深水雙壁鋼圍堰施工方案安全計算分析與技術控制

王 淳

(鐵四院(湖北)工程監理咨詢有限公司,湖北武漢 430063)

1 工程概況

寧安鐵路安慶長江大橋主橋為雙塔三索面鋼桁梁斜拉橋，3號、4號為主橋的兩個主塔墩，基礎均采用雙壁鋼圍堰施工方案。以3號墩圍堰為研究對象，設計參數見表1。自重約2 161.1 t。樁基37根，其中φ3.0 m/φ3.4 m變徑鉆孔嵌巖樁，圍堰布置如圖1所示。

圖1 3號墩圍堰立面布置

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2 圍堰結構安全計算分析

2.1 建立圍堰整體計算模型

采用ANSYS10.0建立計算模型，由于結構和荷載對稱，故取1/4圍堰結構進行建模計算。約束條件為對稱面位置對稱約束，刃腳底部位置三向位移約束，計算模型如圖2所示。

圖2 1/4圍堰結構計算模型

2.2 圍堰計算工況劃分

根據施工流程，選取圍堰的接高灌水下沉和圍堰封底后的3個典型不利工況分別進行計算。

工況1：圍堰下沉到位封底抽水后，圍堰外側低水位(水位高程+3.0 m)，隔艙內有10 m高水。

工況2：圍堰下沉到位封底抽水后，圍堰外側高水位(水位高程+15.88 m)，隔艙內無水。

工況3：圍堰下沉到位封底抽水后，圍堰外側高水位(水位高程+15.88 m)，隔艙內有10 m高水。

2.3 圍堰計算內容

(1)圍堰結構單元、各掛點、吊點以及圍堰整體的剛度、強度驗算。

(2)錨定系統的驗算以及著床后的渡汛安全性、穩定性驗算。

(3)圍堰內抽水后，抗浮、抗隆起封底砼抗彎的驗算以及井壁混凝土驗算。

2.4 圍堰結構計算結果分析

3個工況下圍堰結構計算結果見表2。

數據顯示，除自井壁混凝土上部極小范圍內的計算峰值外，整個圍堰結構單元計算應力均在容許應力范圍以內。

由于圍堰使用時間長(兩個汛期)，因此必須加大安全儲備，對施工水位進行修改和局部進行加固處理，最終修改施工水位為14.5 m，使結構應力全部在140 MPa以內。

表2 圍堰結構計算結果

由以上計算結果可知，為保證圍堰隔艙板安全，要求隔艙板兩側的水頭差不大于10 m。在灌注混凝土階段，為保證隔艙板的安全，要求隔艙板兩側灌注混凝土高差不大于4 m。在封底混凝土灌注完畢后，在高水位的情況下，保證圍堰井壁內填充混凝土面以上有10～12 m高的水位，確保圍堰結構安全。

2.5 圍堰局部構造應力分析

(1)圍堰底隔艙斜腹板和支撐三腳架之間采用點焊不妥，無法承擔封底混凝土向上的和單邊側壓力，同時作為下河主要承力走道，還要承受前進方向的沖擊荷載，容易開裂甚至脫落。

(2)圍堰隔艙腹板與圍堰壁僅沿圍堰壁高度方向進行了焊接，無法承擔在封底混凝土單側壓力的作用下形成的剪切應力，同時會對圍堰壁造成破壞。根據計算結果，對以上兩個部位進行了全面加固，確保了圍堰的結構安全。

(3)圍堰抗浮和封底混凝土抗彎折驗算。按最高水位15.88 m驗算，封底混凝土與圍堰和鋼護筒的黏結力分別為128 kP和139 kP，小于設計250 kP，彎拉應力為0.11 MPa，小于容許應力0.5 MPa。施工過程中應加強對圍堰壁和護筒壁的清理，確保黏結力。

3 錨定系統安全計算分析

3.1 錨定系統計算

以主錨為例，主錨拉力計算按圍堰和工作船受水、風的阻力來計算，同時計入后錨40%預拉力，邊錨按主錨的50%計列同時計入一定的偏轉角度，主錨拉力計算結果見表3。

表3 主錨拉力計算 kN

3.2 錨定系統計算結果分析

主錨采用10個地龍錨固，單根錨繩受力=5 824 kN/10=582.4 kN

主錨繩全部采用鋼絲繩，選用6×37+FC類鋼絲繩，公稱直徑66 mm，公稱抗拉強度1 770 MPa，最大破斷力[P]=2 270 kN，

則鋼絲繩安全系數K=2 270/582.4=3.9，滿足K=3～6的要求。

4 方案安全技術控制

根據以上對圍堰整體及錨定系統的計算分析，方案安全技術控制要點如下：

(1)圍堰汛期施工安全風險大，因此圍堰的設計與施工必須進行詳細的安全計算分析，并將計算分析的相關結果應用于工程施工中，確保圍堰安全。

(2)對覆蓋層較厚的圍堰施工還應進行圍堰局部沖刷驗算，用于指導鉆孔順序和圍堰汛期防護，確保圍堰安全渡汛。

(3)大型圍堰的分片(段)加工精度和對接精度以及圍堰的焊接質量對圍堰安全至關重要，有關方應加強控制，確保圍堰加工符合設計，從而確保圍堰結構安全。

5 結束語

本橋圍堰施工由于特殊的地質及水文條件和汛期施工的特點，導致圍堰施工的技術難度大幅增加，同時增加了監理單位安全質量控制的風險，對監理單位在技術方案審核把關和過程控制方面是一個挑戰。寧安鐵路安慶長江大橋已進入上部結構施工階段，回顧整個圍堰施工監理控制過程，作者認為以下內容可以為類似工程在施工方案安全計算與技術控制方面提供參考。

(1)圍堰整體設計思路：對設防水位的取值、計算工況的確定等監理單位應仔細審查其與現場實際施工條件的吻合性，并作為后續施工控制的重要依據。圍堰的渡汛沖刷計算必須齊全，尤其是圍堰處于厚覆蓋層上(里)，沖刷后整個圍堰受力情況從根本上發生變化甚至會對封底混凝土和以成樁造成破壞。鑒于圍堰結構的重要性，應力取值應偏保守。

(2)錨定系統設計：利用河道的地形和自制混凝土錨，克服了河床光板巖不利的地質條件，值得類似工程借鑒。另外，工程中為確保錨定系統受力檢查的數值顯示，采用了拉力計檢測的方法，便于監理單位檢查和調控拉力，確保鋼纜和圍堰的安全，而邊錨受力計算必須考慮疲勞的影響。

(3)圍堰的安全渡汛：一般特大型橋梁基礎施工會經過了兩個汛期，本橋也是一樣，因此汛期圍堰的安全至關重要，設防水位和相關控制參數的現場執行力度絲毫不能有差錯，監理技術交底必須清楚而且要重點強調，對圍堰的沖刷必須實施跟蹤檢測并結合渡汛驗算采取相應的措施。另外，涉及汛期水上交通安全的措施必須完備并有應急預案。

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