某跨海大橋鋼圍堰結構設計及力學行為分析

王立祠

（河北省交通規劃設計院，石家莊050051）

1 工程概況及圍堰結構參數

青連鐵路ZQ-5標段跨膠州灣特大橋，全長8941.27m，上部結構為40孔50m跨徑簡支箱梁。其中，第153#～193#墩跨上跨膠州灣，跨度長2000.80m，采用鋼圍堰進行基礎及下部施工。

鋼板樁圍堰采用拉森IV型鋼板樁，材質Q295bz，圍堰頂標高均為+3.5m，封底混凝土采用C30混凝土。本文以具有代表性的153#墩（圍堰尺寸14.4m×10.4m、15m鋼板樁）為例進行設計檢算。采用容許應力法計算，材料容許應力：Q295bz鋼板樁的容許彎曲正應力為 [σ]＝295/1.2×0.75＝184MPa；Q235B鋼材的應力為：彎曲正應力[σ]＝170MPa，剪應力[τ]＝100MPa[1]。

2 鋼圍堰計算

2.1 入土深度計算

2.1.1 取1m寬鋼板樁進行入土深度計算

鋼板樁入土深度采用等直梁法進行計算，最終通過計算得到封底混凝土底面至彎矩零點的距離t，最小入土深度T=kt，其中，k為經驗系數，一般取1.1~1.2，本文取1.2。擬定鋼板樁入土深度t=10m，對10m范圍內的主動土一側與被動土一側的土層重度 γa、γp、內摩擦角φa、φp進行加權平均值計算：γa平均=19.6k N/m3，φa平均=21.1°；γp平均=19.8k N/m3，φp平均=21.2°。

主動土壓力系數：Ka=tan2（45°-21.1°/2）=0.47；被動土壓力系數：Kp=tan2（45°+21.2°/2）=2.13。

1）計算開挖面至鋼板樁上土壓力等于零的點的距離y：

式中，H2為地面標高到封底混凝土高度，計算土壓力強度時，應考慮鋼板樁墻與土的摩擦作用，將鋼板樁墻土壓力乘以修整系數；K為被動土壓力修正系數，查表后得1.624；

2）按簡支梁計算等值梁支點反力（即Ra和P0）；

3）根據Ra和鋼板樁被動土壓力等于板樁底端力矩，由此可求得x，建模計算得P0=31.4k N。

總入土深度：t=x+y=2.56+0.78=3.34m。因此，鋼板樁的入土深度T=1.2t=4.008m，封底標高為-4.156m，鋼板樁樁底標高為-11.5m，實際入土深度為7.344m＞4.008m，鋼板樁總長度15m，滿足計算需求。

2.1.2 基坑底抗涌起計算

根據前述計算，鋼板樁長度15m，以此計算鋼板樁內外土的參數。根據Prandtl公式計算抗涌安全系數：

式中，c為土的黏聚力，k Pa；D為基礎擋墻入土深度，m；H為基坑開挖深度，m；γ為基坑外側土的平均重度；q為地面超載。根據Prandtl公式，要求Ks≥1.1～1.2，其中，Nq=tan2（45°+φ/2）eπtanφ，Nc=（Nq-1）/tanφ，由此可得 Ks=5.98＞1.2，故抗涌起滿足要求。

2.2 鋼板樁受力計算

用MIDAS軟件進行有限元計算分析，分為5個施工工況：（1）降水開挖至2.344m處，在開挖面以下0.78m固接；（2）3.0m處安裝第一道內支撐；（3）降水開挖至-0.656m；（4）-0.116m 處安裝第2層內支撐；（5）降水開挖至封底底-4.156m。其中，工況（1）時，鋼板樁圍堰應力σ=（17.4×103）/（2270×10-6）=7.7MPa＜184MPa。根據（2）～（5）工況下的鋼板樁受力分析結果，得出鋼板樁應力情況均滿足要求，第1道支撐最大反力為45.1k N/m，第二道支撐最大反力為220k N/m[2]。

2.3 圍囹及內支撐計算

第1層圍囹選用400mm×400mm×20mm H型鋼，內支撐角撐采用 400mm×400mm×20mm H型鋼，對撐采用 400mm×400mm×20mm H型鋼；第2層圍囹選用500mm×200mm×20mm雙拼工字鋼，內支撐角撐采用400mm×400mm×20mm H型鋼，對撐采用400mm×400mm×20mm H型鋼。其中，第1道圍囹所受最大環向荷載為45.1k N/m，第2道圍囹所受最大環向荷載為220k N/m。第1道內支撐最大位移為0.83mm，圍囹及內支撐最大組合應力為26.9MPa＜170MPa，強度與剛度均滿足要求。

第2道內支撐最大位移為3.1mm，圍囹及內支撐最大組合應力為120.6MPa＜170MPa，強度與剛度均滿足要求。對撐最大軸力為1050k N，自由長度為L=9.5m?；匦霃剑篿=16.81cm，面積：A=251cm2；長細比：λ=57，由此查穩定系數表得 φ=0.823，σ=N/φA=50.78MPa＜[σ]=170MPa，穩定性滿足要求。

2.4 封底計算

2.4.1 封底混凝土強度計算

封底混凝土所受荷載：

其中，γ水、γ混分別為水和混凝土的容重；h水、h混分別為其高度。

封底混凝土計算采用MIDAS軟件建立實體單元進行模擬，根據模擬結果可知：封底混凝土最大拉力應為0.61MPa＜1.43MPa；封底混凝土最大豎向位移為0.04mm，滿足要求。

2.4.2 抗浮計算

圍堰可看作近似密封體，抽水完成后，在水的浮力作用下有可能連同封底混凝土連同鋼板樁向上位移，出現失穩現象。圍堰抗浮主要來自結構的自重以及與土層摩擦、封底混凝土與鋼護筒摩阻力，混凝土與封底之間的摩阻力考慮為150k Pa。

抗浮力計算如下：

封底混凝土自重：G=（13.5×9.5-0.785×1.252×10）×1×24=2783.6k N；

封底混凝土與鉆孔之間的摩擦力：F=3.14×1.25×10×1×150=5887.5k N；

鋼板樁及圍囹自重G1=1628.6 k N；

合計抗浮力為：2783.6+5887.5+1628.6=10 299.7k N；

浮力：F=10×（3.5+3.156+1）×（13.5×9.5-0.785×1.252×10）=8879.7k N；

則抗浮系數 K=10 299.7/8879.7=1.16＞1.05，滿足要求[3]。

3 結論及建議

根據上述對具有代表性的153#墩海上承臺圍堰的計算，整體驗算結果表明鋼板樁及內支撐受力均滿足要求，該圍堰類型及內支撐布置形式可為其他類似圍堰工程的設計及施工提供參考，但在施工過程中需保證以下事項，以確保結構安全：

1）鋼板樁圍堰施工嚴格按照各墩施工圖紙進行施工，確保圍囹及內支撐位置、材料準確；

2）鋼板樁圍堰頂底標高控制準確，鋼板樁入土深度不得少于4.008m，以滿足抗涌要求；

3）按照各墩圍堰圖紙所布設圍囹情況均可滿足現場施工需要，驗算通過；但海中地質情況復雜，鋼板樁吸泥開挖時注意地質情況變化，如地質情況差則需加設承臺位置的臨時支撐，待封底混凝土澆筑完成后方可拆除。