欽防鐵路茅嶺江特大橋主墩雙壁鋼圍堰施工技術(shù)

王紅偉

(中鐵十六局集團(tuán)第一工程有限公司，北京 101300)

欽防鐵路茅嶺江特大橋主墩雙壁鋼圍堰施工技術(shù)

王紅偉

(中鐵十六局集團(tuán)第一工程有限公司，北京 101300)

欽州至防城港鐵路茅嶺江特大橋所在河段最大水深9 m，主墩采用雙壁鋼圍堰法施工。應(yīng)用MIDAS軟件建立雙壁鋼圍堰和封底混凝土有限元模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)果表明雙壁鋼圍堰各構(gòu)件和封底混凝土的剛度、強(qiáng)度，及圍堰的抗浮力均滿足要求。雙壁鋼圍堰施工中利用潮位漲落進(jìn)行鋼圍堰的下水浮運(yùn)，通過調(diào)節(jié)壁內(nèi)水位高低控制鋼圍堰的下沉，利用棧橋平臺和鋼圍堰四周的4根鋼管樁作為油葫蘆受力點(diǎn)進(jìn)行鋼圍堰精確定位。在鋼圍堰定位過程中避免使用錨索，確保了航道暢通。在施工中未搭設(shè)水中拼裝平臺，節(jié)約了成本。

雙壁鋼圍堰 有限元模型 驗(yàn)算分析 施工方案

1 工程概況

欽州至防城港鐵路茅嶺江特大橋跨越通航河道茅嶺江。茅嶺江發(fā)源于山區(qū)，河道縱坡較大，洪水暴漲暴落，洪水時容易夾帶大量水草、樹木等漂浮物。茅嶺江特大橋所處河段屬Ⅵ級航道，船只流量較大，受潮汐影響，每天水位變化較大。

茅嶺江特大橋全長1 621.778 m，孔跨樣式為2×(36×32+(48+88+48)+6×32+2×24)m，有2個橋臺、46個墩柱，350根φ1.25 m樁;20根φ2.0 m樁。水中墩最高為20 m(45#墩)，最長樁為33.5 m(16#墩)。簡支箱梁采用制梁場預(yù)制、運(yùn)架施工，連續(xù)梁采用懸灌法施工。全部基樁均按柱樁設(shè)計(jì)。37#和38#主墩橋墩樁底嵌入粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖夾泥巖弱風(fēng)化層不小于5 m。主墩承臺下采用10根φ2.0樁基，承臺為圓端形。主跨采用(48+88+48)m懸灌梁，主墩位于深水區(qū)，主航道最大水深達(dá)9 m。

橋址巖性為砂巖和泥質(zhì)砂巖。河床底覆蓋層不均勻，部分河床底下2 m左右即為弱風(fēng)化泥質(zhì)砂巖和粉砂巖。

按照設(shè)計(jì)要求，在茅嶺江特大橋施工中，37#和38#主墩采用雙壁鋼圍堰法進(jìn)行施工。選擇圓形雙壁鋼圍堰，以便于拼接。雙壁鋼圍堰全長11.25 m，分為7節(jié)，底節(jié)長2.25 m，其余節(jié)段為1.5 m，每節(jié)分為6塊。

鋼圍堰全部節(jié)段在龜墩加工場進(jìn)行加工，底節(jié)在龜墩岸邊進(jìn)行拼接，其余節(jié)段在水中拼接。在低潮位時，在江邊筑土圍堰，鋼圍堰拼接場地低于高潮位水面。底節(jié)拼接完畢后，挖開迎水面，利用拖船將底節(jié)圍堰拉入深水區(qū)，通過注水調(diào)節(jié)鋼圍堰地面高程，然后在水中拼接上部節(jié)段。最后在墩位處打插鋼管樁作為固定點(diǎn)，通過手拉油葫蘆對鋼圍堰進(jìn)行精確定位。

2 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

2.1 雙壁鋼圍堰方案

由于主墩承臺為圓端形，采用了圓形雙壁鋼圍堰，鋼圍堰內(nèi)直徑為承臺長度+10 cm，這樣即可減小鋼圍堰體積，節(jié)省鋼圍堰鋼材用量，也可在承臺施工時利用其作為部分圓端形模板，節(jié)約承臺模板用量。

鋼圍堰頂面標(biāo)高為4.5 m，外壁直徑為17.8 m，內(nèi)壁直徑16.2 m。雙壁鋼圍堰內(nèi)外壁均采用8 mm厚Q235鋼板，倉內(nèi)支撐桁架全部采用∠100×100×10角鋼。角鋼間距(徑向、環(huán)向、豎向)均為75 cm。

鋼圍堰平面布置如圖1所示，鋼圍堰1.5 m節(jié)段構(gòu)造及2.25 m底節(jié)構(gòu)造如圖2所示。

2.2 雙壁鋼圍堰結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

采用有限元軟件MIDAS建立了鋼圍堰的整體有限元模型，驗(yàn)算水深為9.75 m(其中入土長度按1 m計(jì))。有限元模型中鋼圍堰支撐桁架桿件采用梁單元，8 mm厚鋼板采用板單元。全結(jié)構(gòu)共有2 304個節(jié)點(diǎn)，9 936個梁單元。

1)剛度

圖1 圍堰平面布置(單位：cm)

圖2 鋼圍堰節(jié)段構(gòu)造(單位：cm)

鋼圍堰內(nèi)外水頭差按9 m計(jì)。水壓力作用下最大側(cè)向位移為1.6 mm，發(fā)生于距離圍堰底部3.5 m截面處。圍堰位移滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

2)強(qiáng)度

水壓力作用下圍堰各桿件最大應(yīng)力為75 MPa，發(fā)生位置為圍堰底節(jié)底部處N6號桿件截面。圍堰鋼板最大應(yīng)力為42 MPa，發(fā)生于距離圍堰底部3.5 m截面處。圍堰各桿件及內(nèi)外鋼板應(yīng)力滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

3)穩(wěn)定性

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，圍堰在荷載組合作用下鋼管樁、斜撐最易失穩(wěn)。屈曲模態(tài)一到模態(tài)四的特征值分別為214.2，214.4，214.7和215.3，說明圍堰穩(wěn)定性安全儲備大，能夠滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

4)振動模態(tài)

根據(jù)MIDAS模態(tài)計(jì)算結(jié)果，圍堰第一階至第四階振型周期分別為0.047，0.037，0.032和0.025 s。

2.3 封底混凝土驗(yàn)算

有限元模型中封底混凝土采用實(shí)體單元。全結(jié)構(gòu)共有4 704個節(jié)點(diǎn)，3 600個單元。

1)剛度

底部水壓力作用下最大豎向位移為4.7 mm，發(fā)生于封底混凝土圓心處。封底混凝土位移滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

2)強(qiáng)度

底部水壓力作用下封底混凝土最大應(yīng)力為15.1 MPa，發(fā)生于封底混凝土邊界處。封底混凝土應(yīng)力滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

2.4 抗浮力

圍堰抽干水后，承受較大水浮力。水浮力由圍堰自重、圍堰隔艙內(nèi)水重、封底混凝土自重、圍堰刃腳與巖層間摩阻力克服。

圍堰自重G1為1 700 kN，圍堰隔艙內(nèi)水重G2為4 400 kN，封底混凝土自重G3為5 400 kN，圍堰刃腳與巖層間摩阻力P為20 360 kN，則抗浮力F=G1+G2+G3+P=31 860 kN，圍堰浮力F1為21 630 kN。

因?yàn)镕＞F1，所以圍堰抗浮力滿足要求。

3 雙壁鋼圍堰施工

3.1 施工工藝流程(見圖3)

圖3 雙壁鋼圍堰組拼浮運(yùn)及混凝土封底施工流程

3.2 加工制作

雙壁鋼圍堰分7節(jié)進(jìn)行加工，每節(jié)分6塊。鋼圍堰隔倉內(nèi)環(huán)向、徑向及豎向內(nèi)支撐均按0.75 m設(shè)置。

雙壁鋼圍堰分塊加工過程中嚴(yán)格控制焊縫質(zhì)量，確保角鋼骨架每條焊縫厚度不小于8 mm。鋼板焊接采用剖口焊，確保焊接過程中不漏焊、少焊。

3.3 拼裝下沉

先對37#，38#墩處進(jìn)行清底，挖機(jī)開挖至承臺底1.5 m。雙壁鋼圍堰第一節(jié)在龜墩拼裝平臺上進(jìn)行拼裝，第一節(jié)拼裝完成后，利用漲潮采用拖輪拖運(yùn)至墩位處后，注水下沉，使鋼圍堰頂部在水面以上1 m左右，并用錨索臨時固定鋼圍堰，在第一節(jié)鋼圍堰上依次拼裝第2至第7節(jié)，見圖4。每接長一節(jié)，注水下沉使鋼圍堰頂部露出水面1 m左右。

圖4 雙壁鋼圍堰第2節(jié)在水中拼裝

施工中充分利用潮位漲落進(jìn)行鋼圍堰的下水浮運(yùn)，通過調(diào)節(jié)壁內(nèi)水位高低控制鋼圍堰的下沉，便于上部鋼圍堰的拼接，減少了船舶的使用，用一艘400 t拖船就能進(jìn)行鋼圍堰的浮運(yùn)。

雙壁鋼圍堰每次分節(jié)組拼完成后均要進(jìn)行煤油滲水實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)合格后方可注水下沉，進(jìn)入下一節(jié)段的拼裝。

在鋼圍堰下沉過程中，接近巖面時，停止下沉，對鋼圍堰位置進(jìn)行測量和調(diào)整，直至鋼圍堰處于設(shè)計(jì)位置，圍堰中心與墩中心基本重合后，繼續(xù)在鋼圍堰內(nèi)灌水下沉至巖面。當(dāng)確認(rèn)鋼圍堰有一點(diǎn)已經(jīng)接觸巖面，就不再繼續(xù)下沉，用浮吊吊裝4根I36工字鋼沿鋼圍堰外壁豎直插入直至工字鋼底部與巖面接觸，在水面以上將工字鋼與鋼圍堰焊接牢固。由潛水員在適當(dāng)位置將鋼圍堰刃腳與巖面間隙進(jìn)行抄墊堵塞，再次進(jìn)行測量檢查，確認(rèn)無誤后，向鋼圍堰隔艙內(nèi)灌水加重，使鋼圍堰穩(wěn)妥地支承在巖面上。

在雙壁鋼圍堰定位過程中避免了使用錨索，確保了航道內(nèi)船只的暢通，在施工中未搭設(shè)水中拼裝平臺，節(jié)約了成本，取得了較好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

3.4 抗浮措施

著床后鋼圍堰底標(biāo)高為-6.70 m，較承臺底標(biāo)高低1.18 m，為增加鋼圍堰的抗浮力，37#墩雙壁鋼圍堰封底高度1.2 m，38#雙壁鋼圍堰封底高度0.9 m。在施工過程中對雙壁內(nèi)注水以增大雙壁鋼圍堰重力。

3.5 水下混凝土封底施工

鋼圍堰就位后，布置清基設(shè)備，作最后一次吸泥清基，確保混凝土能很好地與巖面粘結(jié)在一起。清基后，利用棧橋平臺采用汽車泵，用漏斗灌注封底水下混凝土，灌注時導(dǎo)管固定，料斗采用移動式。在封底過程中要不停地測量混凝土頂面上升高度，避免混凝土封底過高造成以后破除困難。

3.6 擋水效果

在基坑抽水的同時采取適當(dāng)?shù)亩侣┐胧?dāng)水基本抽完時，可清楚觀察到圍堰擋水和止水效果：鋼板樁圍堰內(nèi)表面基本沒有漏水，基坑內(nèi)也沒有出現(xiàn)滲漏、管涌等現(xiàn)象。

3.7 變形觀測

在鋼圍堰擋水期間，定期對鋼圍堰頂?shù)奈灰七M(jìn)行觀測，發(fā)現(xiàn)鋼圍堰頂向基坑內(nèi)的偏移量穩(wěn)定在2 cm以內(nèi)，說明堰體是穩(wěn)定的。

4 結(jié)語

由于南方地區(qū)河流較多，雨季長，洪水較多，安全可靠的水中平臺和圍堰顯得至關(guān)重要，茅嶺江特大橋水中平臺和雙壁鋼圍堰的施工技術(shù)，對于類似深水基礎(chǔ)施工具有參考意義。

［1］王秀麗，舒麗紅.韓江特大橋雙壁鋼圍堰結(jié)構(gòu)有限元分析［J］.鐵道建筑，2011(7)：14-16.

［2］張永賓，朱爾玉，于大廠.灤河特大橋雙壁鋼圍堰三維有限元分析［J］.鐵道建筑，2011(8)：5-8.

［3］趙興寨，張斌斌，劉蓓.襄樊漢江五橋雙壁鋼圍堰分層分塊施工技術(shù)［J］.鐵道建筑，2011(12)：31-33.

［4］中華人民共和國交通部.JTG D60—2004 公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［5］中華人民共和國建設(shè)部.GB 50017—2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國計(jì)劃出版社，2003.

U443.16+2

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2013.05.11

1003-1995(2013)05-0035-03

2012-11-29;

2013-02-23

王紅偉(1973— )，男，河南漯河市人，高級工程師，碩士。

(責(zé)任審編 李付軍)