賈 旭 趙清宇

（湖南建工集團有限公司，湖南 長沙 410074）

1 工程概況

太平河位于桂林市臨桂新區(qū)境內(nèi)。按照臨桂新區(qū)水系工程規(guī)劃要求，太平河河道設計洪水標準為100年一遇。按照該防洪標準，原河道寬度將由20m增加至40m以上；同時，為減少新河道對周邊農(nóng)田的占用并與環(huán)境相協(xié)調(diào)，河道岸線在下游處曲率逐漸變大，與渡槽走向斜交。

太平河渡槽位于河道中游，原渡槽跨度約20m，結(jié)構(gòu)為簡支梁式，共3跨，4個槽墩，河道中間槽墩單矩形柱式，槽身寬度約0.6m。原渡槽使用年限較久，槽身及槽墩結(jié)構(gòu)已有多處漏水、脫落，加之跨度不滿足新河道寬度，需要將老渡槽全部拆除改建，此外，原渡槽下游村民依墩所建簡易機耕橋需同時拆除重建。

2 原設計方案分析

2.1 方案介紹

按照前述渡槽改建內(nèi)容，結(jié)合太平河河道岸線擬定了渡槽設計初步方案為:新渡槽設計過水流量與原渡槽相同，采用簡支梁式結(jié)構(gòu)，共5跨，單跨9.6m，設4個槽墩及2個邊墩，見圖1。槽墩位于河道內(nèi)，邊墩位于河道親水步道擋土墻處。槽墩由槽身及機耕橋共用，兩者并列布置，渡槽外廓尺寸為0.9m×1.1m（寬×高），機耕橋橋面寬2.3m，河道內(nèi)槽墩為適應水流采用圓端形墻狀墩身，槽墩尺寸為4.4m×0.6m，見圖2。據(jù)此建立渡槽主要結(jié)構(gòu)BIM模型，見圖3。

圖1 原設計渡槽設計縱剖面

圖2 原設計方案渡槽橫剖面

圖3 原設計方案渡槽BIM模型

2.2 方案分析

2.2.1 功能性分析

渡槽改建方案功能性要求包括:滿足下部河道寬度并盡可能降低對行洪的影響，滿足通水以及通行要求。

按照原設計方案，渡槽通水、通行以及寬度均滿足要求，河道行洪影響需要進一步分析。本文借助于Fluent數(shù)值分析軟件對彎段水流方向進行了模擬，獲得了水流方向與槽墩軸線的相對角度。根據(jù)李彬［1］等研究，河道內(nèi)槽墩斷面特征長度見表1。

表1 河道內(nèi)槽墩斷面特征長度

可以看出，河道內(nèi)槽墩占用的行洪斷面已經(jīng)超過設計迎水面的2.15～2.75倍，原設計方案對河道行洪影響較大。

2.2.2 美觀性分析

根據(jù)王亞斌［2］對橋梁景觀內(nèi)涵的研究，渡槽美觀設計應該具有的特征包括:簡潔明快、輕巧纖細、連續(xù)流暢。從上述三方面同時結(jié)合槽墩BIM模型分析，原設計方案邊墩出露在外，渡槽上下游總寬度超過4.4m，槽墩長寬比1∶7.3，形式不夠輕巧纖細。機耕橋與渡槽并行斷開了二者之間的聯(lián)系，總體布置不夠簡潔流暢。

通過分析可知，原設計方案存在一定缺陷，有進一步優(yōu)化的空間。

3 優(yōu)化方案設計

3.1 優(yōu)化方案介紹

新設計方案主要從降低對下部河道行洪的不利影響、增加結(jié)構(gòu)美觀性兩方面進行優(yōu)化。為提高優(yōu)化方案的可讀性，加快設計進度，設計方案評估采用BIM技術(shù)輔助進行。提出的優(yōu)化方案如下:

渡槽及機耕橋采用“上通車，內(nèi)過水”的箱型梁方案，梁體兼做槽身過水，梁體以上為機耕橋面，槽身外空尺寸為1300mm×850mm，內(nèi)空尺寸為900mm×650mm，橋面挑出槽身700mm以滿足橋梁寬度要求，見圖4。槽墩由圓端墻狀墩修改為直徑0.8m圓形獨立墩，上方設置蓋梁，槽墩間距增加至13.5m，邊墩調(diào)整至堤防范圍內(nèi)，不再占用河道行洪斷面，見圖5。同時，在槽墩處橋面設置一個隱形蓋板檢修孔。

圖4 渡槽橫剖面

圖5 優(yōu)化設計方案渡槽及機耕橋縱剖面

3.2 優(yōu)化方案分析

3.2.1 美觀性分析

為便于方案外觀評估，通過方案設計時引入的BIM建模技術(shù)建立優(yōu)化方案及周邊環(huán)境效果。由圖6可見渡槽圓柱形獨立墩美觀，槽身結(jié)構(gòu)緊湊，外觀效果好。

3.2.2 行洪影響對比

由于渡槽位于河道彎段，為進一步分析兩方案對水流影響情況，采用Fluent軟件分別對兩種方案中槽墩對水流影響情況及槽墩阻力系數(shù)進行了數(shù)值計算，見圖7、圖8。

圖6 優(yōu)化方案設計效果

圖7 原方案中墩流速矢量

圖8 優(yōu)化方案中墩流速矢量

根據(jù)計算結(jié)果，由圖7和圖8可見，原方案槽墩附近水流速度降低區(qū)（圖中輪廓內(nèi)區(qū)域）大于優(yōu)化方案槽墩附近水流速度降低區(qū)范圍，原方案槽墩阻力系數(shù)4.34大于優(yōu)化方案槽墩阻力系數(shù)1.01，優(yōu)化方案對河道行洪不利影響優(yōu)于原方案。

3.2.3 經(jīng)濟性對比

由于現(xiàn)場布置條件基本相同，臨時工程工程量差別不大。本文只對兩方案主體工程量及造價進行對比，其中主體工程量由BIM模型直接導出，對比結(jié)果見表2。

由表2可見，優(yōu)化方案較原方案造價減少7.48萬元，較原方案減少22%。優(yōu)化方案經(jīng)濟性優(yōu)于原方案。

4 施工方案

工程施工方案對施工成果的優(yōu)劣具有決定性的影響。本文針對優(yōu)化方案的特點，方案編制借助于BIM技術(shù)及數(shù)值分析技術(shù)，對工程關(guān)鍵施工方法進行模擬分析，盡可能保證工程施工質(zhì)量及施工安全，提高施工效率。本工程施工流程如下:

臨時工程施工→基礎(chǔ)開挖→槽臺施工→槽墩施工→滿堂腳手架搭設→帽梁施工→槽身及橋身施工→橋面鋪裝及欄桿安裝。

4.1 導流及基礎(chǔ)開挖

導流布置于基坑外側(cè)，采用明渠結(jié)合涵管形式。涵管埋設于與施工道路交匯處，基坑上下游修筑橫向黏土圍堰。前期河道整治已完成土方開挖，渡槽施工僅進行基礎(chǔ)石方開挖。結(jié)合周邊環(huán)境，開挖選用液壓巖石破碎機破碎石方，挖掘機及自卸汽車出渣。

4.2 槽墩施工

槽墩混凝土采用常規(guī)澆筑。邊墩混凝土施工完成后進行堤防回填。為保證邊墩混凝土結(jié)構(gòu)安全，邊墩兩側(cè)土方要求均衡填筑上升，邊墩附近回填土采用蛙式打夯機分層夯實，分層回填厚度不超過30cm。

由于槽墩墩柱上方增加蓋梁，頂部鋼筋需要彎折，箍筋借鑒橋梁工程經(jīng)驗選用螺旋箍筋，鋼筋制安復雜。為降低現(xiàn)場鋼筋制安難度，墩柱鋼筋直接在加工場預加工成鋼筋籠，整體吊裝至定位鋼筋環(huán)處安裝。

槽墩模板選用定制膠合木模板，采用兩塊圓弧模板拼裝成空心柱狀，外側(cè)采用鋼帶加固。模板按照《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》（JGJ 162—2008）［3］設計，根據(jù)混凝土側(cè)壓力計算分布模型（見圖9），側(cè)壓力計算公式為F=0.22γct0β1β2V1/2及F=γcH（二者取最小值），荷載效應組合設計值公式為，算得模板側(cè)壓力設計值為60.4kN/m2。根據(jù)有限元模擬結(jié)果，鋼帶最大側(cè)壓力為3.38kN/cm2，小于實驗壓力值6.5kN/cm2，見圖10，模板最大變形為0.2mm，見圖11。

圖9 混凝土側(cè)壓力分布

4.3 蓋梁施工

圖10 模板壓力云圖

圖11 模板變形圖（560倍）

槽墩施工完成后進行蓋梁底模安裝，梁身側(cè)模在蓋梁鋼筋安裝后施工。由于墩柱鋼筋需要深入蓋梁內(nèi)部并彎折，與蓋梁自身鋼筋安裝存在干擾，且蓋梁結(jié)構(gòu)縱向加固鋼筋需要進行雙面焊，工序復雜。采用BIM技術(shù)對蓋梁鋼筋進行建模以及施工工藝模擬，見圖12和圖13。確定在鋼筋加工廠先焊接結(jié)構(gòu)鋼筋，再整體拼裝的流程，較好地解決了鋼筋安裝問題。

4.4 槽身及機耕橋施工

渡槽及機耕橋支撐選用碗扣式滿堂腳手架。腳手架荷載包括架體結(jié)構(gòu)自重、構(gòu)配件自重、可調(diào)頂托上的模板、鋼管自重、槽身及機耕橋混凝土、鋼筋、預埋件自重等永久荷載以及施工荷載、風荷載等可變荷載。按照荷載組合與荷載設計值計算公式算得標準跨腳手架荷載設計值為563kN。腳手架參數(shù)按照《建筑施工扣件式腳手架安全技術(shù)規(guī)范》（JGJ 130—2011）［4］進行設計，腳手架立桿橫距為60cm見圖14，立桿縱距90cm，水平桿步距120cm見圖15。立桿底部設置底座，支架頂設置頂托，頂托上鋪設縱向鋼管、木方及底模板。支架每隔4m設置縱橫剪刀撐，剪刀撐與地面夾角為45°～60°，底部撐地，每道剪刀撐與4～6根立桿聯(lián)結(jié)。水平掃地桿距離底座不大于200mm，立桿上端包括頂托的總長不大于700mm。

圖12 蓋梁鋼筋BIM模型

圖13 蓋梁鋼筋施工工藝模擬

圖14 腳手架橫剖面圖

圖15 腳手架縱剖面

腳手架參數(shù)確定后，采用ANSYS有限元軟件進行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計算，計算結(jié)果見圖16和圖17。

圖16 腳手架軸力

圖17 腳手架變形模擬（350倍）

經(jīng)計算，鋼管軸力最大值為1.54kN，最大壓應力為3.43N/mm2，小于允許壓應力205N/mm2及扣件抗滑荷載6.5kN，頂部橫桿最大變形0.97mm。

腳手架搭設及渡槽底模安裝完成后，分別對各跨進行預壓。預壓采用沙袋，重量不小于永久荷載總重的1.1倍，按60%、80%、100%、110%四級預壓。腳手架預壓后進行底模及槽身鋼筋安裝，槽身側(cè)模采用對拉止水螺桿固定，螺桿間距0.6m×0.9m，內(nèi)模板設方木對撐及斜撐。

渡槽兩跨間伸縮縫處設置單層橡膠止水。混凝土澆筑時預埋調(diào)節(jié)螺桿，槽身拆模后安裝橡膠止水帶并填充瀝青砂漿。

渡槽槽身及機耕橋施工過程中采用整體跳倉澆筑，澆筑順序由左向右首次澆筑第1、3、5跨，拆除端模后繼續(xù)澆筑第2、4、6跨。

4.5 邊墩后采用托板形成落地渡槽段

渡槽兩端與原有渠道連接，連接段基礎(chǔ)位于橋臺后側(cè)回填區(qū)。因趕工，施工期無法避開雨季，影響回填料壓實質(zhì)量。為避免后期填筑區(qū)沉降造成連接段開裂漏水，借鑒橋梁工程實施經(jīng)驗，在連接段采用鋼筋混凝土托板結(jié)構(gòu)，托板縱向兩端分別位于邊墩及原狀土基上，見圖18，磚砌邊墻位于托板上，見圖19，連接段形成落地渡槽結(jié)構(gòu)。

圖18 托板縱剖面

圖19 托板橫剖面

5 結(jié) 論

太平河渡槽工程于2017年11月10日開始優(yōu)化設計，12月10日正式開工建設，2018年3月8日完成施工并通水，設計及施工時間不到4個月。經(jīng)2018年3—10月灌溉通水檢驗，工程運行效果良好。

通過太平河渡槽工程的設計優(yōu)化及施工，得出以下結(jié)論:

a.本工程采用“上通車，內(nèi)過水”的箱型梁優(yōu)化設計方案，梁體兼做槽身過水，梁體以上為機耕橋面，滿足通水及通行要求，減少了槽墩及上部結(jié)構(gòu)工程量，提高了工程經(jīng)濟性；圓柱形獨立槽墩對彎段水流適應性強，工程結(jié)構(gòu)緊湊，美觀性得到較大提高。

b.本工程的設計施工運用了BIM技術(shù)，增強了設計方案的易讀性。BIM模型的建立對于工程美觀性評價幫助明顯，對于復雜鋼筋模型的建立及工藝模擬，提高了工程施工效率，降低了施工錯漏風險。設計施工BIM一模到底具有較大實用性。

c.施工方案充分與設計方案結(jié)合，采用了槽墩鋼筋整體加工吊裝、槽墩定制膠合木模版等新工藝，降低了施工成本；采用有限元數(shù)值分析軟件對腳手架、槽墩模板進行結(jié)構(gòu)分析，保證了施工支撐結(jié)構(gòu)的安全可靠；采用BIM技術(shù)進行蓋梁鋼筋安裝工藝模擬，提高了工程施工效率。

d.根據(jù)現(xiàn)場實際施工情況，借鑒橋梁工程經(jīng)驗，渡槽主體兩端與原有渠道連接段采用鋼筋混凝土托板落地渡槽結(jié)構(gòu)，降低了后期基礎(chǔ)沉降風險。