。

1.工程概况

吉安赣江特大桥主桥采用（90+180+90）m连续刚构拱跨越赣江主河道。桥址区水面宽1015m，设计测时水位40.08 m，历史最高水位52.57 m，历史最低水位40.4m，水位变幅12.17 m。桥墩位置河床上层为卵石土、粗圆砾土，覆盖层厚度自2.3-5.5m间变化；河底3～4m为覆盖卵石层，基岩为泥质砂岩。设计时，桥梁主墩采用双柱式圆端形桥墩，墩身均采用薄壁异型双支墩。其中，②号墩入岩0～2.4 m；③号墩入岩1.4～3.4 m。主墩承台分二层设计，下层平面尺寸为16.6 m（纵向）×22.9 m，厚度为5 m；上层平面尺寸为9.5 m（纵向）×22.7 m，厚度为1m。主墩承台底标高均为31.818 m，入岩0-3.4 m。桥梁基础为嵌岩桩，桩径2.5 m，其中②墩桩长54 m，③墩桩长49m。

主墩深水基础施工采用双壁钢围堰方案。钢围堰为双壁圆型，内径30.5m，外径33.5m。钢围堰在竖向上共设置5节，从下至上分别为第一节至第五节，其高度对应为4.8m、6.0m、4.8m、2.8m和3.1m，总高度21.5m。其中，顶面高程5 0.5m，底面标高29.1m，施工水位在48.0m左右。

双壁钢围堰施工采用在加工场内分节块加工、悬吊平台上拼装就位、分节接高、分步吸泥下沉的施工方案，下沉过程中采用注水、注混凝土、堰内吸泥及拉缆纠偏等辅助施工工艺。平面上，双壁钢围堰分为16段，共设置16个隔仓，如图1（a）所示。悬吊系统在隔舱板上共布置8个吊点，其中上吊点安装在顶部灌注混凝土的钢管上，下吊点安装在与上吊点处于铅垂线的隔舱板上离刃脚2.0 m的位置，如图1（b）所示。每个吊点安放1个200 t连续千斤顶，每个千斤顶设有7×Φ15.24钢绞线束作为吊带。具体施工工序为：分片制作→悬吊系统安设→第一节钢围堰拼装→第一节下沉→接高→下沉着床→定位→灌注封底混凝土→抽水→施做承台、灌注墩身混凝土→拆除钢围堰和悬吊系统，如图2所示。

图1 悬吊系统俯视图（单位：m）

图2 双壁钢围堰下沉施工工序（单位：m）

2.有限元模型

采用有限元软件建立双壁钢围堰三维有限元模型。模型由内壁板、外壁板、纵向和横向加劲肋、隔舱板、水平斜撑等组成，局部模型如图3(a)所示。其中，第一、第二节和第五节钢围堰每道水平斜撑竖向间距为1500mm，第四节每道水平斜撑竖向间距为1400mm、第三节每道水平斜撑竖向间距为2×600mm、700mm、800mm、1000mm和1100mm。钢内外壁板的厚度均为6mm，隔舱板的壁厚为6mm，水平斜撑为63×63×6mm。钢围堰钢材采用Q235B，弹性模量为2.06×10MPa，泊松比为0.3，密度为7850Kg/m³。整个模型均采用空间壳单元模拟，水平斜撑和内外壁的横肋之间采用Tie连接。根据施工工序，模型同时考虑了钢围堰舱内及舱外静水压力，水容重取10 kN/m³，并考虑了结构自重而暂不考虑水流力的影响。静水压力以面荷载形式施加在模型壁板上，其中舱内水深H0根据施工抽水工况而定，舱外水深根据施工水位取最不利工况为12 m。另外，考虑下部土体的约束，河床以下的模型设有水平弹簧约束，弹簧刚度为5.9 MN·m，并对模型底部施加固定约束，如图3(b)所示。

图3 双壁钢围堰三维有限元局部模型（单位：m）

3.计算结果及分析

3.1 应力和变形分析

当钢围堰内抽水结束后，双壁钢围堰最不利工况下应力和变形情况见图4。由图可知，由于隔舱板的横挡作用，钢围堰外壁板变形以隔仓为单位向内凹陷，最大变形可达14.9 mm，位于河床面以上2.5m的位置。忽略应力集中情况，外壁板对应的最大应力为122 MPa，满足钢板的强度要求。

图4 最不利工况下双壁钢围堰受力和变形情况：(a)变形情况；（b）应力情况

3.2 水位差影响

根据舱内抽水情况，进一步考虑了舱内外水位差ΔH对钢围堰受力和变形的影响。水位差ΔH共设置三种工况，分别为4 m、8 m和12 m，并取在两相邻隔舱板之间对应外壁板的竖向中轴线（即最大变形位置）作分析，得到三种工况下外壁板中间位置变形和应力随高程的变化情况如图5所示。其中，高程为0对应河床面位置。由图5（a）可知，水位差ΔH=4 m和ΔH=8 m两种工况对应的最大双壁钢围堰变形均为13.5 mm，约为最不利工况（ΔH=12 m）下最大变形的90%。水位差ΔH=8 m工况最大变形位置对应的高程为2 m，与ΔH=4 m工况相比下降1 m左右，对比表明最大变形位置对应的高程随水位差的增大出现略微下降。由图5（b）可知，从围堰顶至7 m之间，水位差对外壁板应力的影响均较小；越往下围堰部位的应力随水位差的增大呈增大趋势，水位差为ΔH=4m时最大应力为113.4MPa，约为最不利工况对应最大应力的93%。

图5 不同水位差对双壁钢围堰受力和变形的影响

4.结论

本文论述了深水大直径双壁钢围堰设计和施工工序，并采用有限元软件建立三维有限元模型，分析了施工过程中围堰内外水位差对结构受力和变形的影响，得到以下主要结论：

（1）由于隔舱板的横挡作用，钢围堰外壁板变形将以隔仓为单位在最大静水压力附近处向内凹陷；最不利工况下双壁钢围堰最大变形为14.9 mm，最大应力为122 MPa，满足钢板强度要求。

（2）在抽水初期阶段，双壁钢围堰最大变形为13.5 mm，围堰舱内外的水位差对结构的变形影响较小，但最大变形对应的高程随水位差的增大出现略微下降；而整个抽水过程，钢围堰最大应力随水位差的增大呈增大趋势。