雙壁鋼圍堰施工風險及抗浮穩定性分析

羅亮

隨著我國橋梁工程的建設，雙壁鋼圍堰得到了廣泛的應用，因為在進行深水橋梁基礎施工時，該結構具有很大的優勢，但由于雙壁鋼圍堰缺少技術規范以及施工經驗，導致該結構在施工過程中出現了許多安全事故，造成了經濟損失。因此文章針對該現象進行了研究，主要內容有：施工風險分析、施工風險控制、雙壁鋼抗浮穩定性分析。通過以上內容的分析對雙壁鋼圍堰施工提出了風險控制措施，并對穩定性進行分析。因此文章為該類問題提供了理論依據和風險控制辦法。

圍堰種類大致可以分為兩類：一類是利用鋼板進行焊接的雙壁鋼圍堰；另一類是鎖口鋼管樁圍堰。目前我國對圍堰的研究取得了一些成果。胡啟生等人通過對橋梁基礎施工時，雙壁鋼圍堰的作用機理研究，分析了雙壁鋼圍堰的穩定性，為該結構的應用起到了推廣作用，同時也對該技術的發展方向和應用前景進行了相應的分析。李云飛通過分析表明了雙壁鋼圍堰施工全過程的關鍵技術，為該技術提供了完整的技術資料。叢義營，孫曉容通過對雙壁鋼圍堰的研究，介紹了雙壁鋼圍堰施工的精確控制技術，為該技術的應用節約了較大的成本。王沖等人通過對雙壁鋼圍堰研究，分析了雙壁鋼圍堰結構的變形和應力，并進行了有限元分析。通過以上研究使雙壁鋼圍堰技術得到了推廣。

一、施工風險分析

1.工程概況

文章所依托工程為某主橋結構，該橋梁采用雙塔斜拉橋，結構為半漂浮體系。橋跨結構布置：4×57.5+730+4×57.5=1190m，橋梁共 9 跨。該橋主墩施工應用圓形雙壁鋼圍堰?？傮w布置如圖1所示。

圖1 總體布置圖

2.模糊故障樹法

文章在通過對雙壁鋼圍堰風險分析時，雙壁鋼圍堰在施工時，有較大風險的施工工序是通過施工流程和危險發生的程度確定的，存在風險的施工工序有：雙壁鋼圍堰結構的制造、圍堰的運輸和下放施工、澆筑封底的混凝土。雙壁鋼施工風險分析通過模糊故障樹法進行，該方法中的頂事件為雙壁鋼圍堰施工事故。中間事件為雙壁鋼圍堰施工工序。故障樹的底事件是將中間事件分解，確定施工工序下存在的風險。通過對以上內容的分類和相關內容分析繪制出結構的施工風險模糊故障樹。風險模糊故障樹如圖2所示。

圖2 模糊故障樹圖

二、施工風險控制

1.制作工程控制

雙壁鋼圍堰進行焊接時，造成質量不符合要求的因素有：環境原因、技術人員原因、制造胎架剛度原因、尺寸偏差原因等。針對該現象采取的措施有：

（1）圍堰焊接技術人員應技術嫻熟，具有作業資質。

（2）進行焊接時，對環境的要求是：溫度大于等于5℃，濕度小于等于80%，雨天不能進行露天焊接，當環境達不到規定要求時，需采取保護措施。

（3）圍堰制作前，應進行焊接試驗，保證焊接的工藝。雙壁鋼圍堰壁的平面尺寸很大，因此在進行焊接時應對焊縫引起的收縮值進行測試，保證其符合規定要求。

（4）焊縫施工完成后應對該工藝進行質量驗收，檢查外觀是否有裂紋、焊瘤以及漏焊的情況。同時應對焊縫進行超聲波探傷。

2.下沉過程控制

雙壁鋼圍堰在下沉過程中會出現的主要問題有：定位控制不到位，圍堰著床位置不符合設計要求，最終導致傾覆。因此雙壁鋼圍堰下沉和著床時應進行以下控制，來保證雙壁鋼圍堰著床的精度。

（1）圍堰在進行下放前，應與氣象部門進行必要溝通，避免施工條件過于惡劣，施工環境較差。

（2）雙壁鋼圍堰下沉前應對河床的標高進行測量，掌握河床的高差情況，防止結構著床后出現傾斜和偏位。同時應對河床進行清淤，對圍堰四周高差較大的地方進行整平。

（3）圍堰將進入覆蓋層時，刃角處應進行混凝土的灌注，可以增加結構的剛度和強度。當圍堰下沉困難時，可利用反壓、射水等進行輔助。當圍堰著床后，對結構的高程及垂直度進行復測，規定要求：垂直度的偏差小于等于 H/300；圍堰頂面標高的偏差值為正負30mm。

三、抗浮穩定性分析

1.有限元分析

文章通過有限元方法對雙壁鋼進行分析，根據該情況進行工況設置：

工況一：鋼圍堰的內外水頭差為20m，所受浮力值大小為295208KN，圍堰的自重來平衡浮力。

工況二：鋼圍堰內外產生的水頭差值為27.68m，所受浮力值大小為408585.47KN。圍堰的自重來平衡浮力，達到平衡狀態時，封底混凝土開始抵抗浮力。

工況三：鋼圍堰內外產生的水頭差值為40m，所受浮力值大小為590416KN。該工況下，圍堰自重與封底混凝土及鋼護筒的粘結力共同抵抗浮力。

工況四：鋼圍堰內外產生的水頭差值為51.46m，所受浮力值大小為759573.20kN。在此工況下，圍堰處于極限平衡狀態。

針對以上四種工況建立有限元模型，具體如圖3所示。封底混凝土以及夾艙混凝土型號為C30，樁基混凝土型號為C35，鋼護筒鋼材采用Q235。

圖3 雙壁鋼圍堰抗浮分析圖

2.安全系數取值

不同規范中安全系數的取值不相同，因此對取值進行了分析如表1所示。

表1 安全系數對比表

（1）安全性分析

在最不利工況下，對雙壁鋼圍堰封底混凝土的主拉應力和主壓應力進行計算可知：封底混凝土的主拉應力小于C30混凝土抗拉強度設計值，即各值均小于1.39MPa；封底混凝土的主壓應力最大值比抗壓強度設計值小，即5.6MPa<13.8MPa。當雙壁鋼圍堰抗浮穩定性安全系數取為1.15 時，混凝土厚度為7.75m。最不利工況下，樁基最大反力為12227.6KN,樁基與混凝土的允許粘結力為13651.94KN，此時安全系數1.11<1.15，說明雙壁鋼圍堰的安全性滿足要求。

（2）經濟性分析

雙壁鋼圍堰安全系數為1.0時，混凝土厚度為6.23m，封底混凝土為7422.7m3；

雙壁鋼圍堰安全系數為1.15時，混凝土厚度為7.75m，封底混凝土為9233.73m3?；炷翝仓吭黾恿?4.4%。不會造成材料的浪費。

四、結語

本文通過對雙壁鋼圍堰進行分析得出以下結論：

（1）雙壁鋼圍堰的施工風險分析可以采用模糊故障樹法。風險控制可分為雙壁鋼圍堰制作時的控制和下沉時的控制。

（2）文章通過實際工程設置不同工況對抗浮穩定性進行分析，在最不利工況下進行安全性和經濟性分析，當安全系數為1.15時，即滿足安全性要求也滿足經濟性要求。