深水雙壁鋼圍堰施工方案安全計(jì)算分析與技術(shù)控制

王 淳

(鐵四院(湖北)工程監(jiān)理咨詢有限公司，湖北武漢 430063)

1 工程概況

寧安鐵路安慶長(zhǎng)江大橋主橋?yàn)殡p塔三索面鋼桁梁斜拉橋，3號(hào)、4號(hào)為主橋的兩個(gè)主塔墩，基礎(chǔ)均采用雙壁鋼圍堰施工方案。以3號(hào)墩圍堰為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。自重約2 161.1 t。樁基37根，其中φ3.0 m/φ3.4 m變徑鉆孔嵌巖樁，圍堰布置如圖1所示。

圖1 3號(hào)墩圍堰立面布置

表1 3號(hào)墩圍堰設(shè)計(jì)參數(shù) m

2 圍堰結(jié)構(gòu)安全計(jì)算分析

2.1 建立圍堰整體計(jì)算模型

采用ANSYS10.0建立計(jì)算模型，由于結(jié)構(gòu)和荷載對(duì)稱，故取1/4圍堰結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模計(jì)算。約束條件為對(duì)稱面位置對(duì)稱約束，刃腳底部位置三向位移約束，計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 1/4圍堰結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

2.2 圍堰計(jì)算工況劃分

根據(jù)施工流程，選取圍堰的接高灌水下沉和圍堰封底后的3個(gè)典型不利工況分別進(jìn)行計(jì)算。

工況1:圍堰下沉到位封底抽水后，圍堰外側(cè)低水位(水位高程+3.0 m)，隔艙內(nèi)有10 m高水。

工況2:圍堰下沉到位封底抽水后，圍堰外側(cè)高水位(水位高程+15.88 m)，隔艙內(nèi)無(wú)水。

工況3:圍堰下沉到位封底抽水后，圍堰外側(cè)高水位(水位高程+15.88 m)，隔艙內(nèi)有10 m高水。

2.3 圍堰計(jì)算內(nèi)容

(1)圍堰結(jié)構(gòu)單元、各掛點(diǎn)、吊點(diǎn)以及圍堰整體的剛度、強(qiáng)度驗(yàn)算。

(2)錨定系統(tǒng)的驗(yàn)算以及著床后的渡汛安全性、穩(wěn)定性驗(yàn)算。

(3)圍堰內(nèi)抽水后，抗浮、抗隆起封底砼抗彎的驗(yàn)算以及井壁混凝土驗(yàn)算。

其中：{Δx(i),Δy(i),Δθ(i)}來(lái)自里程計(jì)的觀測(cè)值，{Ωx(i),Ωy(i),Ωθ(i)}是傳感器噪聲。

2.4 圍堰結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果分析

3個(gè)工況下圍堰結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

數(shù)據(jù)顯示，除自井壁混凝土上部極小范圍內(nèi)的計(jì)算峰值外，整個(gè)圍堰結(jié)構(gòu)單元計(jì)算應(yīng)力均在容許應(yīng)力范圍以內(nèi)。

由于圍堰使用時(shí)間長(zhǎng)(兩個(gè)汛期)，因此必須加大安全儲(chǔ)備，對(duì)施工水位進(jìn)行修改和局部進(jìn)行加固處理，最終修改施工水位為14.5 m，使結(jié)構(gòu)應(yīng)力全部在140 MPa以內(nèi)。

表2 圍堰結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

由以上計(jì)算結(jié)果可知，為保證圍堰隔艙板安全，要求隔艙板兩側(cè)的水頭差不大于10 m。在灌注混凝土階段，為保證隔艙板的安全，要求隔艙板兩側(cè)灌注混凝土高差不大于4 m。在封底混凝土灌注完畢后，在高水位的情況下，保證圍堰井壁內(nèi)填充混凝土面以上有10～12 m高的水位，確保圍堰結(jié)構(gòu)安全。

2.5 圍堰局部構(gòu)造應(yīng)力分析

(1)圍堰底隔艙斜腹板和支撐三腳架之間采用點(diǎn)焊不妥，無(wú)法承擔(dān)封底混凝土向上的和單邊側(cè)壓力，同時(shí)作為下河主要承力走道，還要承受前進(jìn)方向的沖擊荷載，容易開(kāi)裂甚至脫落。

(2)圍堰隔艙腹板與圍堰壁僅沿圍堰壁高度方向進(jìn)行了焊接，無(wú)法承擔(dān)在封底混凝土單側(cè)壓力的作用下形成的剪切應(yīng)力，同時(shí)會(huì)對(duì)圍堰壁造成破壞。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)以上兩個(gè)部位進(jìn)行了全面加固，確保了圍堰的結(jié)構(gòu)安全。

(3)圍堰抗浮和封底混凝土抗彎折驗(yàn)算。按最高水位15.88 m驗(yàn)算，封底混凝土與圍堰和鋼護(hù)筒的黏結(jié)力分別為128 kP和139 kP，小于設(shè)計(jì)250 kP，彎拉應(yīng)力為0.11 MPa，小于容許應(yīng)力0.5 MPa。施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)圍堰壁和護(hù)筒壁的清理，確保黏結(jié)力。

3 錨定系統(tǒng)安全計(jì)算分析

3.1 錨定系統(tǒng)計(jì)算

以主錨為例，主錨拉力計(jì)算按圍堰和工作船受水、風(fēng)的阻力來(lái)計(jì)算，同時(shí)計(jì)入后錨40%預(yù)拉力，邊錨按主錨的50%計(jì)列同時(shí)計(jì)入一定的偏轉(zhuǎn)角度，主錨拉力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 主錨拉力計(jì)算 kN

3.2 錨定系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果分析

主錨采用10個(gè)地龍錨固，單根錨繩受力=5 824 kN/10=582.4 kN

主錨繩全部采用鋼絲繩，選用6×37+FC類鋼絲繩，公稱直徑66 mm，公稱抗拉強(qiáng)度1 770 MPa，最大破斷力［P］=2 270 kN，

則鋼絲繩安全系數(shù)K=2 270/582.4=3.9，滿足K=3～6的要求。

4 方案安全技術(shù)控制

根據(jù)以上對(duì)圍堰整體及錨定系統(tǒng)的計(jì)算分析，方案安全技術(shù)控制要點(diǎn)如下:

(1)圍堰汛期施工安全風(fēng)險(xiǎn)大，因此圍堰的設(shè)計(jì)與施工必須進(jìn)行詳細(xì)的安全計(jì)算分析，并將計(jì)算分析的相關(guān)結(jié)果應(yīng)用于工程施工中，確保圍堰安全。

(2)對(duì)覆蓋層較厚的圍堰施工還應(yīng)進(jìn)行圍堰局部沖刷驗(yàn)算，用于指導(dǎo)鉆孔順序和圍堰汛期防護(hù)，確保圍堰安全渡汛。

(3)大型圍堰的分片(段)加工精度和對(duì)接精度以及圍堰的焊接質(zhì)量對(duì)圍堰安全至關(guān)重要，有關(guān)方應(yīng)加強(qiáng)控制，確保圍堰加工符合設(shè)計(jì)，從而確保圍堰結(jié)構(gòu)安全。

5 結(jié)束語(yǔ)

本橋圍堰施工由于特殊的地質(zhì)及水文條件和汛期施工的特點(diǎn)，導(dǎo)致圍堰施工的技術(shù)難度大幅增加，同時(shí)增加了監(jiān)理單位安全質(zhì)量控制的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)監(jiān)理單位在技術(shù)方案審核把關(guān)和過(guò)程控制方面是一個(gè)挑戰(zhàn)。寧安鐵路安慶長(zhǎng)江大橋已進(jìn)入上部結(jié)構(gòu)施工階段，回顧整個(gè)圍堰施工監(jiān)理控制過(guò)程，作者認(rèn)為以下內(nèi)容可以為類似工程在施工方案安全計(jì)算與技術(shù)控制方面提供參考。

(1)圍堰整體設(shè)計(jì)思路:對(duì)設(shè)防水位的取值、計(jì)算工況的確定等監(jiān)理單位應(yīng)仔細(xì)審查其與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工條件的吻合性，并作為后續(xù)施工控制的重要依據(jù)。圍堰的渡汛沖刷計(jì)算必須齊全，尤其是圍堰處于厚覆蓋層上(里)，沖刷后整個(gè)圍堰受力情況從根本上發(fā)生變化甚至?xí)?duì)封底混凝土和以成樁造成破壞。鑒于圍堰結(jié)構(gòu)的重要性，應(yīng)力取值應(yīng)偏保守。

(2)錨定系統(tǒng)設(shè)計(jì):利用河道的地形和自制混凝土錨，克服了河床光板巖不利的地質(zhì)條件，值得類似工程借鑒。另外，工程中為確保錨定系統(tǒng)受力檢查的數(shù)值顯示，采用了拉力計(jì)檢測(cè)的方法，便于監(jiān)理單位檢查和調(diào)控拉力，確保鋼纜和圍堰的安全，而邊錨受力計(jì)算必須考慮疲勞的影響。

(3)圍堰的安全渡汛:一般特大型橋梁基礎(chǔ)施工會(huì)經(jīng)過(guò)了兩個(gè)汛期，本橋也是一樣，因此汛期圍堰的安全至關(guān)重要，設(shè)防水位和相關(guān)控制參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行力度絲毫不能有差錯(cuò)，監(jiān)理技術(shù)交底必須清楚而且要重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)，對(duì)圍堰的沖刷必須實(shí)施跟蹤檢測(cè)并結(jié)合渡汛驗(yàn)算采取相應(yīng)的措施。另外，涉及汛期水上交通安全的措施必須完備并有應(yīng)急預(yù)案。

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