湖北宜昌香溪河大橋主橋5#橋墩套箱圍堰設計

陳佛賜

摘 要：香溪河大橋工程5#橋墩施工區間水位變化幅度大，低水位時承臺完全露出水面，高水位時承臺淹沒，水深達20m左右，該墩位交通條件較好，地勢平坦，其承臺施工開采用鋼套箱圍堰的施工方案，并根據鉆孔樁的施工進度的實際情況計算各種工況，確保材料經濟和結構安全。

關鍵詞：斜拉橋；基礎施工；套箱圍堰；各種工況；設計計算

1 工程概況

香溪河大橋采用主跨為470m雙塔雙索面混合梁斜拉橋，橋面寬度23m，雙向四車道。其中5#主塔墩承臺采用直徑為30m的圓形承臺，厚度7m，承臺底標高+154.0m，其下布置18根直徑3.0m的鉆孔灌注樁，樁長83m；墩位處地面標高+153.0m左右。墩位處每年6月至8月處于低水位（+150.0m以下），9月中旬開始漲水，9月底水位漲至173.3m左右，承臺結構圖見圖1。

2 圍堰設計的基本思路

2.1 圍堰結構尺寸的擬定

施工期間最高水位為173.3m，為了保證塔墩結構出水，便于后期塔柱施工，圍堰頂部的標高擬定為174m，承臺底標高為154m，初步考慮封底混凝土3m左右，圍堰的底標高擬定為150.9m，因此可初步確定圍堰的總高度為174-150.9=23.1m。5#承臺的平面尺寸為直徑30m的圓，設計圍堰時考慮圍堰需要兼做承臺模板，因此采用圓形圍堰，擬定圍堰輪廓內半徑尺寸比承臺的半徑輪廓大0.1m，即套箱圍堰的內徑為30.2m，套箱圍堰的壁厚擬定為1.2m，即套箱圍堰的外徑為32.6m，最后擬定的整個套箱圍堰的結構尺寸為：32.6m（外徑）×23.1m（高度）。

2.2 套箱圍堰的分節、分塊

套箱圍堰的分節要充分考慮圍堰的制造和安裝需要，特別是要根據現場的施工條件，機械配置和工期要求等進行綜合考慮。根據現場實際情況，圍堰擬采用圓形鋼套箱圍堰，豎向共分底節、中間節及頂節三節，并分別來確定各節的高度。按照5#墩的施工計劃安排，其鉆孔樁的完成時間在6月底左右，此時正值低水位期，因此可充分利用7月-8月兩個月枯水期進行承臺施工，因此圍堰分節的設想是底節套箱圍堰兼做承臺模板，同時必須保證能滿足承臺施工的需要，由于承臺頂標高為161m，因此暫定底節圍堰的標高和承臺頂相同，底節圍堰圍堰的高度為161-150.9=10.1m，為雙壁鋼圍堰。中節和頂節圍堰是為了保證塔墩施工期間處于無水狀態，為了保證塔墩出水的需要，并根據現場水位上漲的情況，擬定中間節高度為8.5m，為雙壁鋼圍堰，頂節圍堰高度為4.5m，為單壁鋼圍堰。

2.3 圍堰的安裝

圍堰采用分塊拼裝的方法進行，底節、中間節圍堰、頂節圍堰均等分為12個節段，最重節段不超過30t，小里程側主要利用150t浮吊進行拼裝，大里程側利用50t履帶吊進行拼裝。具體施工時要求在水位上升至+152.00m之前完成圍堰基礎及底節圍堰、封底混凝土施工的施工；在水位上升至161.00m之前完成承臺和中節圍堰的安裝施；最后在水位上升至+169.00m之前完成上節圍堰安裝。

2.4 鋼套箱圍堰的總體構造

圍堰上中下三節及圍堰基礎構造如下：

（1）頂節為單壁，頂面標高為+174.0，高度為4.5m，外直徑為32.6m，面板厚度為6mm，豎向加勁肋為∠63×8mm，繞圓心成0.85°均勻布置，水平環板厚16mm，寬300mm，水平環板豎向間距為0.75m；每個節段均設置一道徑向加勁板。

（2）中間節為雙壁，高度為8.5m，外徑為32.6m，內徑為30.2m，壁厚1.2m，內外面板厚度均為6mm，豎向加勁肋為均為∠63×8mm，繞圓心成0.85°均勻布置，水平環板厚16mm，寬250mm，水平環板豎向間距為0.5m +4×0.8m+2×0.9m+3×1.0m+0.5m，隔倉板厚度為16mm；水平斜撐為∠75×8mm。

（3）底節為雙壁，高度為10.1m，外徑為32.6m，內徑為30.2m，內外面板厚度均為6mm，豎向加勁肋為均為∠63×8mm，繞圓心成0.85°均勻布置；水平環板厚16mm，寬250mm，豎向間距由下至上依次為2×0.6m+2×0.8m+2×0.9m+5×1.0m+0.5m；隔倉板厚度為16mm；水平斜撐為∠75×8mm。

（4）圍堰底節做成1.0m×1.0m刃腳，內灌注5.6m高混凝土，刃腳埋入土內1.3m。

（5）承臺底澆筑3.0m厚C30混凝土封底。圍堰總體結構布置圖如圖2、圖3所示。

3 圍堰設計的荷載和工況

3.1 設計荷載取值

根據本工程圍堰施工過程，圍堰除了結構自重外所受外力主要有以下類型：

水壓力：由圍堰內外水頭高度差產生，水壓力按公式pw=10h計算。

浮力：對浸入水中的雙壁圍堰和封底后的圍堰，應考慮浮力作用，浮力作用在圍堰和封底混凝土底部，浮力計算公式為 F=10Ah。

新澆混凝土對圍堰內壁產生的側壓力；pm=K·γ·h。

風荷載及水流沖擊力，考慮到三峽庫區在底水位蓄水時，水的流速與周邊風荷載較小，并非主要荷載，不進行計算，具體荷載取值見下表：

3.2 工況分析及選用

工況分析要按照現場施工的實際情況，該圍堰處于庫區施工，水位變化幅度大，因此在圍堰設計時既要考慮按照現場的施工計劃理想的施工工況，也要考慮施工進度超前和施工進度滯后帶來的工況的變化。當施工進度超前時，可能在進行承臺施工時，水位在承臺底以下，圍堰兼做承臺模板，圍堰要考慮承受混凝土的側壓力。如果施工進度的滯后，在枯水期沒有完成鉆孔樁施工，要充分考慮承臺施工在最高水位時的極端不利情況進行圍堰驗算，圍堰要滿足抵抗最大水頭差的設計要求，來保證圍堰的順利渡洪，確保施工安全，分別計算以下5種工況：

（1）工況1：施工進度超前，澆筑承臺混凝土，水面位于圍堰基礎以下，計算新澆混凝土對圍堰內壁板的側壓力作用；

（2）工況2：施工進度滯后，承臺未開始澆筑，圍堰安裝完畢，水位173.32m，刃腳砼標高156.5m，圍堰承受h=16.82m高的靜水壓力，圍堰倉壁內灌水13.0m；

（3）工況3：圍堰安裝完畢，抽水完成后，澆筑承臺混凝土前，水位173.32m，圍堰整體抗浮計算；

（4）工況4：圍堰安裝完畢，抽水完成后，澆筑承臺混凝土前，水位173.32m，封底混凝土計算；

（5）工況5：圍堰安裝完畢，水位173.32m，承臺澆筑完成且初凝之前，圍堰整體抗沉計算。

4 圍堰結構計算

鋼圍堰計算采用Midas Civil，建立1/4結構模型，面板、采用板單元模擬，內支撐，水平桁架、環板、豎肋采用梁單元模擬，封底混凝土計算采用Midas FEA建立整體模型，封底砼用實體單元模擬，并進行網格劃分，水平桁架按照拉彎或者壓彎構件進行強度和穩定性的驗算。

4.1 鋼套箱圍堰計算結果如下（單位MPa）

4.2 圍堰抗浮計算

圍堰安裝完畢，水位173.32m，承臺下共18根φ3.0m的鉆孔樁，鋼護筒外直徑為φ3.3m，由于封底3.0m，封底砼底部處水頭差為22.32m，封底砼與樁間摩擦系數取15t/m2。

F浮=γ水V=10×22.32×562.0=12543.8t

F抗浮力=圍堰重（圍堰自重+刃腳砼重+艙壁內水重）+封底重+封底砼與鋼護筒粘結力

圍堰重=620.7+1472.6+1538.1=3631.4t

F粘=18×3.14×3.3×3.0×15+3.14×30.2×3.0×15=12660.5t

封底混凝土重4046.9。

由于抗浮力：F抗浮力=3631.4+12660.5+4046.9=20338.8t

F抗浮力/F浮=20337.5/12543.8=1.62>1.2

故圍堰抗浮穩定性滿足要求。

4.3 圍堰抗沉計算

F下沉力=圍堰重（圍堰自重+刃腳砼重）+封底砼重+承臺砼重=620.7+1472.6+1538.1+12363.8=15995.2t

F抗浮力=F浮+封底砼與鋼護筒粘結力=12543.8+12660.5=25204.3t

F抗沉力/F下沉力=25204.3/15995.2=1.57>1.2

所以圍堰整體抗沉穩定性滿足要求。

4.4 封底混凝土計算

封底砼厚度為3m，取2.8m進行計算，封底砼主要承受底部22.12m深水壓力。建立封底實體有限元模型，進行單元劃分，計算結果如下：

砼最大拉應力：σmax=0.80MPa<1.0MPa，最大應力點在封底砼和鋼護筒接觸底部位置；最大變形量5.6×10-2mm，最大變形位置在封底砼中心，封底變形較小；計算結果表明，封底砼在此工況下強度、剛度均滿足要求。

5 結語

湖北宜昌香溪河大橋的5#橋墩基礎施工采用鉆孔平臺后鋼套箱圍堰的施工方法，其鋼套箱圍堰的設計充分考慮了現場的施工條件，充分考慮20m的水位落差和鉆孔樁施工進度帶來現場施工條件的變化，其圍堰分為頂節、中間節、底節，即可以在低水位采用底節圍堰完成承臺施工，也可以滿足在高水位采用三節圍堰完成承臺施工和塔墩出水，適合現場施工實際，其設計方法可為三峽庫區內的深水基礎施工提供借鑒和參考。