新水東大橋雙壁鋼圍堰設計

陳傳軍

（深圳市西倫土木結構有限公司，廣東 深圳 518057）

0 引言

近年來，隨著國民經濟的迅速發展和城市化進程加快，國家大力發展交通基礎工程，高速公路和城市快速路迅速發展。隨著公路和城市道路等級的提高，橋梁所占的比例越來越大。然而，由于目前國內施工單位的技術水平參差不一，橋梁安全事故越來越多，公開報道的事故中，大多為施工方案對安全沒有足夠重視導致。

根據這一現狀，業主作為建設單位，越來越依賴設計單位的技術專業性，要求設計單位采用精細化設計，以指導施工單位順利完成施工；而發改局在審查造價咨詢單位根據施工圖編制的標底時，亦要求設計公司對施工方案圖（如水上施工平臺、現澆支架圖、安全防護棚等）不斷細化，以得到較準確的工程量作為批復造價的依據；最后，隨著EPC工程總承包模式的日趨成熟，設計院也逐漸向著工程總承包的方向發展，這些都要求設計圖紙接地氣，不再停留于以往“僅作為指導性施工方案”的粗淺方式。

新水東大橋由福建省交通規劃設計院設計，2012年9月受施工單位中鐵一局集團二分公司的委托，作為設計院對新建南平水東大橋3號和4號橋墩深水基礎施工方案進行專項設計。因篇幅所限，本文僅對3號橋墩深水基礎設計進行介紹。

1 工程概況

新水東大橋位于福建省南平市區東，橋梁橫跨建溪河，是水東街道社區通往南平市區的必經之路，是市政的搶險工程。與新橋相距50 m的舊水東大橋已經禁止機動車通行，原本到市區幾百米的路程要繞道數十公里，市民們十分期待大橋早日通車。主橋為一聯57.5 m+105 m+57.5 m變截面預應力混凝土連續剛構橋，引橋為1-15.4 m和2×25 m連續箱梁，橋梁全長220 m。橋位處建溪河河道水面寬近300 m，河底高低不平，水深7.5～15 m。

橋梁為整體式斷面，橋面全寬20 m，橫斷面布置為：2.5 m人行道+15 m機動車道+2.5 m人行道。

1.1 承臺尺寸

主橋橋墩為薄壁式單箱三室空心墩，承臺尺寸：20.1 m×9.1 m×3.5 m，其下接2.2 m鉆孔灌注樁群樁基礎，樁基縱橋向兩排，橫橋向四列布置，間距5.5 m。承臺頂部高程均為60.5 m，底部高程57 m。圖1為新水東大橋立面圖。

1.2 水文地質

施工區域內水系屬建溪水系，汛期集中在3～9月，建溪常水位為61.5～62.8 m，水流速3 m/s。3#主墩常水位河床水深約為15 m，河床覆蓋層比較薄（約2～4 m多厚），為土加石。

根據地質資料顯示，3#墩地質土層情況如下：

（1）卵石:松散、飽和、黃色，取芯率約 30%，成份以卵石為主，含有30%～35%的黏性土、砂等，分選性差，級配較好，粒徑2～4 cm為主，個別大于6 cm，呈磨圓狀或半磨圓狀，充填物主要以砂、黏性土為主。

（2）含黏土、卵礫石粗砂:中密、密實、飽和、灰黃色。成份以粗砂為主，鉆進過程中返漿中多為粗砂顆粒，含約30%～35%的卵礫石。黏土，分選性差，級配好；卵石粒徑2～4 cm為主，個別大于6 cm，呈磨圓狀或半磨圓狀。

圖1 新水東大橋立面圖

（3）砂土狀強風化凝灰質粉砂巖:灰黃色，礦物主要可見殘余的石英、長石顆粒，可辨別出粉砂～砂狀結構，大部分礦物已風化成次生礦物，巖體極破碎，呈散體狀結構，巖芯呈砂土狀，夾雜少量碎塊狀，手捏易散，泡水易軟化、崩解，強度低，屬極軟巖。該層標貫擊數大于50擊。

（4）碎塊狀強風化炭質粉砂巖夾煤線:深灰色、灰黑色，礦物主要可見長英質和炭質碎屑等，泥質、粉砂結構，薄層狀構造，巖質不新鮮，節理裂隙很發育，43m以上裂隙面多見鐵錳質渲染，局部礦物已風化成次生礦物，巖體極破碎～破碎，呈碎裂狀結構，巖芯以碎礫～碎塊狀為主，碎塊塊徑在3～5 cm間，偶見巖芯長5 cm，敲擊易碎，TCR值約為20～30，RQD值近0，屬極軟巖。

（5）中風化炭質粉砂巖夾煤線:深灰色、灰黑色，礦物主要成分為長英質和炭質碎屑等，泥質、粉砂結構，薄層狀構造，巖質較新鮮，堅硬，敲擊聲較鈍，節理裂隙發育，裂隙面上多有絲絹光澤，巖體較破碎～較完整，呈鑲嵌碎裂結構，巖芯呈短柱狀、碎塊狀，最長見35 cm柱狀，TCR值約為50～60，RQD值約為10～20，屬極軟～軟質巖。在鉆進過程中，有出現忽快忽慢的現象，故判定存在軟弱夾層。62.5 m以下，巖芯炭質含量明顯增高，用手搓敲斷的裂隙面，易污手，手感滑膩，且光澤明顯，暴露空氣中一天后，多出現崩解現象。71.1 m以下，巖芯呈碎塊狀為主。

2 圍堰設計原則及技術標準

2.1 設計原則

（1）新水東大橋工期短、時間緊，水中3號、4號主墩已為控制工期的節點工程，故必須選擇施工周期短、施工速度快、材料資源豐富的鋼圍堰方案。

（2）鋼圍堰必須具備足夠的剛度以保證施工安全及渡洪要求，圍堰為臨時結構，頂面標高按高出62.8 m常水位0.5 m以上考慮。

（3）考慮到不妨礙承臺施工要求、抽水設備、匯水井布置等因素，圍堰內直徑采用較承臺對角線每側大1 m左右。

2.2 設計標準

設計標準見表1。

表1 設計標準一覽表

3 圍堰設計方案

3.1 總體布置

新水東大橋3#墩雙壁鋼圍堰采用圓形雙薄壁鋼結構，圍堰堰腳穿越覆蓋層置于基巖面并入巖0.5 m左右，刃腳底標高為41.5 m。圍堰隔倉內澆注混凝土至封底混凝土頂面以上1.5 m即46.0 m標高位置處。鋼圍堰現場總體布置如圖2所示。

3.2 結構構造

3#墩雙壁鋼圍堰高度為H=22.0 m，沿高度方向分成了5個節段，即：刃腳段4.0 m（刃腳段）+6×3.0 m（標準段）。每個圓環形圍堰節段等分為10個環塊，節與節之間、塊與塊之間的連接均采用連續滿焊等強度焊接。單塊鋼圍堰吊裝最大重量約5.4 t，為保證圍堰下沉過程中保持豎直狀態，在外壁和內壁鋼板間焊接8塊隔倉板，形成相對獨立的倉室，利用各倉之間水位高差來調整圍堰豎直度。

圍堰制作材料均采用Q235鋼材，內外壁鋼板厚6 mm，橫向水平主龍骨托架采用16 mm扁鋼圓環加強，壁板之間的豎肋、水平橫撐、水平斜撐和豎直斜撐均采用L50×6 mm角鋼。豎肋間距：內壁板上50 cm，外壁板上33.3 cm；水平托架豎向間距1.5 m。結構構造見圖3所示。

圖2 鋼圍堰總體布置圖

圖3 鋼圍堰結構構造圖

3.3 施工方法

3#墩承臺下河床河沙覆蓋層厚度為1.4～8 m，根據水下摸底情況得知地勢較為平坦，方便了鋼圍堰的下沉。鋼圍堰在岸邊加工場制作，設四座胎模以保證加工精度。圍堰底節在臨時碼頭上拼裝焊制成形后，采用2臺浮吊和2臺汽車吊整體起吊下水。

4 計算分析

鋼圍堰在其自身拼裝形成過程中和其下沉就位后的各種工作狀態下，均受到流水、土體、風力等外界的作用。為了滿足在各種外界力的作用下，鋼圍堰結構能夠完好地工作，處于良好的工作狀態，從而實現它的各種功能，需要對其在各種狀態下進行結構計算。

4.1 力學性能參數

該項目于2012年施工，其方案中所選用鋼材鋼號均為Q235A，力學性能根據《公路橋涵鋼結構及木結構設計規范》（JTJ 025-86）規定，考慮臨時工程容許應力提高系數1.3，按以下規定計算：

（1）彈性模量：E=200 GPa；

（2）抗彎容許應力：[σ]=1.3[σw]=1.3×145=188.5（MPa）；

（3）抗剪容許應力：[τ]=1.3×85=110.5（MPa）。

4.2 圍堰堰壁在靜水壓力作用下的強度驗算

鋼圍堰在堰內抽水完成以后，由于內外水頭差較大，此時其處于不利的受力狀態下，應對無填壁混凝土的圍堰壁進行強度計算。

經計算，圍堰外壁和內壁所能承受的最大水頭差分別為13.25 m和5.88 m。澆筑承臺混凝土時，堰內抽水至承臺底面以下0.5 m處標高，即56.5 m。施工期間，保持河床常水位與鋼圍堰內外壁之間的水頭差不大于3 m，即可滿足受力要求。

4.3 壁板豎向角鋼受力計算

水平托架間距為1.5 m，豎向角鋼按三跨連續梁驗算。梁跨徑為1.5 m，其斷面形式考慮40倍壁板厚度豎肋共同受力時，如圖4所示。

圖4 豎肋角鋼與堰壁的組合截面圖

最高施工水位為62.8 m，圍堰內抽水至承臺底面以下0.5 m即標高56.5 m時，隔倉內注水至標高59.8 m處。此時，經計算截面上下緣最大應力分別為：σ上=52.3 MPa，σ下=158.4 MPa均小于容許應力[σ]=188.5 MPa。

剪應力為：τ=55.4 MPa＜[τ]=110.5 MPa

可見，堰內抽水達到最大水頭差時，圍堰壁豎向肋角鋼處于良好的受力狀態，結構安全。

4.4 鋼圍堰承受靜水壓力時整體的穩定性驗算

設實際水頭差為：h0=62.8-56.5=6.3（m），則驗算荷載為：q=h0v=63×10-3（MPa）=0.063（MPa）。

可見：q＜＜qcr，所以鋼圍堰在施工過程中不會發失穩現象。

4.5 抗浮驗算

F浮＝ρgV排=1.0×103×10×π ×13.3692×（62.8-56.5）/103=35 374.3（kN）；

雙壁鋼圍堰及自重：G1=322.9×10=3 229（kN）；

封底混凝土自重：G2=π×11.9372×3×24=32 230.9（kN）；

填充混凝土自重：G3=π×（13.3692-11.9372）×（3+1.5/2）×24=10 246.1（kN）；

圍堰內外壁之間的水重：G4=π×（13.3692-11.9372）×（59.8-46）×10=15 710.7（kN）；

則抗浮穩定系數：K=（G1+G2+G3+G4）/F浮=1.89，滿足要求。

4.6 封底混凝土強度驗算

封底混凝土底部水壓：q水=γ水h水=10×（62.8-56.5）=63（kPa）；

混凝土自重產生的壓強：q混凝土=γ混凝土h混凝土=24×3=72（kPa）。

混凝土自重比水壓大，故其強度不需驗算。

上述分析計算結果表明：圍堰尺寸擬定是合理的，圍堰各構件受力比較合理，滿足施工過程中的受力要求，圍堰整體抗浮和抗滑移穩定性都能得到保證。該圍堰取得了良好的經濟效益和工期效益，其設計和計算可為類似工程的使用提供參考。

5 結論

通過對新水東大橋主墩鋼圍堰的設計,得出以下結論:

（1）采用增大環板厚度的方式可以明顯減小結構的受力,因為圍堰結構大體相當于承受均勻水壓的圓環,主要承受壓力,增大環板厚度即等于增大了承壓面積,因此效果十分明顯。而增大橫撐截面積的方式對于減小整個結構受力并不明顯,因為橫撐主要起到傳遞剪力,使內外壁共同受力的作用,對于減小結構的整體受力并不明顯。

（2）圍堰夾壁內填充混凝土較填充水可有效減少結構的最大應力和變形,提高結構的剛度和穩定性。

（3）在鋼圍堰加工過程中，應嚴格保證各部分焊縫的質量,對關鍵受力焊縫應作探傷檢驗,對有水密性要求的所有焊縫應作水密性試驗。對各種型式的焊縫應作標準樣焊縫試驗。

（4）在鋼圍堰施工過程中,應盡量避免使其遭受船舶的撞擊,并加強施工期間的航道維護工作,如設置導航標、安排專門人員進行巡邏等,盡量將船撞的風險降到最低。