鋼套箱圍堰施工數值仿真分析及拼裝技術研究

張 永

（廣東冠粵路橋有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

隨著我國交通基礎設施的發展，公路橋梁從原來的陸地逐漸轉向復雜程度更高的深水[1-2]。水上施工相對陸地施工難度較大，一方面因為沒有機械設備的支撐點。另一方面以水下地質作為橋梁地基的基礎不確定因素更多[3]。工程中的水下施工一般也將其轉化為陸地形式施工，在計劃施工的范圍內設置圍堰，阻擋水流進入施工區域。鋼套箱圍堰是施工中常用的臨時性設備，因其剛度大、不容易變形、可重復使用等特點廣受好評[4-6]。鋼套箱圍堰可以根據基礎的埋置深度合理分段，但水下拼裝難度仍然較大，且水域情況復雜，鋼套箱面板會受到河流的沖刷和土體的擠壓，因此其結構穩定性待研究。眾多學者對圍堰外壁所受的壓力從理論上進行了計算和分析[7-8]。另有一些學者根據現場監測數據，對已有工程的鋼套箱圍堰進行研究分析[9-10]。但大多數工程，尤其是水下工程，地質情況和自然情況都較為復雜，可供選擇的經驗較少，具有不可復制性。因此數值模擬是深水圍堰中常用的手段，其可以不受地域的限制建立模型，分析結構穩定性和變形。本文以巴河河道中的鋼套箱為例，分析鋼套箱圍堰在拼裝過程中存在的難點，以現場監測和數值模擬兩種手段為基礎，研究圍堰結構的穩定性，并根據結果對施工中的難點工序進行分析。

1 基坑工程概況

1.1 工程及周邊情況介紹

347 國道黃岡市巴河特大橋中心樁號K6+829，起止樁號為K6+079～K7+579，全長1 500 m，橋面寬度34.5 m，交叉角度90°，主橋（70+120+70）m 剛構連續梁跨越巴河。21#，22#為主墩，墩基礎采用雙壁鋼圍堰施工，根據施工單位確認，圍堰設防水位為+14.854 m。雙壁鋼圍堰側板厚1.5 m，高度為23.5 m。圍堰結構如圖1 所示。

圖1 圍堰結構圖（cm）

1.2 工程地質條件

土層的各項參數見表1。

表1 土層物理信息

2 鋼套箱圍堰監測點設置及監測結果分析

2.1 監測點的布設及監測內容

為確保鋼套箱安全，21#，22#墩上各設置2 個觀測基點，鋼套箱拼裝有10 個節點，水位高于鋼套箱時，采取在鋼套箱上焊接角鋼接高延伸，在角鋼上安萊卡反射片，測量鋼圍堰布設點使用前的坐標，高程初始讀數，實現監測目的。監測周期及頻率見表2。

表2 監測周期及頻率

2.2 鋼套箱圍堰監測數據分析

1）圍堰頂部水平位移

由圖2 可知，隨著埋置深度的增加，圍堰結構面板水平位移逐漸減小，測點2 和測點5 位于面板的兩側，水平位移較小；測點3 和測點4 位于圍堰中間部位，水平位移較大。從圖2 可以看出，圍堰結構的埋置深度和水平位移并非呈正相關。當埋置深度為20 m，14 m 時，水平位移出現突變。圍堰結構頂部水平位移最大未超過7 mm，滿足設計要求。以測點4 為例，圍堰結構水平位移6.4 mm，相對基坑深度控制值為0.027%，遠小于控制值。

圖2 面板處水平位移監測結果

2）圍堰頂部沉降

圖3 為圍護墻頂部沉降數據。由于圍堰結構較大，在圍堰結構頂部布置4 個測點，監測4 個測點處，圍堰沉降與時間的關系，并取沉降最大的測點7為研究對象。由圖3 可知，隨著時間增長，圍堰結構不斷下沉，安裝完成1 d 后，沉降最為明顯，達10 mm。沉降量大的原因：①圍堰結構較深，分節安裝，安裝部位存在誤差，待安裝完成后，在上部結構的壓力下，各結構之間連接緊密。而圍堰結構屬于剛性基礎，不易發生變形，因此圍堰結構頂部產生直接的沉降量；②水下土體的不穩定性，水流量的大小會對圍堰沉降造成影響。

圖3 圍堰頂部沉降

圍堰頂部沉降最終穩定在28 mm 左右，超出控制值。從監測數據來看，第8 d～第14 d，沉降速率最大，這個階段應加強監測頻率，并采取相應措施指導施工。14 d 以后，沉降有波動的增大，最終穩定在28 mm。

3 鋼套箱圍堰數值仿真力學特性分析

3.1 數值仿真模型建立

運用MIDAS Civil 2016 建立模型，研究鋼套箱圍堰施工過程中的結構力學特性。圍堰結構的集合參數見表3。圍堰均采用Q235B 鋼，材料參數見表4。

表3 圍堰結構參數

表4 Q235B 鋼材料參數

3.2 施工荷載計算

1）水壓力

水壓力按照內外水頭差進行計算，按照三角荷載進行布置，其他控制水位均為+14.854 m，圍堰底標高為-7.549 m，圍堰水頭差計算公式為：

2）水流

水流力按《港口工程荷載規范》進行計算。水流力簡化為倒三角形荷載，水面處水壓力計算公式為∶

式（2）中：當河床處水壓力為0 時，ρ為水密度，g/cm3，此處取1 g/cm3；V為水流流速，m/s；Cw為水流阻力系數，取值1.3。當水流流速V=2 m/s 時，水流力計算公式為：

3.3 圍堰結構數值模擬結果分析

1）面板和側板結果分析

由圖4 可知，當圍堰內抽水后，彎曲應力和剪應力最大的部位是圍堰底部與側板連接處。彎曲應力σmax=114 MPa＜[σ]（[σ] 為188 MPa），剪應力τmax=65 MPa＜[τ]（[τ]為110 MPa）。滿足鋼圍堰的結構要求。

圖4 面板和側板的剪應力圖（MPa）

2）水平斜桿結果分析

由圖5～圖6 可知，水平斜桿的應力組合和剪應力圖均滿足設計要求，其中水平斜桿應力組合最大值為123 MPa＜[σ]（[σ]為188 MPa），剪應力最大值為0.4 MPa＜[τ]（[τ]為110 MPa）。從數據分析來看，水平斜桿組合幾乎不承擔剪應力，用Q235B 鋼作為水平斜桿，會造成材料的浪費。

圖5 水平斜桿應力組合圖（MPa）

圖6 水平斜桿剪應力圖（MPa）

3）圍堰整體變形結果分析

圖7 為圍堰結構的整體變形。底部和上部變形最小，隔倉板和水平圈梁的位置變形較小，變形由外側向中心擴張，越來越大。變形最大的位置為側板中心處，最高達8 mm。從圖7 中的云圖可以明顯看出，面板有豎向隔倉板，將面板劃分成多個小方塊，變形由“方塊四邊”承擔，整體面板變形較小。而側板是整體的方塊，變形多由側板面承擔，因此中心處變形較大。在實際施工中，為避免側板中心處變形過大，可適當加設豎向支撐桿，分擔側板面上的變形。

圖7 圍堰整體變形（mm）

4）圍堰封底混凝土計算

圍堰封底混凝土厚度為3.5 m，封底混凝土參數：軸心抗拉強度ft=1 MPa，軸心抗壓強度fk=150 kPa。用MIDAS Civil2016 建立模型，其中控制水頭Δh和水頭產生的外荷載ΔP計算公式為：

建立的模型如圖8 所示。

封底混凝土應力如圖9 所示，封底混凝土最大有效應力為0.59 MPa＜[σt]=1 MPa，表明結構安全。

鋼護筒受力如圖10 所示，最大鋼護筒軸力為292 t，鋼護筒直徑為2.2 m，則抗壓強度fk=，滿足要求。

圖10 鋼護筒軸力圖（t）

3.3 圍堰結構數值模擬與現場監測對比分析

圖11 為現場監測與數值模擬的對比圖，從圖中可以看出，現場監測與數值仿真結果相似，數值仿真最大水平位移8 mm，現場監測最大水平位移為6 mm，因此數值仿真可為現場指導施工。

圖11 現場監測與數值仿真對比

4 鋼套箱圍堰施工關鍵技術

4.1 底節拼裝

1）底節拼裝平臺搭設

依據設計圖紙可知，在施工現場需搭設直徑d=529 mm 的鋼管樁40 根，在其上部布置型號為I32a的牛腿，布設位置在施工水位500 mm 處，進而在牛腿上部搭設型號為I32a 橫墊梁，從而形成拼裝平臺。在施工過程中，為提高拼裝及焊接圍堰的便利性，可采取鋪設木板的措施來搭設圍堰焊接施工平臺。使用履帶吊將鋼套箱底節（第四節）塊件吊裝，平板車運送至岸邊，再利用運輸船運至指定位置，在條件允許的情況下也可以利用棧橋進行運輸[11]。

2）底節鋼套箱拼裝

底節鋼套箱拼裝是在平臺上進行的，在平臺上準確放出各單元體的輪廓位置，使用浮吊將鋼套箱底節（第四節）塊件吊裝至拼裝平臺上。通過測量放樣預先在拼裝平臺上標出刃腳平面輪廓線，然后采用20 t 浮吊逐節進行預拼裝，第四節（底節）整體預拼完成后，再鎖定焊接。為了防止圍堰側翻，可用倒鏈內外固定在鋼管樁上；經10 d 左右拼裝施工，底節側板各節段合攏拼接，完成底節鋼套箱的拼裝。檢查焊接情況且確保抗滲性能良好后，填寫鋼套箱驗收合格報告，做好下水的準備[12]。

4.2 底節鋼套箱起吊下水

1）提升系統施工

底節鋼圍堰預拼裝完成后鎖定焊接時，即可開展提升系統的施工。提升系統由承重梁和扁擔梁兩部分組成，依托鋼管樁為承重柱，在鋼管樁上設置單層2I56a 作為承重梁，在每個承重梁上布設2 個100 t 的千斤頂，千斤頂上方設置2I40a 扁擔梁。利用千斤頂對扁擔梁的頂升和下落實現對鋼圍堰的調整。

2）鋼套箱底節下水

懸吊系統與鋼套箱連接安裝完畢后，經現場檢查無誤后，準備底節下水。利用提升系統吊住底節鋼套箱兩側吊點，起吊后，觀察一段時間，待穩定后便可拆除橫墊梁和牛腿。用千斤頂將底節鋼套箱緩緩下沉，最終使鋼套箱憑借自身浮力漂浮在水中。

4.3 鋼套箱中節接高

1）鋼套箱中節接高

中節鋼套箱拼裝，履帶吊可停放在棧橋及施工平臺上對鋼套箱實施接高吊裝工序。中節第三節拼接在底節鋼套箱上進行，先拼裝好一側后再旋轉拼裝好另外一側。可采取在已拼裝完成的鋼套箱對側灌水的措施實現鋼套箱整體平衡。中節鋼套箱接高完成后依據設計圖紙進行第一層、第二層內支撐構件的安裝。預先在加工廠對內支撐安裝件進行預制，采用運輸車將其送至現場；安裝過程中安裝人員應將螺栓安裝完整并及時緊固，不遺漏任一螺栓（見圖12）。

圖12 吊裝拼裝鋼套箱

2）中節下沉

第三層接高施工完成后下沉，采用向隔倉內灌水下沉法，灌水下沉鋼套箱至第三節鋼套箱頂面在距離水面上方1.5 m 左右處停止，然后用同樣的方法接高第二節鋼套箱，待第二節鋼套箱接高完成后不再進行下沉。

5 結語

本文以鋼套箱圍堰為研究對象，分析水中圍堰結構的受力特點和變形。以現場監測為基礎，建立數值仿真模型，分析實際工程中的重難點，得到以下結論。

1）圍堰結構的埋置深度和頂部水平位移并非呈正相關。圍堰結構頂部水平位移最大未超過7 mm，滿足設計要求。

2）圍堰頂部沉降量最終穩定在28 mm 左右，超出控制值，根據監測數據，在第14 d 采取控制措施最佳。

3）鋼套箱底節自重較大，底節鋼套箱的拼裝和下水可在承重梁上鋪放木板搭設焊接作業平臺。