基于雙壁鋼圍堰的特大橋主墩承臺施工方法

摘 要：基于雙壁鋼圍堰建設涉水特大橋主墩承臺，有利于在干環(huán)境中的結(jié)構(gòu)基礎施工，也是提高工程質(zhì)量的關鍵。為更好地發(fā)揮雙壁鋼圍堰的作用，本文結(jié)合某橋梁改建工程實例，分析了圍繞雙壁鋼圍堰實施的樁基基礎安裝、鉆孔灌注樁施工、支撐體系安裝、圍堰下放與承臺鋼板樁施工、封底混凝土澆筑與施工收尾等工序的技術(shù)特點。通過構(gòu)建雙壁鋼圍堰的有限元模型，對橋梁結(jié)構(gòu)部位承力進行了驗算，為判斷技術(shù)方案是否合理提供了理論支持。

關鍵詞：雙壁鋼圍堰；涉水特大橋；主墩承臺；有限元模型

中圖分類號：U 44" 文獻標志碼：A

疊合梁斜拉橋是涉水特大橋經(jīng)常采用的一種結(jié)構(gòu)形式，廣泛應用在很多工程項目中。這種橋梁以鋼結(jié)構(gòu)為主梁，混凝土結(jié)構(gòu)橋面在主墩承臺的支撐下發(fā)揮更大的抗風拉載荷能力。主墩承臺的質(zhì)量直接影響橋梁整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，屬于重要的質(zhì)量控制項目[1]。但是，受限于在涉水環(huán)境中進行施工作業(yè)，主墩承臺的建設具有工序復雜、風險因素多等困難。為克服這些難題，雙壁鋼圍堰被引入主墩承臺的施工中。雙壁鋼圍堰在主墩承臺施工中發(fā)揮雙重作用，既能阻水提供干作業(yè)環(huán)境，又能作為承臺封底混凝土澆筑的模板，提供力學支撐[2]。因此，探索基于雙壁鋼圍堰的涉水特大橋施工方法對提高疊合梁斜拉橋建設水平具有重要意義。

1 橋梁工程項目概況

本文將廣州市某大橋擴建項目作為研究對象。擴建后的大橋是五跨連續(xù)半浮動疊梁式斜拉橋，全長2080m，寬14.5m，采用30+95+305+110+30m的雙塔、雙索面結(jié)構(gòu)形式[3]。該大橋采用八邊形風格設計，C40混凝土澆筑的主墩承臺，其中承臺橫橋向?qū)挒?9.40m，順橋向?qū)挒?7.40m，厚為4.50m。為強化主墩承臺的承力性能，采用上段直徑為2.1m、下段直徑為1.8m的22根變截面鉆孔灌注樁、“梅花”形布局構(gòu)建基礎。承臺下設置厚度為2.5m的封底混凝土。

2 基于雙壁鋼圍堰的主墩承臺施工方法設計

2.1 雙壁鋼圍堰施工特點分析

雙壁鋼圍堰是一種常見的機械結(jié)構(gòu)形式，在涉水特大橋建設施工中經(jīng)常起到止水、營造干環(huán)境的作用[4]。這種結(jié)構(gòu)分塊加工制作、分塊拼裝，使用操作簡單。雙壁鋼圍堰的側(cè)向剛度大于橫向剛度，具有良好的承受擠壓力的性能，適用于深水區(qū)主墩承臺施工作業(yè)。

在該大橋建設項目中，選擇雙壁鋼圍堰用于工程施工，除了圍堰自身的特點外，還考慮到以下幾種特殊情況。1）該橋梁的主墩承臺左側(cè)部分封底混凝土嵌入強風化泥巖中，施工中需要將部分強化風化泥巖鑿除，因此需要營造干環(huán)境的機械結(jié)構(gòu)具有強大的支撐力。2）橋位設計最高水位+7.68m、封底混凝土底面標高-9.70m，高差為17.38m，這種明顯的高度差別要求支撐的機械結(jié)構(gòu)具有良好的穩(wěn)定性。3）封底混凝土底面部分位于透水性強、承受水浮力荷載大的覆蓋層內(nèi)，這對營造的干環(huán)境的質(zhì)量提出了較高要求。基于以上原因，與單壁鋼圍堰或者鋼板樁圍堰相比，雙壁鋼圍堰都是最理想的選擇。因此，在施工中，圍繞雙壁鋼圍堰設計工程項目建設方案。

2.2 基于雙壁鋼圍堰的技術(shù)方案

在該大橋項目建設中，根據(jù)雙壁鋼圍堰進行主墩承臺施工。雙壁鋼圍堰既可以發(fā)揮擋水作用、營造施工干環(huán)境，又可以發(fā)揮結(jié)構(gòu)支撐作用[5]。為最大化雙壁鋼圍堰的雙重作用，選用的施工技術(shù)方案如圖1所示。

在圖1中，主要工序按照施工流程的先后分別實施。為縮短工期、提高建設效率，雙壁鋼圍堰下放與承臺鋼板樁分層施工、封底混凝土澆筑與部分施工收尾工作分別交替進行。

2.3 關鍵工序技術(shù)方法特點分析

2.3.1 安裝樁基基礎

在該大橋項目中，確定樁基基礎采用整體鉆孔鋼結(jié)構(gòu)平臺形式。鋼結(jié)構(gòu)平臺在材料廠房內(nèi)制作并運送至施工現(xiàn)場安裝。鋼結(jié)構(gòu)平臺主體采用SP-IV型鋼板制作，整體結(jié)構(gòu)尺寸為42.56m×14.65m。

為配合鋼結(jié)構(gòu)平臺的安裝，施工現(xiàn)場提前規(guī)劃好鋼結(jié)構(gòu)立柱、橫梁和縱梁的安裝位置。按照先立柱、再橫梁和縱梁的順序打樁完成后，利用吊車對鋼結(jié)構(gòu)平臺進行吊裝，在安裝過程中根據(jù)水平度和垂直度測量結(jié)果實時調(diào)整方位，保證安裝誤差符合技術(shù)指標的要求。

2.3.2 鉆孔灌注樁施工

鉆孔灌注樁施工主要由技術(shù)準備和技術(shù)實施兩部分組成。其中，技術(shù)準備是對承臺周邊粉質(zhì)黏土覆蓋層及強風化泥巖進行清除。在清除過程中需要控制好深度，在承臺范圍內(nèi)應該清除至封底混凝土底部（-9.70m），在圍堰范圍內(nèi)應該清除至鋼圍堰底部（-10.20m）。粉質(zhì)黏土覆蓋層利用抓鏟挖掘機挖除，強風化泥巖利用旋挖鉆機清除。技術(shù)實施主要是鉆孔灌注樁的制備。原材料的配比及技術(shù)參數(shù)見表1。

當應用表1中的原材料進行鉆孔灌注樁施工時，須及時對管壁進行注水潤滑。同時，漿體隨鉆孔深度的增加連續(xù)注入，增設引流裝置及時將溢出的泥漿重新引入泥漿池。漿體注入完畢后，采用深挖法埋設護筒，利用吊車將護筒放入灌注樁孔內(nèi)進行灌注施工。灌注時首批砼方量的計算過程如公式（1）所示。

V=D（h1+h2）2π/4+d（h1+h2）2π/8 （1）

式中：V為首批砼方量，m3；D為樁孔直徑，m；h1和h2分別為樁孔底與孔底的差距以及護筒埋深，m；d為導管內(nèi)徑，m。

由公式（1）可以看出，V由h1和h2共同決定。在該工程項目的實施過程中，h1和h2的處于連續(xù)變化的過程中，因此V的變化過程如圖2所示。圖2（a）是V隨h1變化的情況，圖2（b）是V隨h2變化的情況。

2.3.3 安裝支撐體系

當護筒吊裝進入灌注樁孔內(nèi)時，需要在其外部加裝支撐體系以達到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的目的。支撐體系采用主副筋十字交叉的鋼筋籠結(jié)構(gòu)，主筋間距偏差±8mm，接頭錯開布置，副筋采用點焊方式連接。每個鋼筋籠與樁孔利用電焊焊接成型，避免在灌漿過程中浮動。

2.3.4 下圍堰與承臺鋼板樁施工

為同時發(fā)揮干環(huán)境營建與支撐結(jié)構(gòu)的作用，雙壁鋼圍堰的幾何尺寸與灌注樁、承臺鋼板樁互相匹配。圍堰總高度為18.5m，如圖3所示，分3節(jié)制作，從上向下高度分段為5.0m+6.0m+7.5m。

雙壁鋼圍堰采用10mm的Q235B型鋼板作為連接板，采用14mm同型鋼板作為橫隔板，其余結(jié)構(gòu)參數(shù)及說明見表2。

拼裝完成后的雙壁鋼圍堰在施工現(xiàn)場利用起重船進行整體吊裝。在吊裝過程中，吊臂角度控制在60°內(nèi)，船舷與輔助平臺鋼管立柱間距約為1.2m，單個圍堰布設4個吊點且沿對角均勻分布，單個吊點最大起重設計為≥150t。吊裝高度超過平臺頂面后可平移下放，直至套進護筒內(nèi)且下放至設計標高為止。

雙壁鋼圍堰下放施工完成后，進行承臺鋼板樁施工。作為主承力構(gòu)件，采用剛性連接承臺鋼板樁內(nèi)鋼管支撐與圍檁間。全線采用長8m咬扣鋼板樁，利用震動錘機進行施打作業(yè)。在施打過程中，隨時觀測樁入孔深度，根據(jù)深度的不同動態(tài)調(diào)整振動的力度和速度。樁入孔完畢后，將多個鋼板組成的聯(lián)合結(jié)構(gòu)體吊裝至樁基礎上，利用螺栓固定并用電焊進行焊接，使鋼板與樁基礎成為一個整體。

2.3.5 封底混凝土澆筑與施工收尾

承臺封底位于水面以下，采用標號C35水下混凝土澆筑成型。為加快施工進度，封底利用多點并行的方法進行澆筑施工，共規(guī)劃41個澆筑點且單個主墩承臺澆筑方量為592.5m3。封底混凝土澆筑分兩次進行，第一次采用一次成型技術(shù)共澆注2.2m，51m3。將圍堰內(nèi)部抽水后再干封第二層0.3m，約71m3。當澆注時，按由中間向四周逐漸推進順序澆注。在開灌過程中，每隔30min對已經(jīng)開罐完畢的導管進行補料，補料時間一般為5min，直至達到設計標高。

施工收尾工作主要為拆除各種臨時性結(jié)構(gòu)。包括主墩承臺施工時的各種預埋件，包括塔柱預埋筋、勁性骨架、塔吊電梯基礎預埋板、套箱懸掛預埋平板橡膠板、下橫梁及施工支架預埋板、沉降觀測點以及防雷鋼筋等，都需要被移除，為后續(xù)工序施工創(chuàng)造良好環(huán)境條件。

3 雙壁鋼圍堰結(jié)構(gòu)強度驗算

3.1 結(jié)構(gòu)強度驗算有限元模型

在大橋項目施工的過程中，為確保雙壁鋼圍堰始終能發(fā)揮預期的結(jié)構(gòu)強度承力作用，對圍堰的結(jié)構(gòu)強度進行模擬分析。采用大型通用有限元軟件Midas Civil建立雙壁鋼圍堰有限元模型進行分析計算，其中靜水壓力采用軟件中“流體壓力荷載”形式加載，流水壓力采用“壓力荷載”形式加載。制作完成的雙壁鋼圍堰有限元模型如圖4所示。

3.2 結(jié)構(gòu)強度驗算結(jié)果及分析

在主墩承臺澆筑的過程中，當圍堰內(nèi)灌注填芯混凝土至-2.70m時，水下封底混凝土澆筑完成，圍堰內(nèi)抽水。在此工況下，圍堰內(nèi)外水位高差為15.13m。選擇這種工況下的圍堰結(jié)構(gòu)強度進行有限元分析，計算圍堰各構(gòu)件承力水平和變形量，結(jié)果見表3。

由表3可以看出，基于有限元模型的計算結(jié)果，在荷載作用下雙壁鋼圍堰各結(jié)構(gòu)部位承受的最大組合應力均＜16mm的Q235B鋼材的抗彎強度設計值為215N/mm2，滿足規(guī)范要求。由此可見，在特殊工況下對雙壁鋼圍堰的結(jié)構(gòu)強度進行驗算，可以預先判斷圍堰的強度指標是否滿足技術(shù)規(guī)范的要求，從而確定圍堰施工技術(shù)是否合理。

4 結(jié)語

雙壁鋼圍堰越來越廣泛應用于涉水特大橋項目建設的過程中，對提高橋梁建設質(zhì)量具有重要作用。應用圍繞雙壁鋼圍堰，在擬定橋梁施工方案的過程中，需要做好樁基基礎安裝、鉆孔灌注樁施工、支撐體系安裝、圍堰下放與承臺鋼板樁施工、封底混凝土澆筑與施工收尾等工序設計。在工序?qū)嵤┲校瑯?gòu)建雙壁鋼圍堰的有限元模型并進行結(jié)構(gòu)部位承力驗算與分析，是判斷技術(shù)方案是否合理的關鍵。因此，根據(jù)雙壁鋼圍堰對涉水特大橋主墩承臺建設方法進行研究，可以為同類工程項目提供參考。

參考文獻

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