贺祚
【摘 要】东湖大桥基础为岩石,综合考虑施工技术、造价和工期等因素,最终确定了水下爆破围岩、壁间灌注混凝土的双壁钢围堰作为最终施工方案.详细设计了双壁钢围堰的平面尺寸和细部结构,并且确定了相应的施工步骤,保证了围堰的稳定.此外,对围堰进行了有限元整体建模和计算,得到了围堰在最不利工况下的应力和变形,并且围堰的变形与施工过程中的实测围堰收敛值相差很小,表明有限元模型较准确地模拟了围堰的应力状态.
【期刊名称】《国防交通工程与技术》 【年(卷),期】2017(015)006 【总页数】5页(P54-56,59,63)
【关键词】双壁钢围堰;施工方案;建模计算 【作 者】贺祚
【作者单位】中铁十八局集团第五工程有限公司,天津300459 【正文语种】中 文 【中图分类】U443.162
武广高速铁路东湖特大桥位于武汉市洪山区森林公园内，该地区地貌以平坦开阔的东湖湖面以及二级阶地为主，阶地中分布有剥蚀丘陵。枯水季节，东湖水域水深均小于12 m，桥梁跨经东湖水域后，沿吹笛山西麓从吹笛山、大鱼山两丘之间穿过，跨经东都陈村平坦开阔的二级阶地，止于刺山西北侧。高速铁路跨越东湖的大桥采
用钢管混凝土提篮拱桥型，桥位主墩位于东湖水域，主墩位置水深6～8 m，主墩位置湖底为较高强度岩石(属于三类岩石)，表面有约1 m厚度的风化层和大约20 cm厚度的淤泥层，并且桥下有规划待建的天兴洲大桥引桥通过。
东湖大桥位于DK1198+194.67～DK1200+420.78处，全长2 224.11 m，桥式为29孔32 m简支箱梁、1-112 m下承式提篮拱、35孔32 m简支箱梁，主桥为112 m跨度的提篮拱。主桥的下部结构：钻孔灌注桩基础，设计为∅1.8 m钻孔桩，为嵌岩桩；承台为矩形截面，高度3.0 m；29#、30#主墩墩身高度分别为16.0 m、17.0 m，桥墩为圆端形钢筋混凝土结构。主桥的上部结构：112 m跨度的下承式钢管混凝土提篮拱，全长116 m，计算跨长为112 m，矢跨比为f/l=1∶5，拱肋平面内矢高22.4 m，拱肋采用悬链线型；拱肋横截面采用哑铃形钢管混凝土截面，截面高度h=3.0 m,沿程等高布置，钢管直径为1.2 m，由厚18 mm的钢板卷制而成，拱顶处两拱肋中心距离9.19 m，拱脚处两拱肋的中心距为16.20 m。拱桥的系梁采用单箱三室预应力混凝土箱形截面，桥面宽度为17.8 m。 2.1 支护方案的确定[1-4]
东湖大桥的29#和30#桥墩的桩基础形式为低桩承台桩基础，由于桥梁地基为三类围岩，岩石表层仅有大约1.0 m厚度的弱风化层，下面为强度很高的岩层，无法使用冲击钻，桩基础施工采用了传统的旋挖钻孔、泥浆护壁、水下浇筑混凝土的施工技术。由于承台底面位于弱风化岩表面下0.5 m位置，需要设计支护方案，创造一个无水的空间才能立模浇筑混凝土。为了确定水中承台施工的支护形式，需要结合水深、地质条件、环境保护要求，并且考虑工程造价等因素确定合理的挡水支护结构。
由于东湖特大桥主墩位置的湖水流速不快，根据水文资料，施工季节水流最大速度不超过1.1 m/s，因此考虑可以进行抛石筑岛作业。但是考虑桥址处水深较大，筑岛围堰需要抛填大量的土石方，造价比较高，而且施工结束后还需要把土石方清除
掉，费时费力；另一方面由于湖中有多种鱼类，抛石筑岛施工也会影响鱼类生存环境，对生态造成一定的破坏。基于以上考虑否决了筑岛支护方案。
如果不筑岛，就得考虑在水中设置便于拆除的支护结构，可以采用钢板桩围堰或者双壁钢围堰进行支护。由于湖底岩石坚硬，钢板桩无法直接打入，如果采用钢板桩就需要先开槽然后才能插入钢板桩，在坚硬的岩石中进行水下开槽作业，施工难度比较大，工期也会延长，同时钢板桩的止水效果也比较差。双壁钢围堰刚度大，封水效果好，但是由于河床为岩石，双壁钢围堰也存在无法切入河床的问题。经过以上分析，问题的关键是钢围堰如何打入或者切入河床。经过和相关爆破施工技术人员研究探讨，经过综合权衡施工造价、施工难度和施工工期的要求，最终决定采用双壁钢围堰的支护方案。 2.2 双壁钢围堰详细方案 2.2.1 设计方案
由于承台为矩形结构，所以采用的双壁钢围堰也是矩形结构。此外，考虑到桥墩和梁体施工需要设置塔吊，根据塔吊安装施工方提供的数据，塔吊基座中心线距离连续梁外边缘2.5 m，塔吊支座基础设计平面尺寸为5.0 m×5.0 m，塔吊的基础有一部分与承台区域重合，这就需要把承台和塔吊的基座与承台做成一体。根据桥梁主墩基础矩形承台横截面尺寸为12.2 m×9.4 m，考虑塔吊基座的尺寸后，大承台的截面轮廓外尺寸为13.7 m×9.4 m，由于围堰下沉和定位有可能偏移，考虑每侧20 cm的误差，实际围堰的内部净尺寸为14.1 m×9.8 m；双壁钢围堰内外壁中心距为1.0 m。普通涨水位25.26 m，考虑施工避开洪水季节，基于安全，围堰顶面位于该水位以上2.145 m。双壁钢围堰的外轮廓尺寸即为16.1 m×11.8 m×11.7 m。围堰构造如图1所示。
双壁钢围堰主要材料的参数如下：内外壁板，6 mm厚钢板；水平环板，14 mm厚钢板，共10道；隔舱板，14 mm厚钢板，共12道；水平桁架，L100×10角
钢；壁板竖向竖肋和隔舱板水平加劲肋，L75×50×6角钢；角撑，直径400 mm×壁厚6 mm的钢管，距离围堰顶面2.3 m、5.7 m。其中，水平环板的竖向间距为1.2 m，浇筑壁间混凝土区域间距为1.4 m；竖肋角钢间距为40 cm。为了防止角撑使得壁板产生局部的较大变形，角撑位置设在水平环板位置。 2.2.2 施工方案
对于围堰的施工过程，经过和爆破技术人员沟通并且考虑到防止围堰在流水压力作用下发生水平位移，最终的双壁钢围堰支护方案施工步骤如下：
(1)首先采用水下定向爆破技术对承台区域的岩石进行爆破作业。考虑到封底混凝土的厚度2.0m，爆破的高程为承台底部向下2.0 m的标高位置。由于顺桥向线路的右侧开挖线距现有钢便桥作业平台边缘仅50 cm，爆破作业方案要充分考虑爆破对钢便桥的影响，避免钢便桥受到损坏。
(2)爆破作业完成后清除爆破产生的碎石和石渣。由潜水员在水下检查爆破后的高程，并且清理出围堰刃脚区域的碎石，保证围堰刃脚范围内的爆破面大致水平。 (3)使用大型浮吊安装双壁钢围堰。在围堰下沉过程中，如果围堰顶面出现倾斜，则需要在相应隔舱内注水，保证围堰顶面大致水平，当围堰下沉到爆破后的岩面位置后及时复测围堰的平面位置。
(4)围堰安装到位后，在隔舱内注水直到与堰外水位齐平，然后应迅速在双壁之间水下灌注混凝土，使混凝土的标高到承台顶面位置，增加围堰的重量，防止因为水流作用导致围堰发生水平滑移。 (5)水下浇筑2.0 m厚度的封底混凝土。 (6)围堰内抽水，边抽水边施工内撑钢管。
(7)以围堰内壁作为模板，施工承台以及施工水位以下的墩身部分。
(8)在围堰内注水，注水到相应位置时拆除相应的角撑，继续注水直到堰内水位与堰外水位标高相同，水下割除双壁钢围堰并吊装运走。
由于双壁钢围堰为复杂的空间结构，其实际的应力状态比较复杂，传统的简化计算无法得到准确的计算结果。为了获取双壁钢围堰比较准确的应力状态，保证施工过程中支护结构的安全可靠，对该双壁钢围堰采用Midas civil 2013进行整体建模分析。根据结构的特点，围堰的内外壁板和隔舱板采用板单元模拟，水平环板、水平桁架、竖肋角钢、内撑钢管采用梁单元进行模拟，围堰下部承台高度范围内采用实体单元模拟(壁间浇筑了混凝土)。由于，抽水时围堰已经封底，并且壁间也浇筑了混凝土，因此边界条件采用了固定端约束。最终的结构有限元模型共建立了梁单元17 920个、板单元26 496个、实体单元17 920个。根据施工工序，主要的计算工况有如下3个：
(1)工况1抽水到距离围堰顶2.6 m，割除水面以上的钢护筒，并加第1道角撑(距离围堰顶2.3 m)。
(2)工况2抽水到距离围堰顶6.0 m，割除水面以上的钢护筒并加第2道角撑(距离围堰顶5.7 m)。
(3)工况3抽水到封底混凝土顶面高程，施工承台和墩身。
各个工况下，围堰所受荷载为水压力，迎水侧为动水压力叠加静水压力，其他各边为静水压力，其中静水压力按照流速1.1 m/s计算。如果该施工工况围堰内有水，相应工况内壁的壁板承受相应水位的静水压力。计算采用极限状态法，水压力荷载乘以1.2的荷载安全分项系数，最终的计算结果表明工况3结构的受力最大。篇幅所限这里只给出了工况3的计算结果，如图2所示。
从图2可以看出，结构的最大组合应力如下：壁板，σmax=141 MPa<钢材抗拉强度设计值fs=215 MPa，满足要求。隔舱板，σmax=51.8 MPa 位移计算结果如图4所示。从图4可以看出，围堰结构的最大水平位移在长边，最大值为4.61 mm。位移限值可以参照《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120—2012)的规定，即：fmax=4.61 mm<80 mm(0.01倍的基坑深度97 mm和80 mm的较小者)，位移亦小于控报警值30 mm，所以变形满足要求。 针对武广高铁东湖大桥桥址处基础为坚硬岩石的具体地质条件，对施工难度、工程造价、工期要求进行了综合分析和研判，最终确定了水下爆破围岩、壁间灌注混凝土的双壁钢围堰作为最终的施工方案。目前该围堰已经拆除完毕，在施工过程中围堰没有发生水平位移，实测围堰壁板的最大水平位移为3.9 mm，与计算结果4.61 mm基本吻合。 【相关文献】 [1]尤丁剑．流江河 1#桥深水桩基础填充式双壁钢围堰设计[J]．铁道建筑， 2009(05)： 26-27 [2]宋华清，唐 衡，林道锦．嘉绍大桥主墩双壁钢围堰施工技术[J]．桥梁建设， 2012，42(04)：100-106 [3]魏贤华．水中裸露基岩中大直径双壁钢围堰施工技术[J]．铁道建筑技术， 2009(03)：28-33 [4]李军堂，秦顺全．天兴洲长江大桥主墩双壁钢围堰基础施工的技术创新[J]．世界桥梁， 2006(02):17-19 [5]铁道部第四勘测设计院．桥梁墩台[M]．北京:中国铁道出版社，1997 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容