近海公鐵兩用橋組合樁圍堰施工技術研究

顧建華

（廣東廣珠城際軌道交通有限責任公司，廣東 珠海 510335）

為了聯通不同城市，近年來公鐵兩用橋快速發展。公鐵兩用橋基礎距離近，進行異形圍堰施工時，常見的鋼板樁圍堰整體剛度小、抗動水作用和抗沖刷能力差，難以達到水下基礎施工要求[1-2]。采用鋼管樁圍堰施工則會增加工程成本，連接處止水要求高，施工難度大[3]。吳玲正[4]采用帽型-H型組合鋼板樁圍堰對深中通道東泄洪區非通航孔橋的整幅式橋墩施工進行優化。黃厚卿等[5]在伶仃洋大橋東錨碇采用“鎖口鋼管樁+工字型板樁+平行鋼絲索”組合式筑島圍堰結構，提高了施工效率。蔣海濤[6]對深水淺覆蓋層河床條件橋梁圍堰進行研究，設計了新型鎖扣鋼管樁內支撐結構形式。劉勇等[7]采用“混凝土咬合樁+雙壁鋼圍堰”混合結構圍堰施工方案，保證了深水急流條件下的圍堰穩定。文章以金海特大橋主墩為研究對象，采用Midas GTS軟件在不同工況下對鋼管樁+鋼板樁圍堰施工工程中的彎矩、位移、軸力以及剪力等進行分析。結果表明，鋼管樁+鋼板樁圍堰方案可以提高整體結構剛度，減少施工期間彎矩以及水平位移，有效控制水下土壓力和動靜水作用的綜合影響，提高構件重復利用率，降低施工要求和成本。

1 工程概況

1.1 工程背景

金海公路大橋是珠海市道路網、“五縱四橫高速公路”中的重要組成部分。金海特大橋為雙向六車道的一級高速公路，設計速度為100 km/h，是我國最長的水上公鐵兩用橋，全長為11.2 km。主橋為連續梁拱結構[9]，其橋跨布置為（90+180+90）m，上部采用分離式單幅橋，其橋面寬度為16.25 m[8]。

1.2 水文地質條件

珠海市位于北回歸線以南，地處南海之濱，屬亞熱帶季風氣候，海洋對本地氣候的調節作用明顯，常受臺風影響。臺風在每年7—9月登陸最多，而由臺風引起的增水，在最大風速下可達約2.0 m。

金海公路大橋所處場區為海積地貌。從上到下土層依次為淤泥質黏土、黏土夾砂、二長花崗巖、云母花崗巖。海陸相沉積的淤泥質黏土、黏土夾砂等δ0為40～200 kPa；花崗巖全風化層巖土δ0為200～250 kPa；強至弱風化巖體巖土δ0為500～1 000 kPa。

2 組合樁圍堰結構計算

金海大橋主墩基礎采用“先平臺后圍堰”的施工方法。主橋下鐵路墩和公路墩采用鎖口鋼管樁+鋼板樁圍堰施工，鋼管樁規格為Ф720 mm×10 mm，鋼板樁規格為拉森Ⅳ型鋼板樁。鐵路墩設四層圈梁及內支撐，公路墩設三層圈梁及內支撐，前三層圈梁及內支撐標高相同。在考慮實際地質情況下，鋼板樁以及鋼管樁長度為36 m。

2.1 組合鋼板及鋼管樁參數

鋼板樁以及鋼管樁截面尺寸及單根材截面特性如表1所示。

表1 鋼板樁以及鋼管樁截面尺寸及單根材截面特性

組合樁（鋼板樁+鋼管樁）截面參數如圖1所示。

圖1 組合樁（鋼板樁+鋼管樁）截面參數（單位：mm）

2.2 荷載參數

圍堰驗算主要考慮靜水壓力、土壓力以及地震作用的影響。淤泥土層容重為17 kN/m3，內摩擦角為4°，黏聚力為5 kPa；碎石土層容重為20 kN/m3，內摩擦角為36°，無黏聚力。根據《中國地震動參數區劃圖》（GB 18306—2015）確定地震動參數。地震動峰值加速度取0.1g，地震動反應譜特征周期為0.35 s，基本烈度選取Ⅵ級。通過提高水位增加靜水壓力顯示臺風對圍堰的影響程度。

2.3 計算工況

工況1：利用吊掛系統安裝第一層圈梁及內支撐后，圍堰內水下清淤至-7.0 m，準備安裝第二層圈梁及內支撐（保持內外水頭平衡）。

工況2：圍堰內繼續水下清淤至-9.0 m，準備安裝第三層圈梁及內支撐（保持內外水頭平衡）。

工況3：公路左右浮墩水下清淤至墊層底，準備澆筑墊層（保持內外水頭平衡）。

工況4：鐵路墩圍堰繼續水下清淤至-12.0 m，準備安裝第四層圈梁及內支撐（保持內外水頭平衡）。

工況5：鐵路墩水下清淤至墊層底，準備澆筑墊層（保持內外水頭平衡）。

工況6：公路墩墊層施工完成，達到設計強度后圍堰內抽水，準備澆筑第一層承臺。

工況7：鐵路墩墊層施工完成，達到設計強度后圍堰內抽水，拆除第四層圈梁及支撐，準備澆筑第一層承臺。

工況8：第一層承臺砼達到設計強度后，在第一層承臺頂部澆筑0.3 m厚砼圈梁，拆除第三層圈梁及支撐，準備澆筑第二層承臺。

工況9：第二層承臺砼達到設計強度后，在第二層承臺頂部澆筑0.3 m厚砼圈梁，拆除第二層圈梁及支撐，準備上部結構施工。

3 結果分析

對9種工況下組合樁圍堰的內側土反力、最大水平位移、最大彎矩以及抗隆起系數驗算分析。

不同工況下圍堰各項最大參數如表2所示。

表2 不同工況下圍堰各項最大參數

工況1～5為墊層施工前的工況，外部水壓力以及土壓力對圍堰影響較大，需要考慮內側土反力以及抗隆起系數。其余4種工況下結構內部可以達到內力自平衡，故外部水壓機土壓力不做考慮。與工況1相比，工況2～5的內側土反力均呈下降趨勢，最大下降13.2%，均小于被動土壓力標準值。抗隆起安全系數整體也呈下降趨勢，最大降幅為8.2%，安全系數均高于規范要求的1.2。最大水平位移呈現先增大后減小再增加的趨勢，最大位移出現在工況4，且均滿足最大水平位移規范要求的80 mm。最大彎矩在工況1～5與工況6～9均呈現先增后減的趨勢。最大值出現在工況4，因此工況4需要在施工現場重點監控。

鋼板樁+鋼管樁組合圍堰內部最多采用四層內支撐，分別驗算其軸力、彎矩、剪力以及變形。

第一層內支撐最大應力在工況9中，第二層內支撐最大軸力在工況8中，第三層內支撐最大軸力在工況7中，第四層內支撐最大軸力在工況5中，且第三層內支撐的最大軸力、最大彎矩、最大剪力以及最大變形量最大，但均滿足規范要求。最大位移出現在上部是由于內支撐層數越大，距離下部土體越近，外圍土體和水的共同作用下彎矩、剪力和變形都會增大，從而導致位移最大。

不同層內支撐所受各項最大參數如表3所示。

表3 不同層內支撐所受各項最大參數

文章建立有限元模型模擬分析各工況下外部組合樁、圈梁和內支撐的應力以及水平位移。且三者的X向水平位移均較大于Y向，最大位移均在組合圍堰結構X方向的兩端中間部位上側，且最大位移數值為18.78 mm。

組合樁X向水平位移如圖2所示。

圖2 組合樁X向水平位移

組合樁應力云圖如圖3所示。

圖3 組合樁應力云圖

上下兩側的壓應力較小，位于第二層內支撐上部位置所受拉應力最大，最大值為74.7 MPa。內支撐所受應力均超過圈梁所受應力，最大值出現在工況6的第二道內支撐的斜撐處，最大值為85.2 MPa。整個結構組合圍堰結構應力均小于材料的容許應力值，鋼板樁、鋼管樁組合圍堰的最大變形小于容許撓度值L/400，滿足規范要求。

4 結語

針對近海公鐵兩用大橋基礎施工存在的受力情況復雜、施工難度大、工期較長等問題，提出鋼管樁+鋼板樁組合圍堰施工方案，采用Midas GTS軟件驗算得到以下結論：鋼管樁+鋼板樁組合圍堰在整個施工過程中均滿足規范要求，具備較高的安全性；在安裝第一層圈梁及內支撐后，重點監測內側土反力，在準備安裝第四層圈梁及內支撐之前，重點監測水平位移以及圍堰產生的彎矩；圍堰內部布置四層內支撐及圈梁，圍堰長、短邊方向的最大變形均位于堰體中心；第二道圈梁及內支撐的應力大于第一道圈梁及內支撐，最大應力值出現在斜桿位置處；最大變形以及最大應力處在施工中需要重點監控，以確保施工質量。