王寅峰 胡 軍

(中鐵大橋局集團(tuán)有限公司 武漢 430050)

1 工程概況

武漢市四環(huán)線青山長江公路大橋主橋為350 m+938 m+350 m雙塔雙索面全漂浮體系斜拉橋，主跨主梁采用整體式鋼箱梁，邊跨采用鋼箱結(jié)合梁，全長1 638 m，為雙向8車道超寬、重載高速公路橋梁，主橋立面布置見圖1。

圖1 武漢市四環(huán)線青山長江公路大橋主橋云面布置示意圖(單位：m)

大橋20號主墩采用60根直徑2.5 m鉆孔樁基礎(chǔ)，承臺為啞鈴形，平面尺寸為99.6 m×39.2 m，頂高程+4.0 m，厚度9 m，承臺中間采用18.0 m寬系梁連接，系梁處厚度與承臺相同。

2 水文地質(zhì)條件

大橋20號墩位于天興洲尾部處洲南汊主河槽北側(cè)，河床高程為-1.0 m左右，地層自上而下為粉細(xì)砂層、圓礫土層、泥質(zhì)粉砂巖與微弱膠結(jié)砂巖，其中粉細(xì)砂層厚度約13 m，圓礫土層厚度約5 m。

墩位處10年一遇洪水水位為+25.85 m，20年一遇洪水位為+26.95 m，洪水期水流流速為2.5 m/s。自三峽工程開始蓄水發(fā)電后，長江中下游水位變化明顯，在2005-2015年之間，墩位處在2010年到達(dá)最高水位+25.0 m，其余年份最高水位均未超過+24.0 m。

3 圍堰設(shè)計

3.1 圍堰總體設(shè)計及方案概述

20號主墩為埋入式基礎(chǔ)，承臺采用啞鈴形雙壁鋼套箱圍堰法施工。圍堰平面尺寸為103.8 m×43.3 m，壁厚為2 m，其內(nèi)側(cè)輪廓線比承臺邊緣大100 mm。圍堰總高度37 m，底高程為-11.0 m，頂高程為+26.0 m，雙壁艙內(nèi)混凝土灌注高度為15 m，灌水高度為10 m，封底混凝土厚6 m。考慮圍堰加工制造及拼裝條件，豎向共分為3節(jié)，從下至上高度依次為18.2，14.8，4.0 m。圍堰整體布置見圖2。其中底節(jié)圍堰在船廠整體拼裝制造，采用斜船架滑道法下水，下水后浮運至墩位利用錨碇系統(tǒng)定位，然后插打定位鋼護(hù)筒并掛樁形成鉆孔平臺，鉆孔樁施工完成后中節(jié)圍堰分塊接高，并接高部分鋼護(hù)筒，安裝導(dǎo)向裝置、吊掛系統(tǒng)，利用吊掛系統(tǒng)及圍堰內(nèi)灌水下沉的方法下沉圍堰至底口高于河床面2 m處，接高頂節(jié)圍堰并繼續(xù)下沉至著床，隨后吸泥下沉至設(shè)計高程，對圍堰內(nèi)進(jìn)行清淤、封堵、封底混凝土施工、圍堰內(nèi)抽水等工序，完成圍堰施工[1]。

圖2 圍堰總布置圖(單位：m)

3.2 側(cè)板設(shè)計

圍堰側(cè)板為雙壁側(cè)板，厚度為2 m，面板采用6 mm和8 mm厚鋼板；刃角高2 m，面板厚20 mm，面板豎向加勁肋采用∟63×6角鋼，間距350 mm；隔艙板由16 mm厚鋼板制造。底節(jié)及中間圍堰水平環(huán)根據(jù)受力要求分別采用20 mm鋼板+∟100×10角鋼和25 mm鋼板+∟125×12角鋼，間距為800或1 000 mm，頂節(jié)水平環(huán)采用16 mm鋼板+∟75×8角鋼，間距為1 200 mm。為提高底節(jié)圍堰下水、浮運時的整體剛度，底節(jié)圍堰設(shè)計時將啞鈴形兩端側(cè)板均設(shè)計為封閉的圓形結(jié)構(gòu)(施工承臺時再將側(cè)板與承臺沖突部分割除)，中、頂節(jié)圍堰側(cè)板則仍按照承臺外輪廓形狀設(shè)計。同時圍堰在設(shè)計時為提高系梁和兩端圓形連接處的剛度和強(qiáng)度，特將連接處節(jié)點設(shè)計為箱形結(jié)構(gòu)。

3.3 底隔艙設(shè)計

底隔艙為圍堰下水支承結(jié)構(gòu)和封底混凝土分艙結(jié)構(gòu)，同樣采用雙壁形式，底隔艙整體高度為6 m，寬1.8 m，其面板、加勁肋、水平環(huán)及角鋼等結(jié)構(gòu)均與側(cè)板相同，圍堰每個圓內(nèi)均設(shè)置2道底隔艙。

由于底節(jié)圍堰采用斜船架滑移下水方案，圍堰在廠內(nèi)整體加工制造完成，利用小車轉(zhuǎn)場并轉(zhuǎn)移至斜船架上，由斜船架將圍堰滑移下水[2]。故在圍堰底隔艙及側(cè)板支承處均設(shè)置加勁板、聯(lián)結(jié)系梁以增加結(jié)構(gòu)局部受力及穩(wěn)定性。支承處底隔艙加固結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 底隔艙加固布置圖(單位：mm)

3.4 內(nèi)支架及撐管設(shè)計

底節(jié)圍堰內(nèi)支架為工字型縱橫梁結(jié)構(gòu)，施工中兼做鉆孔平臺，圓形范圍內(nèi)工字梁截面尺寸為2 420 mm×500 mm(高×寬)，系梁處工字梁采用HN800×300型鋼。圍堰撐管采用直徑1.42 m鋼管，布置在圍堰系梁處，底節(jié)圍堰共布置3根，中節(jié)圍堰共布置12根。

3.5 封底混凝土設(shè)計

封底混凝土采用C30水下混凝土，厚度為6 m，由于承臺系梁范圍內(nèi)無主體鉆孔樁，為改善系梁處封底混凝土受力，在系梁處設(shè)計8根直徑1.8 m鉆孔樁輔助施工。

3.6 掛樁系統(tǒng)設(shè)計

底節(jié)圍堰浮運到位后，雙壁艙內(nèi)灌水下沉至頂高程+26.0 m，利用浮吊插打定位鋼護(hù)筒，插打完成后在定位鋼護(hù)筒內(nèi)安裝十字伸縮梁作為掛樁支承結(jié)構(gòu)。十字伸縮梁外套部分為截面882 mm×500 mm(高×寬)箱形梁，內(nèi)伸梁為截面840 mm×420 mm(高×寬)箱形梁，十字梁下放到位后將內(nèi)伸梁拉出支承于護(hù)筒壁上，并與外套梁之間采用螺栓連接。

4 圍堰計算

4.1 計算荷載及工況

根據(jù)圍堰施工步驟及水文條件確定其計算工況及荷載[3-4]，見表1。

表1 圍堰計算工況及荷載

根據(jù)橋位處水位資料,圍堰抽水工況計算水位取+24.0 m，圍堰設(shè)防水位取10年一遇洪水水位+25.85 m。

4.2 計算結(jié)果

圍堰計算采用有限元軟件midas Civil建立整體空間模型[5]，其中圍堰側(cè)板、隔艙板及底隔艙壁板采用板單元進(jìn)行模擬，水平環(huán)板、水平角鋼、內(nèi)支撐、底隔艙水平環(huán)板及角鋼均采用梁單元進(jìn)行模擬，具體模型見圖4。

圖4 圍堰整體模型

4.2.1圍堰變形分析

圍堰變形最大值出現(xiàn)在工況5，此工況下圍堰外側(cè)按36.85 m水頭差加載，且雙壁艙內(nèi)灌注15 m高混凝土和10 m高水，根據(jù)模型計算得知，圍堰變形最大值為26.0 mm，變形較小，滿足要求。圍堰變形見圖5。

圖5 圍堰變形圖

4.2.2側(cè)板內(nèi)力分析

側(cè)板壁板最不利工況出現(xiàn)在工況3，圍堰在自重作用下吃水深度約13.0 m，為圍堰單壁所受最大水頭差。圍堰面板厚度為6 mm和8 mm，側(cè)板豎向加勁肋采用∟63×6角鋼，角鋼水平布置間距為350 mm。根據(jù)圍堰所受荷載及角鋼布置形式計算的面板最大應(yīng)力σ=165.9 MPa<170 MPa，角鋼最大應(yīng)力σ=162.5 MPa<170 MPa，均滿足要求。

4.2.3側(cè)壁水平環(huán)及角鋼內(nèi)力分析

根據(jù)整體模型計算結(jié)果，圍堰側(cè)壁水平環(huán)板及角鋼最不利工況出現(xiàn)在工況5，其中水平環(huán)板最大應(yīng)力為169.1 MPa<170 MPa，最大變形(取相鄰隔艙板內(nèi)水平環(huán)進(jìn)行計算)為8.4 mm<13 487/400=33.7 mm，滿足要求。∟125×12角鋼最大軸力為227.4 kN(壓力)，其截面特性為：A=2 891 mm2，i=24.58 mm，l=1750 mm，則長細(xì)比λ=71.2，穩(wěn)定系數(shù)φ=0.743 5，根據(jù)GB50017-2017 《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》考慮單角鋼折減系數(shù)μ=0.6+0.001 5λ=0.71，則角鋼穩(wěn)定應(yīng)力σ=N/(Aφμ)=150.3 MPa<170 MPa，∟100×10最大軸力為138.3 kN(壓力)，其面積A=1 926 mm2、長細(xì)比λ=89.1、穩(wěn)定系數(shù)φ=0.627 2、單角鋼折減系數(shù)μ=0.6+0.001 5λ=0.73，則角鋼穩(wěn)定應(yīng)力σ=N/(Aφμ)=156.8 MPa<170 MPa。

4.2.4內(nèi)支架及撐管內(nèi)力分析

內(nèi)支架根據(jù)工況2和工況5荷載進(jìn)行計算，工況2鉆孔樁施工時，主要施工荷載為TR550C旋挖鉆機(jī)、TR460旋挖鉆機(jī)、1 250 kN履帶吊機(jī)，另外考慮部分施工堆載。單個圓形范圍內(nèi)布置12套固定掛樁設(shè)備和4套活動掛樁設(shè)備(活動掛樁設(shè)備在鉆機(jī)施工時布置在鉆孔樁四周)。根據(jù)上述荷載計算得出內(nèi)支架工況2最大正應(yīng)力σ=83.1 MPa<170 MPa，剪應(yīng)力τ=58.7 MPa<100 MPa。工況5圍堰主要荷載為10年一遇水壓力，此工況下內(nèi)支撐最大正應(yīng)力σ=169.4 MPa<170 MPa，剪應(yīng)力τ=17.1 MPa，均滿足要求。

4.2.5底隔艙內(nèi)力分析

底隔艙最不利工況出現(xiàn)在工況1，計算時建立底節(jié)圍堰空間模型，根據(jù)運輸小車和斜船架布置位置設(shè)置約束。根據(jù)計算結(jié)果，側(cè)板及加勁板最大應(yīng)力σ=122.9 MPa<170 MPa，水平環(huán)最大應(yīng)力σ=100.9 MPa<170 MPa，角鋼最大穩(wěn)定性應(yīng)力σ=93.4 MPa<170 MPa(計算方法同4.2.3)，均滿足要求。

4.2.6圍堰抗浮(沉)及封底混凝土內(nèi)力分析

圍堰抗浮(沉)最不利工況為工況4，按+24.0 m抽水水位進(jìn)行計算，圍堰所受上浮力為1 046 636 kN，圍堰抗浮荷載主要來自于圍堰自重、封底混凝土自重及鉆孔樁鋼護(hù)筒與封底混凝土之間的黏結(jié)力，共計 1 133 912 kN，則圍堰抗浮安全系數(shù)為1.08>1.05，滿足要求。

此工況下封底混凝土最大主拉應(yīng)力為0.9 MPa，位于系梁段鋼護(hù)筒與封底混凝土黏結(jié)處，屬于應(yīng)力集中，其余部分應(yīng)力均小于允許拉應(yīng)力0.5 MPa，強(qiáng)度滿足要求?？拷盗簜?cè)的主體樁護(hù)筒(4根)和輔助樁護(hù)筒與封底混凝土之間的黏結(jié)應(yīng)力分別為204 kPa和270 kPa，均大于150 kPa(經(jīng)驗值)，故采取在鋼護(hù)筒上焊接鋼筋加勁環(huán)的方式進(jìn)行加強(qiáng)，其余主體樁護(hù)筒與封底混凝土的最大黏結(jié)應(yīng)力為137 kPa，滿足要求。

5 結(jié)語

青山長江公路大橋北主墩基礎(chǔ)平面尺寸大，施工水位深，施工時采用雙壁鋼套箱圍堰進(jìn)行防護(hù)，圍堰根據(jù)承臺輪廓同樣設(shè)計為啞鈴形狀，其內(nèi)側(cè)側(cè)板可兼做承臺模板，并將底節(jié)圍堰內(nèi)支撐與鉆孔平臺結(jié)合設(shè)計以方便施工，圍堰系梁處通過設(shè)置輔助樁以減小系梁處封底混凝土厚度。經(jīng)計算，各個工況下圍堰受力均滿足要求，目前該基礎(chǔ)施工已順利完成，圍堰結(jié)構(gòu)成功經(jīng)受渡洪考驗，該圍堰的設(shè)計方法，結(jié)構(gòu)形式可為今后同類型橋梁深水基礎(chǔ)施工提供借鑒。