杭埠河特大橋雙壁鋼圍堰應力監測及預警研究

王曉龍 （中鐵一局集團鐵路建設有限公司，陜西 咸陽 712000）

1 引言

近年來，隨著國家大型基建設施的發展，跨海、跨江的大型橋梁日益增多，大型深水承臺也越來越多。橋梁的深水承臺通常采用雙壁鋼圍堰措施來輔助施工[1]。然而，在當前的鋼圍堰設計中，鋼圍堰通常被設計得十分保守[2-4]。同時，現場工程師在施工鋼圍堰時，普遍僅重視對鋼圍堰的拼裝、下沉及抽水等施工環節時圍堰結構的變形以及位移姿態[5-6]。

然而，目前的鋼圍堰事故大多由于對地質水文情況的差異以及施工不當所引起，而非圍堰結構設計不足[7]。當事故出現反應到圍堰結構出現變形或姿態變化時，往往已是“事后”，損失不可避免[8-9]。如何實時監測鋼圍堰的狀態，并建立有效的預警機制，是目前大型鋼圍堰安全施工的一個努力方向[10]。本文基于合安鐵路杭埠河特大橋雙壁鋼圍堰的應力監測及預警經驗進行總結，以供類似工程參考。

2 雙壁鋼圍堰設計及有限元計算

2.1 工程概況

新建合肥至安慶鐵路站前工程HAZQ-2標段杭埠河特大橋40+4×72+40m連續梁跨越杭埠河主河道，其中67#～69#墩位于河道內，每墩為12根φ1.5m鉆孔灌注樁基礎。

承臺尺寸均為14.3m×10.4m×3m，上設1.5m加臺，加臺尺寸為10.8m×6.1m×1.5m。67#鋼圍堰頂標高+11.93m，承臺底標高-1.068m，基坑深度15.5m；68#鋼圍堰頂標高+12.05m，承臺底標高-0.946m，基坑深度15.5m；69#鋼圍堰頂標高+12.18m，承臺底標高-0.825m，基坑深度15.5m。設計采用施工水位標高+11.52m，現場實測水位+7.327m。承臺位置地質情況為：第一層土為細沙層（+5.41m～+0.91m）；第二層土為粉質粘土（標高+0.91m～-0.09m）；第三層土為中砂（標高-0.09m～-10.49m）。

2.2 設計參數

鋼圍堰堰長16.5m，寬12.4m，高15.5m，圍堰壁厚1m，C30封底混凝土厚2.0m。圍堰豎向分為A、B、C三個節段，A節段高度6m（含刃角高度1m），B節段高度4.5m，C節段高度5m，其中A節段內艙填充C15混凝土4m。平面劃分為I、II、III、IV四型共14個單元，Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型、Ⅳ型長度均為3.9m，Ⅱ型單元為直角單元，外側長4.6m，內側長2.6m；A節段環向肋間距1m，B/C節段環向肋間距均為0.5m，豎肋間距均為0.3m。在內支撐位置豎向通長設置加強桁架。雙壁鋼圍堰縱向設置3道支撐，橫向設置2道支撐，第一道內支撐在圍堰頂標高以下3m處，第二道內支撐設置在圍堰頂以下9.5m處，內支撐采用φ630×10鋼管，豎向兩層內支撐之間豎向連接采用φ426×8鋼管。

圖1 圍堰立面布置圖

2.3 有限元計算

本文對67#墩承臺矩形雙壁鋼圍堰采用有限元分析軟件MIDAS/CIVIL 2015，按實際施工流程建立其施工階段模型。圍堰內外壁采用板單元模擬；內支撐、豎肋、環肋及橫撐采用梁單元模擬；封底混凝土、夾壁混凝土采用實體單元模擬。封底混凝土底部所有節點各向固結。靜水壓力采用板單元荷載形式施加。

圖2 圍堰平面布置圖

圖3 圍堰有限元模型

3 矩形鋼圍堰應力監測及預警方案

為了獲知鋼圍堰結構在施工過程中的真實受力狀況，需要對鋼圍堰進行應力監測。通過在關注截面位置布置應變測點并粘貼傳感器，獲取關注截面位置的實測應變值，并通過胡克定律得到其應力值。通過分析比較各測點的應力數據，了解結構的真實受力狀況，對圍堰結構的工作性能進行狀態評估并預警。

3.1 應力測點方案

應力監測分別對內支撐、內壁、環肋、豎肋以及平撐進行測試。應變計在抽水前的結構低應力狀態下進行安裝，并讀取初始讀數。在抽水過程中，以每抽水1m進行一次測試的頻率對結構各測點進行應力監測。

①內支撐軸向應力測點平行于鋼管軸線，由于上層內支撐在施工常水位之上，故僅對下層內支撐受力最大的橫向中管布置兩個測點，平行布置在跨中處；

②由于夾壁混凝土位于節段A范圍內，其余節段為空腔段，空腔段以節段B受力最為不利。因此，內壁、環肋、豎肋以及平撐的測點立面位置均位于節段B的底部；平面位置位于圍堰縱橫兩條中軸線上，對稱布置。

圖4 測點布置平面圖

3.2 應力預警方案

對于大型水下基坑施工而言，鋼圍堰結構的重要性十分突出。由于在設計水位普遍較高，考慮了較大的安全儲備，而施工中可能出現的穿水、傾斜等各種異常情況的風險不可預估。因此以鋼材強度為預警值顯然不能對結構的工作狀態做出及時的判斷。基于有限元分析結果，本文提出如下兩條準則作為預警方案：

①采用鋼材強度的50%作為實測應力預警線；

②采用測點變化趨勢分析作為結構狀態的異常預警準則。

圖5 圍堰壁上測點布置立面圖

67#鋼圍堰應力預警值（單位：MPa） 表1

當應力測點測試值出現異常值時，暫停抽水，結合測點變化趨勢及其他測點測試值綜合分析，決定下一步施工。

4 應力監測及預警結果

在圍堰抽水期間，杭埠河施工區域水位無明顯變化，保持在+7.327m左右，夾壁水位維持砼面以上8m不變。抽水之前，利用連通管使圍堰壁內水位同壁外水位一致，抽水時關閉連通管。

圖6～圖10分別為內支撐、環肋、豎肋、內壁及平撐部位各測點的理論計算值及實測值對比圖：

由圖6～圖10可知：

①圍堰內支撐、環肋、豎肋、內壁及平撐各測點的實測值均未達到預警值；且各測點的實測應力與理論應力變化趨勢基本一致，規律明顯。說明圍堰在抽水施工期間是安全的。

圖6 內支撐理論與實測應力（單位：）

圖7 環肋理論與實測應力（單位：）

圖8 豎肋理論與實測應力（單位：）

②圍堰內水位自+7.327m開始下降，而各測點的位置均位于2.02m左右，兩者高差5.307m。所以在剛開始抽水階段，由于圍堰內水位的下降，各測點受到較大的影響。當抽水至2.0m時，內支撐最大應力變化達到了46.8，環肋最大應力變化達到了78.7，豎肋最大應力變化達到了35.7，內壁最大應力變化達到了28.9，平撐最大應力變化達到了60.9。之后各測點的應力基本不再變化。這是因為圍堰內水位在各測點高程之下，后續的水位下降對各測點已無明顯影響。

③各測點的實測值均小于理論計算值。這是由于在有限元計算時采用的邊界條件以及其他模型參數與實際情況有所偏差導致。

5 結論

在當前的鋼圍堰施工中，對圍堰應力的監測尚不多見，這是由于圍堰結構的應力變化不如位移及變形來得直接。然而，當圍堰結構發生位移或變形時，事故的發展往往劇烈而快速。

圖9 內壁理論與實測應力（單位：）

圖10 平撐理論與實測應力（單位：）

合安鐵路HAZQ-2標段杭埠河特大橋67#～69#墩承臺鋼圍堰的監測經驗表明，對鋼圍堰的應力監測是可行的。當結構發生狀態變化時，其內在應力往往會提前出現異常，通過對應力的監測，工程師可提前發現施工異常。通過本文提出的預警方案，工程師可方便掌控圍堰結構的真實內在狀態，可有效避免圍堰結構已外顯出變形和位移時的不可控。這與鋼圍堰的位移及變形監測可形成良好的互補，為大型鋼圍堰的施工監測提供了良好的借鑒意義，進而可為鋼圍堰的設計提供反饋，節省工程造價。