橋墩鎖口鋼管樁圍堰受力分析及施工應用研究

司 坤，蔣中明，萬 發

(1.長沙理工大學水利工程學院，湖南 長沙 410114；2.中鐵廣州工程局，廣東 廣州 510660)

隨著我國經濟的快速發展，基礎建設的規模不斷擴大，橋梁建設技術也得到快速發展。橋梁下部施工中的基坑施工一直是研究的熱點問題。目前常見圍堰按材質分類主要有木板樁圍堰、木籠圍堰、鋼板樁圍堰、鎖口鋼管樁圍堰、鋼筋混凝土或預應力混凝土板樁圍堰等。殷力立[1]對深水條件下的鋼板樁圍堰、雙壁鋼圍堰和鋼管樁圍堰三種施工工藝的優缺點進行了比選，認為鋼管樁圍堰適應性更強，回收率高，安全性高，工期可控。姚德波[2]認為鎖口鋼管樁在鋼管兩側加入鎖口裝置，可使兩相鄰鋼管樁緊扣相連在一起，具有整體剛度大、抗彎能力強、結構整體穩定性好，良好的經濟效益和受力性能等特點。目前對于鋼管樁圍堰的研究主要集中在施工工藝與施工安全方面[3- 7]，但是采用數學模型方法對于鋼管樁圍堰的受力特性分析的研究卻報道較少，本文采用數學模型分析方法，利用有限元分析軟件對鎖口鋼圍堰結構的變形、強度及穩定性進行分析，以確定鎖口鋼圍堰結構在施工過程中其強度、剛度及穩定性是否滿足要求。

1 工程概況

龍穴南水道特大橋橋梁總長7904m，橋梁跨南水道采用(60+60+70+448+70+60+60)m雙塔混合梁斜拉橋跨越，該主橋為有砟軌道，兩側邊跨為(60.8+60+70)m預應力混凝土梁，鋼混結合段6m，其余560m均為鋼箱梁(其中主孔跨448m為通航孔)，全長829.6m(含梁端懸臂段)。主塔為混凝土結構，塔高155m，全橋共有72對索。主塔墩編號為171#、172#，基礎采用24Φ3m鉆孔樁基礎，順橋向4排、橫橋向6排，縱橫向樁中心距7m，171#墩樁長46m；172#墩樁長62m，承臺順橋向×橫橋向×厚度為40m×26m×6m，塔座為高3m的楔形體，上截面尺寸順橋向×橫橋向為15.4m×30.4m，下截面尺寸順橋向×橫橋向為21.4m×36.4m。

1.1 氣象條件

區內氣溫冬無嚴寒，夏不酷熱，氣候溫暖，歷年年平均氣溫21.9℃，夏季極端最高氣溫37.5℃，冬季極端最低氣溫-0.4℃，多年平均氣溫22.8℃。多年平均平均降雨量為1693mm，相對濕度77%。降雨量的季節分配不均，旱季雨季分明，降雨集中在4—9月，雨季降雨量平均達1323.4mm，占全年的81%，雨季降水集中，多大雨、暴雨，易發生洪水，出現內澇。

1.2 水分條件

珠江口濱海區的潮汐主要是太平洋潮波經巴士海峽、巴林海峽傳入。因受汛期洪水和風暴潮的影響，最高潮位一般出現在6—9月，最低潮位一般出現在12月—翌年2月。大橋設計最高通航水位+3.194m，最低通航水位-0.64m。20年一遇最高水位+2.82m，施工期間實測最高水位+2.65m。

1.3 地質條件

主橋區域的地層巖性按期成因和時代分類主要有：第四系海陸交互相乘積、淤泥質黏土、粉質黏土及粉中砂黏土、圓礫土；下伏基巖主要為：白堊系(K)含礫砂及燕山期[λ5]花崗片麻巖等。龍穴島地區靠近入海口端覆蓋層較厚；下伏基巖主要為印支期和燕山期花崗巖和花崗片麻巖，全～弱風化，其中局部全風化地層深厚。主墩171#、172#根據鉆孔資料顯示，主墩范圍內62m地層可分5個工程地質條件。該場區內不良地質條件主要是由底層淤泥(1)1-0及淤泥質黏土(1)1-1組成，流塑狀態，該土層結構松軟，壓縮性高、強度低，工程特性差，易產生過大、不均勻沉降。

2 鎖扣鋼管樁圍堰的設計布置

主墩承臺施工采用鋼管鎖扣圍堰，鋼管樁及鎖口材質均為Q345。圍堰頂設計標高為+3.5m，圍堰底標高為-26.5m，鎖口鋼管長度為30m。圍堰內設置3道鋼管內支撐。承臺施工時采用鋼模成型，為保證施工空間，圍堰輪廓尺寸比承臺的外輪廓每邊大150cm。圍堰封底厚度為3.0m。考慮預留0.1m找平層，實際抽水時，封底受力厚度為2.8m。鋼護筒外直徑為3.4m，鋼護筒與封底混凝土的粘結力按Nmax=15t/m2考慮。圍堰內設置3道內撐：第一、二、三道內撐圈梁均采用2HN700x300mm型鋼拼接，支撐(直、斜)也都采用2HN700x300mm型鋼，三層圈梁標高分別為+0.0m，標高為-4.0m，標高為-8.0m。

3 結構受力分析

3.1 計算方法及模型

本文采用MIDAS有限元分析軟件對鎖扣鋼管樁圍堰進行建模計算，模型由鎖扣鋼管樁、梁圈和內支撐組成，共有節點4892個，單元7264個。鎖扣鋼管樁之間按相對獨立柱建模，忽略鎖扣對于結構整體性的貢獻，對于結構驗算較為安全。建立的三維仿真模型，按照關鍵不利工序的結構特性對其施加結構、混凝土和承臺自重、圍堰內外所受主被動土壓力、水浮力、靜水壓力、流水壓力、波浪力、澆筑側壓力等，進行計算分析，通過后處理觀察、提取圍堰結構各構件的位移、應力，進行強度及穩定性驗算。

3.2 荷載分析

圍堰結構的主要荷載如下：

(1)圍堰自重(G1∶2124t)：封底混凝土自重(G2∶7340t)；承臺自重(G3∶16224t)

(2)水浮力(F浮):F浮=γgV排。

(3)鋼護筒與封底混凝土的粘結力(f):11530t(24根樁)(Nmax=15t/m2)。

(4)靜水壓力(F1)：單位面積上的靜水壓力按10kN/m2計，水壓隨高度按線性分布，考慮本圍堰施工為下冬季及春季，水位考慮為+2.5m。

(5)圍堰內清淤時圍堰外土層產生的對圍堰的主動及被動側壓力(F2):F2=γ浮H;(F3):F3=γ浮H。

(6)流水壓力(F4)：水流速度按最大設計值計，為0.69m/s。

(7)波浪力(F5)：波浪力按q2=1.5t/m2，浪高1.2m計算。

(8)風荷載(F6):風荷載不與波浪力同時考慮。

圍堰受風載面積為圍堰露出水面以上部位：

K1=0.9，K2=1.0，K3=0.9，W0=500Pa。

根據TB 10002—2017《鐵路橋涵設計規范》

W=K1K2K3W0=0.9×1.0×1.0×500=450Pa=0.45t/m2

風荷載遠小于波浪力，因此，本計算可忽略風荷載的作用。

3.3 計算流程

圍堰施工工序如下：①先施工圍堰上下游兩側的樁基，兩側共計12根樁基，②利用在已有的平臺小樁及鋼護筒上焊接牛腿(圍檁的拼裝平臺)及導向架，從上下游兩側的中間位置分別向兩邊插打鎖口鋼管樁，插打剩余鎖口鋼管樁至平臺左右兩側中間進行合龍。③合龍完成后，將內支撐與下放支架進行固定，割除牛腿，整體下放圈梁及內支撐至第一道內支撐至設計標高，抽水至第一道內支撐往下100cm處，將第一道內支撐與圍堰焊接固定，④然后往圍堰里邊補水至第一道內支撐標高后，進行不排水開挖至封底混凝土底標高，澆筑6m厚封底混凝土，⑤待封底混凝土達到設計強度后，抽水至第二道內支撐處安裝第二道內支撐，⑥抽水至第三道內支撐處安裝第三道內支撐，⑦最后抽水至封底混凝土頂標高，切割護筒，鑿除樁頭進行承臺及塔座施工。

擬定的不利工序如下：

工序1：保持內外水頭一致，不排水開挖至封底混凝土底標高。

工序2：澆筑封底混凝土，抽水至第二道內支撐往下1.0m處，安裝第二道內支撐前。

工序3：安裝第二道內支撐，抽水至第三道內支撐往下1.0m處，安裝第三道內支撐前。

工序4：安裝完成第三道內支撐，繼續抽水至封底混凝土頂標高。

3.4 計算成果及分析

3.4.1 工序1計算結果

圖1為鎖口鋼管組合應力σmax=68.8MPa<315MPa，最大變形量為Lmax=77mm，第一道內支撐受力為84.4kN，通過等效至內支撐圈梁處，進行計算圈梁及內撐在此作用力下的桿件自身強度，圖2為圈梁采用2HN700，最大組合應力175.6MPa<215MPa，應力應變滿足設計要求。

3.4.2 工序2計算結果

計算結果顯示在此工序下的圈梁最大組合應力如圖3所示，為σmax=124.3MPa<215MPa，內支撐最大組合應力為σmax=156.5MPa<215MPa，圈梁最大變形量如圖4所示，為Lmax=11.0mm，應力應變滿足設計要求。

在此工序下的鎖口鋼管樁最大組合應力如圖5所示，為σmax=111.6MPa<315MPa，鋼管最大變形量如圖6所示，為Lmax=22.1mm，應力應變滿足設計要求。

3.4.3 工序3計算結果

在此工序下的圈梁最大組合應力如圖7所示，為σmax=168.8MPa<215MPa，內支撐最大組合應力如圖8所示，為σmax=152.9MPa<215MPa，應力應變滿足設計要求。

在此工序下鎖口鋼管樁最大組合應力如圖9所示，為σmax=203.1MPa<315MPa，鋼管最大變形量如圖10所示，為Lmax=20.7mm，應力應變滿足設計要求。

圖1 鋼管組合應力分布圖2 梁圈及內撐應力分布圖3 圈梁最大組合應力分布圖4 梁圈內應力變形

3.4.4 工序4計算結果

在此工序下的圈梁最大組合應力如圖11，為σmax=189.2MPa<215MPa，內支撐應力如圖12所示，第一道內支撐最大組合應力為σmax=40.3MPa<215MPa，第二道、第三道內支撐最大組合應力為σmax=104.2MPa<215MPa，其中最大應力出現在第三道內支撐，應力應變滿足設計要求。

鎖口鋼管樁最大組合應力如圖13所示，為σmax=162.4MPa<315MPa，鋼管最大變形量如圖14所示，為Lmax=15.2mm，應力應變滿足設計要求。

綜上所述，鎖扣鋼管組合應力的最大值發生在工序三，為203.1MPa，梁圈的最大組合應力發生工序4，為189.2MPa，內支撐最大組合應力發生在工序2，為156.5MPa，均在鋼結構最大允許應力范圍內，故滿足強度設計要求。

圖11 圈梁應力分布圖12 內支撐應力分布圖13 鎖扣鋼管應力分布圖14 鋼管最大變形

4 結構穩定性驗算

4.1 圍堰整體抗浮穩定驗算

一個承臺下24根φ3.0m的鉆孔樁，鋼護筒外直徑為φ3.4m。由于封底3.0m(按2.8m計算)，所以粘結力總和為f=11530t(封底混凝土與樁間摩擦系數取15t/m2)承臺范圍內打入φ0.82m鋼管樁30根，由于封底3.0m時，鋼管可提供的粘結力(116t)大于鋼管樁的抗拉承載力，所以鋼管樁部分按每根樁可承受90T拉力計算f=2700t。圍堰封底面積1020m2，封底厚度3.0m，封底混凝土重7340t。圍堰自重：約2124t。

圍堰抗浮力：F抗=11530+2700+2124+7340=23694t。水位在+2.5m時，圍堰底部產生的浮力：F浮=11020×16.9×1=17238t。由于F抗>F浮，所以圍堰抗浮穩定性滿足要求。

4.2 圍堰整體抗沉驗算

一個承臺下24根φ3.0m的鉆孔樁，鋼護筒外直徑為φ3.4m。由于封底3.0m(按2.8m計算)，所以粘結力總和為f=11530t(封底混凝土與樁間摩擦系數取15t/m2)圍堰封底面積1020m2，封底厚度3.0m，封底混凝土重7340t。圍堰自重：約2124t。第一次施工混凝土自重：G4=16224t圍堰下沉力：F=7340+2124+16224=25688t

圍堰底部產生的浮力為為17238t，由于抗沉力:F1=17238+11530=28768t>F=25688t(下沉力)所以圍堰抗沉穩定性滿足要求。

5 結論

(1)模型計算結果表明：在鎖扣鋼管樁圍堰的各個不利施工工序中，最不利荷載組合工況下鋼管樁圍堰剛度(變形)、強度(應力)

及穩定性驗算符合規范要求，結構在最不利受力條件下安全可靠。

(2)在最不利荷載組合工況。鎖扣鋼管組合應力的最大值發生在工序3，為203.1MPa，梁圈的最大組合應力發生工序4，為189.2MPa，內支撐最大組合應力發生在工序2，為156.5MPa。添加梁圈和內支撐的條件下鎖口鋼管樁圍堰在基坑支護中的應用安全可行。

(3)鎖口鋼管樁在施工過程中應力最大值發生部位即其最危險的受力點發生在工序3的鋼管樁與封底混凝土頂面相交線上，在施工過程中應重點檢查該處的連接強度，規避圍堰可能產生的破壞。