宜賓臨港長江公鐵兩用大橋組合圍堰計算及監控方法

黃 鵬

(四川公路橋梁建設集團有限公司大橋工程分公司, 四川成都 610015)

伴隨我國公共交通事業的蓬勃發展，一方面為滿足橋梁大跨度的要求，橋梁基礎尺寸日益增大[1-3]；另一方面，在橋梁建設技術不斷提高的推動作用下，大跨度橋梁建設逐漸走向深水區，為滿足橋梁基礎施工期間的安全需求，不同結構形式、尺寸的圍堰施工技術也不斷得到發展。在橋梁基礎施工中，常見的圍堰形式有鋼板樁圍堰、雙壁鋼圍堰、鎖口鋼管樁圍堰、咬合樁圍堰以及各類組合結構形式的圍堰[4-5]。

由于橋梁基礎施工中，各類圍堰結構形式日益復雜、體量日趨巨大，針對此類大型圍堰工程，為確保橋梁施工期間的安全性，在圍堰設計階段必須對其進行結構驗算，施工期間必須對其工作狀態進行結構應力、變形監測[6-7]，保證圍堰結構處于合理的工作狀態內。本文以位于四川省宜賓市長江上游的宜賓臨港長江公鐵兩用大橋3#主墩基礎施工期間，實施性圍堰結構設計為例，結合現場監控測量數據分析，以期為將來類似工程提供參考借鑒。

1 工程背景

1.1 項目概況

宜賓臨港長江公鐵兩用大橋(以下簡稱臨港橋)位于宜賓市內，該橋為蓉昆高鐵、渝昆高鐵及連接宜賓北岸臨港區、南岸翠屏區市政交通的共同過江通道。臨港橋為雙塔四索面平層公鐵兩用斜拉橋。

臨港長江公鐵兩用大橋主橋全長1 073 m，橋跨布置為(72.5+203+522+203+72.5)m，為國內首座公路與高鐵合建鋼箱梁斜拉橋、世界跨度最大公鐵兩用鋼箱梁斜拉橋。臨港橋主橋立面圖如圖1所示。

圖1 宜賓臨港長江公鐵兩用大橋主橋立面(單位:m)

1.2 水文條件

臨港橋位于長江上游地區，為雨源性山區河流，水位變化劇烈。每年11月至次年5月，圍堰所處區域水位維持在258.0附近，為長江水位枯水位，圍堰所處區域水流速度約為3 m/s；每年6月至10月，該區段內長江水位上漲，最高水位超過267.0，為汛期洪水水位。

1.3 基礎工程概況

臨港橋采用矩形承臺基礎，承臺基礎平面尺寸67 m×35.75 m(以3#主墩承臺為例)，承臺高度7 m，承臺頂面高程252.3，位于河床底面基巖上方。3#主墩基礎施工區段內，長江枯水期最高施工水位260.0，洪水期間最高施工水位269.0，臨港橋3#主墩基礎立面如圖2所示。

圖2 臨港橋承臺立面布置

1.4 施工方案概述

1.4.1 人工筑島

在臨港橋3#主墩基礎施工前，在長江水位位于枯水位期間，人工筑島至主墩承臺施工區域，筑島面高程260.5，枯水期人工筑島如圖3所示。

圖3 枯水期人工筑島

1.4.2 施工咬合樁

待人工筑島完成后，施工3#主墩圍堰下部咬合樁部分，并對承臺基礎區域進行開挖，承臺最大開挖深度15.2 m，開挖期間伴隨深度的增加，及時施作上部鋼管支撐。安裝圍堰內部支撐如圖4所示。

1.4.3 上部鋼圍堰接長

待下部咬合樁施工完成后，在汛期來臨前，接長上部雙壁鋼圍堰。雙壁鋼圍堰頂面標高270.5，滿足汛期施工長江最高水位269.0要求，臨港橋3#主墩圍堰接長如下圖5所示。

圖5 接長上部雙壁鋼圍堰

2 主墩圍堰結構驗算

在組合圍堰結構模擬中，采用了三種不同的模擬方法，將咬合樁簡化為梁單元、板單元進行模擬有限元模型如圖6所示。

圖6 梁、板單元模擬咬合樁模型示意

2.1 忽略素樁法

在此計算方法中，咬合樁葷樁作為組合圍堰下部主要受力結構，假定所有荷載均由葷樁承擔，咬合樁素樁不作為一般受力結構，主要完成防滲止水功能，不計咬合樁-素樁傳遞豎向彎矩、橫向彎矩及徑向剪力[8]。

2.2 等效剛度法

在圍堰咬合樁數值計算方法中，較為常見的方法有等效剛度法。其原理為，根據等效剛度原則，將咬合樁等效為地下連續墻，以此來進行圍堰結構的變形及穩定性分析[9-10]，通過等效剛度法折算厚度取t=1300mm。

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2.3 有效咬合厚度法

因此，針對重要結構，應當考慮兩咬合樁之間真實咬合厚度，即只計算兩咬合樁件最小結合厚度，其余部分作為安全儲備，計算結果偏于不安全。通過有效咬合厚度法計算板單元厚度t=830mm。

3 圍堰監控方案

臨港橋3#主墩圍堰施工枯水期開挖深度深，汛期水位高，組合結構圍堰承受荷載大，在施工期間需要對圍堰的工作狀況進行監測。組合結構圍堰監測主要包含圍堰內部鋼管支撐、上部雙壁鋼圍堰壁板應力以及咬合樁水平位移等內容。結合現場情況，臨港橋3#主墩基礎施工期間，組合圍堰監控主要設置咬合樁水平位移等內容。結合現場情況，臨港橋3#主墩基礎施工期間，組合圍堰監控主要設置咬合樁水平位移監測點8處，內外壁板應力監測測點3處，鋼支撐軸向應力測點2處。利用標貼式智能應變計、傾角探頭對組合結構圍堰應力、咬合樁水平位移進行測量。臨港橋3#主墩圍堰監控布置方案如圖7所示。

圖7 臨港橋3#主墩圍堰監控布置方案

4 數值模擬數據與圍堰監測采集數據

4.1 數值模擬數據分析

臨港橋3#主墩圍堰施工過程中計算結果如下。

4.1.1 圍堰內部鋼支撐應力

臨港橋3#主墩計算模型中，內部鋼支撐最大應力出現在咬合樁圍堰內部冠梁支撐處，匯總各階段計算應力如圖8所示。整體而言，葷樁極限承載法所得應力值最大，有效咬合厚度法最小，最大差異約40 %。

圖8 鋼支撐1應力計算結果

4.1.2 圍堰外壁板應力

鋼圍堰外壁板屬于組合圍堰結構上部構件，在前期施工中尚未安裝，故在第四施工階段中參與結構計算。整理3#主墩圍堰鋼結構中部測點一處及迎水面方向測點3處應力計算結果如圖9所示。

圖9 外壁板測點1應力計算結果

4.1.3 圍堰下部咬合樁變形

臨港橋3#主墩圍堰施工期間，咬合樁結構最大變形區域集中在圍堰結構中部以及受水流沖擊影響最大迎水面處，選擇最有代表性的咬合樁變形測點1，匯總計算結果如圖10所示。

圖10 圍堰結構下部咬合樁測點1變形

4.2 監控與數值模擬結果對比

臨港橋3#主墩施工期間，監控控制時間節點為基礎開挖最大深度以及最高施工水位階段，整理現場施工過程中監控記錄基礎最大開挖深度、最高施工水位267.3(現場記錄最高水位)，采集數據及計算模擬數據對比分析分別如表1、表2所示。通過數據分析發現，現場測量數據和理論計算模擬較為吻合。當采用忽略素樁法時，由于忽略了素樁的承載能力，計算應力位移均為最大值，相較測量結果最大誤差接近30 %。采用等效剛度法時，由于忽略了現場施工偏差對于結構質量的削弱，相較現場測量結果明顯偏小，計算結果偏于不安全。當采用有效咬合厚度法時，能獲得較為接近最佳真實的測量結果，結算結果偏于安全。

表1 基礎最大開挖深度數值模擬與監控數據結果分析

5 結論

本文以臨港橋3#主墩基礎圍堰結構為例，結合采用數值模擬和現場監控相結合的方法對組合圍堰結構進行有限元模擬分析計算，比較了三種建模簡化方法的計算結果，總體結論如下。

(1)采用忽略素樁法只考慮葷樁作為持力結構時，計算結果偏于安全。但是由于忽略咬合樁素樁參與結構受力，最終計算結果與實際差異較大，如采用此方法進行設計，將可能導致結構費用不經濟。

(2)采用等效剛度法計算時，由于采用了理想剛度換算公式，導致折算板單元厚度偏大，而在實際施工中，由于多種因素干擾，難以保證有效的咬合厚度，因此在計算中，采用等效剛度法計算結果偏于不安全。采用此方法設計臨時結構，對于后續施工，存在一定安全隱患。

(3)采用有效咬合厚度法計算圍堰結構時，最終結果介于前兩種方法之間。相較于等效剛度法，削減了板單元厚度，更加接近工程施工中可能出現的情況，因此計算結果偏于安全。

綜上，在大型臨時結構工程設計中，當把結構安全性作為第一控制因素時，建議可將有效咬合厚度法作為首選方法，以提高臨時工程的安全可靠度。

表2 最高施工水位267.3數值模擬與監控數據結果分析