臨港長江公鐵兩用大橋混合結(jié)構(gòu)圍堰施工技術(shù)

劉 勇，祝 兵，薛世豪，張程然

(1.四川公路橋梁建設(shè)集團有限公司，成都 610015； 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031)

引言

伴隨我國城市交通以及高速鐵路工程建設(shè)的高速發(fā)展，大跨度公鐵兩用橋梁的建設(shè)也得到了飛速的發(fā)展。通常來講，大跨度橋梁建設(shè)的難點主要集中在橋梁水下基礎(chǔ)施工上[1]。橋梁水下基礎(chǔ)施工又可以依據(jù)經(jīng)驗進一步劃分為“淺水基礎(chǔ)”以及“深水基礎(chǔ)”。然而，當前國內(nèi)橋梁施工中對于所謂的“淺水”、“深水”尚未有明確的界定[2]。因此，當前國內(nèi)橋梁建設(shè)施工中通常依靠經(jīng)驗或參考土力學(xué)地基及基礎(chǔ)中所介紹橋梁水中圍堰概念：當基礎(chǔ)所處區(qū)域水深超過5～6 m時，稱之為“深水基礎(chǔ)”，水深小于5 m時稱之為“淺水基礎(chǔ)”[3]。“淺水基礎(chǔ)”橋梁施工中，為降低施工成本，在通航條件允許的前提下，通常采用筑島圍堰、土石圍堰等施工技術(shù)作為橋梁基礎(chǔ)施工期間防滲止水措施。

“深水基礎(chǔ)”橋梁施工中通常采用雙壁鋼圍堰、鋼板樁圍堰、鎖口鋼管圍堰、鋼套箱圍堰等方法作為橋梁施工期間防滲止水措施[4-9]。相較于“淺水基礎(chǔ)”施工措施，上述方法施工成本高昂，施工周期長、作業(yè)難度大。因此，針對建設(shè)項目所處區(qū)域的水文條件，利用工程建設(shè)工程區(qū)域水位落差大的特點，將兩種基礎(chǔ)施工方案有機結(jié)合起來，提出一種新的橋梁深水基礎(chǔ)施工方法，在保證施工質(zhì)量、安全的前提下，順利完成了3號主墩基礎(chǔ)施工。

1 工程概況

1.1 工程背景

宜賓臨港長江公鐵兩用大橋(以下簡稱臨港橋)位于宜賓市內(nèi)，該橋為蓉昆高鐵、渝昆高鐵及連接宜賓北岸臨港區(qū)、南岸翠屏區(qū)市政交通的共同過江通道。臨港橋為平層公鐵兩用斜拉橋，支撐體系為半漂浮體系，雙塔四索面設(shè)計，橋跨布置為(72.5+203+522+203+72.5) m，為國內(nèi)首座公路與高鐵合建鋼箱梁斜拉橋，臨港橋立面如圖1所示。

圖1 臨港長江公鐵兩用大橋主橋立面(單位：高程m，其余cm)

1.2 施工水文特點

臨港橋位于長江上游地區(qū)，位于雨源性山區(qū)河流區(qū)域，該區(qū)段內(nèi)，橋區(qū)水位隨季節(jié)變化劇烈。每年11月份至次年5月份，為長江水位枯水位，圍堰所處區(qū)域水位維持在258.0 m附近；6月份至10月份，該區(qū)段內(nèi)長江水位上漲，最高水位超過267.0 m，為洪水水位，洪期水位最大流速接近4 m/s。橋區(qū)歷年來水位統(tǒng)計如表1所示。

表1 臨港橋3號主墩圍堰歷年水文特點統(tǒng)計 m

1.3 臨港長江公鐵兩用大橋主墩基礎(chǔ)施工方案

3號主墩圍堰施工區(qū)域，在枯水季節(jié)水位較低，最低施工水位257.08 m，實際施工采用人工筑島的方式，沿河岸填筑土石圍堰，將橋梁水中施工轉(zhuǎn)變?yōu)殛懮鲜┕ぃ?號主墩圍堰筑島尺寸310 m×125 m，筑島平面布置如圖2所示。

圖2 臨港長江公鐵兩用大橋主墩筑島區(qū)域(單位：cm)

當3號主墩人工筑島土石圍堰完成后，清理承臺施工區(qū)域上部覆蓋土體、巖層。施工組合圍堰下部咬合樁以及冠梁。咬合樁施工完成后，接長上部雙壁鋼圍堰。臨港橋3號主墩采用“混凝土咬合樁”+“雙壁鋼圍堰”組合結(jié)構(gòu)形式，利用長江水位枯水期，對承臺基礎(chǔ)施工區(qū)域進行填筑，并施工混凝土咬合樁。待咬合樁施工完成后，在洪水期來臨前接長上層雙壁鋼圍堰，圍堰頂部高程271.0 m，組合圍堰結(jié)構(gòu)施工步驟如圖3所示。

圖3 組合圍堰施工步驟(單位：高程m，其余cm)

1.4 鋼-混組合結(jié)構(gòu)圍堰設(shè)計

臨港橋3號主墩圍堰采用啞鈴形布置，圍堰最大平面尺寸85.4 m×50 m。組合圍堰咬合樁樁頂上方設(shè)150 cm×190 cm冠梁作為過渡段與上方鋼圍堰進行連接，中部設(shè)置3道鋼管橫向支撐，以提高組合圍堰整體剛度。組合圍堰平面及立面設(shè)計如圖4所示。

圖4 臨港橋3號主墩組合型圍堰設(shè)計(單位：cm)

1.5 導(dǎo)墻、咬合樁施工

(1)導(dǎo)墻施工

為保證組合結(jié)構(gòu)圍堰成樁質(zhì)量，咬合樁施工前進行導(dǎo)墻施工。施工導(dǎo)墻前，首先對場地進行平整，完成測量放樣后，利用小型挖掘設(shè)備開挖導(dǎo)墻溝槽，導(dǎo)墻寬度210 cm，入土深度20 cm，采用C30混凝土進行澆筑。

(2)咬合樁施工

待導(dǎo)墻施工完成后，進行組合圍堰咬合樁施工。組合圍堰咬合樁采用“葷素”相接布置，A樁為帶鋼筋“葷樁”，B樁為不帶鋼筋籠“素樁”。為提高成樁效率，咬合樁采用旋挖鉆機跳樁施工，由咬合圍堰中部向兩側(cè)對稱進行施工，組合結(jié)構(gòu)圍堰導(dǎo)墻及咬合樁施工順序如圖5所示。

圖5 導(dǎo)墻、咬合樁施工順序(單位：cm)

1.6 組合型雙壁鋼圍堰連接形式

在鋼-混組合結(jié)構(gòu)圍堰施工中，鋼-混結(jié)構(gòu)連接形式是決定圍堰施工質(zhì)量、保證結(jié)構(gòu)安全、滿足防滲止水需求的重要因素。較為常見的連接方式有連接件連接、插入式等方法，但承載能力以及防滲止水質(zhì)量較難保證[10-14]。臨港橋3號主墩組合型圍堰采用“剪力筋+夾倉混凝土”方式，將鋼-混組合結(jié)構(gòu)圍堰上下兩部分進行連接。施工期間通過冠梁預(yù)留孔道安裝中部剪力鋼筋與兩側(cè)預(yù)埋板。接長時，將雙壁鋼圍堰底部與預(yù)埋板進行焊接，完成后澆筑中部夾倉混凝土。組合圍堰鋼-混連接段構(gòu)造如圖6所示。

圖6 鋼-混組合結(jié)構(gòu)圍堰連接方式(單位：cm)

2 鋼-混組合結(jié)構(gòu)圍堰數(shù)值計算方法

2.1 咬合樁模擬

(1)等效剛度法

在組合圍堰咬合樁計算方法中，較為常見的方法為等效剛度法。其原理為，根據(jù)等效剛度原則，將咬合樁等效為地下連續(xù)墻，以此來進行咬合樁結(jié)構(gòu)的變形及穩(wěn)定性分析[15-20]。依據(jù)JGJ/T 396—2018《咬合式排樁技術(shù)標準》，據(jù)等效剛度原則，將咬合樁等效為地下連續(xù)墻進行計算，地下連續(xù)墻等效厚度計算

(1)

式中，I1、I2分別為素樁減去咬合部分、完整葷樁(鋼筋混凝土樁)界面慣性矩，其中

(2)

(3)

式中，r1、r2為咬合樁半徑，取750 mm；a為咬合量，取200 mm，y1為咬合面寬度的1/2，取374 mm，將I1、I2代入以上公式，即可求得等效地下連續(xù)墻的厚度

地下連續(xù)墻等效剛度法計算示意如圖7所示。

圖7 等效剛度法計算示意

(2)有效咬合厚度法

施工期間，下部咬合樁是承臺基礎(chǔ)施工期間最為重要的構(gòu)件，采用等效剛度法，計算板單元厚度偏大，不能真實反應(yīng)咬合結(jié)構(gòu)最為薄弱環(huán)節(jié)受力特性，計算結(jié)果偏不安全。因此，針對重要結(jié)構(gòu)，應(yīng)當考慮兩咬合樁之間真實咬合厚度，即只計算兩咬合樁最小結(jié)合厚度，其余部分作為安全儲備，計算結(jié)果偏于安全。通過有效咬合厚度法計算板單元厚度t=830 mm，有效咬合厚度法示意如圖8所示。

圖8 有效咬合厚度法示意(單位：mm)

2.2 雙壁鋼圍堰模擬

臨港長江公鐵兩用大橋鋼-混組合結(jié)構(gòu)圍堰上部結(jié)構(gòu)采用板單元+梁單元+實體單元進行模擬。內(nèi)外壁以及中部隔倉板，采用板單元模擬。其余構(gòu)件如內(nèi)部鋼管支撐、水平斜撐、豎肋等構(gòu)件用梁單元模擬，各構(gòu)件基本信息如表2所示。

臨港長江公鐵兩用大橋組合圍堰結(jié)構(gòu)模型采用Midas Civil軟件建立，共包含節(jié)點10 356個，單元15 392個，鋼-混組合結(jié)構(gòu)圍堰模型如圖9所示。

表2 臨港橋3號主墩圍堰上部結(jié)構(gòu)模型信息匯總

圖9 鋼-混組合結(jié)構(gòu)圍堰模型

2.3 計算荷載及邊界條件

(1)計算荷載

臨港長江公鐵兩用大橋3號主墩基礎(chǔ)施工期間，鋼-混組合結(jié)構(gòu)圍堰主要考慮以下荷載。

①自重

結(jié)構(gòu)自重系數(shù)取1.0。

②流水壓力

流水壓力按照JTG D60—2015《公路橋涵通用規(guī)范》公式計算。作用在橋墩上的流水壓力標準值可按下式計算

(4)

式中，F(xiàn)w為流水壓力標準值，kN；γ為水的容重，kN/m3；v為設(shè)計流速，m/s；A為橋墩阻水面積，m2，計算至一般沖刷線處；g為重力加速度；K為橋墩形狀系數(shù)。

流水壓力合力的著力點假設(shè)在設(shè)計水位線以下0.3倍水深處。

③靜水壓力

靜水壓力計算

F0=γgH

(5)

式中，F(xiàn)0為靜水壓力標準值，kN；H為距離水面高度，m。

④土壓力

樁身主動土壓力計算

q=μD0γ0h

(6)

式中，q為咬合樁每延米所受荷載；D0為樁直徑，取1.25 m；γ0為土體容重，取9 kN/m3(考慮水對土體浮力作用)；h為樁在土內(nèi)的深度；μ為主動土壓力系數(shù)，取0.307。模型主要荷載如圖10所示。

圖10 計算模型主要荷載

(2)邊界條件

根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果，本圍堰地質(zhì)條件上層為卵石土，下層為中風化巖，飽和抗壓強度2.5×104kPa，土對樁的作用采用土彈簧模擬。首先根據(jù)地質(zhì)情況和計算精度要求將樁分成若干段(每段長度為L)，然后確定每段樁的計算寬度D1、地基水平抗力系數(shù)Cz，一般水平X、Y方向的剛度相同。

Cz=m×z

(7)

式中，Cz為水平抗力系數(shù)；m為地基水平抗力系數(shù)，試驗確定或者查表；z為入巖深度。

土彈簧水平剛度計算見式(8)

Ki=Cz×D1×L

(8)

依據(jù)規(guī)范要求，計算土彈簧的水平剛度如表3所示。

表3 基巖樁土作用約束取值

2.4 計算結(jié)果分析

臨港橋3號主墩鋼-混組合圍堰結(jié)構(gòu)計算分析中，依據(jù)現(xiàn)場實際情況，考慮不同水位工況下鋼-混組合結(jié)構(gòu)圍堰受力情況，取計算水位262.0 m(施工低水位)、265.0 m(施工高水位)、267.0 m(施工最高控制水位)、269.0 m(歷史記錄最高洪水位)。

(1)上部雙壁鋼圍堰結(jié)構(gòu)

匯總鋼-混組合結(jié)構(gòu)圍堰上部鋼圍堰各個構(gòu)件計算結(jié)果如表4所示。

表4 鋼-混組合結(jié)構(gòu)圍堰上部雙壁鋼圍堰計算結(jié)果匯總

通過計算發(fā)現(xiàn)，組合結(jié)構(gòu)圍堰上部結(jié)構(gòu)應(yīng)力較小，最大應(yīng)力159.2 MPa，小于鋼材Q345鋼材容許設(shè)計值，且各構(gòu)件變形較小，滿足規(guī)范要求。

(2)下部咬合樁單元

組合結(jié)構(gòu)圍堰模型下部咬合樁計算結(jié)果如表5所示。

表5 咬合樁計算結(jié)果匯總

由表5可知，組合結(jié)構(gòu)圍堰下部咬合樁結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力fcdmax=13.46 MPa，小于規(guī)范允許設(shè)計值fcd=13.8 MPa，滿足規(guī)范要求。

咬合樁結(jié)構(gòu)，最大變形11.53 mm，小于GB50497—2009《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》一級基坑報警值f0=20～30 mm。因此，組合圍堰下部咬合樁結(jié)構(gòu)滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計安全。

鋼-混組合結(jié)構(gòu)下部咬合樁圍堰應(yīng)力較大，在最高施工控制水位下(267.0 m)，C30咬合樁最大拉應(yīng)力fsd=1.34 MPa

3 結(jié)語

為保證3號主墩圍堰施工順利進行，實際工程中，進一步對咬合樁圍堰進行結(jié)構(gòu)施工監(jiān)控并建立與上游水文站水文信息聯(lián)動等措施，確保施工期間圍堰結(jié)構(gòu)狀態(tài)與施工水位位于可控范圍內(nèi)。

宜賓臨港長江公鐵兩用大橋3號主墩圍堰基礎(chǔ)，施工于2018年11月開始，截至2020年4月，已經(jīng)順利完成下部所有樁基、承臺、塔座施工，并已進入主橋下橫梁施工作業(yè)。3號主墩圍堰施工期間，記錄長江最高水位267.3 m，此期間內(nèi)，圍堰結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)任何異常情況，基礎(chǔ)施工順利完成。