桥梁深水承台施工围堰方案设计与施工监测问题分析

2022-11-22胡铁山党高峰占扬帆

交通世界 2022年28期

胡铁山，党高峰，占扬帆

（湖北省交通规划设计院股份有限公司，湖北武汉 430051）

1 工程概况

广东佛山平原地区某高速公路，按照设计速度100km/h，路基宽33.5m的六车道高速公路技术标准建设，其跨越顺德水道特大桥上部结构采用115+200+115m预应力混凝土刚构连续梁桥，其中28#、29#墩为水中主墩，各设18根直径2.5m钻孔灌注桩，承台结构尺寸为37×15.5×5m，承台底面标高-9.0m，两主墩处河床面设计标高分别为-11.0m、-6.0m，本文选取最深的28#墩进行分析。

根据水利部门资料，桥位处全断面平均流速为0.988m/s，多年平均水位为1.59m。每年10月～次年3月为非汛期，其中11月～次年1月多年平均水位均处于低水位。结合水位计算，28#墩承台围堰施工水位取+4.5m，施工时间为11月～次年1月。

根据地勘资料，28#墩位处覆盖层依次为粉砂、粉质黏土、中砂、圆砾，各层厚度分别为8.675m、2.95m、6.6m、16.23m。

本项目承台施工围堰基础条件如下：

（1）受桥墩承台影响，围堰平面尺寸较大，考虑河流断面被压缩后的河水作用，对围堰结构的强度、刚度及稳定性提出了更高的要求；

（2）施工水头差不大，最大为10.0m；

（3）水流速度不大；

（4）桥墩处高透水性的粉砂层不厚，仅8.675m，围堰设计考虑底部一般止水措施即可；

（5）工期紧，需在一个非汛期3个月内完成施工。

2 围堰设计

2.1 设计原则

（1）以“安全可靠、技术先进、经济合理、方便回收”为总原则；

（2）围堰的整体净空不仅要大于承台结构本身，还要满足施工操作需求；

（3）尽可能选用本身结构尺寸小，强度及刚度大的构件，有效降低结构空间占比，减小围堰整体尺寸，能提供更大的施工操作空间；

（4）围堰高度应考虑雍水高、波浪高等影响，并适当增设安全高度；

（5）在安全的前提下，以经济为导向，合理减少材料用量，尽可能降低围堰的造价成本。

2.2 型式选择

根据工程经验，对于水深小于4m，流速较小的水中施工，一般采用操作简单且较经济的土石围堰、木质围堰等简易围堰；而对于水深大于4m的水中施工，主要在钢板桩围堰和双壁钢围堰中选择，结合本项目工程特点，针对这两种围堰形式进行以下比选分析：

（1）工程造价：根据工程经验，同尺寸的双壁钢围堰的造价是钢板桩围堰的1.5～1.8倍[4]，因此，从节约工程造价角度考虑，宜选用钢板桩围堰。

（2）结构形状：双壁钢围堰多为圆形，因其在水压力作用下，只产生环向轴力，可不设内撑，在提供足够施工空间的同时还可节省用钢量，多用于长宽比小于1.5的承台施工，而本项目承台长宽比达2.4，不适合采用圆形双壁钢围堰，若强行采用矩形双壁钢围堰，需加设内撑，将大幅增加用钢量；而钢板桩围应采用钢板加围檩的方式，结构可更好地适应承台的形状，使用更灵活。

（3）隔水效果：虽然双壁钢围堰由于其整体性，刚度和强度大，隔水效果好；但由于本项目所在位置水头差不大，地下透水层不厚，地质条件有利于钢板桩插打，因此，本项目使用钢板桩围堰同样可以达到较好的隔水效果。

（4）施工难度：双壁钢围堰由于体积庞大，需大型拼装场地及起吊设备，在覆盖层下沉需较多设备，且下沉速度较慢，若遇土层中障碍物，必须在水中刃脚下清除，势必影响工期；而钢板桩围堰占用空间小，无需大型拼装场地及设备，可多次周转且插打速度快、周期短，可满足本项目水中承台3个月完工的要求。

因此，结合现场实际情况，本项目采用钢板桩围堰。

2.3 结构设计

（1）钢板桩长度设计：充分考虑水、土、冲刷、波浪、雍水等作用，满足结构抗滑、抗冲刷、抗倾覆验算。桥墩处钢板桩施工设防水位+4.5m，钢板桩顶标高按+5.5m设置，钢板桩底标高为-21.5m，钢板桩总长均为27m，封底混凝土顶面标高-9m，即钢板桩封底后堰内侧入土深度12.5m；

（2）围堰平面尺寸设计：考虑到施工操作的需要，在围堰壁和承台边缘之间预留1m的施工操作空间，围堰平面尺寸为39×17.5m；

（3）围檩内撑的设计：由于本项目承台位于深水段且结构高达5m，在该区域5m净空范围不设内撑将难以保证钢板桩应力和变形不超标，因此将承台分两层浇筑，并充分考虑水、土、冲刷、波浪等作用后，结构内分别在标高+2.5m、-2.0m、-5.5m处设围檩内撑，其中第一、二层内撑侵占了桥墩的结构空间，第三层内撑侵占了承台结构第二层混凝土浇筑空间。因此，随着施工操作面的增高，通过对围檩内撑进行“受力体系转换”，以达到结构安全、施工操作面无内撑侵占、材料利用周转率提高等要求，具体方法如下：

第三层围檩内撑结构体系转换：首先在已经浇筑成型的3.0m高承台第一层混凝土和围堰之间的空隙里抽砂夯实填充2.6m高，然后于砂层以上承台和围堰之间浇筑一层0.4m厚的混凝土支撑层，再拆除第三层围檩内撑，以满足第二层承台施工的作业空间要求；

第二、一层围檩内撑结构体系转换：根据承台、桥墩的施工进度，将围堰内注水至作业面以下，减小围堰内外压强差，增设四对角撑，再拆除1/4对撑，以满足桥墩施工的作业空间要求。表1为围檩内撑构件材料表。

表1 围檩内撑构件材料表

2.4 结构验算

运用Midas有限元软件对钢板桩围堰施工全过程关键工况进行建模分析，钢板桩采用壳单元，围檩内撑均采用梁单元，围檩与内撑构件之间固结，钢板桩与围檩之间只做法向连接，河底土作用利用“土弹簧”模拟。并对施工全过程中的关键工况进行验算，①工况Ⅰ：封底混凝土达到强度，围堰内抽干水；②工况Ⅱ：第三层围檩内撑体系转换后；③工况Ⅲ：第二层围檩内撑体系转换后；④工况Ⅳ：第一层围檩内撑体系转换后。

考虑水、土压力、流水压力及波浪力的情况下，经反复验算修改设计，并在第三层围檩上局部区段焊接钢板加强、方钢内焊接槽钢加筋勒。围檩内撑最大正应力为130.1MPa，最大变形为14mm；钢板桩最大正应力为81.5MPa，最大剪应力为15.2MPa，最大位移为1.36mm，强度、刚度、变形均满足规范要求。

3 施工流程

采用先定位下放围檩、再精确插打钢板桩的施工方法。

（1）首先根据两岸地形，在预定位置搭设简易拼装平台、测量定位后安装液压起吊系统，在平台上拼装好围檩内撑、牛腿、连接件以及吊装构件，并根据围檩的拼装进度利用起吊系统将围檩逐层下放入水到位，精确定位后将围檩固定在平台周边钢管桩上。

（2）钢板桩检查合格后，将钢板桩吊运至指定位置，然后运用两个吊钩吊起和放下，使钢板桩呈垂直状态，移向安插位置，插入已就位的钢板桩锁口中。逐根插打钢板桩并合龙。

（3）将围檩用牛腿转换至钢板桩上，潜水员用高压水冲洗封底段护筒及钢板桩表面，完善封底施工平台、安装导管漏斗架溜管、布设封底面标高监测点，完成封底混凝土的浇筑后，将围堰内的水排干净。

（4）根据承台、桥墩的施工方法完成围堰内撑的体系转换。

4 施工监测

本项目钢板桩围堰长39m、宽17.5m、高27m；由三层围檩内撑和286根钢板桩组成；围檩内撑的拼装就位、钢板桩的插打闭合、围堰的抽水补漏、内撑的体系转换等各过程构成一个相互关联的整体；同时承受土压力、水压力、波浪、雍水、冲刷等外力。设计与施工高度耦合，技术含量高，其中任意一个环节的问题都会影响到围堰本身的质量和安全，因此，在围堰施工中采取有效的施工监测，可以保证施工过程的安全性，且提高承台的施工质量。

（1）围檩内撑监测

围檩内撑以受压轴力为主。因此，结合受力特征，用高精度标距150mm的钢结构表面应变计测量内撑轴力，在受力较大处布置测点，对围堰施工全过程进行监测，监测结果见表2和表3。

表2 实况水位表

表3 围檩内撑应力表单位：MPa

（2）钢板桩监测

钢板桩变形以受弯挠曲变形为主。因此，结合受力变形特征，采用JMZX-7000型倾角综合测斜仪测量钢板桩挠曲变形，分别在变形较大的1/2截面、1/4截面处钢板桩内侧安装测斜管，并采用5寸镀锌钢箍将测斜管与钢板桩焊接固定，对围堰施工全过程进行检测，监测结果如图1～3所示。

（3）监测评估

施工全过程实测结构应力、变形与理论值吻合良好，最大应力值为72.45MPa，小于安全值145MPa；相对最大变形（跨中相对于两支点）为9.4mm，小于安全值11.25mm，施工全过程河道水位不高，围堰控制截面处于低应力状态，实测应力值变化平缓，与理论值比较在安全容许范围内，应力储备足够，结构受力状态正常。