鋼壁混凝土圍堰在大尺寸水中承臺施工中的應用

金曉峰JIN Xiao-feng

（中鐵十七局集團第四工程有限公司，重慶 401121）

0 引言

橋梁施工一直是高速公路項目建設中的重難點，尤其當橋梁跨越較寬的河流時，其水中基礎更是整座橋梁施工中的關鍵。目前橋梁水中承臺基礎往往采用圍堰形式進行支護作業施工，常用的圍堰主要有以下幾種：一是筑島圍堰，該圍堰優點是施工成本低，施工速度快；缺點是只適用于水流較慢且水深較淺的橋梁基礎施工，施工應用范圍窄且對周邊環境會造成一定影響。二是鋼板樁圍堰，該圍堰優點是施工速度較快，安裝和拆除均比較方便，圍堰止水效果好；缺點是對施工區域地質要求較高，不適用于巖層或卵石層地區。三是雙壁箱圍堰，該圍堰適用于水深且地質較硬的水下承臺施工，優點是施工作業應用范圍廣，安全性高，缺點是當承臺尺寸較大時，圍堰材料適用量較大，施工成本較高。因此對于大尺寸水中承臺施工，需要對雙壁鋼圍堰進行加強設計。常規的加強方式一般是增加圍堰支撐體系或者增加圍堰側壁的材料用量，以便增強其剛度和強度，減少圍堰撓度變形，但上述加強設計方案均會增加圍堰的總量，從而增加了施工成本。在合安高速公路五標涪江特大橋施工中，其主跨承臺平面尺寸較大，位置較深，針對上述情況，項目部采用鋼壁混凝土圍堰進行水下承臺施工。由于鋼壁混凝土圍堰剛度及強度較大，圍堰撓度變形小，不但滿足了施工需求，保障了水下承臺施工作業安全，而且大大減少了鋼材的使用量，降低了施工成本，加快了施工進度。通過現場實際應用，鋼壁混凝土圍堰在大尺寸水中承臺支護施工中取得很好的效果。

1 工程概況

合安高速公路涪江特大橋位于重慶市潼南區城西約10km，設計起止里程K73+449.58～K75+390.54，中心里程K74+418.75，全長1940.96m，縱斷面縱坡0.5%～1.2%，墩臺徑向布置，全橋共12聯，孔跨布置為：（62m+110m+62m）+6×（5×30）m+4×30m+3×30m+（100m+190m+100m）+5×27.5m+2×30m，最大墩高32.565m。

橋梁經涪江處以（100+190+100）m連續剛構梁形式跨越，橋位區涪江寬約350m，其中41#、42#主墩位于涪江中，主墩為雙薄壁柔性墩，兩肢凈肢5m，矩形截面，尺寸為1.8×6.5m，倒圓角，41#墩墩高27.2m，42#墩墩高29.0m。基礎采用群樁基礎，左、右幅采用整體式承臺，承臺設計為低樁承臺，尺寸為28m×14m×5m，基礎采用18根直徑2.2m的鉆孔灌注樁，縱向三排橫向六排布置，按嵌巖樁設計，樁長30m。其中41#墩承臺結構尺寸均為28×14×5m，承臺頂標高234.007m，承臺底標高229.007m，承臺厚5m。

2 鋼壁混凝土圍堰結構設計

涪江特大橋41#、42#主墩中，41#墩承臺施工難度最大，因此本文以41#墩承臺為例進行研究。41#墩承臺結構尺寸均為28×14×5m，承臺頂標高234.007m，承臺底標高229.007m，承臺厚5m。鋼壁砼圍堰頂面標高239.007m，底面標高226.507m，總高度12.5m，高度方向分為三節，從下向上為3.5m鋼壁砼圍堰+4.5m鋼壁砼圍堰+4.5m鋼壁砼圍堰。圍堰外邊長寬尺寸30.1m×16.1m，內邊長寬尺寸28.1m×14.1m，壁厚為1.0m。

在鋼壁圍堰內設置兩層內支撐，分別在鋼壁圍堰頂以下1.5m位置和承臺頂以上0.5m位置，內支撐采用Ф630*10mm螺旋鋼管，壁內圍囹采用三拼HM350*250mmH型鋼，連接方式采用焊接，并設置加勁牛腿鋼板。鋼壁圍堰頂1.1m以下部分壁內灌注C30水下混凝土，混凝土頂面設置打樁平臺鋼管樁。

鋼壁圍堰由下到上共分三個節段，底節高3.5m，第二節高4.5m，第三節高4.5m。面板厚度為4mm，刃腳部分面板厚度為8mm。沿內外壁內側布置∠63×63×6mm豎向角鋼作為豎向主龍骨，間距30cm，環向肋采用20cm寬8mm厚鋼板，內外壁之間水平斜桿撐為∠70×70×7mm角鋼。豎向、環向主龍骨與斜撐組成立體桁架，均采用焊接方式，使內外壁形成整體[1]。圍堰結構設計詳見圖1。

3 鋼壁混凝土圍堰應用優點分析

鋼壁混凝土圍堰相比于傳統的雙壁鋼圍堰主要具有以下幾個優點：①鋼壁混凝土圍堰由于采用側壁采用混凝土進行填充，使得圍堰剛度及強度大大增強，尤其在當圍堰平面尺寸較大時，該優勢更為明顯。②鋼壁混凝土圍堰相比于傳統雙壁鋼圍堰，鋼材使用量更少。由于鋼壁混凝土圍堰成形后側壁所承受的彎矩更大，因此相比于傳統雙壁鋼圍堰，鋼壁混凝土圍堰所用鋼材規格及數量可以進一步縮減，圍堰整體造價顯著降低。同時圍堰重量的減少也降低了吊裝安全風險，加快了施工進度。③鋼壁混凝土底節與承臺密貼，施工完成后一般不予拆除，可做為承臺的防沖刷措施，提高主體結構的使用年限。

4 鋼壁混凝土圍堰受力驗算

4.1 主要計算參數

41#墩圍堰平面尺寸30.1m×16.1m，高度12.5m，混凝土壁厚1.0m，混凝土圍堰設計頂面標高239.007m，承臺頂標高234.007m，承臺底標高229.007m，刃腳標高226.507m，封底混凝土厚度2.5m，承臺內設18Φ2.2m樁。

封底砼強度為C30：彈性模量E=3.0×104N/mm2；泊松比ν=0.15；比重ρ=2.30×10-6kg/mm3。承臺尺寸為28m（水流方向）×14m（線路方向）×5m（高度）。

混凝土圍堰采用C30混凝土，砼的重度取γc=23kN/m3。水流速度2.74m/s。

地質資料見表1。

表1 涪江特大橋41#圍堰周邊地層參數表

4.2 圍堰受力荷載取值

圍堰靜水壓力：qjmax=ρgh=0.125N/mm2，根據《公路橋涵設計通用規范》，作用在圍堰上的流水壓力按下式計算：

其中：K—形狀系數，取1.3；γ—水的容重10kN/m3；g—重力加速度10m/s2；ν—平均水流速度2.74m/s；A—阻水面積。

圍堰動水壓力：

圍堰下部土壓力：

封底混凝土浮力：qf=ρgh=0.125N/mm2。

圍堰頂部鋼管墩支撐力：656.6kN。

4.3 鋼壁圍堰受力分析

本計算書采用MIDAS/civil結構計算程序建模分析。其中圍堰完成澆注封底混凝土達到強度，抽水施工承臺時混凝土圍堰受力最大，以此做為最不利工況進行受力分析。

①圍堰拉應力計算（見圖2）。

對混凝土圍堰配置抗拉型鋼后，主壓應力13.86MPa<[σb]=14.3MPa，滿足要求。

②圍堰撓度變形計算（見圖3）。

通過計算可得知，圍堰最大位移2.8mm<14100/400=35.25mm，滿足要求。內支撐組合應力98.1<145MPa，剪應力25.8MPa<85MPa，滿足要求。

③圍堰整體抗浮驗算。

封底混凝土為C30混凝土，厚度為2.5m，有效計算厚度2.5m，圍堰尺寸：30.1m×16.1m；樁基施工外徑為2.5m，共18根；基坑深取12.5m計算。鋼與混凝土、混凝土與混凝土粘結力：一般取120kN/m2；混凝土容重：23kN/m3；水的容重：10kN/m3；圍堰封底混凝土底標高：226.507m。

水的浮力：P=ρghs=10×12.5×28.1×14.1=49526.3kN

封底砼自重：G=ρv=23×（28.1×14.1-18×3.14×2.52）×2.5=2470.2kN

封底砼與樁基的粘聚力：N1=18×3.14×2.5×2.5×120=42390kN

封底砼與鋼板的粘聚力：N2=（28.1+14.1）×2×2.5×120=25320kN

則抗浮安全系數為：K=（G+N1+N2）/P=（2470.2+42390+25320）/49526.3=1.42＞1.2

封底混凝土抗浮滿足要求[2]。

5 鋼壁混凝土圍堰主要施工工藝

5.1 施工工藝流程

圍堰分塊制作→承臺基坑開挖→底節鋼壁圍堰拼裝→底節圍堰下沉→第二節鋼壁圍堰接高→第二節圍堰下沉→第三節鋼壁圍堰接高→第三節圍堰下沉→圍堰精確定位→澆筑圍堰內混凝土→搭設鉆孔平臺→圍堰封底混凝土澆筑→基礎施工。

5.2 鋼壁圍堰加工制作

鋼壁鋼圍堰在涪江大里程岸上現場加工場進行加工,為保證鋼圍堰加工精度，每塊圍堰均在胎模上進行制作加工，確保每個連接面結構的準確性以及拼裝后整體幾何形狀的準確性。圍堰焊接完成后對所有結構焊縫進行檢查，內、外壁板對接焊縫必須通過煤油滲透試驗[3]。

5.3 承臺基坑開挖

充分利用因下游水利施工涪江水位下降時期的寶貴時間段，在承臺位置駐島開挖圍堰范圍內的卵石層，清理之前需對承臺鋼圍堰范圍位置及標高進行精確控制，確保清底后河床表面平整。

5.4 鋼壁圍堰拼裝、下放

底節鋼壁圍堰拼裝平臺采用浮箱方式搭建。浮箱采用直徑2.5m鋼護筒加工制作而成，在鋼護筒兩端焊鋼板形成密閉浮箱，在鋼護筒上預留注水管孔與排氣管孔。鋼護筒之間采用I22工字鋼連接形成一個拼裝平臺。在拼裝平臺浮箱頂中部鋪設工字鋼做為鋼壁圍堰刃角支撐，將底節鋼壁圍堰分塊吊裝至浮箱工字鋼上進行拼裝。在浮箱平臺上完成底節鋼壁圍堰拼裝后，確定焊縫不透水后，向浮箱內同步注水，使浮箱下沉后與鋼壁圍堰脫離，實現底節鋼壁圍堰自浮在基坑內，鋼堰自浮后利用島四角的定位鋼管樁將圍堰初步固定。第二節和第三節圍堰采用上述方法拼裝焊接接高。

5.5 鋼壁圍堰內支撐安裝

在鋼壁圍堰內設置兩層內支撐，分別在鋼壁圍堰頂以下1.5m位置和圍堰頂以下4.5m位置，內支撐采用Ф630*10mm螺旋鋼管，壁內圍囹采用三拼HM350*250mmH型鋼，連接方式采用焊接，并設置加勁牛腿鋼板。首先安裝下層內支撐，然后安裝上層內支撐，內支撐在岸上加工成成品，運輸至現場，安裝采用50t履帶吊吊裝進行，安裝時要嚴格控制安裝位置與焊接質量，避免與鋼護筒相互干擾。

5.6 鋼壁圍堰整體定位、下沉

鋼圍堰整體下沉前對基坑進行一次全面的測量，確保圍堰各項參數符合要求。鋼圍堰先用手拉葫蘆進行粗略定位，然后向壁內均勻對稱注水下沉，并用全站儀不間斷進行定位測量，手拉葫蘆進行調整。待鋼壁圍堰刃角離基坑底設計著床標高1m時，用全站儀進行精確定位測量，每下沉10cm測量、調整一次，確保圍堰各項指標滿足要求。

5.7 鋼壁圍堰壁內砼澆筑

圍堰著床后，立即澆筑圍堰壁內混凝土，以增加圍堰剛度，提高圍堰穩定性。混凝土灌注高度至圍堰頂下口1.1m位置，采用導管法水下灌注，每個隔倉內設2個灌注點。灌注時壁內水采用抽排至沉淀池的方式，防上水泥漿污染河道，并在設計位置預埋鉆孔平臺鋼管樁。灌注過程要對稱緩慢，防止導管等碰撞圍堰，過程中加強對圍堰的監測。混凝土初凝后，對圍刃角部份采用卵礫石進場回填。

6 安全質量保障措施

①從事水上施工的人員必須明確了解所從事作業的安全注意事項，工作中服從指揮，切不可違章冒險作業。作業的人員必須按規定穿戴好勞動防護用品，穿好救生衣，并在欄桿上設置救生衣和救生圈。②鋼壁圍堰采用的鋼材和焊接材料的品種規格、化學成份及力學性能必須符合設計和有關技術規范的要求，具有完整的出廠質量合格證明。③鋼壁圍堰吊裝過程中必須安排專人進行監控，施工作業區內嚴禁其他人員進入，在圍堰下沉過程中，任何人員不得在圍堰頂部。④施工作業場所和救生船舶上配備的救生設備要妥善保管，愛護使用，除用于救人以外任何人不得借故移作他用，嚴禁擅自移動。

7 結束語

通過采用鋼壁混凝土圍堰對大尺寸水下承臺進行支護施工，充分利用圍堰剛度大的優點，減少了圍堰撓度變形，不但滿足了施工需求，保障了水下承臺施工作業安全，而且大大減少了鋼材的使用量，降低了施工成本，加快了施工進度。通過現場實際應用，鋼壁混凝土圍堰在高速公路大尺寸水中承臺施工支護中取得很好的效果，也為后續類似施工提供了借鑒和參考。