陳佛賜

摘 要：香溪河大橋工程5#橋墩施工區(qū)間水位變化幅度大，低水位時(shí)承臺(tái)完全露出水面，高水位時(shí)承臺(tái)淹沒，水深達(dá)20m左右，該墩位交通條件較好，地勢平坦，其承臺(tái)施工開采用鋼套箱圍堰的施工方案，并根據(jù)鉆孔樁的施工進(jìn)度的實(shí)際情況計(jì)算各種工況，確保材料經(jīng)濟(jì)和結(jié)構(gòu)安全。

關(guān)鍵詞：斜拉橋；基礎(chǔ)施工；套箱圍堰；各種工況；設(shè)計(jì)計(jì)算

1 工程概況

香溪河大橋采用主跨為470m雙塔雙索面混合梁斜拉橋，橋面寬度23m，雙向四車道。其中5#主塔墩承臺(tái)采用直徑為30m的圓形承臺(tái)，厚度7m，承臺(tái)底標(biāo)高+154.0m，其下布置18根直徑3.0m的鉆孔灌注樁，樁長83m；墩位處地面標(biāo)高+153.0m左右。墩位處每年6月至8月處于低水位（+150.0m以下），9月中旬開始漲水，9月底水位漲至173.3m左右，承臺(tái)結(jié)構(gòu)圖見圖1。

2 圍堰設(shè)計(jì)的基本思路

2.1 圍堰結(jié)構(gòu)尺寸的擬定

施工期間最高水位為173.3m，為了保證塔墩結(jié)構(gòu)出水，便于后期塔柱施工，圍堰頂部的標(biāo)高擬定為174m，承臺(tái)底標(biāo)高為154m，初步考慮封底混凝土3m左右，圍堰的底標(biāo)高擬定為150.9m，因此可初步確定圍堰的總高度為174-150.9=23.1m。5#承臺(tái)的平面尺寸為直徑30m的圓，設(shè)計(jì)圍堰時(shí)考慮圍堰需要兼做承臺(tái)模板，因此采用圓形圍堰，擬定圍堰輪廓內(nèi)半徑尺寸比承臺(tái)的半徑輪廓大0.1m，即套箱圍堰的內(nèi)徑為30.2m，套箱圍堰的壁厚擬定為1.2m，即套箱圍堰的外徑為32.6m，最后擬定的整個(gè)套箱圍堰的結(jié)構(gòu)尺寸為：32.6m（外徑）×23.1m（高度）。

2.2 套箱圍堰的分節(jié)、分塊

套箱圍堰的分節(jié)要充分考慮圍堰的制造和安裝需要，特別是要根據(jù)現(xiàn)場的施工條件，機(jī)械配置和工期要求等進(jìn)行綜合考慮。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，圍堰擬采用圓形鋼套箱圍堰，豎向共分底節(jié)、中間節(jié)及頂節(jié)三節(jié)，并分別來確定各節(jié)的高度。按照5#墩的施工計(jì)劃安排，其鉆孔樁的完成時(shí)間在6月底左右，此時(shí)正值低水位期，因此可充分利用7月-8月兩個(gè)月枯水期進(jìn)行承臺(tái)施工，因此圍堰分節(jié)的設(shè)想是底節(jié)套箱圍堰兼做承臺(tái)模板，同時(shí)必須保證能滿足承臺(tái)施工的需要，由于承臺(tái)頂標(biāo)高為161m，因此暫定底節(jié)圍堰的標(biāo)高和承臺(tái)頂相同，底節(jié)圍堰圍堰的高度為161-150.9=10.1m，為雙壁鋼圍堰。中節(jié)和頂節(jié)圍堰是為了保證塔墩施工期間處于無水狀態(tài)，為了保證塔墩出水的需要，并根據(jù)現(xiàn)場水位上漲的情況，擬定中間節(jié)高度為8.5m，為雙壁鋼圍堰，頂節(jié)圍堰高度為4.5m，為單壁鋼圍堰。

2.3 圍堰的安裝

圍堰采用分塊拼裝的方法進(jìn)行，底節(jié)、中間節(jié)圍堰、頂節(jié)圍堰均等分為12個(gè)節(jié)段，最重節(jié)段不超過30t，小里程側(cè)主要利用150t浮吊進(jìn)行拼裝，大里程側(cè)利用50t履帶吊進(jìn)行拼裝。具體施工時(shí)要求在水位上升至+152.00m之前完成圍堰基礎(chǔ)及底節(jié)圍堰、封底混凝土施工的施工；在水位上升至161.00m之前完成承臺(tái)和中節(jié)圍堰的安裝施；最后在水位上升至+169.00m之前完成上節(jié)圍堰安裝。

2.4 鋼套箱圍堰的總體構(gòu)造

圍堰上中下三節(jié)及圍堰基礎(chǔ)構(gòu)造如下：

（1）頂節(jié)為單壁，頂面標(biāo)高為+174.0，高度為4.5m，外直徑為32.6m，面板厚度為6mm，豎向加勁肋為∠63×8mm，繞圓心成0.85°均勻布置，水平環(huán)板厚16mm，寬300mm，水平環(huán)板豎向間距為0.75m；每個(gè)節(jié)段均設(shè)置一道徑向加勁板。

（2）中間節(jié)為雙壁，高度為8.5m，外徑為32.6m，內(nèi)徑為30.2m，壁厚1.2m，內(nèi)外面板厚度均為6mm，豎向加勁肋為均為∠63×8mm，繞圓心成0.85°均勻布置，水平環(huán)板厚16mm，寬250mm，水平環(huán)板豎向間距為0.5m +4×0.8m+2×0.9m+3×1.0m+0.5m，隔倉板厚度為16mm；水平斜撐為∠75×8mm。

（3）底節(jié)為雙壁，高度為10.1m，外徑為32.6m，內(nèi)徑為30.2m，內(nèi)外面板厚度均為6mm，豎向加勁肋為均為∠63×8mm，繞圓心成0.85°均勻布置；水平環(huán)板厚16mm，寬250mm，豎向間距由下至上依次為2×0.6m+2×0.8m+2×0.9m+5×1.0m+0.5m；隔倉板厚度為16mm；水平斜撐為∠75×8mm。

（4）圍堰底節(jié)做成1.0m×1.0m刃腳，內(nèi)灌注5.6m高混凝土，刃腳埋入土內(nèi)1.3m。

（5）承臺(tái)底澆筑3.0m厚C30混凝土封底。圍堰總體結(jié)構(gòu)布置圖如圖2、圖3所示。

3 圍堰設(shè)計(jì)的荷載和工況

3.1 設(shè)計(jì)荷載取值

根據(jù)本工程圍堰施工過程，圍堰除了結(jié)構(gòu)自重外所受外力主要有以下類型：

水壓力：由圍堰內(nèi)外水頭高度差產(chǎn)生，水壓力按公式pw=10h計(jì)算。

浮力：對(duì)浸入水中的雙壁圍堰和封底后的圍堰，應(yīng)考慮浮力作用，浮力作用在圍堰和封底混凝土底部，浮力計(jì)算公式為 F=10Ah。

新澆混凝土對(duì)圍堰內(nèi)壁產(chǎn)生的側(cè)壓力；pm=K·γ·h。

風(fēng)荷載及水流沖擊力，考慮到三峽庫區(qū)在底水位蓄水時(shí)，水的流速與周邊風(fēng)荷載較小，并非主要荷載，不進(jìn)行計(jì)算，具體荷載取值見下表：

3.2 工況分析及選用

工況分析要按照現(xiàn)場施工的實(shí)際情況，該圍堰處于庫區(qū)施工，水位變化幅度大，因此在圍堰設(shè)計(jì)時(shí)既要考慮按照現(xiàn)場的施工計(jì)劃理想的施工工況，也要考慮施工進(jìn)度超前和施工進(jìn)度滯后帶來的工況的變化。當(dāng)施工進(jìn)度超前時(shí)，可能在進(jìn)行承臺(tái)施工時(shí)，水位在承臺(tái)底以下，圍堰兼做承臺(tái)模板，圍堰要考慮承受混凝土的側(cè)壓力。如果施工進(jìn)度的滯后，在枯水期沒有完成鉆孔樁施工，要充分考慮承臺(tái)施工在最高水位時(shí)的極端不利情況進(jìn)行圍堰驗(yàn)算，圍堰要滿足抵抗最大水頭差的設(shè)計(jì)要求，來保證圍堰的順利渡洪，確保施工安全，分別計(jì)算以下5種工況：

（1）工況1：施工進(jìn)度超前，澆筑承臺(tái)混凝土，水面位于圍堰基礎(chǔ)以下，計(jì)算新澆混凝土對(duì)圍堰內(nèi)壁板的側(cè)壓力作用；

（2）工況2：施工進(jìn)度滯后，承臺(tái)未開始澆筑，圍堰安裝完畢，水位173.32m，刃腳砼標(biāo)高156.5m，圍堰承受h=16.82m高的靜水壓力，圍堰倉壁內(nèi)灌水13.0m；

（3）工況3：圍堰安裝完畢，抽水完成后，澆筑承臺(tái)混凝土前，水位173.32m，圍堰整體抗浮計(jì)算；

（4）工況4：圍堰安裝完畢，抽水完成后，澆筑承臺(tái)混凝土前，水位173.32m，封底混凝土計(jì)算；

（5）工況5：圍堰安裝完畢，水位173.32m，承臺(tái)澆筑完成且初凝之前，圍堰整體抗沉計(jì)算。

4 圍堰結(jié)構(gòu)計(jì)算

鋼圍堰計(jì)算采用Midas Civil，建立1/4結(jié)構(gòu)模型，面板、采用板單元模擬，內(nèi)支撐，水平桁架、環(huán)板、豎肋采用梁單元模擬，封底混凝土計(jì)算采用Midas FEA建立整體模型，封底砼用實(shí)體單元模擬，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，水平桁架按照拉彎或者壓彎構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定性的驗(yàn)算。

4.1 鋼套箱圍堰計(jì)算結(jié)果如下（單位MPa）

4.2 圍堰抗浮計(jì)算

圍堰安裝完畢，水位173.32m，承臺(tái)下共18根φ3.0m的鉆孔樁，鋼護(hù)筒外直徑為φ3.3m，由于封底3.0m，封底砼底部處水頭差為22.32m，封底砼與樁間摩擦系數(shù)取15t/m2。

F浮=γ水V=10×22.32×562.0=12543.8t

F抗浮力=圍堰重（圍堰自重+刃腳砼重+艙壁內(nèi)水重）+封底重+封底砼與鋼護(hù)筒粘結(jié)力

圍堰重=620.7+1472.6+1538.1=3631.4t

F粘=18×3.14×3.3×3.0×15+3.14×30.2×3.0×15=12660.5t

封底混凝土重4046.9。

由于抗浮力：F抗浮力=3631.4+12660.5+4046.9=20338.8t

F抗浮力/F浮=20337.5/12543.8=1.62>1.2

故圍堰抗浮穩(wěn)定性滿足要求。

4.3 圍堰抗沉計(jì)算

F下沉力=圍堰重（圍堰自重+刃腳砼重）+封底砼重+承臺(tái)砼重=620.7+1472.6+1538.1+12363.8=15995.2t

F抗浮力=F浮+封底砼與鋼護(hù)筒粘結(jié)力=12543.8+12660.5=25204.3t

F抗沉力/F下沉力=25204.3/15995.2=1.57>1.2

所以圍堰整體抗沉穩(wěn)定性滿足要求。

4.4 封底混凝土計(jì)算

封底砼厚度為3m，取2.8m進(jìn)行計(jì)算，封底砼主要承受底部22.12m深水壓力。建立封底實(shí)體有限元模型，進(jìn)行單元?jiǎng)澐郑?jì)算結(jié)果如下：

砼最大拉應(yīng)力：σmax=0.80MPa<1.0MPa，最大應(yīng)力點(diǎn)在封底砼和鋼護(hù)筒接觸底部位置；最大變形量5.6×10-2mm，最大變形位置在封底砼中心，封底變形較??；計(jì)算結(jié)果表明，封底砼在此工況下強(qiáng)度、剛度均滿足要求。

5 結(jié)語

湖北宜昌香溪河大橋的5#橋墩基礎(chǔ)施工采用鉆孔平臺(tái)后鋼套箱圍堰的施工方法，其鋼套箱圍堰的設(shè)計(jì)充分考慮了現(xiàn)場的施工條件，充分考慮20m的水位落差和鉆孔樁施工進(jìn)度帶來現(xiàn)場施工條件的變化，其圍堰分為頂節(jié)、中間節(jié)、底節(jié)，即可以在低水位采用底節(jié)圍堰完成承臺(tái)施工，也可以滿足在高水位采用三節(jié)圍堰完成承臺(tái)施工和塔墩出水，適合現(xiàn)場施工實(shí)際，其設(shè)計(jì)方法可為三峽庫區(qū)內(nèi)的深水基礎(chǔ)施工提供借鑒和參考。