小凈距大高差深埋承臺圍堰優選分析及應用

胡義新，陳丹

（中交二航局第六工程分公司，湖北 武漢 430014）

0 引言

在國內外橋梁基礎施工領域中，對于水中相鄰多承臺，各種形式的圍堰結構應用較為普遍，各類規范標準對結構強度、剛度、穩定性及驗收等要求進行了規定[1-3]。在承臺標高不同，水位較大的情況下，為提高基礎在水位較高、流速較大、覆蓋層復雜條件下的強度、剛度、穩定性，工程技術人員做了相關研究[4-7]。劉寧波等[8]介紹了在超大水頭差條件下，采用新型組合型板樁圍堰的設計與施工，闡述了該結構優點和施工要點，該結構材料需求大、現場焊接量大、組合結構板樁質量控制難度較高；曹勤濤等[9]提出相鄰承臺基礎采用整體圍堰結構形式，該方法存在清淤量大（按同一設計標高考慮），封底混凝土消耗量大等特點。本文將依據在建漳州金峰大橋主墩及廊橋基礎，結合橋位區水文地質特點，通過多工藝對比分析，結合有限元建模分析，研究提出一種新的圍堰結構形式，同時總結該結構的關鍵施工要點，進而解決水中小凈距大高差深埋承臺施工難題。

1 工程概況

福建省漳州市金峰大橋主橋跨越九龍江西溪河道，為變截面預應力混凝土連續箱梁，分幅設置，單幅橋寬23.5 m，跨徑組合為75 m+120 m+75 m，采用“廊橋薌韻”設計方案，為國內最大廊橋，主墩位置橫橋向設置2座觀景閣，廊橋與主橋結構體系見圖1。

圖1 廊橋與主橋結構布置圖Fig.1 Structural layout diagram of gallery bridge and main bridge

承臺采用分離式設計，主橋單個承臺尺寸10.4 m×22.15 m×4 m，廊橋承臺在主橋承臺的兩側，單個承臺尺寸10.8 m×8.8 m×1.8 m。其中廊橋承臺與主橋承臺的間距為2.275 m，主墩承臺間距為2.35 m，屬于小凈距設計；廊橋承臺與主橋承臺底標高相差2.128 m，頂標高相差4.328 m，屬于大高差布置；其中廊橋承臺埋深5.26 m，屬于深埋承臺。具體設計的相對位置關系見圖2所示。

圖2 主墩承臺立面圖Fig.2 Vertical section of main pier cap

橋址處水文地質條件如下：

1）橋位與河道水流方向基本呈正交，橋梁軸線的法線方向與水流夾角接近0°。

2）水流平均流速按2 m/s計，常水位+3.5 m。

3）地質含有淤泥、細砂和中砂等地層，地質情況見表1。

表1 墩位地質情況表Table 1 Geological conditionsof pilecaps

2 方案優選分析

根據工程水文地質情況，結合橋梁的結構和水文特點，擬采用3種方案：方案一為分階段獨立鋼板樁方案；方案二為整體鋼板樁圍堰方案；方案三為帶隔艙不等長鋼板樁圍堰方案。

2.1 不同方案介紹

由于廊橋承臺底較深，廊橋承臺圍堰采用18 mSP-IVw型鋼板樁，主橋承臺相對較淺，采用15 mSP-IVw型鋼板樁。因此方案一選用18 mSPIVw型和15 mSP-IVw兩種鋼板樁，廊橋圍堰尺寸為：13.8 m×11.8 m，主橋圍堰尺寸為：13.4 m×25.15 m；方案二選用18 mSP-IVw型鋼板樁，圍堰尺寸為47.25 m×12.8 m；方案三選用18 mSPIVw型和15 mSP-IVw兩種鋼板樁，圍堰尺寸為47.25 m×12.8 m，隔艙距離邊側板樁12.8 m。共用板樁部分（為明顯區分，稱為隔艙）為18 mSP-IVw型鋼板樁。

方案一：分階段獨立鋼板樁方案

圖3 分階段獨立板樁圍堰方案Fig.3 Stage independent sheet pile cofferdam scheme

施工時，對于鄰近承臺，采用間隔分階段施工。第一階段：先施工其中埋深較深的一側廊橋圍堰以及間隔承臺的主墩圍堰，在墩身出水后拔除相應承臺周圍圍堰板樁；第二階段：施工一階段完成的相鄰承臺，周轉拔出后的板樁，施打剩余的主墩圍堰和間隔承臺的廊橋圍堰板樁，直到墩身出水后拔除相應承臺板樁。分階段獨立板樁圍堰方案見圖3。

方案二：整體鋼板樁圍堰方案

對于相鄰承臺采取整體板樁圍堰施工，一次插打成環封閉，以埋深大的承臺板樁規格作為參考基準，高差較大主墩承臺下需設置砂墊層，直到全部墩身出水后拔除所有承臺鋼板樁。整體板樁圍堰方案見圖4。

圖4 整體板樁圍堰方案Fig.4 Integral sheet pile cofferdam scheme

方案三：帶隔艙不等長鋼板樁圍堰方案

采用一種帶隔艙的不等長鋼板樁圍堰結構，該圍堰采用差異化布置，可滿足多作業面同時施工，不同標高情況下進行分艙差異化清淤和封底，待墩身出水后，廊橋和主墩鋼板樁圍堰可根據情況分別拆除。帶隔艙不等長板樁圍堰方案見圖5。

圖5 帶隔艙不等長板樁圍堰方案Fig.5 Schemeof unequal-length sheet pile cofferdam with compartment

綜上所述，3種方案各有特點，為比選出適合本工程項目的方案，下面對各方案進行對比優選以及分析計算。

2.2 基本工藝參數對比

根據現場實際施工情況和以往施工進度對比，結合本工程地質情況和人員、設備配置情況。對承臺板樁圍堰方案進行比選，結果如表2所示。

表2 不同圍堰形式施工工藝分析表Table2 Analysistableof construction technology for different cofferdam forms

由表2可知：方案一所需工期長；方案二所需人員多，清淤量大，封底混凝土消耗量大；方案三工期最短，清淤量最少。綜合來看，方案三具有較大優勢。下面分別對3種方案進行結構受力及剛度計算分析。

2.3 計算分析

根據鋼板樁圍堰結構要求，設置圍檁、內支撐及斜撐等。鋼板樁材質為Q295bz，其余構件材質均采用Q235B。采用MIDAS-civil及MIDAS-FEA進行有限元分析。

2.3.1 工況分析及模型計算

工況一：高水位帶水開挖至設計標高，且尚未澆注封底混凝土時的工況。

工況二：封底澆筑完畢，在施工高水位條件下的抽水工況。

運用MIDAS對各工況進行建模計算，把板樁結構作為彈性支撐連續梁。邊界條件：鋼板樁之間采用鉸連接，模擬鋼板樁鎖扣作用；外荷載沿單元法向加載；圍檁與鋼板樁之間采用只受壓彈簧模擬；鋼管支撐與圍檁之間采用剛性連接，模擬焊接效果；巖土對鋼板樁的被動作用依彈性地基梁理論等效為一般彈簧單元。

1）方案一計算結果：獨立圍堰各工況應力計算結果見表3。

表3 獨立圍堰方案計算結果表Table 3 Calculating results of independent cofferdam scheme

圍堰最大組合應力為132 MPa＜295 MPa，最大位移變形為24.6 mm＜L/200=18 000/200=90 mm，滿足要求。

2）方案二計算結果：整體圍堰各工況應力計算結果見表4。

表4 整體圍堰方案計算結果表Table4 Calculating results of integral cofferdam scheme

圍堰最大組合應力為160 MPa＜295 MPa，最大位移變形為78.3 mm＜L/200=18 000/200=90 mm，滿足要求。

3）方案三計算結果：帶隔艙圍堰各工況應力計算結果見表5。

表5 帶隔艙圍堰方案計算結果表Table 5 Calculating result table of cofferdam schemewith compartment

圍堰最大組合應力為165 MPa＜295 MPa，最大位移變形為86.2 mm＜L/200=18 000/200=90 mm，滿足要求。

圖6 鋼板樁圍堰施打順序Fig.6 Construction sequence of steel sheet pile cofferdam

2.3.2 結果分析

由上述計算結果歸納出3種方案不同數值分析結果可知：

3種方案各構件強度及剛度均滿足設計及規范要求，方案一的兩種工況圍堰變形較小且接近，方案二與方案三兩種工況圍堰變形相差較大，基本上第二工況形變值為第一工況的1/4；

工況一情況下，3種方案板樁應力均高于圍檁和支撐應力，且3種方案同類型結構應力較為接近，方案三板樁應力較其他方案應力大5%，方案三圍檁及支撐應力較方案二小20%，方案一圍堰變形最小，方案二與方案三圍堰變形接近；

工況二情況下，方案一各構件應力及變形最小，方案二與方案三結構接近，其中方案二板樁應力較圍檁和支撐應力小，方案一與方案三較圍檁和支撐應力大，3種方案圍堰變形值接近。

2.4 方案優選確定

綜合分析得知：工藝方面，方案三在工期、清淤量、人工及可實施性均優于其它方案；結構計算分析方面，方案一圍堰結構受力最優，方案二與方案三計算結果近似，強度、剛度及穩定性均滿足設計及規范要求。綜上所述，采用方案三“帶隔艙鋼板樁圍堰結構”，對大高差小凈距深埋承臺進行施工，為最優方案。

3 關鍵施工要點及現場應用情況

3.1 關鍵施工要點

帶隔艙鋼板樁圍堰施打順序：根據施工順序，先施打隔艙板樁，再從左至右逐個封閉成環施打，最后于角樁處合龍，施打順序如圖6所示。

內支撐處理：由于廊橋承臺圍堰和主墩圍堰板樁規格長度不同，且水頭差存在較大差異，廊橋承臺1次澆筑，共設置兩層支撐，主墩承臺分2次澆筑，為確保圍堰受力均衡合理，支撐位置需于同一標高部位對稱布置，主要為K字撐結構，相關設置見圖7。

圖7 隔艙板樁內支撐結構圖Fig.7 Internal support structure diagram of bulkhead sheet pile

隔艙板角樁處理：主橋承臺圍堰與連廊承臺圍堰相接，在隔艙板樁兩端加工成定尺異形板樁，與長邊方向板樁橫向連接采用T形角樁形式，主要結構形式見圖8。

圖8 隔艙板樁T形角樁結構示意圖Fig.8 Structural schematic diagram of T-shaped corner pilesfor bulkhead sheet piles

連廊與主墩過渡板樁連接：主橋承臺圍堰與連廊承臺圍堰相接，在隔艙板樁兩側設計為不等長鋼板樁。廊橋承臺埋深較深，四周采用長板樁，主橋承臺相對埋深淺，長邊方向采用短板樁，短邊方向與廊橋板樁共用，結構差異見圖7～圖8，具體結構形式見圖9所示。

圖9 隔艙板樁兩側連接結構示意圖Fig.9 Diagram of connection structure between two sides of bulkhead sheet pile

3.2 現場應用情況

福建省漳州市金峰大橋主橋及廊橋承臺施工成功應用了帶隔艙式組合板樁圍堰結構，2017年10月開始鋼板樁圍堰施工，2017年12月完成主墩承臺混凝土澆筑，相對常規圍堰施工方法，縮短了近1.5個月的工期。依托項目采用帶隔艙的鋼板樁圍堰進行差異化施工，有效解決了小凈距大高差水中深埋承臺施工難題，減少了資源消耗，節約了工期。

4 結語

通過對方案分析、結構設計及關鍵施工要點研究，優選研發出帶隔板的鋼板樁圍堰及其施工方法，主要優點為：結構新穎，有效規避了獨立鋼板樁和整體鋼板樁方案資源消耗大、工期持續長的問題；根據鄰近承臺水頭差不同，采用基于同一圍堰的差異化設計，包括板樁長、內支撐層數、水下吸泥量、封底混凝土厚度等，社會經濟效益顯著。本文形成結論如下：

1）帶隔艙的鋼板樁圍堰結構形式較獨立圍堰方案及整體圍堰方案，具有工期短、清淤量少且資源消耗少等優勢；

2）通過3種圍堰結構的數值分析對比，獨立圍堰應力及變形最小，整體圍堰與帶隔艙圍堰計算結構較為接近；

3）隔艙板樁起到了差異化施工效果，但需要注意一系列施工要點，首先施工順序應從隔艙板樁開始，其次內支撐應對稱布置，然后拐角處板樁應進行獨特加工，最后主墩承臺縱橋向板樁為隔艙板樁，橫橋向板樁相對廊橋板樁長度較短。

通過依托工程應用，驗證了帶隔艙板樁圍堰結構的經濟合理性及結構安全性，滿足了小凈距大高差水中深埋承臺快速施工的要求。